新车新技术New Car Tech m o o o o o o o o o o o o o o o o c o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o«o o o o o o o o c o o o«o o o o o o o o o o o o o<
♦文/江苏田锐
丰田THS-ll(TOYOTA HY巳RID SYSTEM-II)属功率分流 型混合动力架构(图1)，其关键部件是动力分配行星齿轮(Powe「Split Device简称PSD)，在行星齿轮排中已知两根轴的转速就 能确定第三根轴的转速(基于行星齿轮排的传动特性:)，类似的也 可以由此确定三根轴之间的转矩关系(行星齿轮排杠杆扭矩受力 平衡特性：)。因此，只有当MG1吸收机械功率并且将其转换为电 功率时，才可实现沿机械路径的功率传输，通过这种方式会持续 产生电功率，因不可能将其全部存储到HV蓄电池中，并且出于 效率原因的考虑，这样做也没有意义。通过使用直接位于输出轴 上的电动机/发电机MG2可形成一条电力路径，可将产生的电功 率再次直接转换为机械驱动功率，根据由轮速和期望车轮驱动扭 矩构成的行驶需求产生一个发动机优选转速，并通过电动机/发 电机MG1的转速调节使发动机达到该转速。车轮所需的驱动扭 矩由发动机产生，其中一部分通过机械路径，另一部分通过电力 路径传输至车轮。
发电机（MG1) 逆变器H V蓄电池
发动机 J L^—-L
\J u LJ(M G2)
动力分配
设备
传动桥
机械动力路径
电力路径
图1 TH S-II混合动力架构
同其他混合动力汽车一样，HV蓄电池通常被用于对驱动系 统运行状态产生有针对性的影响，借助于HV蓄电池的帮助，可 使发动机在期望的车轮扭矩下不工作在过高或过低的负荷状态 下，利用存储在HV蓄电池里的能量可实现关闭发动机，仅由电 动机/发电机MG2单独用于驱动车辆，以避免发动机工作于极差 的工作区域。THS-I丨通过2条路径使串联和并联混合驱动的基本66nnTTUR-CHINA ■May 原理得到组合，因此功率分流也被称为串并联拓扑结构。该方案 的一大优点在于无级可调的传动比(E-CVT)和与此相关的发动 机最佳工作点的自甶选择。此外，•(专动系统可以在没有传统变速 器，特别是
没有换挡与离合元件的情况下实现无级变速，且变速 时没有牵引力中断，从而保证了较高的行驶舒适性，此外还可以 省去某些机械部件。早在94年，丰田公司就已对该架构申请了 产权专利，当前该混合动力架构搭载于国内的一丰、广丰部分混 合动力车型，诸如：卡罗拉、雷凌、亚洲龙、凯美瑞、RAV4, 以及Lexus的全系混合动力车型，诸如：CT200h、UX260h、ES300h、RX450h、LS500h等。
THS-II的运行主要由运行控制策略决定，根据降低排放和 节约燃料的优化目标，运行控制策略随时确定所需的总驱动扭 矩和分配给发动机和电机的驱动扭矩，并使发动机尽可能工作于 最佳的工作点，此外，运行控制策略还要控制电能的产生，以给 HV蓄电池充电。其所带来的高效率除与其功率分流型的串并联 拓扑结构有关外，主要还取决于系统上层的混合动力控制策略，以LexusCT200h车型为例，图2为HV系统控制、图3为HV输 出计算，分别给出了动力系统各部件及控制系统的网络连接和 HV CPU内部运行控制策略的运算逻辑示意。
系统中各子系统通过自身的控制实现各自的控制功能，如发 动机控制、启停控制、驱动力控制、再生制动控制、带转换器的 逆变器控制、电动机/发电机控制、DC/DC转换器控制、HV蓄
加速踏板位置
传感器
发动机
40^
制动执行器
防滑
控制
ECU
5
动力管理控制
ECU
(HV CPU)
蓄电池
ECU
换挡杆位置传感器
M
混合动力传动桥
解析器（MG2)
-►MGECU
•
L J~1逆变器
增压转换器
DC/DC
转换器
辅助蓄电池空调逆变器
转速传感器
蓄电池
智能单元
H V蓄电池
带电动机的压缩机
总成（带逆变器）
图2 HV
系统控制
栏目编辑：刘玺lx@motorchina 钃
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发动机输出功率= 发动机转速X 发动机转矩
根据驾驶员请求输出功率而变化
M O O O O O O O O O O O O O O C O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O C O I
电池充电控制等，而处于核心的动力管理控制策略(HV CPU )协 调控制整个动力系统。下面我们将以Lexus CT 200h 车型为例对 各个子系统的工作原理和控制策略一一进行深入研习。概要
mffUM -动力管理控《 ECU (HV CPU )
m u m s ■
1.驾驶员请求扭矩
»电池枰能黾；U ■ H V 蓄电池
卜
S 0C 控 M
(充电
请求）
防滑控M ECU
端午节收过路费吗图3 HV 输出计算
一、驱动力控制系统
