基于矢量法的丰田普锐斯混合动力轿车驱动系统分析*

2018-07-11侯国强

机械研究与应用 2018年3期

侯国强, 陈　娟, 王　新

(天津职业大学汽车工程学院, 天津　300410 )

0　引　言

随着全球矿物燃料资源的短缺和环境污染的日益严重，新能源轿车成为今后汽车工业发展的趋势。1997年日本丰田汽车公司推出了世界上第一款量产混合动力车型——丰田普锐斯(PRIUS Hybrid)轿车，截至目前共生产了4代。它具有节省燃油、降低排放的显著优势。

矢量法是对行星齿轮机构进行运动学分析的方法之一，其形象直观、简单易懂[1]。通过运用矢量法分析丰田普锐斯混合动力轿车驱动系统各工作状态，并与传统燃油轿车对比，从而研究了丰田普锐斯混合动力轿车的节油原理。

1　丰田普锐斯混合动力轿车简介

混合动力汽车又称油电混动汽车，它采用传统内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统驱动车辆，最终实现节省燃料和降低排放的目的。丰田普锐斯混合动力轿车于1997年上市， 2015年第四代丰田普锐斯混合动力轿车开始进入市场，其采用全时四轮驱动(AWD)，发动机最大热效率达40%，因此动力更强，油耗更低。其混动模式下百公里油耗仅为2.5/L，远低于同排量传统燃料轿车燃油消耗量。第四代丰田普锐斯混合动力轿车超低油耗的实现主要得益于两大核心技术：第一、2ZR-FXE1.8升阿特金森循环发动机；第二、THS Ⅲ混合动力驱动系统。

2　矢量法的基本原理

矢量法又称速度图解法，它将行星齿轮机构三基本元件——太阳轮、行星架和齿圈的角速度转动情况简化为点的线速度矢量图，从而使行星齿轮机构各元件运动学分析更加形象、直观和简便。

在线速度矢量图上，分别用横坐标上的三个点表示行星齿轮机构的三基本元件，各点间距离与三元件齿数成比例，过各点的线速度矢量即为对应元件的角速度。线速度矢量指向纵坐标正向时表示该元件正向旋转，反之；线速度矢量的绝对值表示元件角速度的大小。

行星齿轮机构转动时，可分为两种情况：①单输入：即三元件中，一个为输入件，另一个为制动件，第三个元件为输出件；②双输入：即三元件中，两个为输入件，第三个为输出件，整个行星排无制动件。下面通过图1和图2，介绍矢量法的基本原理。

图1(a)中太阳轮为制动件，行星架正向输入，齿圈输出。因太阳轮被制动，故太阳轮线速度矢量为零；行星架正向输入，其速度矢量为竖直向上；连接太阳轮和行星架速度矢量末端并延长，即可得齿圈线速度矢量如图所示。由图可知，齿圈转动情况为正向增速。图1(b)中行星架为制动件，太阳轮正向输入，齿圈输出。因行星架被制动，故行星架线速度矢量为零；太阳轮正向输入，其速度矢量为竖直向上；连接太阳轮和行星架速度矢量末端并延长，即可得齿圈线速度矢量图。由图可知，齿圈转动情况为反向减速。单排行星齿轮机构其它单输入情况与此类似，限于篇幅所限，在此不做赘述。

图2(a)中太阳轮和行星架正向输入，齿圈为输出件，连接太阳轮和行星架线速度矢量末端并延长即可得齿圈线速度矢量图，由图知齿圈正向加速；图2(b)为双输入的特殊情况，即行星齿轮机构中，当两元件转速相同时，第三个元件的转速也相同。双输入其它情况与此类似，在此不再赘述。

图1　行星排单输入矢量图

图2　行星排双输入矢量图

3　丰田普锐斯混合动力驱动系统

3.1　丰田普锐斯混合动力驱动系统概述

丰田普锐斯混合动力系统又称THS系统(Toyota Hybrid System)，与第二代THS系统(THSⅡ)相比，THS Ⅲ系统结构基本组成未变，但具体布置不同。在THS Ⅲ系统中，驱动电机MG2布置在行星齿轮装置另一侧，与电动发电机MG1平行，并通过平衡轴齿轮与减速机构相连。其结构更加紧凑，长度仅为362 mm，同时零件数量减少，机械损耗也下降了20%。

