丰田普锐斯混合动力数据流的处理与分析.doc

南京工程学院 本科毕业设计（论文） 题 目：丰田普锐斯混合动力总成数据流分析 专 业： 车辆工程（汽车技术） 班 级： 汽车技术102 学 号：215100210学生姓名： 封 顺 指导教师： 赵建华 高级工程师 起迄日期： 2014.2.242014.6.20 设计地点： 车辆工程实验中心 南京工程学院本科毕业设计（论文）Graduation Design (Thesis)Toyota Prius Hybrid Powertrain Data Flow AnalysisByFENG ShunSupervised bySenior Engineer ZHAO Jianhua(a) Nanjing Institute of Technology(b) June, 2014摘要混合动力汽车作为纯电动汽车替换内燃机汽车的重要过渡产品，不仅在节油环保上的优势明显，而且其动力性和行驶里程也能和现在的内燃机汽车媲美，因而成为当今各大汽车公司研究开发的热点。国内外汽车制造业者普遍认为混合动力电动汽车是目前最具有开发和推广前景的新型交通工具之一。丰田普锐斯作为世界上第一款量产的混合动力汽车，如今已经历了第一代、第二代及第三代的发展历程，在混合动力上，普锐斯采用了最新的THS全混合动力系统、制动能量回收等新技术，使其具有较高的动力性、燃油经济性和排放清洁性。本文通过分析丰田普锐斯混合动力总成的结构组成、工作原理、控制技术等新技术，全面了解其高性能之所在，最后用博士专用故障诊断仪对丰田普锐斯混合动力进行数据流的读取与分析，进而说明了丰田普锐斯在工作原理、结构组成、功能特性、操作要领方面的独特，以便开发出更适合城市发展，节约能源，降低功耗的混合动力汽车。关键词：混合动力汽车；丰田普锐斯；故障诊断仪；数据流ABSTRACT Hybrid vehicles as an important transitional product of pure electric vehicles to replace the internal combustion engine, not only in energy saving and environmental protection of the obvious advantages, but its power and mileage can be compared favorably with those of conventional vehicles, has become the hot point of todays major automobile research and development company.Domestic and foreign automobile manufacturers generally believe that the hybrid electric vehicle is one of the new traffic tools at present most has the development and application prospects. Toyota Prius hybrid vehicles as the worlds first mass production, has experienced the first generation, second generation and three generation of development. As one of the source engine based on inheriting the traditional engine structure and control of the advanced,using a new type of combustion chamber structure, high expansion ratio Atkinson, VVT-i system and new technology to reduce the engine speed, the power performance, fuel has high economic and emission clean. In this paper, through the analysis of the new Prius engine technology, a comprehensive understanding of the high performance of the data flow,understanding Toyota meaning perspective analysis, mainly for the series hybrid electric vehicle are analyzed, then shows that the Toyota Prius in the working principle, structure, function, operation essentials of the unique, so that the development of more suitable for city development, save