如图3所示，驱动力控制的输入信号有加速踏板开度、车 速、换挡杆位置、HV 蓄电池的充电状态(S 0C ：)等控制输出信号 包括发动机的要求动力、发电机扭矩以及电动机扭矩等。首先根 据加速踏板开度以及车速求得驾驶员请求的驱动扭矩(图4；)，根 据该扭矩和解析器传感器所测得的MG 2转速(即输出轴转速)并结 合系统的损失功率求得驾驶员请求输出功率(如式1 ；)。所需的HV 蓄电池充电功率结合上述计算所得的驾驶员请求输出功率的总和 即可确定所需的发动机输出功率(如式2)。
接下来要计算出为产生这一所需发动机输出功率而对应的 最佳效率时的发动机扭矩(节气门开度)和发动机转速，并将其作 为发动机的目标扭矩和目标转速。这里需要引入发动机万有特性 的知识概述。即当一款发动机在被研发的过程中，技术人员会对 该款发动机进行台架试验，通过对发动机全域的速度特性和负荷
特性的科学标定进而能够分别绘制出二者各工况下的特性曲线， 将两者的特性曲线进行融合，最终绘
制出该款发动机的万有特性 (又称全特性)图，它可以表示发动机在整个工作范围内主要参数 的变化关系，还可以确定发动机最经济高效的工作区域。在发动 机万有特性图中，利用发动机台架试验数据，综合最佳发动机动
力性、燃油经济性和排放性，标定出发动机各功率特性曲线中的
最佳工作点，将这些工作点连接起来，由此绘制出发动机最佳动 力性能工作线。也就是说，任一发动机输出功率曲线都有与之对 应的唯一的发动机扭矩(节气门开度)和发动机转速的最佳工作点
(图5)，再配合上TH S -II 的EC V -T 混合动力变速器实现无级传 动，确保发动机要么不工作，要工作就在最经济高效的工作线上 工作，由此可见，无论是整车的动力性还是燃油经济性都能达到
最佳状态。
如图5所示，通过当前发动机输出功率曲线与最佳发动机 工作线的交点可以得出当前工况下发动机的最佳扭矩(节气门开 度)Y 轴和最佳转速轴)，HV CPU 将二者作为目标参数发送至 发动机E C M ，由发动机ECM 去控制燃油喷射量、点火正时、
ETCS-i (电子节气门)和W T -i (智能配气相位)等。
发动机工作线bj
2
^
目标发动机转速
发动机转速
图5发动机最佳动力性能工作线
当知晓发动机目标转速和电动机/发电机MG 2转速(由解析器 传感器测得)后，HV CPU 根据行星齿轮排的传动特性(图6)，可 以计算出电动机/发电机MG 1的目标转速，再结合HV CPU 内存 储的目标驱动功率脉谱图，可以确定任一工况下的MG 1发电功 率、MG 2用电功率、发动机直接输出功率及HV 蓄电池补偿功率
图4无级变速驱动力及目标驱动功率M AP 图 的四者之间的协同关系。为方便理解，示例如下：当HV 蓄电池
2021/05 •笠组觸病
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根据加速踏板位置和车速计算目标轴驱动扭矩。
车速、加速踏板位置和驱动力（所®扭矩）之间的关系
式1：驾驶员请求输出功率=驾驶员请求扭矩X 轴转速（MG 2 $13 )- 系统损耗
式2：所需发动扔输出功率=驾驶员请求输出功率+所需H V 蓄电池 充电功率
^
)
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不介入工作时(既不放电也不充电)，MG1的发电/用电功率实时
等于MG2的用电/发电功率，因此当MG1充当发电机为MG2供
电时，HV CPU可通过目标驱动功率脉谱图和行星齿轮排的传动
特性分别计算出MG1的发电功率和MG1的目标转速，由此进一
步计算出MG1作为发电机时所产生的负扭矩大小，再结合行星
齿轮排杠杆扭矩的受力平衡特性，进而换算出发动机的直接输出
扭矩，即：
发动机直接输出扭矩=-M G1扭矩><(0.72/0.28)
随后让最先计算得出的驾驶员请求扭矩减去发动机的直接输
出扭矩，即为MG2作为电动机时的驱动扭矩。民P:
驾驶员请求扭矩-发动机直接输出扭矩=M G2扭矩指令值
MG1转速
发动机
转速
MG2
转速图6行星齿轮排传动特性
如图7所示，根据工作条件和当前发动机输出功率判断是否 需要启动发动机。当未达到该确定值时，发动机停止工作，仅靠 HV蓄电池的电能输出完成行驶(EV行驶称为电动机行驶的行驶 状态)，此时发动机所需的动力为零。
i
发动机运转
\________________________
发动机停it
车速
图7发动机输出功率判断
回顾图3，在HV CPU确认MG2的扭矩指令值后，再往下为 车辆再生制动的协调控制策略。纯电动汽
车、混合动力汽车利用 驱动电动机作为发电机进行控制，因此可以获得再生制动力。另 外，通过与液压制动力的协调控制，可以达到与普通内燃机以往 车型同等的制动感觉，而且通过再生制动进行能量回收得以降低 油耗。图8所示为雷克萨斯CT200h车型的混合动力系统和制动
68MITTTm-CHINA ■May
制动睹板行程传感器
调节器压力传»器
电信号
油液压力
防滑控t t ECU
所黑制动力洱生制动力计算卜
♦
厂h—
--------1
动力管理控《 ECU
(HV CPU)
再生制动力计算
液压动力*
s m s产生液k动力
液压控制
--------Z明k液压动力以满a所滿制动并将
K分K至各午轮.