THS Ⅲ系统主要由发动机、电动发电机MG1、行星齿轮机构PSD、驱动电机MG2、HV蓄电池等组成[2]。各部件主要作用及逻辑关系为：发动机驱动车轮转动或电动发电机MG1发电；电动发电机MG1既可以为驱动电机MG2供电和HV蓄电池充电，又可以作为起动机启动发动机；驱动电机MG2主要接收来自电动发电机MG1或HV蓄电池的电能驱动车轮行驶，同时又可以被车轮驱动从而实现制动能量回收；HV蓄电池为电动发电机MG1、驱动电机MG2供电，同时又可存储由它们发出的电能。

THS Ⅲ系统各部分之间结构关系如图3所示。

图3　THS Ⅲ系统各部分机构关系

由图3可知，在丰田普锐斯混合动力驱动系统中，发动机相当于行星齿轮机构PSD的行星架PC，电动发电机MG1相当于太阳轮S，驱动电机MG2相当于齿圈。因此丰田普锐斯混合动力驱动系统状态分析可转化为行星齿轮机构的分析。

3.2　丰田普锐斯混合动力驱动系统工作状态分析

丰田普锐斯混合动力驱动系统主要有以下七种工作状态：①停车POWER开关ON状态；②车辆启动READY状态；③发动机微加速状态；④低负荷巡航状态；⑤节气门全开加速状态；⑥制动减速行驶状态；⑦倒车状态。

其中①和②状态对应传统燃料汽车的怠速工况，③状态对应起步工况，④状态对应小负荷工况，⑤状态对应大负荷工况，⑥状态对应制动减速工况，⑦状态对应倒车工况。

下面运用矢量法，据图分析丰田普锐斯混合动力驱动系统各工作状态下的工作情况。

(1) 停车POWER开关ON状态分析

停车POWER开关ON状态时将经历“发动机被起动”和“发动机起动后发电”两个过程。

图4是停车POWER开关ON状态发动机被起动时，普锐斯混合动力驱动系统工作情况，下面将据图进行详细分析。图4(a)为能量流向图，由图可知，HV蓄电池向电动发电机MG1供电，此时电动发电机MG1作为起动机正向转动从而起动发动机；同时为防止电动发电机MG1(即太阳轮)的反作用力转动驱动电机MG2(即复合齿圈)并驱动车轮，此时驱动电机MG2将会接收HV蓄电池发出的电流以施加制动，此功能叫做“反作用控制”。图4(b)为运动矢量图，其中线速度值为正表示正向转动，反之；线速度矢量竖直向上表示该部件为主动件，向下则表示被驱动。因此由图4(b)可知，电动发电机MG1正向主动转动，发动机正向减速转动被起动，驱动电机MG2被制动。

图5是停车POWER开关ON状态发动机起动后发电，普锐斯混合动力驱动系统工作情况。结合图5(a)、(b)可知，此时发动机完成起动后，正向主动运转，电动发电机MG1的驱动电流将会被停止，电动发电机MG1在发动机驱动下正向增速转动发电，从而为HV蓄电池充电。

图4　停车POWER开关ON状态发动机被起动

图5　停车POWER开关ON状态发动机起动后发电

(2) 车辆启动READY状态

① N档位状态

当换挡杆位于N档时，档位传感器会向控制单元输送N档位信号，变频器总成中连接电动发电机MG1与MG2的所有绝缘栅双极型功率晶体管断开，此时电动发电机MG1与MG2关闭，从而使汽车车轮的动力为零，最终切断动力。这种状态下，即使发动机带动电动发电机MG1旋转或驱动车轮带动电动发电机MG2旋转，由于此时电动发电机MG1/MG2处于非工作状态，混合动力系统中不产生电能。因此，当车辆处于N档位时，HV蓄电池充电状态将下降，即车辆行驶过程中不宜选择N档位。

