混合动力原理及结构(上)

1995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. INDEX 1 特点 2 低油耗 3 低油耗:工作原理 4 工作原理 8 Prius 普锐斯 9 Highlander 混合动力车低油耗 10 Camry 混合动力车的燃油效率 11 低尾气排放 12 低尾气排放 :工作原理 13 Prius 普锐斯低尾气排放 14 Highlander 混合动力车低尾气排放 15 Camry 混合动力车低排放 16 加速 17 加速:工作原理 18 驱动辅助的工作原理 19 电动机TRC 20 爬坡动力辅助 21 坡道启动控制 22 强劲加速的工作原理 23 扭矩分配系统控制 1995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 24 Prius 普锐斯的加速 25 Highlander 混合动力车的加速 26 Camry 混合动力车的加速 27 超群的静谧性 28 静谧性:工作原理 29 EV 驱动模式 30 Prius 普锐斯的静谧性技术 31 Highlander 混合动力车的静谧性技术 32 Camry 混合动力车的静谧性技术 33 技术 34 技术:综述 35 混联式混合动力 36 HV （镍氢）蓄电池 37 高输出功率电动机 38 再生制动 39 动力控制单元 40 汽油发动机 41 动力分离装置 42 发电机 43 电子控制系统 1995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 44 Highlander 混合动力车 HV（镍氢）蓄电池 45 后电动机 46 减速机 47 Camry 混合动力车的电池 48 Camry 混合动力车的电动马达 49 Camry 混合动力车的发动机 50 串联式混合动力系统 51 并联式混合动力系统 52 混合动力车 :联合国定义 53 系统阵容 54 开发 56 TOYOTA油电混合动力系统开发的历史 57 主要的TOYOTA油电混合动力车开发历史 59 TOYOTA油电混合动力系统 核心技术开发的历史 62 混合动力车的开发历史 63 混合动力车开发的前景 64 混合动力车的电力 65 家用电器的电源 66 概念车简介 67 概念车CS&S 1995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 68 概念车 Future Truck Concept 69 概念车 MTRC 70 实践 71 丰田的汽车生产方式 72 TOYOTA油电混合动力系统的生产工序 ( 自动化 Jidoka ) 73 TOYOTA油电混合动力系统的生产工序 ( 准时化生产方式 Just-in- Time) 74 混合动力车的累积销售数量 75 引进混合动力车的国家 1995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 特点 低油耗、低尾气排放量、良好的加速、运行安静的传动系 统 TOYOTA油电混合动力系统是综合了电动机和发动机两大动力优点的新一代动 力系统。 它高水平地满足了现代汽车对低油耗、低尾气排放量的要求，加速良好，运 行安静。 11995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 低油耗 世界最高水平的低油耗 TOYOTA油电混合动力系统可完美地分别使用电动机和发动机来行驶，油耗与 低一等级排量车体尺寸的车辆相当，功率却与高一等级车辆相当。与同等 排量的车辆相比，其低油耗性能居世界最高水平。 21995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 低油耗: 工作原理 电动机和发动机分担各自优势领域 为了实现最高水准的低油耗，TOYOTA油电混合动力系统分别发挥电动机和发 动机各自的特长来行驶。 1在启动及低速行驶时， TOYOTA油电混合动力系统仅利用电动机的动力来行 驶，因为这时发动机的效率不高。 2在一般行驶时发动机效率很高，发动机产生的动力不仅是车轮的驱动力 ，同时也用来发电带动电动机，并给HV 蓄电池充电。 3在减速或制动时， TOYOTA油电混合动力系统以车轮的旋转力驱动电动机发 电，将能量回收到 HV 蓄电池中。 31995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 启动时 充分利用电动机启动时的低速扭矩 当汽车启动时， TOYOTA油电混合动力系统仅使用由HV 蓄电池提供能量的电动 机的动力启动，这时发动机并不运转。 因为发动机不能在低旋转带输出大扭矩，而电动机可以灵敏、顺畅、高效地 进行启动。 *点火起动时，发动机将进行运转，直至充分预热 低速中速行驶时 由高效利用能量的电动机驱动行驶 对于发动机而言，在低速中速带的效率并不理想，而另一面，电动机在低 速-中速带性能优越。