energy, reduce the power consumption of the hybrid car.Keywords ：Hybrid；Toyota Prius；Fault diagnosis instrument；Data stream目 录第一章 绪 论11.1引 言11.2 选题背景与意义11.3 国内外对混合动力汽车的研究现状21.3.1国外对混合动力汽车的研究21.3.2我国对混合动力汽车的研究2 1.4 本文的结构3第二章 混合动力汽车结构组成与控制系统42.1 混合动力汽车的分类42.2 典型混合动力汽车的结构组成72.2.1 串联式混合动力汽车72.2.2 并联式混合动力汽车72.2.3 混联式混合动力汽车82.3 混合动力汽车的控制系统9第三章 丰田普锐斯混合动力汽车的概述123.1 丰田普锐斯混合动力汽车的技术特点和技术参数113.1.1 丰田普锐斯混合动力汽车的技术特点113.1.2 丰田普锐斯混合动力汽车的技术参数133.2 丰田普锐斯混合动力系统的结构组成143.3 丰田普锐斯混合动力系统的工作原理20第四章 博士故障诊断仪274.1博士故障诊断仪介绍274.1.1博士故障诊断仪介绍274.1.2 KT700 VCI博士故障诊断仪参数274.1.3 KT700 VCI博士故障诊断仪组成284.2使用故障诊断仪前的准备294.2.1安全提示294.2.2安全警告304.2.3仪器使用注意事项314.2.4操作汽车ECU注意事项314.2.5 PC软件环境324.2.6 VCI软件安装指导324.2.7 VCI系统设置324.3 故障诊断仪检测功能354.3.1汽车诊断仪的原理与功能354.3.2汽车诊断仪KT700的特性及优点354.4 故障诊断仪KT700操作使用步骤364.4.1 设备连接364.4.2 汽车诊断36第五章 丰田普锐斯动力总成数据流的读取与分析415.1动力总成数据流415.1.1数据流技术含义以及数据流检测方式415.1.2怎样用电脑通信方式来获得汽车数据流?415.1.3数据流中数据参数是怎样分类的?425.1.4对汽车数据流分析常采用的方法425.2动力总成数据流的连接435.3 丰田普锐斯混合动力总成数据流读取与分析45第六章 结论50致谢51参考文献51附件：毕业论文光盘资料V南京工程学院本科毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1引 言能源和环境是当今世界可持续发展面临的两大根本问题。随着经济的发展，汽车拥有量急剧升高，这两大问题日益突出，而在我国显得更加严重。2012年中国轿车产销量以超过40%的增长而被称为“中国轿车元年”。2012年我国汽车总产量达到1600万辆，2013年总产量达到2000万辆2。汽车产销量的飞速增长，给我国石油能源带来巨大的压力，同时也给城市大气环境带来了严重的影响。进入21世纪，随着经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提出越来越高的要求。为了降低汽车的燃油消耗，减少有害的排放生成物，各国相继出台了更严格的排放法规，汽车工作者对传统内燃机汽车采取了复杂的技术改造，例如代用燃料、添加剂、催化净化器、多气门结构、稀燃、分层燃烧、电控喷射等1。这些技术的应用大大降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。但是传统的内燃机车由于其固有的燃烧和排放特性，对燃油消耗和排放的解决有一定的局限性。同时复杂的技术改造直接的后果是使得传统汽车的造价不断上升，利润空间越来越小，长此以往，不利于汽车工业的发展，也不利于汽车的普及。在此背景下，各种各样的新型动力汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比要差上百倍，远远未达到人们所期望的数值。专家估计在未来一段时间内，电动汽车还无法取代燃油发动机汽车，为此采取了一个两全其美的办法，开发了混合动力汽车HEV（Hybrid Electric Vehicle）。混合动力汽车是一种新出现的绿色环保汽车，它采用内燃机和电动机作为混合动力源,这种混合动力的汽车既有燃油发动机动力性好、续驶里程长的优点，又有电动机无污染和低噪声的好处,可达到发动机和电动机的最佳匹配。对于传统内燃机动力汽车，制动能量全部由刹车片摩擦消耗掉；而对于混合动力汽车，在刹车制动时，通过对电机、刹车系统及动力电池管理系统的协调控制，使电机工作在发电机状态而产生制动转矩，向动力电池高效率回收制动能量，可显著提高整车的能量利用率3。1.2 选题背景与意义能源供给和环境保护现己成为人类社会可持续发展面临的两大难题。尤其是进入21世纪 以来，汽车依赖的主要燃料一化石燃料的供需矛盾进一步加剧。以我国为例，2012年我国石油消耗量达到4.93亿吨，同比增长9.3%，其中净进口石油1.627亿吨，同比增长37.9%， 石油对外依赖度达到47%，并呈现逐年增长趋势。同时，石油价格也呈现快速增长的现象, 石油价格不断出现历史新高。石油需求量和价格的不断增长，使人类面临的能源问题更加严 峻。而另一方面，汽车排放的污染物已成为影响城市空气质量的重要因素。目前世界上空气污染最严重的20个城市里有10个在中国1。据统计，汽车氮氧化物造成的污染占城市空气中 氮氧化物污染的比例已上升到40.1%，一氧化碳的污染比重则高达94%。