越来越多的混合动力车辆产品已进入市场。在这些混合动力车辆中,丰田Prius是先驱,并已在道路上占有最大数量的份额,是商品化成功的混合动力车辆的典型实例。
Prius是拉丁语,意指“领先一步”。当Prius首次发布时,它被评选为2002年度世界最佳设计客车。这是因为Prius作为第一辆混合动力车辆,有4～5人的座位外加随身行李放置的空间,并且是最经济、环保的可应用的车辆。此后,在2004年,第二代Prius赢得了有声望的Motor Trend Car年度奖以及2004年度世界最佳设计车辆的荣誉。
丰田Prius混合动力系采用了混联式构造(见图3-15)。混合动力系统包含的组件如下。
图3-15 Prius动力系及其控制系统的概观
(1)由电动机/发电机1(MGI)、电动机/发电机2(1VIG2)和行星齿轮机构组成的混合动力贯通轴,如图3-16所示。
(2)1NZ－FXE发动机。
(3)由变换器、升压变换器、DC－DC变换器和AC变换器构成的变换器组合件。
(4)混合动力车辆电控单元(HVECU)。该装置采集来自传感器的信息,并向发动机控制模块(ECM)、变换器组合件、蓄电池的电控单元(ECU)和滑移控制的电控单元(ECU)发送计算结果,以控制混合动力系统。
(5)换挡位置传感器。
(6)将加速器角度量变换为电信号的加速踏板位置传感器。
(7)控制再生制动的滑移控制的电控单元(ECU)。
图3-16 混合动力贯通轴的示意图
(8)发动机控制模块(ECM)。
(9)高压蓄电池。
(10)蓄电池的电控单元(ECU),它监控高压蓄电池的充电情况,并控制冷却风扇的运转。
(11)关闭系统的维护插塞。
(12)连接和断开高压电源电路的主继电器。
(13)应用于车辆控制系统DC12V的辅助蓄电池。
主要部件:
(1)发动机。1NZ－FXE发动机是1.5 L直列式4气缸汽油发动机,配有可变气门定时信息(VVTi)和电节气门控制信息系统(ETCS－i)。在2004年和之后新型Prius中,一个特殊的载热质储热系统可从发动机回收热的冷却介质,并储存在绝热罐内,由其保持热量多达3天。一个电泵在发动机中预循环热的冷却介质,可以降低通常与冷起动相伴随的碳氢化合物的排放量。
(2)混合动力贯通轴。
混合动力贯通轴包含:
①产生电功率的MG1。
②驱动车辆的MG2。
③可提供连续可变传动比,并用作功率分解装置的行星齿轮机构。
④由无声链、反转齿轮和末端齿轮组成的减速装置。
⑤标准的两小齿轮差速器。
(3)高压蓄电池。高压蓄电池为Ni－MH蓄电池。6个1.2V的单元电池串联组成一个电压为7.2 V的蓄电池模块。在2001—2003 Prius中,38个蓄电池模块被分装在两个支架内,并串联成额定电压为273.6 V的高压蓄电池。在2004和新型Prius中,28个蓄电池模块被串联成额定电压为201.6 V的高压蓄电池。其中,单元电池在两处相连接,以降低内电阻。
蓄电池的电控单元(ECU)提供了以下功能:
①判断充电/放电电流量,并向混合动力车辆电控单元(HVECU)输出充电和放电要求,以使蓄电池的荷电状态(SOC)可不变地保持在中等的能级上。
②判断充电和放电期间生成的热量,并调节冷却风扇以保持高压蓄电池的温度。
③监测蓄电池的温度和电压,若发现不正常工作状态,则可限制或停止蓄电池的充电和放电过程,以保护高压蓄电池。
高压蓄电池的电控单元(ECU)控制了蓄电池的荷电状态(SOC),SOC的指标为60%。当SOC下降到低于该指标范围时,蓄电池ECU传递信号至HVECU,然后后者发信号给发动机控制模块(ECM),增加其功率输出,向高压蓄电池充电。正常的由低到高的SOC偏差为20%,如图3-17所示。
