Prius混合動力系統(tǒng)分析

Prius混合動力系統(tǒng)分析Prius簡介1997年12月 第一代Prius在日本上市；2000年 小改款后面向北美和歐洲銷售;2003年9月 推出了第2代車型。該車所采用的發(fā)動機專門為混合動力系統(tǒng)設計，并采用電動助力轉向等技術以盡量降低能耗。表1給出了兩代Prius的主要參數。與第1代相比，第2代Prius增加了電動空調、一鍵式起動等功能。本文的主要研究對象為2001款Prius，但未考慮空調工作狀態(tài)對控制策略的影響，也未考慮電機和電池的工作效率。表】Prius±要參數PfWMIPriu點004mm)43Ex|6?543iyxl46544J5x1725>cU75整齊質舊血)一1255I加企動機缺大功(r/mjii)43/400052/450057/5000(r/iTtin)I02/41XK)11moo115/4200新艦機揪大功輒kW>(r/inin)30/(U4(J*2000)56DG>50/(1200-1540>艇前電機M大轉矩(褊｝1r/min)30S/物)350/(0-400)400/(0-1200)保氟電他2SSV民方體校塊273.6V此方體快塊納.&V動力總成扯大功案(kW)(km/瞄—74/12082/120動力總成眼大轉排1Nm)(km/h)421/11478/Z2rr公里抑速時何—12.810,9EPA油相M/C)(C/H.7Cixn.)52/4-5/496t)/5l>56Prius混合動力系統(tǒng)結構Prius采用混聯式的機械結構，包括2個電機，即MG1(用于調速)和MG2(作為驅動電機)，均可以作為發(fā)電機和電動機。電機和發(fā)動機通過一套行星齒輪組連接實現動力分配。如圖1所示，發(fā)動機與行星架相連，MGl和太陽輪相連，MG2連接在齒圈上，齒圈再通過齒形帶和主減速器相連。圖IP「通混合動力系統(tǒng)結構示意圖

電機和發(fā)動機之間具有以下的轉速關系:nMG1+inMG2=(1+i)Fe發(fā)動機輸出的轉矩一部分通過太陽輪作用在MGl上，一部分作用在齒圈上，且存在:喝二吉土"白F⑵其中：i—Zring/Zsun說的具體點就是Prius混合動力汽車結構的核心部分是行星輪機構，豐田稱之為動力分配裝置（PSD，PowerSplitDevice）。結構示意圖如下圖：發(fā)電機電機我幼機發(fā)電機電機我幼機太陽輪小齒輪二、該行星輪系有兩個自由度，在此結構中，發(fā)動機和行星架相聯，通過行星齒輪將動力傳遞給外圈的齒圈和內圈的太陽輪，齒圈軸與電機和傳動軸相聯，太陽輪軸和發(fā)電機相聯。PSD將發(fā)動機大約70%的轉矩直接傳遞到驅動軸上，將另一部分轉矩傳送到發(fā)電機上，并且發(fā)電機、電機和發(fā)動機的轉速存在一線性關系。在驅動軸轉速（即電機轉速）不變的情況下，通過調節(jié)發(fā)電機來調整發(fā)動機轉速。同時，發(fā)動機和電機轉矩可以直接疊加。但是結構上較為復雜，給制造和控制帶來了一定的困難。不同工況下混合動力系統(tǒng)工作狀況1）發(fā)動機起動發(fā)動機起動分為熱起動、冷起動。熱機狀態(tài)下，MGl作為電動機拖動發(fā)動機達到1000r/min以上后，發(fā)動機開始噴油，同時MGl進入發(fā)電模式，如圖2所示，如果電池的充電需求為零，則發(fā)動機在運行約2s后停機。時間(0,1s)圖2發(fā)動機熱起動過程圖3為發(fā)動機冷起動時系統(tǒng)工作狀況。發(fā)動機被MGl拖動到1200r/min左右后約2s才開始工作，這實際上包含了發(fā)動機的暖機過程?！?000150004000我3000^2000蕾旭池狙電流AMG1轉速Fimin￡6000150004000我3000^2000蕾旭池狙電流AMG1轉速Fimin21廣MG他流A.,乂動機轉速「fmin甲61時間(0.1時SI10114121O8642D-I-4G圖3發(fā)動機冷起動過程車輛起步車輛起步時，發(fā)動機靜止，由MG2拖動車輛，MGl隨動，當功率需求達到一定值時，MGl立即拖動發(fā)動機起動。根據電池SOC的不同，發(fā)動機起動的時刻也不同。圖4為車輛起步工況。合6000|5(W4000合6000|5(W40003000S2000I0000-LOOT,?，發(fā)動機轉速(r；min)?*"雷電池蛆電流(A)一沛【J位置(馳)——車速(km/h)80604020。-2^0時間(045)—轉速CrAnM)—MGW轉速(nmin)--MG1電ifi(A)-*-MG2電流(A)f?甘y門位置［羚一響油脈宣(nu)一蓄電池組圖4車輛起步車輛加速分別對全油門加速和部分油門加速情況進行試驗測試。全油門加速試驗時，MG2電流迅速增加，拖動車輛加速,MGl也迅速拖動發(fā)動機到較高轉速，在發(fā)動機轉速突變的過程中基本不存在瞬態(tài)加濃過程。部分油門時，由于電機MG2的助力作用，發(fā)動機的噴油脈寬不存在瞬間增加的情況，而MGl一直作為發(fā)電機。車輛勻速在車輛勻速行駛時，電池是否充電首先取決于SOC，另外與MG2轉速和輸出電壓有關。圖5為120km/h勻速工況，由于此時的電池SOC為60%，電池充電需求為零，車輛功率需求恒定，發(fā)動機工作點比較優(yōu)化。MG2正向旋轉為發(fā)電機，而MGl作為調速電機調整發(fā)動機的工況點。當車輛的功率需求較小時，可以以純電動工況行駛，發(fā)動機靜止，MG2拖動車輛，MGl隨動。經觀察，純電動運行最高車速為40km/h，當電池SOC降低到45%時，發(fā)動機必須重新起動。 發(fā)動機轉速（r/min} MGI轉速（r/min）—MG2轉速］科前口）