随着社会环境、能源危机日益严重，混合动力汽车受到越来越广泛的关注。汽车采用混合动力驱动己成为国际公认的解决环境、能源等可持续发展战略问题的有效途径。世界各国都投入了巨额的人力、物力和财力开发混合动力汽车。一般认为这类汽车的燃油经济性可提高15%-40%，废气排放可降低30%-50%，排放指标最好水平能达到目前排放标准指标值的10%。总体而言，混合动力汽车较传统内燃机汽车有以下优势：1、能量转换率高2、良好的环境保护效果3、噪声低4、排放的废热少，可以减轻城市的“热岛效应”5、可回收利用部分能量6、改善能源结构、解决汽车的代替能源问题1.3 国内外对混合动力汽车的研究现状1.3.1国外对混合动力汽车的研究国外对于混合动力汽车的研究已有百年历史，世界上第一辆由汽油机和发电机组合的混合动力汽车于1902年由费迪南德保时捷研制成功。但由于受其他技术（如电机、电池和控制等)发展的制约，加上环境和能源问题尚未出现，使混合动力汽车技术在其后几十年内未受重视。直至近20年，随着能源和环境污染问题的日益严重，混合动力汽车的研究成为世界各大汽车工业的热点。从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在发展混合动力汽车方面，日本居世界领先地位。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。美国在2012年己有56.93万台混合动力汽车上路，根据收集到的数据显示，与普通的汽车相比，混合动力汽车燃油经济性提高了40%60%，同时减少各类排放污染物50%-90%。车辆保养成本、 噪音及驾乘人员的舒适性也得到极大改善欧洲方面，法国、德国、英国、意大利、瑞士 等国家均己跨入电动汽车产业化、商品化行列。1.3.2我国对混合动力汽车的研究我国在过去十多年中有计划地开展了混合动力汽车的关键技术攻关和整车研制。国内已有几个单位尝试过混合动力汽车样车的研制，如广州市电车公司，华南理工大学与广东云山汽车厂。但是他们所研制的混合动力汽车大部分都是串联式的，只是在原有汽车基础上简单地加载发动机和发电机机组，技术含量很低，同时也缺乏高度自动化的控制系统和能量管理系统，只是两种动力系统的简单捏合，这与真正意义上的混合动力汽车及国外的先进技术水平相比还有很大差距。2002年初，科技部将混合动力汽车确定为“十五”国家“863 ” 计划能源技术领域重大专项，要求在整车开发上必须体现官、产、学、研四位一体的合作方 式，以汽车生产企业为背景，鼓励中小型企业共同参与、联合攻关。目前包括东风、一汽、奇瑞、重庆长安、天津汽车研究中心、清华大学、上海交通大学、吉林大学和中科院电工所等在内的一大批企业和科研院所正在联合研制开发我国的混合动力汽车，并且取得了长足的进步。1.4 本文的结构本文从了解丰田普锐斯的数据流的含义的角度进行分析，主要是针对丰田普锐斯汽车进行了实验分析。全文共分为七章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了混合动力汽车的概念、特点与相关研究背景；第二章研究了混合动力汽车的结构组成与控制系统；第三章对丰田普锐斯混合动力汽车进行了研究；第四章了解了博士故障诊断仪；第五章对丰田普锐斯动力总成数据流进行了读取与分析；第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 第二章 混合动力汽车结构组成与控制系统2.1 混合动力汽车的分类 混合动力汽车的分类方法有很多，典型的分类方法如下。（1） 按动力传动系统布置分类目前世界各国研究开发的混合动力汽车有不同的结构形式，根据其动力传动系统的配置和组合方式不同，分为串联式、并联式和混联式三种组合方式，各自的结构形式和特点如下。串联式混合动力驱动系统（SHEV），其示意图如图2-1所示。辅助动力单元（APU）由原动机和发电机组成。原动机带动发电机发电，其电能通过控制器直接输送到电动机，由电动机产生驱动力矩驱动汽车。电池实际上起平衡原动机输出功率和电动机输入功率的作用：当发电机的输出功率大于电动机所需的功率时，控制器控制发电机向电池充电；当发电机的输出功率低于电动机所需的功率时，电池则向电动机提供额外的电能。串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区稳定运行，因此，可使汽车的油耗和排污降低。串联式混合动力汽车特别适用于在市区内低速运行的工况。串联式结构的不足是：发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，由于机电能量转换和电池充放点的效率较低，使得燃油能量的利用率比较低。图2-1 串联式混合动力驱动系统示意图并联式混合动力驱动系统（PHEV），其示意图如图2-2所示，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小。与串联式结构相比，发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量的利用率相对较高，这使得并联式燃油经济性比串联式的高。并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不适于汽车行驶工况变化较多、较大的路况。