因此，在用低速-中速行驶时，油电混合动力系统使用 HV 蓄电池的电力，驱动电动机行驶。 *HV 蓄电池的电量少时，利用发动机来带动发电机发电，为电动机提供动力。 41995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 一般行驶时 低油耗的驾驶，使用发动机作为主要动力源 TOYOTA油电混合动力系统采用发动机，使它在能产生最高效功率的速度带驱 动。由发动机产生的动力直接驱动车轮，依照驾驶状况部分动力被分配给发 电机。 由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发动机。利用发动机和电 动机这一双重传动系统，发动机产生的动力以最小消耗被传向地面。 *HV 蓄电池的电量少时，发动机输出功率会被提高以加大发电量，来给HV 蓄电池充电。 一般行驶时/ 剩余能量充电 将剩余能量用于HV 蓄电池充电 因为TOYOTA油电混合动力系统在高速运转时是采用发动机来驱动，而发动机 有时会产生多余的能量。这时多余的能量由发电机转换成电力，用于储存在 HV 蓄电池中。 51995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 全速开进（行驶）时 利用双动力来获得更高一级的加速 在需要强劲加速力（如爬陡坡及超车）时，HV 蓄电池也提供电力，来加大电 动机的驱动力。通过发动机和电动机双动力的结合使用，TOYOTA油电混合动 力系统得以实现与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能。 减速/ 能量再生时 将减速时的能量回收到HV 蓄电池中用于再利用 在踩制动器和松油门时， TOYOTA油电混合动力系统使车轮的旋转力带动电动 机运转，将其作为发电机使用。减速时通常作为摩擦热散失掉的能量，在此 被转换成电能，回收到 HV 蓄电池中进行再利用。 61995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 停车时 停车时动力系统全部停止 在停车时，发动机、电动机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费 能量。 *当HV 蓄电池的充电量较低时，发动机将继续运转，以给HV 蓄电池充电。另外有时因与空调开关连动，发动机会仍保 持运转。 71995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Prius 普锐斯 超群的低油耗混合动力车 Prius 的燃料消耗率为综合值 4.3/100km（城市5/100km , 城市以外 4.2/km* ），居世界最高水平。 *在采用混合动力系统的基础上，以世界最高 水平的空气动力特性和轻型化设计，实现了低油耗目标。 Cd 值=0.26 卓越的空气动力特性 独创性的顶板形状获得整流效果，并减少了前方投影面积。 侧窗为立体曲面设计。 采用扰流板，使车尾气流顺畅。 将车底板下平面化，利于车底气流畅通。 采用空气罩 (前后），降低车轮受到的风阻。 采用轻型化设计，与以往相比，车辆整体重量约减轻140kg。 小至一个螺栓，彻底追求所有零件的轻型化。 积极采用铝材料。 增大高强度钢板的利用。 * 美国:综合值 65.7 mpg( 城市 56.5mpg, 城市以外 67.3 mpg) * 这是车辆重量在 1260kg 以下时的数值。此外，燃料消耗率值是在规定的试验条件下得到的数值。在实际行驶当中 ，由于行驶条件（气候、道路、车辆、驾驶、整修等情况）各有不同，燃料消耗率会有所变化。 81995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Highlander 混合动力车低油 耗 发动机虽为大排量，其油耗却仅相当于经济型轿车。 Highlander 混合动力车的燃料消耗率为综合值29mpg( 城市 31mpg, 城市以外 27 mpg)。该车虽然安装的是 3.3L V6 的发动机，油耗却仅相当于经济型轿车 。 Highlander 混合动力车中除了前电动机外，还安装有E-Four用后电动机。两 台电动机在制动时作为发电机运转，将产生的电能存入HV 蓄电池。这就是该 车型实现极高能量再生效率的秘密所在。此外，它还利用电动式4WD 将驱动力 顺利传给路面，来降低油耗。 * 燃料消耗率值是在规定的试验条件下得出的数值。在实际行驶当中，由于行驶条件(天气、道路、车辆、驾驶、整 修等状况 )不同，燃料消耗率会有所变化。 91995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Camry 混合动力车的燃油效率 同级车中最低的油耗 新款Camry 混合动力车在多方面采用了新的设计，以达到最佳燃油效率和最佳 性能。 Camry 混合动力车所受空气阻力极少，这是由于采用了独特的新型车身并加强 轮胎与动力系统而实现的。 