甫電池蛆電流（A）——?MGE屯湫A） …MG2危瀚A）?曲門位昭制 …小氣門位散％〉——蓄電池組S8俠）

圖5120km/h勻速工況5）滑行和制動加速踏板松開后，車輛開始滑行，圖6為D檔滑行情況，初始SOC為60%，發(fā)動機噴油脈寬逐漸減小直至斷油，MGl立刻作為電動機調速使發(fā)動機停轉，這樣減小了滑行過程中的摩擦損失，而MG2一直進行能量回收。車速較高時，為了防止MGl逆向旋轉超速，必須對MGl進行轉速控制。若電池SOC較低，發(fā)動機斷油，轉速逐漸下降，當降到1000r/min時，發(fā)動機恢復噴油。 發(fā)曲機轉速（匚/win）—MG1B速（「Jmin） MG2|$jiS（r/niin）、一-蓄電池組電流（A}-也流（A） ——MG2電流（A〕==汕門位置（％） --噴油豚覽（坳 ■…車速（如㈣）——蓄電池現蹌a陶圖660km/h初速滑行車輛制動時的工作狀況和滑行工況相差不大，不同的是制動時ECU會根據制動功率需求進行液壓制動和電機制動的功率分配。圖7為初速100km/h的B檔制動，B檔制動時，發(fā)動機轉速降到1000r/min，車速降到15km/h時，發(fā)動機停轉，不再恢復噴油。B檔時利用發(fā)動機制動，不管SOC狀態(tài)如何，發(fā)動機必須旋轉，MGl作為電動機調速。

