豐田第二代混合動力系統(tǒng)(THSⅡ)

1、10汽檢（2）班翁星星100340209豐田第二代混合動力系統(tǒng) THS 混合動力汽車的概念混合動力汽車(Hybrid EleetriC vehiez。，簡稱HEV)是在電動汽車(僅依靠電能驅(qū)動的車輛)上加人輔助動力單元，將電力驅(qū)動與輔助動力驅(qū)動結(jié)合起來，充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢及兩者相結(jié)合產(chǎn)生的新優(yōu)勢的電動汽車。電力驅(qū)動可采用直流電動機(jī)或三相同步(或異步)電動機(jī);輔助動力可以采用燃燒某種燃料的原動機(jī)或動力發(fā)電機(jī)組?；旌蟿恿ζ囃ǔ２捎脗鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)作為動力源，通過混合使用熱能和電能2套系統(tǒng)開動汽車。簡單地說，就是將傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)盡量做小，讓一部分動力由電池一電動機(jī)系統(tǒng)承擔(dān)。這種混合動力裝置既

2、發(fā)揮了發(fā)發(fā)動機(jī)持續(xù)工作時間長，動力性好動機(jī)持續(xù)工作時間長，動力性好的優(yōu)點，又可以發(fā)揮電動機(jī)無污染、低電動機(jī)無污染、低噪聲的好處，噪聲的好處，兩者“并肩戰(zhàn)斗”，取長補(bǔ)短，汽車的熱效率可提高10%以上，廢氣排放可降低30%以上。混合動力汽車的分類按動力藕合方式的不同，可將混合動力汽車分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)分為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)3種形式種形式 。1 THS系統(tǒng)簡介1. 1系統(tǒng)組成 THS系統(tǒng)主要部件有采用Atkinson 循環(huán)的高效汽油機(jī)、永磁交流同步電機(jī)、發(fā)電機(jī)、高性能鎳金屬氫化物(NI - MH)電池和功率控制單元 ,見圖 1。功率控制單元由高壓電源電路、 AC - DC 逆變器組成。電源電路將電動

3、機(jī)和發(fā)動機(jī)的電壓升至 500 V。AC - DC逆變器用于電動機(jī)、發(fā)電機(jī)的交流電和混合動力電池的直流電之間的轉(zhuǎn)換 ,動力分配裝置用于分配、合成和傳遞發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的機(jī)械動力。各裝各裝置之間取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ)，使置之間取長補(bǔ)短，優(yōu)勢互補(bǔ)，使得發(fā)動機(jī)達(dá)到最大的效率。得發(fā)動機(jī)達(dá)到最大的效率。1. 2 THS系統(tǒng)工作過程a.啟動 ,低速到中速運(yùn)轉(zhuǎn)時低速到中速運(yùn)轉(zhuǎn)時 ,只要電池電量在合理范圍內(nèi) ,汽車由電動機(jī)驅(qū)動 ,此時整車處于電動車模式整車處于電動車模式 ,不排廢氣。不排廢氣。b.當(dāng)整車進(jìn)入一般行駛條件時 ,此時發(fā)電機(jī)起到啟動機(jī)的作用 ,使發(fā)動機(jī)從靜止開始旋轉(zhuǎn) ,直到點火。整車動力一部分來自發(fā)

4、動機(jī) ,另一部分則由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)后給電動機(jī)供電驅(qū)動車輪。c .瞬間加速除與一般行駛條件相同外 ,電池會提供額外的功率給電機(jī)來改善整車加速性能 ,此時發(fā)動機(jī)瞬態(tài)加速性能大幅提高發(fā)動機(jī)瞬態(tài)加速性能大幅提高 ,制造了不少駕駛樂趣。d.減速、制動 ,車輪驅(qū)動電動機(jī)。電動機(jī)起到發(fā)電機(jī)作用。再生制動系統(tǒng)將動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,并儲存于鎳氫能電池。e.電池再充電 ,電池始終保持充足電量。根據(jù)需要 ,發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)給電池充電。f .停車 ,發(fā)動機(jī)自動熄火。2 THS系統(tǒng)的主要部件2. 1發(fā)動機(jī) 豐田prius采用 1. 5 L 汽油發(fā)動機(jī)。工作循環(huán)Atkinson循環(huán) ,熱效率高熱效率高 ,膨脹膨脹比大比大