强有力的电动马达与改良后的2.4升汽油发动机二者“并肩战斗”，使 Camry 混合动力车在综合燃油消耗上优于1.5升纯燃油汽车。 1.风洞实验证明 - Camry混合动力车具有很好的运动性能，并且由于离地间隙很小，加上流畅 的车身，平滑的底盘及其下部的整流板，Camry 混合动力车的空气阻力系数 （Cd 值）达到了中型轿车最高水平的0.27。 2.与驾驶员之间的对话 -在驾驶过程中，只要 Camry 混合动力达到最佳燃油消耗标准，仪表板立刻会 明示其状态。 通过这种信息回馈，使得汽车与驾驶员能够实现共同的省油目的。 3.工程师全新设计 Camry 发动机 -改善在发动机进气管的所有部件上发生的空气流 -在增强刚性的同时降低了构件的重量 -通过设备的结构与性能提高压缩比例，并改善进气阀门的启动间隔 出口美国的车型：达到 39mpg （在高速公路时为 38mpg ，在市内普通公路时为 40mpg ） * 燃料消耗率值是在规定的试验条件下得出的数值。在实际行驶当中，由于行驶条件(天气、道路、车辆、驾驶、整 修等状况 )不同，燃料消耗率会有所变化。 101995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 低尾气排放 符合世界上最严格的尾气排放标准 TOYOTA油电混合系统以消减 CO2 为目标，不仅实现了卓越的低耗油，还大幅度 地减少了有害气体的排放。 例如，在美国销售的 Prius 普锐斯符合世界上最为严格的美国加利福尼亚州的 高科技部分零尾气排放 (ATPZEV) 标准，在欧洲市场上销售的Prius 普 锐斯符合从 2005年开始实施的欧洲标准 EURO-IV 。* 另外，Higelander 混合动力车也符合加利福尼亚州的汽车尾气排放法规LEV II 中最为严格的 SULEV 标准。 包括以上两种车型，所有采用TOYOTA油电混合动力系统的 TOYOTA车型都符合 世界各国制定的严格的尾气排放标准。 * 根据本公司测量值进行计算而得出的评价结果。 111995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 低尾气排放: 工作原理 降低油耗，控制尾气排放 汽油燃烧时必然会产生 CO2 （二氧化碳）。同时还产生CO （一氧化碳）、 NOx （氮氧化合物）、 HC （碳氢化合物）等各种其它物质。* TOYOTA 油电混合动力系统在以卓越的低油耗来减少燃料消耗，控制尾气排放 的同时，利用高效燃烧来抑制其它物质的产生，同时还安装各种尾气净化装 置，实现了世界上最高水平的低尾气净化排放。 * 世界上普遍认为 CO2 是造成地球温室效应的原因之一。 * 人体如果吸入 CO 及NOx 后，将危害身体健康。 * Nox、HC 分别是都市臭氧污染的原因之一。 * NOx 是带来酸雨的主要原因之一。 121995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Prius 普锐斯低尾气排放 CO2 减少为以往的45% ，NOx 、HC 减少到一半以下 Prius 普锐斯的 CO2 排放量为 104gkm 。其排放量仅为配备有尾气控制装置的 同等级别汽油车的 45% 。 TOYOTA另外还采用了三元催化剂和VVT-i，并改良了空燃比补偿装置、点火时 间控制装置、燃料蒸发排放物控制装置及其它各种设备，从而有效地控制了 有害气体的产生，并增强了尾气净化性能。 Prius 普锐斯的尾气排放达到了 NOx( 氮氧化合物 )0.010g/km 、HC( 碳氢化合物 )0.020g/km 的标准，与配备有尾气控制装置的同等级别汽油车相比，其尾气 排放量不到汽油车的一半。 * 该数值为车辆重量在 1260kg 以下时的数值。 * 本图表用以说明环境的相对优点，以指数来表示评价结果。 131995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Highlander 混合动力车低尾 气排放 将CO2 减少为以往的45% ，NOx 、HC 减少到一半以下 Highlander 混合动力车的 CO2 排放量为 192gkm 。其排放量仅为配备有尾气 控制装置的同等级别汽油车的45% 。* TOYOTA另外还采用了三元催化剂和VVT-i，并改良了空燃比补偿装置、点火时 间控制装置、燃料蒸发排放物控制装置及其他各种设备，从而有效地控制了 有害气体的产生，并增强了尾气净化性能。 因此，Highlander 混合动力车与配备有尾气控制装置的同等级别汽油车相比 ，其尾气排放量不到汽油车的一半。 *本图表用以说明环境的相对优点，以指数来表示评价结果。 141995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Camry 混合动力车低排放 驾驶者与环境双受益 丰田在开发 Camry 混合动力车时，设定了这样一个具有高度挑战性的目标： 既要保证 Camry 广受青睐的舒适性和车内的宽敞空间，同时又能超越目前市场 上存在的为数不多的混合动力轿车（大部分产品是较凯美瑞小的车型）达到 的严格的尾气排放标准。 