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Prius混合动力系统分析


A版

新能源汽车

Prius 混合动力系统分析
李建如 孙 芳
( 上汽股份汽有限公司技术中 心 ) ( 哈尔滨工业大学 )

【 摘要】 介绍 P rius 混合动力系统的结构 , 按 照传统 工况对车 辆进行 了试验, 并由 此对混 合动 力系统 的
控制策略进行了分析。


【 主题词 】 混合动力

汽车

分析

1

P rius简介

2

P rius 混合动力系统结构
P riu s采用混联式的机械结构 , 包括 2 个电机,

第一 代 P riu s 于 1997 年 12 月 在 日本 上市 , 2000年进行小改款后面向北美和欧洲销售, 2003 年 9 月推出了第 2 代车型。表 1 给出了两代 Prius 的主要参数。该车所采用的发动机专门为混合动 力系统设计 , 并采用电动助力转向等技术以尽量 降低能耗。与第 1 代相比 , 第 2 代 P riu s增加了电 动空调、 一键式起动等 功能。本文的主要研究对 象为 2001 款 P riu s , 但未考虑空调工作状态对控制 策略的影响 , 也未考虑电机和电池的工作效率。

即 MG1 和 MG2 , MG1 主要用于调速, MG2 主要作 为驱动电机, 2 个电机均可以 作为发电机 和电动 机。电机和发动机通过一套行星齿轮组连接实现 动力分配。如图 1 所示 , 发 动机 与行 星架相 连, MG1 和太阳轮相连 , MG2 连接在齿圈上 , 齿圈再通 过齿形带和主减速器相连。电机和发动机之间具 有以下的转速关系 : nMG1 + inMG 2 = ( 1 + i) # ne ( 1)

尽管我国汽车零部件产业总体水平有了很大 提高, 但仍然严重滞后于整车发展, 尚未摆脱弱、 小、 散的局面。市场集中度低、 自主 开发能力弱、 高新技术产品少、 长期投资不足, 已成为制约汽车 产业发展的关键因素。 / 十一五 0期间 , 汽车零部 件工业要全面提升产业竞争 力, 不能再走单纯靠 投资拉动增量、 靠大集团建立封闭零部件制造体 系、 靠过度依赖国外技术和整车企业的发展道路 , 而要抓住国家支持自主创新的战略机遇期和国际 汽车产业转移的契机, 进行必要的战略调整 , 促进

产业结构、 产品结构的 优化升级和开发能力的提 高 , 满足整车发展的需要和市 场的需求。对于机 械类零部件要提倡自主开发、 培育自主品牌 , 扩大 国内外配套份额 , 进一步做大、 做强企业; 机电类 零部件要加快形成产品研发能力 , 形成一批具有 国际竞争力的骨干企业 ; 电子类零部件要充分利 用国内外技术资源 , 尽快掌握核心技术, 形成一批 具有高新技术、 能为多家配套的企业, 积极参与整 车企业产品开发, 与整 车企业建立长期战略伙伴 关系, 进入国际市场。 (玉 争)

收稿日期 : 2007- 03- 13

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表 1
长 /宽 /高 ( mm ) 整备质量 ( kg) 发动机最大功率 ( kW ) ( r /m in ) 发动机最大转矩 ( Nm ) ( r /m in ) 驱动电机最大功率 ( kW ) ( r /m in ) 驱动电机最大转矩 ( Nm ) ( r /m in ) 镍氢电池 动力总成最大功率 ( kW ) ( km / h) 动力总成最大转矩 ( Nm ) ( km / h) 百公里加速时间 ( s) EPA 油耗 ( M /G ) ( C. /H. /Com. )

P rius 主要参数
Prius1997 P rius2001 Priu s2004 4310 @ 1695 4310 @ 1695 4445 @ 1725 @ 1465 @ 1465 @ 1475 1255 1296 43 / 4000 102 / 4000 52 /4500 111 /4200 57 /5000 115 /4200

发动机起动分为热起动、 冷起动。热机状态 下 , MG1 作为电动机拖 动发动机达到 1000 r /m in 以上后 , 发动机开始喷油 , 同时 MG1 进入发电模 式 , 如图 2 所示, 如果电池的充电需求为零, 则发 动机在运行约 2 s后停机。图 3 为发动机冷起动 时系统工作状况。发动机被 MG1 拖动到 1200 r/m in 左右后约 2 s才开始工作, 这实际上包含了发动机 的暖机过程。