图3-17 蓄电池SOC的控制区间
高压蓄电池由空气冷却。蓄电池ECU借助于三个安置在蓄电池内的温度传感器及一个空气进口处的温度传感器,检测蓄电池的温度。基于它们的读数,蓄电池ECU控制冷却风扇的工作循环,以保持高压蓄电池的温度在规定的范围内。
根据来自HV ECU的指令,三个开关磁阻电动机(SRM)被接入高压电路或由高压电路关断。其中,两个开关磁阻电动机被安置在电源的正端侧,一个被安置在电源的负端侧,如图3-18所示。
当电路通电后,SRMI和SRM3接入。其中,与SRM1串联的电阻器用以防止初始过量的电流(称为涌浪电流)。随后,SRM2接入,而SRM1断开。当去激励时,SRM2和SRM3以指定顺序断开,而HV ECU将检验相应继电器正确关断的动作。
一个维护插塞被安置在两个蓄电池支架之间。当该维护插塞被切断时,高压电路关断。这一维护插塞组件也含有一个安全连锁的簧片开关。当提升维护插塞上的夹片时,将断开簧片开关,从而开关磁阻电动机被断离电源。对高压电路来说,这也是在维护插塞组件内的主熔丝。
丰田Prius应用一个含吸热玻璃纤维板的2 V免维护的辅助蓄电池。该蓄电池供电给车辆的电系统,类似于传统车辆。
图3-18 开关磁阻电动机和维护插塞
1.变换器组合件
变换器组合件含变换器、升压变换器、DC－DC变换器和AC变换器。
1)升压变换器(2004和新型Prius)
升压变换器将高压蓄电池输出电压由额定的DC 201.6 V升压至最高电压DC 500 V。为了升高电压,变换器对开关控制采用了嵌入绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的升压集成功率模块以及储能的电抗器,如图3-19所示。
图3-19 变换器组合件
当MG1或MG2用作发电机时,AG变换器将任何一个发电机所发出的交流电变换为直流电。然后,升压变换器把该电压降压为DC 201.6 V,向高压蓄电池充电。
2)变换器
变换器将高压蓄电池的高压直流变换为供给MG1和MG2的三相交流电,如图3-19所示。HV ECU控制功率晶体管的触发。此外,变换器向HV ECU传送控制电流所需的信息,如输出电流量或输出电压等。
变换器、MG1和MG2由专用的散热器和冷却系统予以冷却,该冷却系统是与发动机冷却系统分离的。HV ECU控制这一冷却系统电水泵的运行。
3)DC－DC变换器
DC－DC变换器用于将高压直流变换为DC 12 V,向12 V的辅助蓄电池再充电。DC－DC变换器的结构如图3-20所示。在2001—2003形式的Prius中,它将DC 273.6 V变换为DC 12 V;在2004和更新型式中,它将DC 201.6 V变换为DC 12 V。
图3-20 DC－DC变换器
4)AC变换器
在2004和新型Prius中,变换器组合件包含一个用于空调系统的独立变换器,它将高压蓄电池额定电压DC 201.6 V变换为AC 206.6 V,以供电给空调系统的电动机,如图3-21所示。
图3-21 AC变换器
2.制动系统
混合动力车辆制动系统既含标准的液压制动系统,又含有再生制动系统,后者利用车辆的动能向蓄电池再充电。加速踏板刚一踩下,HV ECFT就启动再生制动,MG2由车轮使之转动,即用作发电机向蓄电池再充电。在这一制动阶段,没有使用液压制动。但当要求更迅捷地减速时,液压制动即被激活,以提供额外的制动功率。为提高能效,系统只要有可能,总是应用再生制动。在变速手柄上选择“B”,将最大化再生的效率,并对下坡时控制车速有用。混合制动系统的总结构如图3-22所示。
图3-22 混合制动系统
1)再生制动的协同控制