丰田不懈的努力终于得到了认可，Camry 混合动力车获得了美国加州的零排放 （AT-PZEV ）规定的认证 。这种规定是美国最严格的尾气排放标准，预计将会被推广至全美的所有地 区。该规定不仅对尾气排放，还对汽油蒸汽都有所规定。Camry 混合动力车具 有汽油蒸汽控制系统以及封闭式油箱，因此跻身于获得美国AT-PZEV 认证的六 种车辆之一。 因此，每当在加油站加满油的时候，您都能感受到从未有过的全新的“车主 的自豪感”。 151995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 加速 前所未有的“驾驶乐趣” TOYOTA油电混合动力系统不仅实现了卓越的低油耗，同时还具有优越的驾驶 性能，使人充分体验到汽车本来所具有的魅力驾驶乐趣。 特别是“平稳加速”、“强劲的起动和超车加速”、“持续在同一水平上的 重力”等特点，均为混合动力车的全新行驶感觉。 161995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 加速: 工作原理 灵活控制电动机和发动机 TOYOTA 油电混合动力系统发挥电动机和发动机各自的特长，采用高性能的控 制系统，实现了卓越的加速性能和驾驶稳定性。 当驾驶者发出指令时， TOYOTA 油电混合动力系统能迅速输出所需要的驱动力 。 并且为了保证安全舒适的驾驶，它还能随时分析驾驶状况，根据行驶条件输 出最佳驱动力。 171995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 驱动辅助的工作原理 由传感器把握现状，使控制驱动系统处于最佳状态 TOYOTA 油电混合动力系统的电动机中安装有智能驾驶操作系统。电动机利用 传感器随时掌握驾驶情况，可在瞬间输出稳定的行驶所需要的驱动力。 TOYOTA 油电混合动力系统的电动机可单独提供汽车启动、加速所需的足够驱 动力，因此可以正确地辅助驾驶者的驾驶。 181995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 电动机TRC 通过控制电动机驱动力来减少轮胎打滑 电动机TRC 控制系统是通过控制电动机的驱动力，来防止车轮打滑的技术。* 利用该技术可在雪地、打湿的路面、凸凹地面上行驶时减轻驾驶者的负担。 当高精度旋转传感器检测出轮胎即将空转或已经空转时，电动机立即向驱动 轴补充能量，以恢复驱动轴的动力。 通常在汽油车中， TRC 使用发动机和制动器来防止驱动轮打滑，与此相比 ，TOYOTA 油电混合动力系统是通过利用电动机的驱动力来实现此功能。 一些汽油车可能装备了不同的TRC 控制系统 车轮转速有所不同 191995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 爬坡动力辅助 通过控制电动机的驱动力来辅助爬坡时的油门操作 爬坡辅助控制是在爬坡时利用电动机来补充驱动力的一种油门操作技术。 利用该技术，在开始爬坡以及爬坡途中出现坡度变化时，驾驶者无需进行突 然的油门操作。 高精度的旋转传感器可检测出坡道的坡度和汽车的总体重量及其它信息，以 便根据行驶情况来修正驱动力输出。 201995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 坡道启动控制 利用电动机驱动力来实现轻松、顺畅的坡道启动 坡道启动控制是一种通过使用电动机的驱动力来防止汽车在斜坡上停止及启 动时出现倒车现象的技术。 即使驾驶者将制动器松开，汽车也不会后退，使坡道启动得以顺畅实现。 高精度的旋转传感器可以检测出车轮最细微的前进和后退，并根据坡度和油 门开度指示电动机输出恰好所需的驱动力。 211995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 强劲加速的工作原理 理想的动力系统控制 电动机可从低旋转带开始产生大扭矩，而发动机则在高旋转带具有良好的输 出功率。 TOYOTA 油电混合动力系统通过最佳控制两种动力资源，使得无论是在低速还 是高速时都能实现灵敏、顺畅、平稳的加速感觉。 此外，TOYOTA油电混合动力系统还辅助电动机和发动机的高驱动力输出，可 提供相当于上一级别排量的启动、超车加速性能。例如排量为1500cc的 Prius 普锐斯，可提供 2000cc级的性能。 221995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 扭矩分配系统控制 无级变速实现平稳的加速和减速 扭矩分配系统控制是一种可进行无级变速，不浪费能量的技术。 TOYOTA 油电混合动力系统的变速器可将发动机、发电机和电动机的转速及扭 矩的分配通过电子方式进行无级控制。* 该系统根据行驶条件和驾驶者的要求，将最佳驱动力传递给路面。驾驶者无 需操作离合器和变速器，即可迅速、灵敏且平稳地实现加速或减速。 * 电动机的转数受控，使其与车速成比例。 