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双擎卡罗拉THS技术控制篇(一)
混合动力汽车是由机电部件组成的复杂系统,其性能受到很多学科交叉又内在联系的因素的影响,如现代控制技术和控制策略在混合动力技术中起着重要作用.混合动力汽车的总体目标就是尽可能的提高燃油经济性和减少排放量,为了实现这个目标,一些关键的系统变量必须进行最优化的管理,包括系统主要的能量流、能量功率的可用性、子系统的温度以及发动机和电动机的动力学特性.本文将以丰田双擎卡罗拉THS-II系统为例,对混合动力汽车的一些典型工况和控制问题进行分析介绍.
一、不同工况下混合动力系统工作状况
双擎卡罗拉THS-II系统属于混联式输入功率分流型混合动力系统.该系统采用了丰田汽车公司具有发明专利的双排行星齿轮机构的混合动力车辆传动桥,传动桥能实现电动无级变速功能CVT -(Eleetriccontinuously Variable TranissionE),构型简图如图1所示.
从构型图中可以看出,发动机通过扭转减振阻尼器与前排行星架相连,前排太阳轮与电机MG1相连,后排太阳轮与电机MG2相连,后排行星架固定,因此电机MG2将动力以固定传动比传输给后排齿圈.而前排齿圈与后排齿圈相连为复合齿圈,动力在此处实现耦合,然后一起输出给中间轴减速齿轮组至车轮,图2为THS-II双排行星齿轮杠杆模型.
这种传动桥在上一代THS传动桥的基础上增加了一个后排行星齿轮机构,由原来的四轴结构变为三轴结构,结构更加紧凑.MG2输出扭矩通过后排行星齿轮机构减速增扭作用,显著提高了驱动电机的扭矩输出能力.
传动桥复合齿轮处的输出转速和扭矩可以用列线图(杠杆图)来表示,如图3传动桥行星齿轮列线图所示.
通过列线图直观地反映行星齿轮机构的转速和扭矩的矢量关系,从而可以判断电机MG1、MG2的工作状态(驾驶工况),并且根据故障发生时存储的FFD(定格数据),分析在何种驾驶工况.列线图的纵轴表示旋转方向和转速,纵轴的间距表示传动比.箭头表示扭矩方向(如果MG1和MG2的旋转方向和扭矩方向相同,则系统处于放电状态,作为电动机工作.如果方向相反,则系统处于充电状态,作为发电机工作).
了便于对混合动力系统的控制策略研究分析,下面按照车辆启动、起步、加速、匀速、滑行、减速/制动和倒车驾驶工况进行试验,获得各动力部件的工作状况数据.
1.发动机启动
将车辆选挡杆置于P挡位,电源开关处于ON位置,仪表显示屏上绿色READY指示灯点亮,此时如果HV蓄电池SOC在目标控制值范围,发动机处于停止状态.如果HV蓄电池放电(如使用空调等电负荷),SOC降到40%以下,MG1作为电动机拖动发动机到1 200r/min左右,发动机开始喷油启动,发动机启动后,发动机动力用于驱动MG1运转发电,对HV蓄电池进行充电,SOC达到50%以上状态,发动机停止工作.发动机启动充电动力流分配(图4),图5为发动机启动充电时的数据流.
2.车辆起步
车辆起步时,发动机停止工作,由MG2拖动车辆,MG1随动不产生扭矩(电机零扭矩控制如图6所示,由于电机MG1处于旋转状态,会产生电压,如果电压高于电源电压,从而有电流流动,为使电机MG1产生的电压偏置,逆变器将IGBT切换至ON状态,防止电流流动,电机MG1无扭矩输出).
当功率需求达到一定值时,MG1立即拖动发动机启动.然后MG1发电供给MG2电能或向HV电池充电.根据电池SOC的不同,发动机启动的时刻也不同.车辆起步工况,THS处于串联模式.动力流分配如图7所示,图8是车辆起步时的数据流.
3.加速
随着加速踏板瞬间开度的加大,由发动机和MG2产生的动力共同拖动车辆加速.由于MG2的助力作用,在发动机转速突变的过程中基本不存在瞬态加浓过程,仍旧运行的最佳油耗线上,在而MG1一直处于发电状态,增加MG2的扭矩.车辆加速,THS处于并联模式.动力流分配如图9所示,图10是车辆加速时的数据流.
4.匀速
图11是车辆100km/h匀速工况数据流.由于此时的HV电池SOC为61.56%,电池充电需求为零,车辆功率需求恒定.而MG1作为调速电动机调整发动机的工况点和扭矩分配.而MG2正向旋转为发电机,产生电能供给MG1运转.在车辆匀速行驶时,HV电池是否充电首先取决于SOC,另外与MG2转速和输出电压有关,这是THS的“特异模式”.车辆匀速工况动力流分配如图12所示.
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