丰田“雷凌双擎”混动汽车关键技术分析

丰田“雷凌双擎”混动汽车关键技术分析

贺洪燕1熊俊杰2刘强3

(1.四川广安爱众股份有限公司四川广安638500;2.3.西南油气田公司川中油气矿磨溪净化厂四川遂宁629000)

摘要：由于空气污染日趋严重，纯电动汽车和插电式混合动力汽车，越来越受到各界的关注。但新能源汽车还有一些使用不方便之处，如续航里程不够、充电不便等。“雷凌双擎”汽车则是一款不用充电的混合动力汽车，同时可以大幅节油，这引起了外界极大的兴趣。本文分析介绍了丰田“雷凌双擎”混合动力汽车的工作原理，对其关键的技术进行了分析。

关键词：混合动力；工作模式；阿特金森循环；PCU；ECVT

1简介

“雷凌双擎”汽车为并联式混合动力[1]，主要包括动力控制单元PCU、一台“阿特金森循环”发动机、两台电机（电机1作ECVT的控制用，电机2作驱动和发电用）、电子无级变速器ECVT[1]。

PCU同时与动力电池和两个电机及发动机相连，实现对发动机和电机的控制；两个电机及发动机分别与ECVT相连接，完成功率耦合及改变传动比功能；ECVT将动力传递给主减速器，再由主减速器通过驱动轴传递到驱动轮。

在不同工况下，动力控制单元PCU尽可能将发动机控制在燃油消耗率最佳区域，并协调控制电机工作在不同的状态，使传动系输出的动力满足车辆需求。动力电池的能量主要来源于两种工况：一是车辆减速/制动时能量回收，二是控制发动机工作在最佳燃油消耗区域时，若其输出功率大于车辆行驶需求，富余的功率则为动力电池充电。通过控制，可以保证动力电池中始终有一定电量（通常将其电量控制在40%~70%之间，以增加电池寿命），从而不需要外接电源充电[2]。

2工作模式

2.1起步和低速

在车辆起步或低速运转时，仅使用电机作为其动力源。由于起步或低速时，传动系的转速较低，若使用发动机驱动车辆，相应地发动机工作在低转速范围，导致燃油消耗率和排放的情况都不能达到理想状态，对于“阿特金森循环发动机”来说，更是如此。在起步和低速时仅使用电机驱动则不存在这个问题：起步和低速时驱动功率需求低，“雷凌双擎”汽车配备的电机能满足要求，电机驱动系效率高，避免了发动机在此工况下的高燃油消耗，达到节能目的[3]。

2.2正常行驶

当车辆按正常速度行驶时，将发动机控制在燃油消耗率最佳状态区域，即“阿特金森循环循环发动机”较节能的中转速状态。此时发动机提供的功率会大于车辆的行驶需求，富余的功率将用于发电机发电储能。

2.3急加速

在车辆急加速时，若仅依靠发动机驱动，则会对发动机的驱动状态调整很大，使得发动机工作状态可能严重偏离其燃油消耗经济区域，增大燃油消耗。

“雷凌双擎”汽车采用的控制方式是，在车辆急加速时，基本保持发动机工作在最佳燃油消耗区域或作小幅调整，控制电机使其输出较大功率，配合发动机的功率输出，使其满足功率需求。

2.4减速或制动

车辆减速或制动时，“雷凌双擎”汽车关闭发动机，控制电机工作在发电状态，回收车辆动能。在制动要求不大时，不使用刹车系统；仅使用电机的发电制动，当制动要求较大时，控制电机发电制动的同时配合使用刹车系统。这种控制方法不仅能更好利用车辆的动能，同时能够减少刹车系统的使用，延长其寿命。

3“阿特金森发动机”

3.1原理简介

传统的汽油机工作时有四个行程——进气、压缩、膨胀、排气。通过活塞做往复运动时控制两个节气门的开闭及火花塞点火实现，这个循环被称为奥拓循环。在奥拓循环中，发动机压缩过程的压缩比和膨胀过程的膨胀比基本一致。

发动机压缩过程的压缩比是影响发动机燃油消耗的重要因素，若能适当增加膨胀比，则可以输出更多功率，达到提高动力输出的效果。阿特金森循环发动机与米勒循环发动机正是基于这样的原理——改变压缩比和膨胀比，使膨胀比大于压缩比，增大燃烧废气的做功行程。但阿特金森循环发动机和米勒循环发动机达到这一目的的方式完全不同。

阿特金森循环发动机通过结构来实现循环过程中膨胀比大于压缩比。阿特金森发动机使用了较为复杂的连杆作为动力从活塞到曲轴的输出，使得发动机压缩行程和做功行程时，活塞的位移是不一样的。

这种设计很巧妙，用不同的连杆机制协同工作，使得各个行程幅度不同，不仅有效的改良了进排气情况，膨胀比大于压缩比更是阿特金森发动机最大的特点。更长的膨胀行程可以更有效的利用燃烧后废气仍然存有的高压，所以燃油效率也比奥托循环更高一些。但复杂的连杆在体积上和可靠性都不如奥托发动机，所以在汽车上未能普及，不过船用、发电等大型柴油机在很大程度上借鉴了阿特金森发动机这种特性[4]。

