精华篇:混合动力核心控制技术方案图文全解珍藏!
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丰田THS-II混合动力核心控制策略介绍(二)◆/江苏 田锐(接上期)逆变器是一种把直流电转换成交流电或反之亦然的装置,为了使直流逆变产生交流,需要将4个不同的开关(图14),从S1到S4,按如下方式组合,改变开关的开/关时间可以相应的改变频率。
图14 不同开关示意图驱动电动机需要产生正弦交流电压,产生正弦波形交流而不是矩形波形交流则需要持续改变电压以产生正弦波。
如图15所示,当检测到所需输出电压(Vi)持续极短的一段时间时(Ts)。
通过控制“Ton”(Ton,开关 ON 时间)时间,使“Vi x Ts”的面积和“Vd x Ton” (电源电压 x 开关 ON 时间)的面积相同,则有效电压即变为 Vi。
通过此方式控制逆变器电路中IGBT的通断时间,使产生的电压持续改变,从而模拟产生出正弦交流电压。
这种控制方式的全称是 Pulse Width Modulation(即:PWM脉冲宽度调制),它是用脉冲宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形控制逆变器电路中IGBT的通断时间,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,从而达到驱动电动机所需的交流输出电压。
动力管理控制ECU(HV CPU)根据车辆的工作条件,通过改变调制波(图16)的频率和幅值则可调节逆变器电路输出电压的频率和幅值,以有效控制MG1和MG2,由此,确保最大效率的控制不同工况下电动机的扭矩和转速。
简而言之,它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压,为了让电动机获得更大的扭矩输出,正弦波形的三相交流的振幅(电流)应该增加,为了使电动机的速度增加,正弦波形三相交流的频率应该增加(图17)。
图16 调制波示意图调制波可分为3种:正弦波PWM、可变PWM和矩形波(1个脉冲)。
正弦波PWM是最常用的电压波形,电压和电流成正弦波,转矩变化小,可以获得较为平滑的输出,多用于电动机的低速范围。
与其他控制方式比较,其缺点是电动机的输出电压较低。
2017-01-06插电式混合动力汽车(PHEV)综合了纯电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)的优点,既可实现纯电动零排放行驶,也能通过混动模式增加车辆的续驶里程。
在后补贴时期,政府补贴减少、消费者里程需求增加、电池成本降幅较小且车辆售价不能上涨,为PHEV提供了发展机遇。
混动方案合理化、动力系统集成化、核心部件专用化和控制策略创新性设计是提升PHEV性能的关键核心技术。
1.发展PHEV的原因1.1 PHEV符合技术路线节能和新能源汽车技术路线图中规定,至2020年、乘用车新车平均油耗5L/100km,至2025年、乘用车新车平均油耗4 L/100km。
图1为传统车、HEV和PHEV油耗随质量的变化趋势,随着整备质量增加,各车型的油耗均正比例上升。
由图1可知,整备质量较大的B级车必须依靠PHEV技术才能将油耗控制在5或4L/100km以内,与“以紧凑型及以上车型规模化发展插电式混合动力乘用车为主”技术路线保持一致。
图1 车辆油耗与整车质量变化关系1.2两级补贴大幅退坡按照既定的退坡方案,250公里以上车型两级补贴在北京和天津分别下降2.2和2.75万。
从整车成本方面考虑,零部件成本下降是解决补贴退坡最直接途径,但难度较大。
表1 补贴退坡统计1.3零部件价格无大幅下降可能理论上零部件价格下降可减少补贴退坡的压力。
但近期由于铜材等价格上扬,零部件价格在2017年上半年只能维持现有状态、小幅波动,无大幅下降可能。
因此,近期通过零部件降本平衡补贴退坡可能性不大。
1.4续驶里程持续增加表3为热销车型续驶里程的统计情况,续驶里程需求持续增加。
里程增加,除了轻量化和再生制动优化外,最直接方式就是增大电池容量,电量增加导致整车成本上升。
表3 热销车型续驶里程统计1.5 PHEV可平衡各种制约因素PHEV可平衡补贴退坡、零部件价格和里程增加之间的矛盾。