5、。采用VVT - i (智能可變氣門正時)裝置 ,可以根據(jù)工況準(zhǔn)確調(diào)整進(jìn)氣門開啟與關(guān)閉時刻 ,始終保持最大充氣效率。采用擠壓緊湊型燃燒室 ,確保燃燒室內(nèi)火焰快速傳播。采用鋁合金的氣缸體 ,減輕質(zhì)量 ,縮小尺寸。小而輕的缸體及緊湊的進(jìn)氣岐管提高了燃油效率。發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速從 4 500 rP min 提高到 5 000 rPmin ,輸出功率增大。采用較小張力的活塞環(huán) ,減小摩擦損失。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)更快 ,提高提高加速時的驅(qū)動力加速時的驅(qū)動力 ,改善了燃油效率改善了燃油效率。2. 2 高電壓系統(tǒng) 電機(jī)和發(fā)電機(jī) 發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)的電壓從 THS的 274 V 增大到THS的500 V ,

6、電源供給電機(jī)的電流減小 ,減少了熱損耗減少了熱損耗。2. 2. 1電機(jī) 電機(jī)采用交流永磁電機(jī)交流永磁電機(jī) ,采用釹磁鐵(永久磁鐵永久磁鐵)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子。通過優(yōu)化永磁鐵排列形式 ,提高驅(qū)動熱和增長輸出;從圖3可以看出高電壓(500 V)使電機(jī)的輸出功率比 THS系統(tǒng)的提高1. 5 倍 ,即從 33 kW到 50 kW,而電機(jī)尺寸沒有改變 ,單位質(zhì)量和體積所產(chǎn)生的輸出功率在世界上最大。在電機(jī)控制方面 ,在中轉(zhuǎn)速范圍增加全新的過調(diào)制控制系統(tǒng):保留原來的低速和高速控制方法。通過改進(jìn)脈沖寬度調(diào)制方法 ,中速范圍的輸出比原來的最大值增加大約30 %。2. 2. 2發(fā)電機(jī) 與電動機(jī)一樣 ,發(fā)電機(jī)也是采用交流永磁

7、的交流永磁的 ,通過向高功率電動機(jī)提供充足的電 ,發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn) ,以增大輸出。采用增加轉(zhuǎn)子強(qiáng)度等措施 ,將最大功率輸出時的轉(zhuǎn)速從 6 500 rP min (傳統(tǒng)型)提高到 10 000 rPmin ,高轉(zhuǎn)速明顯地提高了中轉(zhuǎn)速范圍的電力 ,改善半低轉(zhuǎn)速范圍的加速性能。2. 3 功率控制單元,電池和再生制動系統(tǒng)2. 3. 1功率控制單元 功率控制單元包括一個將電池的直流電變?yōu)轵?qū)動電機(jī)的交流電的逆變器和轉(zhuǎn)換成12V的DC/ DC轉(zhuǎn)換器。在 THS系統(tǒng)中 ,增加一個將電源電壓提高到500 V的高電壓電源電路 ,根據(jù)功率 =電壓 電流的關(guān)系式 ,提高電壓就可以減小電流 ,可減小逆變器的大小。由于控制

8、電路是集成的 ,功率控制單元與以前大小一樣。2. 3. 2半導(dǎo)體開關(guān)裝置( IGBT) 半導(dǎo)體開關(guān)裝置( IGBT ,絕緣門雙極晶體管)提高電池電壓 ,并將增大的直流電轉(zhuǎn)變成驅(qū)動電機(jī)的交流電 ,由于轉(zhuǎn)換的電流大 ,減小發(fā)熱量很重要。豐田研制出一種獨(dú)特的 ,可細(xì)調(diào)到晶體級的晶體管 ,該裝置要比 THS的類似裝置小20 % ,具有低發(fā)熱具有低發(fā)熱 ,高效率的性能高效率的性能。2. 3. 3再生制動系統(tǒng) 再生制動系統(tǒng)用于發(fā)動機(jī)制動或腳制動 ,將電動機(jī)變成發(fā)電機(jī) ,轉(zhuǎn)變汽車的動能為電能 ,給電池充電 ,在市區(qū)行駛時 ,該系統(tǒng)對于能量回收很有效 ,因為在城市行駛時 ,需經(jīng)常加速和減速。踩動制動踏板時 ,