米勒循环发动机同样实现不对等膨胀/压缩比的功能，但并不是采用复杂的连杆结构，而是在奥拓循环发动机的基础上，采用配气时机来制造这种效果。其实现原理为：在吸气冲程结束时，推迟进气门的关闭，这就将吸入的混合气又压缩出去一部分，然后再关闭进气门，开始压缩冲程。如下图1和图2，为奥拓循环和米勒循环配气相位对比。

图1奥拓循环配气相位图2米勒循环配气相位

通过这种方式实现的膨胀比大于压缩比，并不需要在结构做较复杂的改动，而只需要在设计时适当增大气缸行程即可[5]。

3.2优缺点分析

对于阿特金森循环发动机和米勒循环发动机，它们都有着较好燃油经济性这样的优点，这是它们膨胀比大于压缩比这一原理决定的，但在实际中，这两种发动机技术并没有得到广泛引用，是由于它们与生俱来的缺点。

对于阿特金森循环发动机，其结构非常复杂，不仅大大增加了设计和加工装配的难度，同时会增加汽车的生产成本，极大程度上限制其量产。

对于米勒循环发动机，在其低转速时，本来就较为稀薄的混合气在“反流”之后变得更少，这让该类发动机低速扭矩表现很差，在车辆起步时往往会动力不足，影响车辆的性能。

对于阿特金森循环发动机和米勒循环发动机，较长的活塞行程确实可以充分的利用燃油的能量，提升经济性，但由于活塞行程的增加，这也会限制了发动机转速的升高，加速性能也变差。

这就让阿特金森循环发动机和米勒循环发动机的适用范围变窄，仅在转速的中间阶段其才能有效发挥动力。对于每天在路况复杂的城市交通中形式的汽车来说，这种发动机非常不适合。

综上可知，即便阿特金森循环发动机和米勒循环发动机在一定程度上能提高燃料利用率，但其对普通汽车来说，并不适合，这也是其并未得到广泛应用的原因。

3.3“雷凌双擎”发动机

对于混合动力汽车来说，上述阿特金森发动机和米勒循环发动机的问题更容易得到弥补：在车辆低速时，仅由电机驱动行驶；在车辆高速时，由电机和发动机共同驱动。

因此，发动机在整个车辆工况中，主要运行在中转速范围，电机与其协调输出满足车辆需求的动力。在混合动力汽车上装备阿特金森循环或米勒循环发动机，可以保证其主要工作在中转速范围，发挥其节省燃油的优点。这是这类发动机能在混合动力汽车上得到应用的主要原因。

而对于在混合动力汽车上装配阿特金森循环发动机还是米勒循环发动机这个问题，答案显而易见。阿特金森循环发动机需要配合较复杂的连杆机构实现不对等压缩比/膨胀比，其成本高可靠性低，而米勒循环发动机只需要在传统奥拓循环发动机的基础上对进气门开闭时间进行调整即可完成，很容易实现。

4动力控制单元（PCU）

动力控制单元的主要任务是，根据当前的车辆的行驶状况，控制发动机和电机的动力输出，即对车速、油门踏板、制动踏板等进行分析，根据一定算法得到当前最佳的电机和发动机转速与扭矩，将发动机参考转速和转矩发送给发动机管理系统（EMS），并通过对逆变器的控制对电机转矩和转速进行控制[6]。

对纯电动汽车或者混合动力汽车而言，要求驱动电机具备功率密度大、效率高、可靠等优点，而永磁同步电机（PMSM）具备上述优点。永磁同步电机转子主要由永磁体构成，定子由三相线圈组成，定子和转子相互没有物理接触，仅通过相互之间的磁场作用，如下图3中简化的定转子模型。在永磁同步电机（PMSM）的控制中，通过对定子线圈电流的控制，实现定子磁场位置和幅值的控制，即可通过控制定转子间相互作用磁场来控制电机输出转矩。

在永磁同步电机的控制中，通常是建立一个与转子同步旋转的坐标系，如下图4的dq轴系，并在其上做控制运算，最后将控制结果转换到固定的定子坐标系下执行。

图3定转子模型图4PMSM转子dq轴系

永磁同步电机控制的算法有多种，本文介绍应用广泛的矢量控制——通过对定子电流大小及相位进行控制，来控制电机。

控制算法中，输入为参考转矩，控制器通过一系列运算，向逆变器输入逆变器控制信号，使逆变器向电机输入一定规律的电压，得到实际转矩。

可将控制程序分为六部分：参考电流运算器，dq轴电流PID控制器，“dqtoalf/belta”

模块，逆变器。参考电流运算器根据参考转矩指令，结合电机转速给出电机dq轴的参考电流，本模型中，按最大转矩电流比控制及弱磁控制规律给出dq轴参考电流指令，dq轴参考电流与实际电流做差后，将差值传递给PID控制器[7]。

