王夢(mèng)瑤，尤明福，侯國強(qiáng)

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

0 引言

在人們?nèi)找骊P(guān)注環(huán)保的今天，普銳斯因革命性地降低了車輛的燃油消耗和尾氣排放，成為了全球第一款最成功的環(huán)保車型。首先介紹了豐田第二代混合動(dòng)力系統(tǒng)的組成和功能及普銳斯混合驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后運(yùn)用形象直觀、易于理解的杠桿法詳細(xì)分析了普銳斯混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在6種代表性工況下的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。

1 豐田第二代混合動(dòng)力系統(tǒng)的組成及功能

豐田普銳斯是一種由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的混聯(lián)型混合動(dòng)力汽車，它采用了豐田第二代混合動(dòng)力系統(tǒng)THS－II，其主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)、HV蓄電池、兩臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)、動(dòng)力分配行星組件、變頻器總成等五大部分組成［1］。

該系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)靈活地在電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力源之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換［2］。當(dāng)車輛怠速或低負(fù)荷行駛時(shí)，該系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為純電動(dòng)模式(EV模式)使發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)僅依靠HV蓄電池為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，從而減少燃油消耗。當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，該系統(tǒng)能使發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于最佳工況，從而改善傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)因工況變化頻繁而導(dǎo)致的消耗燃油增多、排放惡化、升功率不穩(wěn)定等不良情況，同時(shí)還能向HV蓄電池儲(chǔ)備剩余能量。當(dāng)車輛減速或制動(dòng)時(shí)，該系統(tǒng)能使發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)同時(shí)利用車輪此時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)反向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能向HV蓄電池充電從而達(dá)到回收能量的目的。因此，該系統(tǒng)一方面使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于最佳工況以便于有效地應(yīng)用來自汽油的能量;另一方面能夠在減速和制動(dòng)過程中回收能量并存儲(chǔ)到HV蓄電池中，從而提高能量的利用率、減小尾氣排放。

2 普銳斯混合驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

普銳斯混合動(dòng)力系統(tǒng)采用P410混合驅(qū)動(dòng)橋，其主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)、兩臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1、MG2和動(dòng)力分配行星組件組成，如圖1所示［3］。動(dòng)力分配行星組件既巧妙地將發(fā)動(dòng)機(jī)和兩臺(tái)電動(dòng)發(fā)電機(jī)連接起來又能夠完成發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1、MG2運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力分配和發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的功能，是系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分。

豐田第二代混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)橋總成結(jié)構(gòu)示意圖

3 利用杠桿法對(duì)動(dòng)力分配行星組件的簡化

由圖1可知，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1驅(qū)動(dòng)動(dòng)力分配行星組件的太陽輪，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)其行星架，動(dòng)力分配行星組件和電機(jī)減速行星組件共用同一齒圈。電機(jī)減速行星組件的行星架固定，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速行星組件的太陽輪，為便于分析，可以看作電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2經(jīng)過一次減速增扭后驅(qū)動(dòng)動(dòng)力分配行星組件的齒圈。因此混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)橋總成各組件之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系經(jīng)簡化可以用一個(gè)單行星排的模擬杠桿來表示。一個(gè)單行星排由太陽輪、行星架、齒圈等三個(gè)基本構(gòu)件和行星輪組成。根據(jù)單行星排的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將其等效成一個(gè)垂直的杠桿和3個(gè)節(jié)點(diǎn)，杠桿3個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置由齒圈齒數(shù)和太陽輪齒數(shù)之比K確定［4］。如圖2(a)所示，其中過節(jié)點(diǎn)的水平線段的長度表示構(gòu)件的轉(zhuǎn)速，線段相對(duì)于垂直杠桿的位置表示構(gòu)件的轉(zhuǎn)向，當(dāng)線段位于杠桿右側(cè)時(shí)表示構(gòu)件正轉(zhuǎn)，反之。

普銳斯混合動(dòng)力系統(tǒng)采用兩個(gè)電動(dòng)發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同驅(qū)動(dòng)車輛，所以動(dòng)力分配行星組件中存在著雙輸入的情況，打破了傳統(tǒng)自動(dòng)變速器行星排中始終有一個(gè)構(gòu)件被鎖止的慣例。因此本文在傳統(tǒng)杠桿法的基礎(chǔ)上添加一些箭頭來說明電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1、MG2的充放電狀態(tài)以及與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的主從動(dòng)關(guān)系。箭頭方向指向垂直杠桿時(shí)表示主動(dòng)輸入，箭頭方向背向垂直杠桿時(shí)表示從動(dòng)輸出。電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1、MG2主動(dòng)輸入時(shí)作為電動(dòng)機(jī)消耗電能，從動(dòng)時(shí)作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。如圖2(b)清楚的表示了三構(gòu)件轉(zhuǎn)速方向相同，且齒圈與行星架主動(dòng)輸入(即電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2作為電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛)，同時(shí)太陽輪被動(dòng)輸出(即電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能)。