30 / ( 940~ 33 / ( 1040 ~ 50 / ( 1200 ~ 2000) 5600) 1540) 305 / 350 / 400 / ( 0~ 940 ) ( 0~ 400) ( 0 ~ 1200) 圆柱形模块 长方体模块 长方体模块 288 V 273. 6 V 201. 6 V 74 /120 421 /11 12. 8 52 /45 /49 82 /120 478 / 22 10. 9 60 /51 / 56

图 2 发动机热起动过程

图 1 P rius 混合动力系统结构示意图

图 3 发动机冷起动过程

发动机输出的转矩一部分通过太阳轮作用在 M G1 上 , 一部分作用在齿圈上, 且存在 : i 1 # T e, Tr = # Te 1+ i 1+ i 其中: i= z ring /z sun TM G1 = ( 2)

3. 2 车辆起步 车辆起步时, 发动机静止 , 由 MG2 拖动车辆, MG1 随动 , 当功率需求达到一定值时, MG1立即拖 动发动机起动。根据电池 SOC 的不同, 发动机起 动的时刻也不同。图 4 为车辆起步工况。 3. 3 加速 分别对全油门加速和部分油门加速情况进行 试验测试。全油门加速试验时 , MG2 电流迅速增 加 , 拖动车辆加速 , MG1 也迅速拖动发动机到较高 转速, 在发动机转速突 变的过程中基本不存在瞬 态加浓过程。部分油门时, 由于电机 MG2 的助力 作用, 发动机的喷油脉宽不存在瞬间增加的情况, 而 MG1 一直作为发电机。
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3 不同工况下混合动力系统工作状 况
为了便于对混合动力 系统的控制策略研究分析 , 按照起动、 起步和加速、 匀速、 滑行、 制动等工况对 车辆进行试验, 获得各动力部件的工作状况。 3. 1 发动机起动 # 4#

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图 4 车辆起步

图6

60 km /h 初速滑行

3. 4 匀速 图 5 为 120 km / h 匀速工况 , 由于此时的电池 SOC 为 60 % , 电池充电需求为零, 车辆功率需求恒 定 , 发动机工作点比较优化。 MG2 正向旋转为发 电机, 而 MG1 作为调 速电 机调 整发 动机的 工况 点。在车辆匀速行驶时 , 电池是否充电首先取决 于 SOC, 另外与 MG2 转速和输出电压有关。

图 7 100 km /h 初速 B 档制动

MG1 逆向旋转超速, 必须对 MG1 进行转速控制。 若电池 SOC 较低, 发动机断油, 转速逐渐下降, 当 降到 1000 r/m in 时, 发动机恢复喷油。 B 档时利用发动机制动 , 不管 SOC 状态如何, 发动机必须旋转, MG1作为电动机调速。 车辆制动 时的工 作状 况和滑 行工 况相 差不
图5 120 km /h 匀速工况

大 , 不同的是制动时 ECU 会根据制动功率需求进 行液压制动和电机制动的功率分配。图 7 为初速 100 km /h 的 B 档制动 , B 档制动时, 发动机转速降 到 1000 r/m in , 车速降到 15 km /h 时 , 发动机停转, 不再恢复喷油。

当车辆的功率需求较小时 , 可以以纯电动工 况行驶, 发动 机静止, MG2 拖动车 辆, MG1 随动。 经观察 , 纯电动运行最高车速为 40 km /h, 当电池 SOC 降低到 45 % 时 , 发动机必须重新起动。 3. 5 滑行和制动 加速踏板松开后 , 车辆开始滑行, 图 6 为 D 档 滑行情况, 初始 SOC 为 60 % , 发动 机喷油脉宽逐 渐减小直至断油 , MG1 立刻作为电动机调速使发 动机停转, 这样减小了滑行过程中的摩擦损失 , 而 M G2 一直进行能量回收。车速较高时, 为了防止
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控制策略分析
整车 ECU 采集多个信号进行判断, 决定系统

的工作模式, 系统将驾驶员的输入作为一级指令, 图 8 所示为控制系统参数。 影响整车控制策略的参数主要包括车辆的驱 # 5#

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( 1) D 档, 且 0< P v _re q [ P B _a时 , 若发动机已经 达到暖机状态 , 则车辆以纯电动方式运行, 此时发 动机静止, MG1 随动。 ne = 0 , P MG2 = P v_ req TMG 2 = 9550 P v _req /nMG2 nMG1 = - inMG2, TM G1 = 0 ( 3) ( 4) ( 5)