② 车辆起步

通常车辆起步时加速踏板开度并不大，此时发动机不运行，主要由HV蓄电池向电动发电机MG2供电驱动车辆行驶，电动发电机MG1反向旋转而不发电，如图6所示。

图6　车辆起步加速踏板开度不大

当电动发电机MG2工作过程中，加速踏板开度加大需要增加更多驱动扭矩时，电动发电机MG1将启动。同样，如果电源控制ECU模块监测的项目与规定范围有偏差时，如图7所示，将控制电动发电机MG1启动发动机。车辆起步后，发动机停止运转时电动发电机MG1反向空转。当电源控制ECU启动控制模块，如图8所示，电动发电机MG1只需要以比较低的转速正向旋转，发动机就会被启动。电动发电机MG1由反方向空转变为正向旋转时，需要有一个间断停顿方可实现。

图7　车辆起步加速踏板开度增加穷发动机

如图8所示，已经启动的发动机将使电动发电机MG1作为发电机为HV蓄电池充电。

图8　车辆起步发动机起动后发电

(3) 发动机微加速状态

如图9所示，发动机微加速状态时，一部分动力直接输出到驱动车轮，另一部分动力带动电动发电机MG1发电。通过变频器总成一系列的调整和转换，电力被传输到电动发电机MG2，驱动电动发电机MG2从而输出动力，此时主要是电动发电机MG1提供电力，HV蓄电池会停止提供电力。

图9　发动机微加速状态

(4) 低负荷巡航状态

如图10所示，车辆以低负荷巡航时，发动机动力由行星齿轮组分配。其中一部分动力直接对车轮输出，另一部分动力用于电动发电机MG1发电。通过变频器总成一系列的调整和转换，电力输送到电动机MG2用于作为电动机MG2的输出动力。

图10　低负荷巡航状态

(5) 节气门全开加速

如图11所示。此时系统将在保持电动发电机MG2动力的基础上，额外增加HV蓄电池的电力。电动发电机MG1与发动机以及电动发电机MG2的转速同时都在增加。在车辆的这种使用状态下，发动机是车辆的主要动力来源，发动机转速越高，电动发电机MG1在增速状态下发电量也较高，电动发电机MG2得到的电量也会增大，而电动发电机MG2能量消耗的加剧又导致了发动机的负荷被加大。因此对于混合动力车辆来说，这种状态运转时，车辆油耗最大，并不是混合动力汽车的优势所在。

图11　节气门全开加速状态

(6) 制动减速行驶状态

制动减速行驶状态分“D”档减速和“B”档减速两种情况。

① “D”档减速

如图12所示，车辆以D挡减速行驶时，发动机停止工作。车轮驱动电动机MG2，使电动机MG2作为发电机运行，为HV蓄电池充电。当车辆从较高速度开始减速时，发动机将以预定速度继续工作，保护行星齿轮组。

图12　“D”档制动减速

(2) “B”档减速

如图13所示，车辆以B挡减速行驶时，发动机燃油供给被切断。车轮驱动电动机MG2，使电动机MG2作为发电机工作，为HV蓄电池充电。同时还为发电机MG1供电。这样，MG1使发动机保持转速并施加发动机制动。

图13　“B”档制动减速

(7) 倒车状态

① 车辆倒车

车辆倒车时，原则上仅由电动发电机MG2为车辆提供动力，在SOC充电状态正常的情况下发动机不运转。此时电动发电机MG2正向旋转，发动机不运转，电动发电机MG1正向增速旋转但并不对外发电，如图14所示。

图14　“B”档制动减速

② 启动发动机

车辆倒车时，如果电源控制模块监视的任何项目与规定值有偏差，电动发电机MG1将被启动进而启动发动机。电动发电机MG1需要从正向增速的空转状态提高转速转变为驱动状态才能够启动发动机。发动机启动后，电动发电机MG1立即被切断驱动电流转变为发电状态，此时由于复合齿轮(即MG2)反向旋转，因此发动机的转速不需要很高，电动发电机MG1就能以正向高转速对外发电，如图15、16所示。