PHEV的混动模式可解决纯电动里程问题;电池电量小,批量后可解决电量增加的成本问题;电池成本所占比例减少,对电池成本的敏感度降低。
栏目编辑:刘玺 lx@New Car Tech 新车新技术2021/07·汽车维修与保养57(接上期)DC/DC转换器内置于逆变器中,并用一个内部控制线路操控。
如图30所示,HV蓄电池从一侧与内部控制线路连接,内部控制线路控制晶体管。
IGCT负责内部控制线路电源。
14V直流电的输出通过AMD 端子和100A(DC/DC)保险给辅助蓄电池充电,直流201.6V单向转换为直流14V,转换过程分为四步:4个功率三极管对角的两个为一组同时控制,轮番导通提供变压器初级线圈201.6V的交流电流使变压器的初级线圈产生交变磁场,变压器次级的双线圈降压输出14V的交流电流,经过两个整流器二极管单向全波整流后再通过电感器的平流电路滤波,最终成为直流的14V 为辅助蓄电池充电和提供车身电器电源。
当发生故障时,动力管理控制丰田THS—II混合动力核心控制策略介绍(三)◆文/江苏 田锐ECU(HV CPU) 通过端子NODD发送DC/DC转换器工作停止指令。
此外,DC/DC转换器具有自诊断功能,并通过端子NODD将指示正常工作或故障的信号发送至动力管理控制ECU(HV CPU)。
DC/DC 转换器根据通过端子VLO接收到的占空信号控制输出电压。
通过降低为响应驾驶条件的输出电压来提高燃油效率,可控制输出电压,从而使其正常情况下处于 13.0~14.5V之间。
端子S处监视DC/DC 转换器的输出电压并对其进行控制,从而使辅助蓄电池端子电压恒定。
6.HV蓄电池充电控制为确保H V 蓄电池安全、可靠的运行,需要确定HV蓄电池系统的多个特性参数,监控其各自的临界值,并同时保证其冷却系统的正常工作。
上述任务由蓄电池智能单元完成。
如图31所示,蓄电池智能单元接收所需的HV蓄电池信号(电压、电流和温度)以控制混合动力系统并计算HV 蓄电池的SOC(充电状态),还检测并传输鼓风机转速反馈电压(用于进行冷却系统控制)至HV CPU,当出现电池过载,偏离SOC阈值或者过热时,HV CPU发送断开指令切断HV蓄电池系统SMR继电器以保护电池组。
文/江苏 田锐丰田Mirai氢能源燃料电池混合动力汽车核心控制策略(三)(接上期)(4)HV蓄电池温度传感器HV蓄电池温度传感器位于HV蓄电池模块下方,共有4个温度传感器,其中一个位于HV蓄电池模块和HV蓄电池冷却鼓风机总成之间的空气进气口附近。
EV控制ECU基于此HV蓄电池温度传感器通过HV蓄电池电压传感器发送给它的信息,控制HV蓄电池冷却鼓风机总成,如图26所示。
图26 HV蓄电池温度传感器零部件位置(5)HV蓄电池电流传感器HV蓄电池电流传感器安装在HV蓄电池总成内的高压电缆上,以检测电流。
传感器向HV蓄电池电压传感器发送电压信号。
该信号在0.5~4.5V之间变化,与流入或流出的HV蓄电池总成的电流变化成比例。
小于2.5V的信号电压表示HV蓄电池总成正在充电,大于2.5V的信号电压表示HV蓄电池总成正在放电,如图27所示。
(6)HV蓄电池冷却鼓风机冷却空气从后排座椅左侧从乘客舱吸入,并通过1号HV蓄电池进气管流向HV蓄电池冷却鼓风机总成。
HV蓄电池冷却鼓风机总成通过乘客舱中的进气口吸入的空气随后自上而下在HV蓄电池模块之间流动,进行热量交换,如图28所示。
图27 HV蓄电池电流传感器工作原理图28 HV蓄电池冷却鼓风机零部件位置(7)带转换器的逆变器总成如图29、图30所示,MG ECU、逆变器、增压转换器和DC-DC转换器集成在一个整体中,是一个紧凑、轻便的带转换器的逆变器总成。
逆变器和增压转换器主要处理驱动牵引电动机、带电动机的燃料电池空气压缩机、用于发电和升压的IPM(功率模块)以及电抗器和电容器组成。
MG ECU根据EV控制ECU 的输出请求值控制逆变器和增压转换器。
增压转换器将HV蓄电池电压从直流244.8V提升至最大直流650V,并将其输出至逆变器。
这样,带电动机的燃料电池空气压缩机和牵引电动机在高压下驱动,提供更高的输出功率并减少电气损耗。