M5000§E4000aooo簽2UUOi0000120時間(0.1—發(fā)動機轉速(Elin)MGI轉速(r/min)?^MGZ轉疆120時間(0.1i??莆電池垣電流(A)■'MGI電流認) ?■?■MG2電流(A】—期油敞縻搟〉 ——車速(km/h) --面電池組％貨％)圖7100km/h初速B擋制動控制策略分析整車ECU采集多個信號進行判斷，決定系統(tǒng)的工作模式，系統(tǒng)將駕駛員的輸入作為一級指令，圖8所示為控制系統(tǒng)參數。圖W懈車控制系統(tǒng)卷數影響整車控制策略的參數主要包括車輛的驅動功率需求Pv_req、驅動轉矩需求Tv_req、車輛制動功率需求戶Pbrake_req、電池充電功率需求Pch_req、可供電功率PBa及可充電功率PB_Ch_a。電池充電功率需求取決于SOC，而電池的可充電功率和可供電功率與SOC和充放電電壓相關。根據試驗觀察，電池SOC的變化范圍為45%?65%，控制目標值為56%，即當SOC大于等于此值時，電池的充電需求為零。發(fā)動機轉速不低于1000r/min。由于電機MGl和MG2所發(fā)揮作用的差異，系統(tǒng)對MGl進行轉速控制，而對MG2進行直接轉矩控制。P檔下發(fā)動機On/Off控制當選檔桿位于“P”時，系統(tǒng)進行發(fā)動機On/Off判斷，此時若？草購=0,且發(fā)動機冷卻液大于70°C時(三效催化轉化器溫度也要達到一定值，試驗中未測量)，發(fā)動機Off，否則發(fā)動機必須起動。驅動工況下的發(fā)動機工作點控制發(fā)動機工作點主要根據Pv_req、Pch_req、Pb_63個參數確定。車輛驅動功率需求可按圖9計算。車輛可提供最大轉矩，即車輛的轉矩外特性，包括發(fā)動機的外特性和電池發(fā)電時的外特性。車輛的制動功率需求計算類似。