再生制动的协同控制是使再生制动和液压制动的制动力保持平衡,以最小化车辆动能转化为热和摩擦的损失,其回收的能量则变换为电能。
2)电制动分布控制(2004和新型Prius)
在2004和新型Prius中,制动力分布是在滑移控制ECU的电控制下实施的。滑移控制ECU按照车辆行驶条件,精确地控制制动力。
(1)前后轮制动力分布(2004和新型Prius)。通常,当施加制动时,车辆的载重向前位移,减少了后轮上的载荷。当滑移控制ECU检测到这一情况(基于车速传感器的输出)时,它发送信号给制动执行机构,调节后制动力使车辆在制动期间保持于控制之下。施加在后轮上的制动力量值将按减速率大小而变化,它也根据道路情况而变化。图3-33(a)和图3-33(b)分别描述了当后轮上没有载荷和有载荷时前后轮上的制动力分布。
(a)后轮上没有载荷;(b)后轮上有载荷
(2)左右制动力分布(2004和新型Prius)。当车辆在转弯时制动,则此时施加在内侧车轮上的载荷减少,而施加在外侧车轮上的载荷增加。当滑移控制ECU检测到这一状态(基于车速传感器的输出)时,它发送信号给制动执行机构,以调节左右车轮之间的制动力,防止滑移。
3)制动辅助系统(2004和新型Prius)
图3-23 前后轮上的制动力
在危急情况下,驾驶员经常惊慌而没有对制动踏板施加足够快的压力。因此,在2004和新型Prius中,应用一个制动辅助系统(见图3-24),把迅速地推压制动踏板看作紧急制动和相应地添加制动功率。
图3-24 制动辅助装置
为确定紧急制动的需要,基于主缸压力传感器和制动踏板撞击传感器的信号,滑移控制ECU检查车速和制动踏板施加量。若滑移控制ECU确定驾驶员正试图紧急制动,则立即发送信号给制动执行机构增加液压压力。
制动辅助系统的关键特性在于计时和制动辅助程度的设计,以保证驾驶员无须判明关于制动运行的任何例外的事物。当驾驶员松弛制动踏板时,该系统即减小它所提供的辅助制动量。
3.电动转向
当发动机关闭时,一个12 V电动机驱动电动转向(EPS)装置,其结果使转向感觉不受影响。EPS ECU应用转矩传感器输出,并与滑移控制ECU有关车速和转矩辅助指令信号一起,确定转向和辅助动力。然后,相应地驱动该DC电动机。EPS系统的结构如图3-25所示。
EPS ECU应用来自转矩传感器的信号,理解驾驶员的转向用意。它将这一信息与来自其他传感器关注当前车辆情况的数据一起,确定所需的转向辅助量。因此,它控制提供转向辅助功能的DC电动机的电流。
图3-25 EPS系统
当转动转向轮后,转矩被传递到小齿轮使输入轴旋转。此时,耦合输入轴与小齿轮的扭力杆转动,直至转矩和反作用力平衡为止。转矩传感器检测扭力杆的转动,并产生正比于施加到扭力杆转矩量的电信号。EPS ECU则应用这一信号计算出DC电动机所应提供的转向辅助动力量。
4.增强车辆稳定性控制(VSC)系统(2004和新型Prius)
在2004和新型Prius中,当车辆的轮胎超过其横向锚着力时,增强车辆稳定性控制(VSC)系统将帮助保持车辆的稳定性。该系统通过调节每个车轮上的原动力和制动力,以有助于控制如下运行状态。
(1)前轮失去牵引力,但后轮没有(前轮打滑趋势,通称为“转向不足”)。
(2)后轮失去牵引力,但前轮没有(后轮打滑趋势,或称“过度转向”)。
当滑移控制ECU确定车辆处于转向不足或过度转向的情况时,它即降低发动机的输出,并向相应的车轮各自施加制动力,以控制车辆。
(1)当滑移控制ECU断定转向不足时,它即制动前轮以及后内侧车轮,从而使车辆减速,载荷移向外侧的前轮,并限制了前轮滑移。
(2)当滑移控制ECU断定过度转向时,它即制动前轮以及后外侧车轮,从而抑制了滑移,并使车辆向其预定路径的后方移动。
