【導(dǎo)讀】Abstract. 1.Introduction. gearandthe. Fig.1.

　　

【正文】 的驅(qū)動力對與豐田混合動力系統(tǒng)各組件的性能 要求。驅(qū)動力在電池高低壓時的控制方法也作了先關(guān)描述。 2. 豐田混合動力系統(tǒng) 如圖 .1 所示，豐田混合動力系統(tǒng)由混合動力傳動裝置、發(fā)動機(jī)和電池組成。 . 混合動力傳動系統(tǒng) 混合動力傳動系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、動力分配裝置和減速器組成。動力分配裝置是一個行星齒輪機(jī)構(gòu)。太陽輪、齒圈和行星架分別直接連接到發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和發(fā)動機(jī)，齒圈也直接連接到減速器。因此，發(fā)動機(jī)的動力被分配到發(fā)電機(jī)和驅(qū)動輪。使用這種機(jī)械裝置，各軸的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系。在這里，太陽輪和齒圈之間的傳動比是 ρ ： 這里， Ne 是發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速， Ng是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， Nm 是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 Fig. 1. Schematic of Toyota hybrid system (THS). 傳遞到電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和發(fā)電機(jī)從發(fā)動機(jī)獲得的轉(zhuǎn)矩如下： 這里， Te 是發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。 驅(qū)動軸通過減速器連接到齒圈，因此，車連行駛速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。如果減速器的減速比為 η ，則驅(qū)動軸獲得的扭矩如下式： 這里 Tm 為電動機(jī)速出扭矩。 如上式所示，驅(qū)動軸獲得的扭矩與發(fā)動機(jī)和電動機(jī)軸上輸出的總扭矩成正比。因此，我們會參考電動機(jī)軸輸出扭矩而不是驅(qū)動軸上獲得的扭矩。 . 發(fā)動機(jī) 豐田混合動力系統(tǒng)采用專門設(shè)計的排量為 的汽油發(fā)動機(jī)。為了提高發(fā)動機(jī)的效率、實現(xiàn)情節(jié)的排放，這 臺發(fā)動機(jī)采用了高膨脹率循環(huán)、可變相位配氣系統(tǒng)以及其他機(jī)構(gòu)。特別是實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速為 4000r/min（最高轉(zhuǎn)速）時最大限度的減少了摩擦力。 ．電池 電池是采用了密封鎳金氫化物電池。這種電池的優(yōu)點是功率密度高、壽命長。這種電池的功率密度可以達(dá)到 3 倍以上常規(guī)電動車開發(fā)的電池。 3. 驅(qū)動力和性能要求 豐田混合動力系統(tǒng)提供了有意的燃油經(jīng)濟(jì)性和廢氣排放，但是它必須還要具備足夠的車輛動力輸出要求。本節(jié)討論車輛運動性能要求以及各組件的基本要求。 汽車的動力性能由通過的道路條件（如斜坡）、車速限制、所需超車速度等來確定。表 .1 所示為在日本汽車行駛的動力性能要求。 . 行星排特性參數(shù) 行星排特性參數(shù) ρ 對車輛燃油經(jīng)濟(jì)性或排量幾乎沒有影響。這是因為，車輛的行駛速度、驅(qū)動力和電池條件取決于所需發(fā)動機(jī)功率（即發(fā)動機(jī)狀態(tài)），而 不是行星排特性參數(shù)。相反，他很大程度上受限制于車輛的總體布置預(yù)留的設(shè)計空間。目前在先進(jìn)的豐田混合動力系統(tǒng) ρ =。 . 最大發(fā)動機(jī)功率 由于電池存儲容量的限制，其使用范圍不能超出其限制范圍。大部分驅(qū)動力是僅僅依靠發(fā)動機(jī)提供的能量。圖 .2 所示基于本田混合動力系統(tǒng)的車輛行駛阻力對車輛動力的規(guī)格要求。相應(yīng)地，車輛以 140km/h 的速度行駛在平整的公路上或以 105km/h 的速度在坡度為 5%坡道上行駛所需要的功率為 32kw。如果考慮傳動系的損失在內(nèi)，就需要發(fā)動機(jī)提供 40kw 的功率。為了在保持良好的燃油經(jīng) 濟(jì)性的同時得到良好的車輛動力性能，豐田混合動力系統(tǒng)采用最大功率為 43kw 的發(fā)動機(jī)。 . 發(fā)電機(jī)最大扭矩 如第二節(jié)所述，發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速為 4000r/min，要達(dá)到這一轉(zhuǎn)速是的最大扭矩從發(fā)動機(jī) 獲得的最大扭矩如下： 根據(jù)式（ 3），作用在發(fā)電機(jī)上的最大扭矩如下： 這是在不超速行駛的情況下驅(qū)動發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)的扭矩。