圖9車輛驅動功率需求D檔，且0<Pv_req^PB_a時，若發(fā)動機巳經達到暖機狀態(tài)，則車輛以純電動方式運行，此時發(fā)動機靜止，MGl隨動。(3)⑷⑸nr^。/饋=Psq4典二9550尸］5，口格頁^MGi-響—0(3)⑷⑸在穩(wěn)態(tài)工況下，發(fā)動機單獨驅動車輛，此時MG2作為發(fā)電機，MGl作為電動機調速。發(fā)動機目標功率為：Pe=Preq=Pv_req+Pch_req (6)發(fā)動機運行在優(yōu)化的工況點(Te，ne):若Te-Tv_req，MG2發(fā)電，進行MGl轉速控制，nMG1=(i+1)ne-inMG2o若Te<Tv_req，MG2助力，TMG2=Tv_req-Te。對于瞬態(tài)工況，系統(tǒng)根據加速踏板的深度和變化率確定車輛的功率需求，發(fā)動機目標功率:Pe=Pv_req-PB_aMGl和MG2的控制與穩(wěn)態(tài)工況類似。車輛驅動時為了防止MGl超速，被限制在6000r/min，此時發(fā)動機轉速:ne=i/(i+1)nMG2+6000/(i+1)Te=9550Pe/ne制動能量回收車輛滑行時，車輛驅動功率需求為零，系統(tǒng)的工作狀況與制動類似，因此將滑行時的控制模式也歸于制動能量回收。經試驗觀察，車速低于15km/h后，電機不進行能量回收，即PMG1=PmG2=0°d檔滑行若Pch_req=0，車輛開始滑行后發(fā)動機立即停止噴油?；羞^程中始終存在PMG2+PMG1=PB_ch_a。若初始車速較高，為了防止MGl逆向旋轉超速，必須進行MGl轉速控制。nMG2>7O00/i+1000時，mgi轉速保持恒定；6000/i<nMG2<7000/i+1000時，ne=1000r/min，nMGl=(i+1)1000-inMG2；nMG舟6000/i時，ne=0，MGl隨動。若Pch_req>°，滑行開始后發(fā)動機不斷油，其目標功率Pe=Pch_req，發(fā)動機運行在優(yōu)化的工況點(Te，nj’MGl作為調速電機，MG2作為發(fā)電機對電池充電。PMG2+PMG1=PB_ch_a，nMG1=O+1)ne—^mg?，如果開始滑行時車速太高，MGl必須進行轉速控制。B檔滑行B檔時利用發(fā)動機制動，雖然發(fā)動機停止噴油，但發(fā)動機被MGl拖動在較高轉速下運轉，MG2作為發(fā)電機對電池充電。Pe=。，Te=0,PMG2+PMG1=PB_ch_a，nMG2<6000/(i+1)時，發(fā)動機目標轉速ne=(1+i/(i+1))nMG2；6000/(i+1)<nMG2<3000時，發(fā)動機目標轉速ne=(1+i/(i+1))nMG2；3000<nMG2<5000時，發(fā)動機目標轉速ne=nMG2；nMG2>5000時，ne=瞄2/0+1)。為了盡可能多地消耗車輛的動能，發(fā)動機轉速不低于1000r/min，直到車速下降到15km/h，此時如果電池的充電功率需求Pch_req>0，發(fā)動機重新開始噴油Pe=Pch_req，PMG2+PMG1=PB_ch_a。否則，發(fā)動機迅速停轉。制動工況車輛的制動功率需求：Pbrake_req=Pbrake_maxxBrake (10)為了保持制動時的方向穩(wěn)定性，必須保證前后輪的制動力按照理想的制動力曲線分配，因此電機制動力只能代替全部或部分前輪制動力。當制動踏板位置或被踩下的速率超過一定值時，制動能量回收不起作用。前輪的制動功率需求為：%=E+尸心5心/(m即)]xPg(11)其中：b一重心到后橋的距離；hg—重心高度；m—質量；g一重力加速度常數；v一車速；1—軸距。D檔，且PbfWPB_ch_a當Pch_req=0時發(fā)動機可以迅速停轉，但必須進行MGl轉速控制。若Pch—req〉。，則制動開始后，發(fā)動機停止噴油，轉速下降，MGl和MG2同時對電池進行充電，當轉速下降到1000r/min時，發(fā)動機重新開始噴油，Pe=Pch_req。在整個制動過程中PMG2+PMG1=Pbf。D檔，且Pbf〉PB_ch_a與情況(1)類似，區(qū)別在于在整個制動過程中，PMG2+PMG1=PB_ch_a，前輪液壓制動系統(tǒng)的制動功率Pbfh=Pbf—PBcha。 B檔制動B檔制動時動力系統(tǒng)的控制與滑行時類似，需要進行發(fā)動機的轉速控制，但是，當車速降低到15km/h后，發(fā)動機不會重新噴油。若Pbf<PB_ch_a，PMG2+PMG1=Pbf；否則PMG2+PMG1=PB_ch_a，Pbfh=Pbf-P?.B_ch_a。電機控制由于MGl和MG2的主要用途不同，分別用于發(fā)動機調速和輔助驅動，電機控制單元對相應電機采取了不同的控制策略，即對MGl進行轉速PID控制，而對MG2進行直接轉矩控制。改進的混合動力傳動系統(tǒng)設計由于其采用兩個電機，致使其結構復雜，成本很高，整車布置較為困難。為了改善這一狀況，在PriusHEV的基礎上提出一種新的驅動系統(tǒng)設計方案，所提出的改進型設計是一種多工作運行模式的混合動力汽車，其動力傳動系統(tǒng)示意圖如圖2所示。S2新型混臺動力傳幼系統(tǒng)示意圖該驅動系統(tǒng)只采用1臺電機，該電機既可以作為驅動電動機，又能作為充電和制動能量回收時的發(fā)電機使用。在該系統(tǒng)中，行星輪系的太陽輪與發(fā)動機相聯，行星架與驅動車輪相聯，電機通過錐齒輪副、電控離合器、齒輪副分別與行星架和齒圈相聯。對于系統(tǒng)所采用的行星輪系，其各部分的運動學關系如下：+K)人啊=0 (I)式中：Ns—太陽輪的轉速；Nr—齒圈的轉速；Nc—行星架的轉速；K一齒圈和太陽輪的齒數比。行星輪系傳遞的轉矩關系為：式中：Tr一齒圈上的轉矩；Ts—太陽輪上的轉矩；Tc—行星架上的轉矩；K一齒圈和太陽輪的齒數比。1)整車運行的各種工況模式啟動工況電控離合器1結合，電控離合器2斷開，電機與行星架相聯，將動力電池的電能轉化成動能，通過差速器傳遞給車輪；由于發(fā)動機自身阻力，太陽輪不轉動，發(fā)動機不提供動力，齒圈隨動，整車處于純電動行駛狀態(tài)。驅動系統(tǒng)參數關系如下：kx—kW)淄5 (4)穩(wěn)定行駛工況電控離合器1斷開，電控離合器2結合，發(fā)動機通過行星輪系將動力傳遞給車輪；電機與齒圈相聯，在車速一定即行星架轉速一定的情況下，通過調整電機的轉速來調整發(fā)動機的轉速，使之總是工作在高效區(qū)。驅動系統(tǒng)參數關系見(1)、(2)式。（3） 加速爬坡工況電控離合器1結合，電控離合器2斷開，電機與行星架相聯，軸鎖止機構將齒圈鎖止，此時發(fā)動機和電機轉矩直接疊加，共同提供動力驅動車輪，整車處于混合動力模式。驅動系統(tǒng)參數關系如下：他（6）