逆变器将增压转换器升高的高压直流电流和来自燃料电池堆栈的高压直流转换为交流电流,为带电动机的燃料电池空气压缩机和牵引电动机供电。
THS混合动力系统混动原理和控制模式首先祭出丰田THS动力分配单元示意图,其核心就是一单排单级行星齿轮机构。
由太阳轮、行星齿轮架及行星轮和齿圈组成。
如图所示,一号电机(MG1,主要起发电、启动发动机和调速作用)连接行星齿轮组最中间绿色的太阳轮,二号电机(MG2,主要用作驱动电机和动能回收时的发电机)连接最外边红色的齿圈、而发动机则连接中间蓝色的行星架,图中标识为行星齿轮座。
整个行星排动力通过位于齿圈上的外啮合齿轮传递至减速齿轮。
1.外啮合齿轮旋转方向相反,内啮合齿轮旋转方向相同。
2.单排单级行星齿轮机构运动方程:ns+αnr =(1+α)·nc式中:ns -太阳轮转速;nr-齿圈转速;nc-行星架转速;3. α=齿圈齿数Zr 与太阳轮齿数Zs之比,即α= Zr/ Zs>1(α一般为2点几)。
4.右图为单排单级行星齿轮机构的杠杆矢量图,其中CR=1(单位)CS=α= Zr/ Zs。
水平画出输入元件矢量ns或nc 或nr左右表示旋转方向,用相似三角形法求解传动比。
结合到THS的传动机构,运动方程为:n MG1+ α·n MG2=(1+α)·n发动机分析:从上面这个等式可以看出,该行星齿轮机将发动机、MG1和MG2三个元件中的一个加以固定,或者将某两个元件互连接在一起,输入与输出可获得一定的传动比。
改变各元件的运动状态,可获得多个传动比。
但当不固定任何组件时,整个系统通过调节发动机、MG1和MG2三个元件的转速转矩,实现无极变速,满足各种整车工况。
结合THS具体结构,其只能是MG2齿圈位置处输出,所以只会存在两种固定传动比工况。
工况制动输入输出运动方程传动比转向扭矩1n MG1=0n发动机n MG2αn MG2=(1+α) n发动机i=n发动机/n MG2= (1+α)/α>1相同减速增扭2n发动机=0n MG1n MG2n MG1+αn MG2=0i= n MG1/ n MG2= -α>-2相反减速增扭结合整车行驶工况对THS混合动力系统控制模式做简单分析1.停车:若电池已完全充电,且车辆静止不动,则发动机关闭,MG1和MG2均不工作。
双擎卡罗拉THS 技术解析◆文/江苏 高惠民表2 发动机运转条件(车辆停止时)(接上期)⑴驾驶员请求扭矩计算根据加速踏板位置和车速计算目标轴驱动扭矩。
⑵驾驶员请求输出功率计算根据驾驶员请求扭矩和车速计算目标功率输出,与⑴的计算方法类似。
⑶所需发动机输出功率计算所需HV蓄电池充电功率与⑵计算所得的驾驶员请求输出功率相加即可确定所需发动机输出功率。
⑷发动机启动判断根据工作状况和所需发动机输出功率⑶,判断是否需要启动发动机。
⑸目标发动机转速计算THS-II发动机以高效发动机工作线工作。
发动机工作线与发动机输出功率(所需发动机输出功率)的交点为目标发动机转速。
⑹发动机控制根据所需发动机输出功率⑶和目标发动机转速⑸的计算结果执行发动机喷油、点火、ETCS-i和VVT-i控制等。
⑺目标MG1转速计算根据MG2转速和目标发动机转速⑸计算目标MG1转速。
⑻MG1扭矩控制根据MG1转速传感器(解析器)信号,控制MG1扭矩以达到MG1目标转速。
⑼直接发动机转矩计算根据⑻计算所得的MG1扭矩计算发动机输出的驱动扭矩(根据列线表,基于MG1扭矩可得知车桥处的直接发动机输出转矩)。
⑽MG2扭矩指令值计算根据驾驶员请求扭矩⑴和直接发动机输出转矩⑼计算MG2扭矩指令值。
如果电动机的转矩大于车辆需要的驱动扭矩,发动机就会停止工作,车辆仅靠HV蓄电池的能量输出完成行驶(EV行驶模式),如果电动机转矩小于车辆需要的驱动扭矩,发动机就会启动运转,独立驱动,或者在车辆需要更大扭矩时,发动机与电动机并行运转驱动。
2.发动机启停控制混合动力系统对发动机进行启动/停止的切换控制,使发动机工作在最佳效率工况范围内,目的是改善燃油消耗,发动机启动运转条件如表2所示。
但曲轴回转时,在特定的发动机转速区域内,发动机扭矩脉冲与传动桥产生共振,导致车辆振动。
通过下列控制措施可以减小发动机启停的振动问题。
(1)通过缩短动力重心与转动弹性轴之间的距离,增加扭振减振阻尼器等方法,改进发动机的悬置问题。
精华篇:混合动力核心控制技术方案图文全解珍藏!