實際上需要跟大的扭矩，因為發(fā)電機(jī)的加速或加速以及發(fā)電機(jī)扭矩的分散。因此要增加 40%的扭矩作用在發(fā)電機(jī)上，所需扭矩計算如下： . 電動機(jī)輸出最大扭矩 從圖 .3中可以看出，為了獲得 30%的爬坡性能，電動機(jī)需要提供 304Nm 的扭矩。這個扭矩僅僅是為了平衡車輛的坡道阻力，要獲得足夠的啟動和加速性能，需要額外提供 70Nm 的扭矩或提供總扭矩為 370Nm。 根據(jù)式（ 2），從發(fā)動機(jī)傳輸傳輸?shù)呐ぞ乜梢酝ㄟ^下面計算獲得： 因此，電動機(jī)必須能夠提供 300Nm 的最大扭矩。 . 電池的最大功率 如圖 .2 所示，當(dāng)車輛以 130km/h 的速度爬上坡度為 5%的斜坡時需要提供49kw 的功率。因此減去發(fā)動機(jī)提供的功率剩下的就是電池所要提供的功率。正如前面所述，如果安裝了小功率的發(fā)動機(jī)，它僅能提供 32kw 的功率，剩下所需的 17kw 的功率需 要由電池來供應(yīng)。如果將可能發(fā)生的損失考慮在內(nèi)的話，電池需要提供 20kw 的功率。因此，有必要針對實際的坡道通過能力來確定電池的供電能力要求。表 .2 列出了所需要的電池規(guī)格。 表 .3 概括了在上述討論的情況下實際采用的電池規(guī)格要求。所需的項目為實例時選擇了最小的發(fā)動機(jī)功率，換句話說，如果發(fā)動機(jī)做了更改則每個項目都要進(jìn)行相應(yīng)的更改。 4. 驅(qū)動力控制 為了控制發(fā)動機(jī)、電動機(jī)以及發(fā)電機(jī)之間的合作，豐田混合動力系統(tǒng)采用了常規(guī)汽車或電動汽車所不必?fù)碛械目刂葡到y(tǒng)。圖 .4列出了控制系統(tǒng)圖。 Fig. 4. Control diagram of the THS. 加速踏板位置、車輛行駛速度（電動機(jī)轉(zhuǎn)速）、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及電池可用電量的相關(guān)參數(shù)均作為變量輸入到控制系統(tǒng)。輸出參數(shù)有所需發(fā)動機(jī)功率、發(fā)電機(jī)輸入扭矩、電動機(jī)輸出扭矩。首先，驅(qū)動力矩由驅(qū)動程序依據(jù)加速踏板位置和車輛行駛速度計算確定。所需要的驅(qū)動功率是通過當(dāng)時的扭矩和電動機(jī)轉(zhuǎn)速計算獲得。系統(tǒng)系統(tǒng)所需的動力是所需驅(qū)動力、電池充電所需動力以及系統(tǒng)動力損失動力的和 。如果所需的總功率超過預(yù)定值，它將成為所需的發(fā)動力功率。如果低于預(yù)定值，車輛依靠電池功能而無需使用發(fā)動機(jī)。其次，發(fā)動機(jī)最高性能轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的能量是由計算得到，這時發(fā)動機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。目標(biāo)速度是利用發(fā)動機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和電動機(jī)轉(zhuǎn)速利用式（ 1）計算得到。發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩由 PID 控制確定。發(fā)動機(jī)輸出扭矩可由式（ 3）計算得到。電動機(jī)輸出扭矩由最初計算的驅(qū)動力矩減去發(fā)動機(jī)輸出扭矩得到。因為電動機(jī)產(chǎn)生扭矩所消耗的能量不可能超過依靠發(fā)電機(jī)和電池同時供應(yīng)的能量，所以有必要將電動機(jī)的功率限制在發(fā)電機(jī)和電池供用的總功率范圍內(nèi)，圖 .5 示意 了控制方法。發(fā)電機(jī)的輸出功率和電池供應(yīng)的有效功率之和是可以被電動機(jī)利用的功率。電動機(jī)輸出的有效扭矩可以根據(jù)電動機(jī)轉(zhuǎn)速和總功率供應(yīng)來獲得。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速低時，如果計算扭矩超過電動機(jī)的規(guī)格就由電動機(jī)規(guī)格來確定。通過這有限的扭矩來控制電動機(jī)的扭矩輸出要求，電動機(jī)的功率消耗可以被控制在有效功率范圍內(nèi)。如果電池的有效功率足夠大，電動機(jī)輸出地有效扭矩幾乎不再限制電動機(jī)的扭矩輸出。與此相反，如果電池電量很低時，電動機(jī)的輸出扭矩就會經(jīng)常被限制。 圖 .6 顯示了當(dāng)豐田混合動力系統(tǒng)被分割成只有電池供能、只有發(fā)動機(jī)供能以及發(fā)動機(jī)和電池同時供能三種情況是各自所能提供的最大驅(qū)動力矩。 5. 結(jié)論 本文討論了豐田混合動力系統(tǒng)中的驅(qū)動力控制，獲得以下結(jié)論： ? 每個組件的性能要求是通過對車輛動力性要求進(jìn)行反計算獲得。 ? 電池的有效功率因電 池的狀態(tài)而異。但是，通過對電動機(jī)輸出扭矩的限制，電池供應(yīng)功率可以被控制在電池功率的有效利用利用范圍內(nèi)。