阻頊彼r=0 （7）（4） 減速制動工況在踩下制動踏板時，電控離合器1結合，電控離合器2斷開，電機與行星架相聯，該模式類似于Prius的再生制動動能回收模式，由電機作為發(fā)電機將減速或制動的機械能轉換成電能儲存在動力電池內，并提供一個制動力矩給車輪，使車輪減速或靜止下來。驅動系統(tǒng)參數關系見（3）、（4）、（5）式。（5） 停車充電模式電控離合器1斷開，電控離合器2結合，電機與齒圈相聯，在整車靜止狀態(tài)下由發(fā)動機單獨驅動發(fā)電機發(fā)電。此外，電池還可以采用外接充電的方式進行充電。以上僅就整車運行工況進行分析，驅動系統(tǒng)發(fā)動機或電機單獨驅動的工作模式包含在上述運行工況內。由上述可見，這種新型混合動力汽車的驅動系統(tǒng)可以完成Prius驅動系統(tǒng)的全部工作模式，但結構較之簡單，并且減少了發(fā)電機，整車成本大大降低。這種雙電控離合器結構使電機在連接上也更加靈活。2）整車控制策略控制策略解決的問題是在總的請求負荷給出后，根據當前各設備的狀況，確定發(fā)動機和電動機應該如何工作?？刂撇呗缘幕舅悸吠ǔＳ袃煞N：一是直接法，即直接將優(yōu)化目標（如油耗等）表示為系統(tǒng)狀態(tài)變量、控制變量等的函數；二是間接法，即最小損失法，從計算當前驅動條件下各個部件的效率入手，得到整個系統(tǒng)的能量（功率）損失。損失最小的狀態(tài)變量就是當前驅動條件下應該選擇的狀態(tài)變量?；谝陨蟽煞N思路，具體的控制策略有很多，如發(fā)動機最優(yōu)工作曲線控制、瞬時優(yōu)化控制、全局優(yōu)化控制、發(fā)動機恒定工作電控點等。從理論上講全局最優(yōu)模式、是最佳的，但是實現起來有一定的困難，因為對于實際的行駛路況是無法預料的，針對特定路況得到的最優(yōu)并不適用于其它路況?？紤]到實用性和設計的方便性，該車采用發(fā)動機恒定工作點模式，使發(fā)動機工作在最優(yōu)恒定的工作點，電機負責動態(tài)部分，避免了發(fā)動機動態(tài)調節(jié)帶來的損失。圖3是整車控制流程圖，整車控制系統(tǒng)根據從電池管理系統(tǒng)、電機管理系統(tǒng)、發(fā)動機ECU和整車傳來的各種信號來調整車輛在純電動模式、混合動力模式和傳統(tǒng)模式間切換。捷卑拴制器圖3整車投制流程圈圖4是交流感應電機控制系統(tǒng)簡圖。定于，轉子昧沖寬度調

制型逆變攜電部棚電床定于，轉子昧沖寬度調

制型逆變攜電部棚電床圈4交流感應電機控制系觥簡圖恒池【電源） ?.圈4交流感應電機控制系觥簡圖恒池【電源） ?.1、4血點火線圈空氣流暈傳感器 呻3、2鈕點火統(tǒng)圈進氣溫度傳感器 ,相缸嘖油器拎卻水溫度傳感器 ■.撒粒噴油器避氣壓力傳感器—B——F—嘖油器節(jié)氣門開度螂器1~.村料嘖油器 |尾氣氧含量傳成器 r燃沌泵謎電器爆震傳感器1 B-發(fā)動機ECU息速直流電機［上止點位置傳感器家耀電磁御曲軸位置傳感器 f|空調工作繼電器車速侍感器 廢，再循環(huán)電萩函點火開美 ■故磁指示'空檔起動開關?T故障診