基于行驶情况,通过示于图3-26中协同的EPS和VSC控制,增强的YSC系统也提供了恰当的转向辅助量。
5.混合动力系统控制模式
丰田Pries混合动力系统应用了混联式混合动力构造,如前所述,它有许多运行模式。Prius采用如下的控制策略。
(1)当车辆出发,且以低速运行时,MG2提供主要的原动力。若高压蓄电池处于低荷电状态,则发动机可立即起动。一般,当车速增加至24～32 km/h范围时,发动机将起动运转。
(2)在正常情况下行驶时,发动机功率分配为两个功率流通路:一部分驱动车轮,另一部分驱动MG1产生电能。为获得最大的运行效率,HV ECU将控制该能量分配的比例。
图3-26 与EP5系统的协同控制
(3)在全加速期间,功率除由发动机提供外,还从高压蓄电池供电给MG1得到增补的功率。发动机转矩与MG2转矩相组合,提供加速车辆所需的功率。
(4)在减速或制动期间,车轮驱动MG2,MG2将呈现为发电机功能,用于回收再生制动能量。从制动中回收的能量被储存在高压蓄电池组合之中。
随不同行驶情况而定的发动机、MG1和MG2的运行模式阐述如下:
(1)停车。若高压蓄电池已完全充电,且车辆静止不动,则发动机可关闭。但是,若高压蓄电池需要充电,同时在2001—2003形式中选择MAX AC,则因发动机驱动压缩机,发动机将连续运转。应指出,在2004和新型式中,采用了电驱动的压缩机。图3-27给出了发动机、MG1和MG2运行模式的描述。
图3-27 在停车情况下的运行
(2)出发。当在轻载荷和节气门微开状态下车辆出发时,仅MG2运转提供功率。发动机并不运转,而车辆仅由电力供应运行。MG1反向运转,且正如空转一样,不发电,如图3-22所示。
图3-28 出发情况下的运行模式
(3)发动机起动。当车速增加至24～32 km/h范围时,发动机起动运转。发动机借助于MG1起动。发动机、MGI和MG2运行模式的描述如图3-29所示。
图3-29 发动机起动情况下的运行模式
(4)借助于发动机的轻微加速。在这一模式中,发动机向驱动轮传递其功率,MG1发电。若需要时取决于发动机功率和所要求的行驶功率,则MG2可辅助发动机用于牵引。此时,MG1发出的能量可等于传输给MG2的能量。驱动系运行如同EYT。发动机、MG1和MG2运行模式的描述如图3-30所示。
(5)低速巡航。这一运行模式与借助于发动机的轻微加速模式相类似,如图3-31所示。
(6)全加速。在这一模式中,发动机向驱动轮和MG1传递其功率,MG1处于发电机运行状态。MG2则将其功率加入到发动机功率之中,并传递至驱动轮,如图3-32所示。此时,MG2从高压蓄电池吸收的功率大于MG1产生的功率,因此高压蓄电池向驱动系提供能量,而其荷电状态下降。
图3-30 发动机轻微加速情况下的运行模式
图3-31 低速巡航情况下的运行模式
(7)高速巡航。在这一模式中,MG1的轴被定位于车辆静止的车梁上,驱动系运行在纯转矩耦合模式。发动机和MG2共同牵引车辆,如图3-33所示。
(8)最高车速行驶。在这一模式中,MG1和MG2都接收由高压蓄电池组合提供的功率,且向驱动系传递其机械功率。此时,MG1反向旋转,如图3-34所示。
(9)减速或制动。当车辆减速或制动时,发动机关闭。MG2变为发电机,并由驱动轮带动且发电,向高压蓄电池组件再充电。这一运行模式如图3-35所示。
(10)倒车。当车辆倒车时,MG2作为电动机,反向旋转。发动机关闭。MG1正向旋转,且正如空转一样,如图3-36所示。
图3-32 全加速情况下的运行模式
图3-33 高速巡航情况下的运行模式
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