图8雷克萨斯CT200h车型的混合动力系统和制动系统的构成示意图系统的构成示意图，它包括松开油门踏板时产生的与发动机等效 的制动力以及操作踩下制动踏板时产生的制动力部分。为了能够 使二者的制动力像普通内燃机的车辆一样，驾驶员操作制动踏板 即可，这样为了最大限度的得到再生，而使
再生制动力与摩擦制 动力得到合理的分配，这种控制称为再生制动协调控制。
当驾驶员踩下制动踏板时，防滑控制ECU根据制动调节器 压力传感器和制动踏板行程传感器计算所需总制动力。计算出 所需总制动力后，防滑控制ECU将再生制动力请求发送至动力 管理控制ECU(即HV CPU),HV CPU回复实际再生制动量(再 生制动控制值），同时利用电动机/发电机MG2产生负扭矩(减速 力），从而进行再生制动，防滑控制ECU控制制动执行器电磁阀 并产生轮缸压力，产生的压力是从所需总制动力中减去实际再生 制动控制值后剩余的值。即：
总制动力=液压制动力+再生制动力
当车速较高时，由于电动机/发电机MG2的扭矩特性很难获 得足够的再生制动力，因此需要用摩擦制动力来补充不足的这一 部分。随着车速的降低，再生制动力得以不断增加，同时又减少 摩擦制动力。当车辆停车时，再生制动力大幅度下降，此时利用 摩擦制动力来满足驾驶员所需的制动力(图9)。
制动力
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图10液压制动与再生制动之间制动力分配变化
和再生制动之间的制动力分配根据车速的不同而变化。尽量 多采用再生制动。但是，需要强制动力时，采用液压制动。车速 过低(低于约5km /h )时，系统切换至液压制动以提高制动感。选 择N 挡时由于逆变器断开，因此只能采用液压制动。液压制动和 再生制动之间的制动力分配根据车速的不同而变
化(图10)。
根据HV 蓄电池的充电状态(S 〇C )，电池可以接受的再生制 动力会发生变化，因此需要根据具体情况对摩擦制动功率进行调 整，该摩擦制动力是由车轮制动液压缸的液压控制而产生。除此 之外，再生协调控制协调还要满足以下要求：
1. 发动机停止不影响制动力；
海南马自达商务车2.
制动时需要实时调整车轮液压缸液压，液压制动时要尽量
避免操作噪声和振动的产生；
华泰圣达菲suv3. 液压控制对制动踏板行程感觉没有影响；
4由于要实时进行®动力电子控制，要求具有安全警示功能。
二、带转换器的逆变器控制
以雷克萨斯CT 200h 车型为例，其采用与MG ECU 、逆变 器、转换器和DC -DC 转换器集成于一体的紧凑、轻量化的带转 换器的逆变器总成，如图11、图12所示。逆变器和转换器主要 由智能动力模
块(IPM 丨、电抗器和电容器组成。2套IPM 共有14 个绝缘栅双极晶体管(IGBT )分别构成各自的集成动力模块，包 括信号处理器、保护功能处理器。带转换器的逆变器总成采用了 独立于发动机冷却系统的水冷型冷却系统，从而确保了散热。配 备了互锁开关作为安全防护措施(由于带有高压)，在拆下逆变器 端子盖或断开HV 蓄电池电源电缆连接器时，此开关通过动力管 理控制ECU(HV CPU )断开系统主继电器。
逆变器将来自H V 蓄电池的直流转换为交流提供给MG 1 和MG 2，反之亦然。此外，逆变器将MG 1产生的电能提供给
MG 2。然而，MG 1产生的电流在逆变器内转换为直流后，再被
逆变器转换回交流供MG 2使用。这是必要的，因为MG 1输出
图11逆变器示意图
的交流频率不适合控制MG 2。如图13所示，MG ECU 根据接收
来自动力管理控制ECLKHV CPU )的等效PWM 波形控制信号控 制智能动力模块(IPM )内的绝缘栅双极晶体管(IGBT )。IG BT 用 于切换电动机的U 、V 和W 相。6个IGBT 在ON 和OFF 间切换， 控制电动机的扭矩和转速。同时动力管理控制ECU(HV CPU ) 接收来自MG ECU 所反馈的电动机的实际扭
矩、实际转速及系 统过热、过电流及电压故障信号，
一
旦触发故障，动力管理控制
ECU(HV CPU )切断至MG ECU 的PWM 波形控制信号以断开 IPM 智能动力模块。
图12带转换器的逆变器总成1
混合动力汽车图13带转换器的逆变器总成2 (未完待续〉E !
2021/05 • m m m m
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