圖2 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)橋模擬杠桿圖

4 普銳斯混合動(dòng)力系統(tǒng)工作狀態(tài)的分析

4.1 車輛停止發(fā)動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)工況

車輛停止時(shí)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)不工作。當(dāng)電源控制ECU模塊監(jiān)測(cè)到SOC充電狀態(tài)過低或電載荷過大不符合條件需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，電源控制ECU模塊向主ECU發(fā)出信號(hào)控制電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1運(yùn)轉(zhuǎn)從而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)殡妱?dòng)發(fā)電機(jī)MG2處于靜止?fàn)顟B(tài)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1驅(qū)動(dòng)太陽輪正向旋轉(zhuǎn)，所以行星架連接發(fā)動(dòng)機(jī)作正向減速輸出運(yùn)動(dòng)即發(fā)動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)，如圖3(a)所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)的期間，為防止電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2將接收電流以施加制動(dòng)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成后電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)立即被切斷，此時(shí)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2仍然靜止，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)行星架輸入太陽輪正向增速輸出，即電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1被驅(qū)動(dòng)并作為發(fā)電機(jī)對(duì)HV蓄電池進(jìn)行充電，如圖3(b)所示。

圖3 車輛停止發(fā)動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)工況

4.2 車輛低負(fù)荷工況

車輛發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況時(shí)處在高油耗、高排放污染區(qū)域，而普銳斯混合動(dòng)力汽車的EV模式能夠僅利用由HV蓄電池向電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2提供的電能驅(qū)動(dòng)車輛行駛。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)不運(yùn)行加速踏板開度不大，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1反向旋轉(zhuǎn)但不發(fā)電，如圖4所示。當(dāng)電源控制ECU模塊監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目與規(guī)定范圍有偏差或加速踏板開度加大需要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供更多的驅(qū)動(dòng)扭矩時(shí)，主ECU便控制HV蓄電池向電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1供電使其以較低轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)從而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖5所示。首先電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)圖示此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)正向旋轉(zhuǎn)，車速的高低決定了電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)MG1正向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速大小;然后當(dāng)電源控制ECU模塊接收到發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)后會(huì)立即切斷電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1的驅(qū)動(dòng)電流，已經(jīng)啟動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1正向旋轉(zhuǎn)從而將其轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)對(duì)HV蓄電池進(jìn)行充電。

圖4 車輛低負(fù)荷工況

圖5 車輛低負(fù)荷工況行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)

4.3 車輛正常行駛工況

車輛在正常行駛狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2一同驅(qū)動(dòng)。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，一部分動(dòng)力直接輸出到驅(qū)動(dòng)車輪，剩余的動(dòng)力帶動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1作為發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過變頻器總成一系列的調(diào)整和轉(zhuǎn)換電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2從而輸出動(dòng)力［5］，如圖6所示。當(dāng)HV蓄電池的電量少時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率會(huì)被提高帶動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1加大發(fā)電量向HV蓄電池充電。當(dāng)車輛由正常行駛狀態(tài)進(jìn)入巡航狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1的轉(zhuǎn)速可以有所下降，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)可以在較低的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速下工作從而提高了車輛的經(jīng)濟(jì)性，如圖6中虛線所示。

4.4 車輛大負(fù)荷行駛工況

如圖7所示，系統(tǒng)將在車輛正常行駛工況的控制基礎(chǔ)上額外增加HV蓄電池的電力。在車輛的這種使用狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)升高是車輛的主要?jiǎng)恿碓?，同時(shí)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1和電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)速也將增加。此時(shí)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1在增速狀態(tài)下發(fā)電量增大，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2消耗的電量也會(huì)增大其能量消耗加劇的結(jié)果還是加大了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。對(duì)于混合動(dòng)力車輛來說，在這種狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)車輛的油耗是最大的并不是混合動(dòng)力汽車的優(yōu)勢(shì)所在。

圖6 車輛正常行駛工況

圖7 車輛大負(fù)荷行駛工況

4.5 車輛制動(dòng)減速行駛工況

當(dāng)車輛以D擋位減速行駛時(shí)，車輪將驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2作為發(fā)電機(jī)向HV蓄電池充電，車速越高發(fā)電量越大。當(dāng)車輛從較低速度開始減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作動(dòng)力為零，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1反向增速旋轉(zhuǎn)但不發(fā)電;當(dāng)車輛從較高速度開始減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)以預(yù)定轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)防止太陽輪轉(zhuǎn)速過高從而保護(hù)行星齒輪組件，如圖8所示，其中虛線表示車速較高時(shí)若發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作各部件的轉(zhuǎn)速狀態(tài)。

4.6 車輛倒車行駛工況

車輛倒車時(shí)，若SOC充電狀態(tài)正常，發(fā)動(dòng)機(jī)將停機(jī)僅由HV蓄電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2反向轉(zhuǎn)動(dòng)為車輛提供動(dòng)力，同時(shí)帶動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1正向增速旋轉(zhuǎn)但并不對(duì)外發(fā)電否則電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG2就受到很大的負(fù)載從而加劇HV蓄電池能量的消耗這樣并不劃算。若電源控制模塊監(jiān)測(cè)的任何項(xiàng)目與規(guī)定值有偏差，電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1將從正向增速的空轉(zhuǎn)狀態(tài)提高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖9虛線所示。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1的驅(qū)動(dòng)電流立即被切斷轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)，由于齒圈處于反向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不用很高就可以帶動(dòng)電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1作為發(fā)電機(jī)以正向高轉(zhuǎn)速向HV蓄電池充電。

圖8 車輛在D檔位減速工況

圖9 車輛倒車行駛工況

5 總結(jié)

杠桿分析法是分析行星齒輪的最簡單有效的方法，通過此方法詳細(xì)分析了豐田普銳斯在6種代表工況下的動(dòng)力分配行星組件各部件之間的轉(zhuǎn)速以及主從動(dòng)關(guān)系，并且清楚的表示出發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)發(fā)電機(jī)MG1、MG2的工作狀態(tài)，從而更有效的幫助我們理解豐田普銳斯的工作原理。

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