( 2) 在稳态工况下, 发动机单独驱动车辆 , 此 时 MG2 作为发电机, MG1 作为电动机调速。发动
图 8 整车 ECU 控制系统参数

动功率需求 P v _r eq、 驱动转矩需求 T v _req、 车辆制动功 率需求 P brake_req 、 电池充电功率需求 P ch _r eq、 可供电 功率 P B _a及可充电功率 P B _ch _a。 电池充电功率需求取决于 SOC, 而电池的可 充电功率和可供电功 率与 SOC 和充放 电电压相 关。根据试验观察, 电池 SOC 的变化范围为 45 % ~ 65 % , 控制目标值为 56 % , 即当 SOC 大于等于 此值时 , 电池的充电需求为零。 另 外, 经 试 验 观 察 , 发 动 机 转 速 不 低 于 1000 r /m in 。由于电机 MG1 和 MG2 所发 挥作用 的差异 , 系统对 MG1 进行转速控制 , 而对 MG2 进 行直接转矩控制。 4. 1 P 档下发动机 O n /O ff控制 当选档杆位于 / P0时 , 系统进行发动机 On /O ff 判断, 此时若 P ch _req = 0 , 且发动机冷却液大于 70 e 时 ( 三效催化转化器温度也要达到一定值, 试验中 未测量 ) , 发动机 O f, f 否则发动机必须起动。 4. 2 驱动工况下的发动机工作点控制 发动机工作点主要根据 P v_req 、 P ch_req 、 P B _a 3 个 参数确定。 车辆驱动功率需求可按图 9 计算。车辆可提 供最大转矩 , 即车辆的转矩外特性 , 包括发动机的 外特性和电池发电时的外特性。车辆的制动功率 需求计算类似。

机目标功率为 : P e = P re q = P v _req + P ch _req

( 6)

发动机运行在优化的工况点 ( T e, ne ), 若 T e \ T v _req, MG2 发电 , 进行 MG1 转速控制 , nM G1 = ( i + 1 ) ne - inM G2。否则, MG2 助力, TM G2 = Tv _req - T e。 对于瞬态 工况, 系统根据加速踏 板的深度和 变化率确定车辆的功率需求。 发动机目标功率: P e = P v _req - P B _a MG1 和 MG2 的控制与稳态工况类似。 6000 r /m in, 此时发动机转速: n e = i / ( i + 1) nMG2 + 6000 / ( i+ 1 ) T e = 9550P e /ne 4. 3 制动能量回收 车辆滑行时, 车辆驱动功率需求为零 , 系统的 工作状况与制动类似, 因此将滑行时的控制模式也归 于制动能量回收。经试验观察, 车速低于 15 km / h 后, 电机不进行能量回收, 即 PMG 1 = PMG 2 = 0 。 4 . 3. 1 D 档滑行 ( 1) 若 P ch _req = 0 , 车辆开始滑行 后发动机立 即停止喷油。滑行过程中始终存在 P MG2 + PM G1 = P B _ch_a。若初始车速较高 , 为了防止 MG1 逆向旋转 超速, 必须进行 MG1 转速控制。 nMG2 > 7000 / i + 1000 时, MG1 转速保持恒定; 6000 /i < nMG 2 < 7000 / i + 1000 时, n e = 1000 r/m in , nMG1 = ( i+ 1 ) 1000- inMG 2; nMG2 [ 6000 / i 时, ne = 0 , MG1 随动。 ( 2) 若 P ch _r eq > 0 , 滑行开始后发动机不断油, 其目标功率 P e = P ch_req , 发动机运行在优化的工况 ( 8) ( 9) ( 7)

车辆驱 动时为 了防 止 MG1 超 速, 被限 制在

图 9 车辆驱动功率需求

点 (T e, ne ), MG1 作为调速电机, MG2 作为发电机 对电池充电。 P MG 2 + P MG1 = P B _ch _a, nM G1 = ( i + 1 ) n e