231995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Prius 普锐斯的加速 实现了与2.0L汽油车同等的加速性能 Prius 普锐斯仅有 1.5L的发动机，却拥有可与 2.0L汽油车匹敌的加速性能。 此外利用高输出电动机的扭矩分配系统控制，可提供由低速到高速变换时的 灵敏、顺畅、平稳的加速性能。 241995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Highlander 混合动力车的加 速 实现了可与5.0L轿车匹敌的加速性能 Highlander 混合动力车的加速功能拥有可与V8 4.0L 的SUV 相匹敌的起步加速 性能，以及与 5.0L轿车不相上下的超车加速功能。 此外，利用高输出电动机的扭矩分配系统控制，可提供由低速到高速变换时 的灵敏、顺畅且平稳的加速性能。 251995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Camry 混合动力车的加速 极尽喜悦四缸发动机加上混合动力的表现可以与 V6 型发 动机相媲美 当您首次驾驶混合动力汽车并体验两种动力的协同作用时，您会对Camry 混合 动力车这款车在踩下加速踏板的转瞬间就能够达到最大扭矩而感到惊讶。 启动后， Camry 混合动力车不断加速，到了中速域后尤其发挥强大的能量，可 在高速公路上轻松超越其他车辆，这种表现令人难以置信。 全新的方向盘和动态安全技术的组合再加上这种加速性能，使得我们确信这 是一款真正为驾驶者而设计的车辆。 261995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 超群的静谧性 静谧性超群，可放心地行驶在深夜的住宅区 TOYOTA 油电混合动力系统作为利用电动机驱动力的系统，其特点之一就是实 现了超群的静谧性。 无论是在清晨还是深夜，都可悄然无声地行驶在住宅区，即使在声音容易回 响的停车场内移动时也非常安静。 271995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. 静谧性: 工作原理 仅利用电动机来进行低、中速行驶，并且彻底采取了各种 吸音、隔音措施 TOYOTA 油电混合动力系统使驾驶者在低速至中速段行驶时仅利用电动机的驱 动力。利用电力带动的电动机是非常安静的驱动力，其行驶时的静谧性远远 超过发动机。 281995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. EV 驱动模式 可在发动机停止运转的状态下行驶 TOYOTA 油电混合动力系统在发动机工作效率欠佳的低速和中速段，仅靠电动 机的驱动力来行驶。 另外，部分采用油电混合动力系统的车中还备有“EV 驾驶模式”，驾驶者可 选择仅使用电动机，即在停止发动机运转的状态下行驶。*1 (时速：55km 以下距离：数百米 )*2 *1 如果发生以下情况，将自动解除EV 驾驶模式。 HV 蓄电池的充电状态在规定值以下 车速在 55km/h以上 油门开度在规定值以上 *2 就Prius 普锐斯而言，行驶距离会根据驱动用电池的状态而不同。另外有 时也会因混合动力系统的不同而无法使用。 291995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Prius 普锐斯的静谧性技术 通过EV 驱动、适当配置消音器、以及在车身各处涂抹减振 材料等方法来提高静谧性 Prius 普锐斯在“ EV 驾驶模式”功能的基础上，还采用了各种技术来降低发动 机噪音以及从发动机、车胎发出的透射声，以保证车内和车外超群的静谧性 。 将各种消音材料配置在适当处以减少发动机的噪音。 在部分驾驶室前壁板、地板上涂抹涂抹型的减振材料，从而确保吸音性和遮 音性。 301995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Highlander 混合动力车的静 谧性技术 通过采用EV 行驶、改良车身形状和车架内的隔声材料，从 而提高了静谧性能 Highlander 混合动力车在“ EV 驾驶模式”以外，还减少了发动机和轮胎中发 出的透射声以及车身发出的振动声、风噪声等，保证了车内和车外超群的静 谧性。 通过计算机分析，将顶板的断面形状最佳化，减少振动。 重新设计车门后视镜及车窗侧嵌条的形状，减少了车身前柱周围的风噪声 。 车架断面内除了以往的泡沫材料以外，还使用了树脂成形发泡剂，以减少 由车架传递的振动。 311995-2006 TOYOTA MOTOR CORPORATION All Rights Reserved. Camry 混合动力车的静谧性技 术 这是在驾车吗？简直就像在空中滑行 由于采用电动马达以及先进的车身制作工艺，新款Camry 混合动力车在低速至 中速行驶时显得尤其安静。 就是因为实现了如此之高的肃静性，才使得工程师们在试验过程中注意到了 车外部的噪音。 在驾驶室的内外都装上最新的隔音材