相比串联式结构形式，需要变速装置和动力复合装置，传动机构较为复杂。图2-2 并联式混合动力驱动系统示意图混联式混合动力驱动系统（PSHEV），是串联式与并联式的综合，其示意图如图2-3所示。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。图2-3 混联式混合动力驱动系统示意图混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统处于最优状态下工作，所以更容易实现排放和油耗的控制目标，因此是最具影响力的辅助动力单元。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本结构。（2） 按使用用途分类续驶里程延长型混合动力汽车 在纯电动汽车基础上增加了常规的辅助能量单元（APU），以提供额外的牵引功率或在需要时给电池充电。由于APU的油箱成了电池能量的补充，导致辅助动力单元续驶里程和驱动功率显著提高。续驶里程延长型混合动力汽车一般由一个大容量的电池组和小型发电机组组成。动率辅助型混合动力汽车 在常规内燃机驱动的汽车基础上增加了辅助电驱动和能量存储系统以优化能量的管理。这种车上的主要能源来自于内燃机带动的发电机组。故功率辅助型混合动力汽车一般由较大功率的发电机组和较小容量的电池组组成。（3） 按电动机与内燃机的搭配比例分类按照使用的电动机峰值功率与发动机额定功率的比值将混合动力汽车分为：微混混合动力电动汽车、轻混混合动力电动汽车、中混混合动力电动汽车、强混混合动力电动汽车，电动机峰值功率/发动机额定功率分别为：40%。微混混合动力电动汽车 有时也叫“启-停混合（Start-Stop）”，依靠电动机的功率比例很小，车辆的驱动功率主要由内燃机提供。在微混合系统中，电动机仅作为内燃机的起动机/发电机使用，其工作模式是：如遇到红灯或交通阻塞等情况车辆需短时停车怠速时，使内燃机熄火取消怠速，而当车辆再次行驶时，立即重新启动内燃机；在制动时转变为发电机，实现制动能量回收。微混合可实现5%10%的节油效果。轻混混合动力电动汽车 与微混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中依靠电动机功率的比例增大，内燃机功率的比例相对减小。在车辆加速、爬坡等工况下，电动机可向内燃机提供辅助的驱动力矩，但不能单独驱动车辆行驶，这种系统同样具有制动能量回收、发动机熄火/重启动等功能。轻混合系统节油可达10%15%；中混混合动力电动汽车 与轻混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中依靠电动机功率的比例进一步增大，内燃机功率的比例进一步减小。与轻混合系统不同，中混合系统采用的是高压电动机。另外，中混合系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好地提高整车地性能。强混混合动力电动汽车 与中混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中依靠电动机功率的比例更大，内燃机功率的比例更小。强混合车辆，电动机和内燃机都可以独立或一同驱动车辆，因此在低速、缓加速行驶、车辆起步行驶和倒车等情况下，车辆可以纯电动行驶；急加速时电动机和内燃机一起驱动车辆，并有制动能量回收的能力。试验工况下的节油达30%50%，但实际节油效果随车辆结构设计、行驶工况、开车操作细节而变化。混合动力汽车的分类方法也可以按照串并混合比的不同，混合动力传动系统的复杂程度等进行更细致的分类2。2.2 典型混合动力汽车的结构组成混合动力汽车的主要组成包括发动机、电动机和电池。（1） 发动机混合动力汽车可以广泛地采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。一般转子发动机和燃气轮机的燃烧效率比较高，排放也比较洁净。采用不同的发动机就可以组成不同的混合动力汽车。（2） 电动机混合动力汽车可以采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。随着混合动力汽车的发展，直流电动机已经很少采用，多数采用了感应电动机和永磁电动机，开动磁阻电动机应用也得到重视，还可以采用特种电动机为混合动力汽车的驱动电动机。采用不同的电动机就可以组成不同的混合动力汽车。（3） 电池 混合动力汽车可以采用各种不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等作为“电池”，一般电池是作为混合动力汽车的辅助能源，只有在混合动力汽车用电动机起动发动机或电动机辅助驱动时才使用。2.2.1 串联式混合动力汽车串联式混合动力系统结构是由发动机、发电机和驱动电动机三大部件总成组成，结构组成图见图2-1所示。发动机仅仅用于发电，发电机发出的电能通过电动机控制器直接输送到电动机，由发动机产生的电磁力矩驱动汽车行走。发电机发出的部分电能向电池充电，来延续混合动力汽车的行驶里程。另外，电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力汽车在零污染状态下行驶。2.2.2 并联式混合动力汽车并联式混合动力汽车有两套驱动系统，分别为内燃机和电动机驱动。