丰田THS混动系统浅谈

搞过混动的人都听过这么一句话：世界上有两种混动，一种是丰田混动，一种是其他混动。可以看出，丰田混动系统在混动技术里的地位。所以今天想谈谈丰田THS混合动力系统，准备从以下两个方面来讲：THS的工作原理和THS的控制问题。

THS系统的结构原理如下图所示，发动机、发电机、电机三者通过一个行星排耦合在一起，发电机与太阳轮连接，发动机与行星架连接，电机与外齿圈连接并通过主减速器与轮端连接。

由于行星排的关系，会有两个有趣的现象：

现象1：发动机转速、发电机转速、电机转速(轮端转速)三者之间是固定的数学关系，发动机转速与轮端解耦；

现象2：发动机的扭矩会永远固定比例的分配给发电机(太阳轮)、轮端(外齿圈)，导致发动机的扭矩与轮端耦合。

THS既能实现发动机与轮端的转速解耦(串联特性)，又能直接把扭矩传递到轮端(并联特性)，所以THS是一种介于串联与并联之间的结构。

从本质上来说，THS只有两种工作模式：纯电模式、混动模式。

纯电模式下，发动机、发电机不工作，电机单独驱动轮端，由于发动机摩擦力较大，发动机不会转动，但发电机会反转。纯电模式下正常驱动行驶的杠杆图如下，图中+号－号表示转速方向，绿色箭头表示电机扭矩(向上为正)，红色箭头表示轮端阻力矩(向下为负)。

混动模式下，发动机、发电机、电机同时工作，发动机输出扭矩，发电机控制发动机转速，电机做需求扭矩兜底，三者一起保证行星排系统稳定工作。混动模式下正常驱动的杠杆图如下，发动机出正扭矩驱动行驶(中间绿色箭头)，发电机出负扭矩发电(左边红色箭头)，电机出正扭矩协调轮端扭矩输出(右边绿色箭头，电机扭矩也可能为负)，右边的红色箭头表示轮端阻力矩。

很多人都会谈到制动回收模式，做过混动的人都知道，制动回收只是一种功能，不算是严格意义上的工作模式，在纯电下可以有制动回收，在混动下也有制动回收。纯电模式回收、混动模式回收如下图，黄色箭头表示电机的回收负力矩。

优点：由于发动机转速解耦，低车速可以提高发动机转速有较好的燃油经济性和动力性；

缺点：由于发动机扭矩与轮端不解耦，启机控制难度较大；由于系统存在功率循环，在高车速下效率较低，发电机低效率放电，电机低效率充电，如下图。

主要谈下能量管理、扭矩控制、启发动机控制三个方面的理解。

由于现象1，即发动机与轮端转速解耦，所以发动机可以一直工作在最高效的转速。根据整车需求功率以及发动机的万有特性，可以找到该功率下的最优工作点，即发动机的转速和扭矩。需要说明的是，考虑电机、放电机的充放电效率，发动机的最优工作曲线并不是系统的最优工作曲线，要想找到系统的最优工作曲线有很多理论计算方式，需要通过计算以及试验来确定，比较复杂。

扭矩控制主要是指扭矩的协调配合问题，THS系统根据能量管理策略请求发动机工作点，扭矩部分发给发动机控制，转速部分由发电机去协调配合，轮端扭矩的最终实现由电机去完成。所以，对三个动力部件的主要定位是：发动机负责主要功率输出，用于维持SOC平衡以及响应总的功率请求；发电机就是用于调速，它的目的永远是把发动机的转速控制在目标工作点；电机主要负责扭矩上的补充，保证驾驶员的扭矩请求得到保证。

THS的发动机启动主要靠发电机出扭矩直接拉起发动机，这是THS系统最难控制的问题之一。由于上面现象2，即发动机与轮端扭矩不解耦，导致发动机启动过程中的扭矩能直接传递到轮端，影响启动发动机时的平顺性，主要包括拉起发动机过程中的摩擦力以及点火后发动机的启动扭矩两阶段。控制上只要涉及到摩擦的问题，一般都不是太好解决的。丰田的做法大概是做好发动机停机位置控制，让每次启发动机的摩擦尽量稳定、尽量小。所以，做好停机位置控制是做好启发动机控制的必要途径。

没有直接做过THS混动开发工作，以上观点是根据个人混动开发经验的思考，不妥之处欢迎探讨。尽管仿真与实际差距较大，后面我们依然想尝试搭建THS的物理模型，再逐步去控一下，看看效果，加深对这个系统的理解。