PID控制器根据dq轴参考电流与实际电流的差值进行运算，运算结果为转子dq轴坐标系下的参考电压，传递给“dqtoalf/belta”模块。

“dqtoalf/belta”模块。上述PID控制器传出的数据为转子dq坐标系下的电压参考值，并不是定子坐标系的电压值，“dqtoalf/belta”模块的功能就是结合转子位置（电角度）将PID控制器给出的旋转dq坐标系下的电压矢量转换成固定alf-belta坐标系下的电压矢量。

SVPWM（SpaceVectorPWM，空间矢量调制），通过对每相定子线圈电压的调制，实现使实际固定alf-belta坐标下的电压参考值跟踪参考值。

逆变器。汽车上搭载的电源为直流电源，PMSM需要的是一定规律的交流电流，因此需要通过将直流电源与逆变器相连，通过逆变器电路的控制，输出一定规律的电压和电流。

通过动力控制单元（PCU）的运算，可以对电机和发动机进行协调控制，保证它们在最佳状态下工作。

5电子无级变速器ECVT

“雷凌双擎”汽车的变速装置采用电子无级变速器（ECVT,ElectricContinuouslyVariableTransmission），其实现的作用有耦合发动机和电机功率，调节传动比。主要结构是一个行星排，太阳轮和电机1相连，发动机和行星架相连，齿圈和电机2相连。同时行星架上有主减速器小齿轮，和主减速器大齿轮啮合[8]。通过对发动机、电机1、电机2的控制，行星排工作在不同状态，在功率耦合的同时，按不同的传动比输出。

纯电动时ECVT控制。纯电动模式下，仅依靠电机进行驱动。此时可以切断发动机和电机1的控制，使它们都可以空转，只对电机2进行驱动控制，电机2则带动行星排齿圈转动，通过主减速器向车轮输出动力，驱动车辆行驶。此模式下，ECVT的传动比是1。

正常车速时ECVT控制。正常行驶时，发动机的功率一部分用于驱动车辆，另一部分通过电机发电。可以按如下方式控制，对电机1进行转速环控制，使太阳轮保持在某一转速n1，由行星排转速关系可以得到，行星架和齿圈之间的转速比，也即此时ECVT的传动比比为：

当控制电机1的转速和转向，即对n1的大小及正负进行控制，即可改变发动机和主减速器小齿轮间的传动比，且由于电机转速范围很广，故ECVT可以在很大范围改变传动比，可以适应车辆需求。此种工况下，传递到电机2上的转矩和转速都是由电机1及发动机决定的，电机2处于发电模式，将发动机富余的功率用于发电。

急加速时ECVT控制。急加速时ECVT的控制方式和正常车速时基本一致。区别在于，此种工况下发动机和行星轮齿圈之间的传动比应该更小，且电机2处于驱动状态。

减速制动时ECVT控制。减速制动时，发动机关闭，进行制动能量回收。控制方式可以和纯电驱动模式相同，及切断电机1和发动机的控制，车轮通过主减速器带动电机2转动，将电机2控制在发电模式，即可对车轮产生阻力矩，并发电存储在动力电池。

总的来看，由于行星排的作用，通过对发动机和两个电机的控制，可以将发动机与电机的功率混合输出到主减速器，并实现无级变速。由于整个系统都是齿轮啮合，因此能量传递效率很高。这是丰田混合动力技术的一个关键点。

6总结

通过全文的分析介绍，可以知道，“雷凌双擎”汽车的节能技术主要由三点。一是采用米勒循环发动机，将其基本控制在最佳燃油消耗区域，配合电机控制达到车辆动力需求；二是通过电机，将发动机富余功率及减速制动时能量回收存储在动力电池中；三是采用ECVT技术，齿轮传动提高传动效率。

在当前汽车市场下，新能源汽车已成趋势，由于纯电动汽车技术及其配套设施还不够成熟，混合动力汽车逐渐成为当前市场的主流。采用混合动力汽车作为传统燃油车和电动汽车之间的过渡意义重大。

参考文献：

[1]尚士忠.混合动力汽车结构类型解析[J].科技论坛，2014.

[2]广汽丰田官方网站：http://www.gac-toyota.com.cn

[3]舒红等.混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势[J].重庆大学学报，2001.

[4]郭小红.阿特金森循环发动机的使用[J].科技论坛，2011.

[5]魏胜利等.基于米勒循环的配气凸轮型线设计4[J].小型内燃机与摩托车，2012.

[6]孙远涛等.丰田普锐斯混合动力汽车发动机的技术特点分析[J].黑龙江工程学院学报，2011.

[7]王正等.永磁同步电机矢量控制系统研究[J].沈阳工业大学学报,2007.

[8]陈礼璠.混合动力汽车电子无级变速机构设计方法初讨[J].设计计算研究，2002.

作者简介：贺洪燕（1968-），男，四川广安人，毕业于南京动力高等专科学校电气工系电气技术专业，工程师，从事电力系统相关工作。