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- inM G2, 如果开始滑行时车速太高, MG1 必须进行 转速控制。 4 . 3 . 2 B 档滑行 B 档时利用发动机制动 , 虽然发动机停止喷 油 , 但发动机被 MG1 拖动在较高转速下运转 , MG2 作为发电机对电池充电。 Pe = 0 , T e = 0, PM G2 + P MG1 = P B _ch_a, 初始 MG2 转速 nMG2 [ 6000 / ( i + 1 ) 时, 发动机目标转速 ne = ( 1+ i / ( i + 1 ) ) nMG2; 6000 / ( i + 1 ) < nMG 2 [ 3000 时 , 发动 机 目标 转速 ne = ( 1 + 1 / ( i + 1 ) ) nM G2; 3000< nMG 2 [ 3000 时, 发动机目标转速 ne = nM G2; nMG 2 > 5000 时 , n e = inMG2 / ( i+ 1 )。 为了尽可能多地消耗车辆的动能 , 发动机转 速不低于 1000 r /m in, 直到车速下降到 15 km /h, 此时如果电池的充电功率需求 P ch _req > 0 , 发动机 重新开始喷油 P e = P ch _req, P MG 2 + PM G1 = P B _ch _a。否 则 , 发动机迅速停转。 4 . 3 . 3 制动工况 车辆的制动功率需求 : P b rake_req = P brak e_m ax @ Brake ( 10) 功率 P bfh = P bf - P B _ch _a。 ( 3) B 档制动 B 档制动时动力系统的控制 与滑行时类似, 需要进行发动机的转速控制 , 但是 , 当车速降低到 15 k m / h 后, 发 动 机 不 会 重 新 喷 油。 若 P bf [ P B _ch_a, P MG 2 + P MG1 = P bf ; 否则 PMG 2 + PM G1 = P B _ch _a, P bfh = P bf - PB _ch _a。 4. 4 电机控制 由于 MG1和 MG2的主要用途不同 , 分别用于 发动机调速和辅助驱动 , 电机控制单元对相应电 机采取了不 同的 控制 策略, 即对 MG1 进行 转速 PI D 控制 , 而对 MG2进行直接转矩控制。

5

结语
本文介绍了 P riu s的机械机构 , 并将整车的工

况分为发动机起动、 车辆起步、 加速、 匀速、 滑行和 制动等工况进行了试验和分析 , 明确了混合动力 系统在各个工况下的工作状况 , 并由此对系统在 各个工况下的控制进行了研究和分析。鉴于目前 国内企业正积极投身于混合动力系统 , 本文对 Pri us控制的分析可以作为一种借鉴。

为了保持制动时的方向稳定性 , 必须保证前 后轮的制动力按照理想的制 动力曲线分配, 因此 电机制动力只能代替全部或部分前轮制动力。当 制动踏板位置或被踩下的速 率超过一定值时, 制 动能量回收不起作用。 前轮的制动功率需求为: P bf = [ b + P b rak e_req hg / (m gv ) ] @P brake_req /l ( 11) 其中: b ) 重心到后桥的距离; hg ) 重心高度 ; m ) 质量; g ) 重力加速度常数 ; v) 车速 ; l) 轴距。 ( 1) D 档 , 且 P bf [ P B _ch _a 当 P ch _req = 0 时发动机可以迅速停转 , 但必须 进行 MG1转速控制。若 P ch_req > 0, 则制动开始后 , 发动机停止喷 油, 转速下降 , MG1 和 MG2 同时对 电池进行充电, 当转速下降到 1000 r /m in 时, 发动 机重新开始喷油 , P e = P ch _req 。在 整个制动过程中 PMG 2 + P MG 1 = P bf 。 ( 2) D 档 , 且 P bf > P B _ch _a 与情况 ( 1) 类似 , 区别在 于在整个 制动过程 中 , P MG 2 + P MG1 = PB _ch _a, 前轮液压制动系统的制动
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参考文献
1 B Jeamn eret , R T rigu , i F badin, F H are. l N ew H ybrid con cep t

si m u lat ion tools , evaluation on the Toyota Prius car . Th e 16th in ternat iona l electric veh icle symposiu m, 1999 . 10

A bstract
H ybrid pow er techno logy is one o f the so lu t io ns to autom ot iv e - related issues concern in g energy sav ing and env ironm enta l pro tection . A s the m ost successful hybrid sedan, P riu s has a ttracted w ide attention . T he art ic le in troduces the m echan ica l structure of P rius hybrid pow er syste m, conducts road test in trad itional cycle , and analyzes the control strategy of the hybrid pow er syste m. # 7#


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