精华篇:混合动力汽车控制技术方案图文全解【导读】1.广义上说,混合动力汽车(Hybrid Vehicle)是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的
车辆,车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供。
2. 通常所说的混合动力汽车,一般是指油电混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV),即采用传统的内燃机(柴油机或汽油机)和电动机作为动力源。
3.混合动力汽车使用的电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。
蓄电池使用的有铅酸电池、镍锰氢电池和锂电池,将来应该还能使用氢燃料电池。
一。
混合动力系统分类:1.根据混合动力驱动的联结方式,一般把混合动力汽车分为三类:①串联式混合动力汽车(SHEV):主要由发动机、发电机、驱动电机等三大动力总成用串联方式组成了HEV的动力系统。
②并联式混合动力汽车(PHEV):发动机和发电机都是动力总成,两大动力总成的功率可以互相叠加输出,也可以单独输出。
③混动式混合动力汽车(PSHEV):综合了串联式和并联式的结构而组成的电动汽车,主要由发动机、电动-发电机和驱动电机三大动力总成组成。
2.根据在混合动力系统中混合度的不同,混合动力系统还可以分为以下四类:①微混合动力系统。
代表的车型是
PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。
从严格意义上来讲,这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车,因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。
②轻混合动力系统。
代表车型是通用的混合动力皮卡车。
轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和
停止,还能够实现:(1)在减速和制动工况下,对部分能量进行吸收;(2)在行驶过程中,发动机等速运转,发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间
进行调节。
轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。
③中混合动力系统。
本田旗下混合动力的Insight, Accord 和Civic 都属于这种系统。
中混合动力系统采用的是高压电机。
另外,中混合动力系统还增加了一个功能:在汽车处于加速或者大负荷工况时,电动机能够辅助驱动车轮,从而补充发动机本身动力输出的不足,从而更好的提高整车的性能。
这种系统的混合程度较高,可以达到30%左右,目前技术已经成熟,应用广泛。
④完全混合动力系统。
丰田的Prius 和未来的Estima属于完全混合动力系统。
该系统采用了272-650v的高压启动电机,混合程度更高。
与中混合动力系统相比,完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。
技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发
展方向。
二。
混合动力方案详解:1.串联式:1.1结构:串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成,它
们之间用串联方式组成SHEV动力单元系统,发动机驱动发电机发电,电能通过控制器输送到电池或电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车。
小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮,大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。
当车辆处于启动、加速、爬坡工况时,发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能;当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时,则由电池组驱动电动机,当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。
串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况,可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转,通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。
使发动机避免了怠速和低速运转的工况,从而提高了发动机的效率,减少了废气排放。
但是它的缺点是能量几经转换,机械效率较低。
2.并联式:并联,实际上就是在普通汽车的基础上加装一套电能驱动系统(即电动机和动力电池),发动机和电动机都能单独驱动车轮,也可以同时工作,共同驱动汽车,当动力电池电量不足时,发动机还能带动电动机反转为电池充电。
与串联不同的是,并联结构中发动机和电动机可以同时驱动汽车,其动力性能更加优越,比亚迪秦的1.5T发动机和电动机功率相加后足足300马力有余,相当于奥迪A6的那台3.0T发动机,但秦仅仅是一台自主紧凑型车而已。
其次,并联车型的驱动模式较多,可以适应多种工况,发动机能够
在中高速运行时单独驱动汽车,无需进行能源的二次转换,因此其综合油耗也会更低。
与此同时,并联相对于串联和普通汽车更复杂,制造成本相对会高一点;驱动模式多,含有纯油模式、纯电模式、混合模式等,不同厂家的命名标识都不尽相同,消费者容易混淆。
就譬如宝马530Le的Save Battery模式,,和奥迪A3 Sportback e-tron上的Hybrid Hold 功能完全一致,仅仅是保持电量的模式而已。
该模式不能为电池充满电,只能保持电池的当前电量,消耗时发动机会给电池充回相应的电量。
3.混联式结构:在并联的基础上再加入一个发电机,就是混联了,即普通汽车电动机发电机=混联。
但它不具传统意义上的变速箱,通常是一种所谓“ECVT”的行星齿轮结构的耦合单元替代了变速箱,起到连接、切换两种动力以及减速增扭的作用。
也有一些厂家在混联结构中使用普通的变速箱,如双离合变速器、无级变速器(CVT)等,但是效果远不及这种ECVT变速结构。
混联的结构优点和使用优点更加接近于并联结构的车型,但混联的驱动模式更加丰富,在并联的混合驱动模式基础上,加入了充电功能,这意味着发动机和电动机全力驱动车辆时,不用担心电量消耗的问题。
并且得益于ECVT的加入,使电动机和发动机的配合更加默契,能够适应的工况更多,节油效果更优。
备注:总结: 混动汽车在结构上能够分为串联、并联、混联几大类,其中串联是最少厂家采用的,混联是比
较好的,但是由于专利问题,大部分厂家都选择了并联实现混动汽车的布局,这也是混动汽车中并联车型占比最大的原因,但相信未来将会有更多的混联车型推出。