9、本系統(tǒng)協(xié)調(diào)電子控制制動系統(tǒng)(ECB)的液壓制動和再生制動關(guān)系 ,優(yōu)先利用再生制動 ,甚至在車速很低時 ,也能回收能量。此外 ,通過改善電池性能 ,能更多地回收能量。通過減小減小傳動系統(tǒng)內(nèi)部摩擦損失摩擦損失 ,減速期間的能量也被回收。2. 4混合動力傳動系統(tǒng) 混合動力傳動系統(tǒng)由動力分配裝置、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)和減速器等組成。發(fā)動機(jī)的動力由動力分配裝置分為兩部分 ,一個動力輸出軸與電動機(jī)和車輪連接 ,另一個輸出軸與發(fā)電機(jī)相連。這樣 ,發(fā)動機(jī)從兩條路線傳遞發(fā)動機(jī)從兩條路線傳遞 ,即機(jī)械路線和電路。也可安裝電控?zé)o級變速器 ,可連續(xù)地改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速以及電動機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。THS - H采用低摩擦球軸承傳動裝

10、置 ,摩擦損失減小30 %。動力分配裝置采用行星齒輪機(jī)構(gòu)。行星齒輪架的轉(zhuǎn)軸直接與發(fā)動機(jī)連接 ,通過行星齒輪把動力傳給外齒圈和內(nèi)太陽輪。齒圈的轉(zhuǎn)軸直接與電動機(jī)連接 ,把驅(qū)動力傳給車輪 ,太陽輪直接與發(fā)電機(jī)連接 。2. 5THS - 的控制系統(tǒng) THS - 的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)整車的能量分配 ,使整車的工作效率最優(yōu)。這包括汽車行駛的能量、輔助裝置消耗的能量 ,如空調(diào)、加熱器大燈和巡航系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)監(jiān)測需求量和混合動力系統(tǒng)、部件的工作狀態(tài) ,如發(fā)動機(jī) ,整個混合動力車的能量來源;電動機(jī) ,利用電池的電能產(chǎn)生使汽車行駛的驅(qū)動力;電池 ,儲存電動機(jī)在汽車減速時產(chǎn)生的電能。通過汽車控制網(wǎng)絡(luò)、駕駛員的指令獲得制動

11、信息。比如節(jié)氣門開放 ,換檔位置等。換句話 說 ,THS的控制 ,實時監(jiān)測汽車的各種能量消耗狀態(tài) ,提供快速、準(zhǔn)確的整體控制 ,使汽車能夠安全、高效、平穩(wěn)地行駛 。2. 5. 1再生制動控制 在 THS系統(tǒng)中 ,電子控制制動系統(tǒng)( ECB)通過協(xié)調(diào)制動系統(tǒng)的液壓制動和再生制動 ,最佳地利用再生制動 ,用電池回收能量 ,提高汽車整體效率提高汽車整體效率及燃油經(jīng)濟(jì)性。及燃油經(jīng)濟(jì)性。3 THS效果3. 1 增大輸出 THS的電機(jī)電壓增大到 500 V ,使電動機(jī)輸出功率增大1. 5倍 ,從35 kW增到50 kW。與此相匹配,發(fā)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速從 6 500 r/ min 提高到 10 000 r/ min。這樣 ,在中低速范圍提高供給電動機(jī)的電能 ,提高了電動機(jī)輸出功率 ,從而大大提高了整個系統(tǒng)的輸出 ,這也包括發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動力的輸出。此外 ,在高轉(zhuǎn)速范圍 ,發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)得更快 ,輸出更大 ,這樣增大了