它们既可以独立工作，也可以协调工作，共同驱动，结构组成图见图2-2所示。从结构上可以将并联式混合动力结构分为单轴式和双轴式两种形式。2.2.2.1 单轴式并联混合动力系统单轴式并联混合动力系统结构如图2-4所示，发动机和电动机的输出轴采用了同一根传动轴，这有利于电动机和变速箱结构的一体化模块设计，便于批量生产中的模块化供货和整车装配。单轴并联结构的合成方式为转矩合成。这种结构将导致发动机和电动机两者每时每刻的转速值均为同一值，限制了电动机的工作区域。2-4 单轴式并联混合动力系统结构2.2.2.2 双轴式并联混合动力系统双轴式并联混合动力系统结构如图2-5所示。双轴式结构中可以有两套机械式变速器：内燃机和电动机各自与一套变速机构相连，然后通过齿轮系进行复合。在这种结构中，可以通过调节变得更灵活，当采用行星差动系统作为动力复合机构时，行星差动动力复合机构有两个自由度，可以实现两个输入部件的转速复合，以确定输出轴的转速，而各个部件间的转矩保持一定的比例关系，这种功率复合形式称为速度复合。双轴式并联混合动力系统结构复杂是一个很大的缺点。图2-5 双轴式并联混合动力系统结构2.2.3 混联式混合动力汽车混联式混合动力系统是串联式与并联式的综合，其结构如图2-6所示。发动机发出的功率一部分通过机械式传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或蓄电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，驱动系统则以并联工作方式为主。图2-6 混联式混合动力系统结构目前的混联式结构一般以行星齿轮机构作为动力分配装置。有一种最佳的混联式结构式将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来，动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到传动轴，同时发电机也可以驱动电动机来驱动传动轴。这种机构有两个自由度，可以自由地控制两个不同的速度。2.3 混合动力汽车的控制系统在混合动力汽车上普遍地采用以计算机为核心的现代计算机技术和自动控制技术，各种智能控制系统包括自适应控制技术、模糊控制技术（fuzzy）、专家控制系统（expert system）、神经网络控制系统（neural networks）等也逐渐应用到混合动力汽车上，使混合动力汽车更加安全、节能、环保和舒适。（1） 混合动力汽车控制系统的功能使混合动力汽车的动力性能能够达到或接近现代内燃机汽车的水平，逐步实现混合动力汽车的使用比。最大限度地发挥了电动及驱动的辅助作用，使混合动力汽车的燃油消耗量尽量降低，实现发动机的节能化。目前混合动力汽车燃油消耗量已达到3L/100km左右的水平。在环保方面，达到“最低污染”的环保标准。在混合动力汽车上实现多能源动力控制，混合动力汽车关键的控制技术，是对内燃机驱动系统和对电动机驱动系统实现双重控制。发动机与电动机的动力系统应进行最有效的组合和实现最佳匹配，发动机和驱动系统，电动机和驱动系统都能具有高效率，能够回收再生制动能量，延长混合动力汽车的行驶里程，改进混合动力汽车的节能性。在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法，适应驾驶员的操作习惯，使操作简单化和规范化。在整车控制系统中，采用全自动、机电一体化控制系统，达到安全、可靠、节能、环保和灵活的目的。混合动力汽车一般是内燃机汽车的替代和延伸，继承和沿用了很大一部分内燃机汽车的传动系统，保留了人们已经习惯的内燃机汽车操纵装置，包括发动机控制装置加速踏板、制动踏板、离合器、自动离合器、变速器的操纵装置等。由这些操纵装置发出控制信号，通过以计算机CPU为核心的中央控制器和各种控制模块，向内燃机的驱动系统或电动机驱动系统发出单独驱动指令或混合驱动指令，来获得不同的驱动模式，按照驾驶员的意图，实现混合动力汽车的启动、行驶、加速、爬坡、减速和制动时的驱动模式转换的控制。（2） 混合动力汽车控制系统的基本组成混合动力汽车控制系统主要包括：控制系统，由操纵装置、中央控制器和各种控制模块共同组成。发动机和驱动系统，发动机和发动机驱动系统的控制系统。电动机和驱动系统，电动机和电动机驱动系统的控制系统。信号反馈及检测装置，包括各电量检测装置（电压表、电流表等）、显示装置和自诊断系统等。（3） 混合动力汽车的控制策略混合动力汽车控制策略设计的主要目标是开发近似优化且实际可行的管理策略，确实转矩分配方案和换挡方案，使油耗最低，同时满足下列约束：满足驾驶员的动力要求；保持电池的充电状态；满足一定的驾驶性要求。有多种混合动力汽车控制策略，以下讲诉比较简单的基于规则的混合动力汽车稳态能量管理策略。基于规则的稳态能量管理策略的主要依据是工程经验，根据部件的稳态效率MAP图来确定如何进行发动机和电动机之间的动力分配。将混合动力汽车控制分成了3种模式，即正常行驶模式、充电模式及制动能量回馈模式，同时将发动机的效率MAP图划分为纯电动、发动机驱动和电动机功率辅助3个区域，在不同模式下，根据发动机的稳态效率MAP图决定发动机和电动机的动力分配方式。基于规则的能量管理策略主要依靠工程经验和实验，限定发动机的工作区域和工作方式，达到降低燃油消耗和排放的目的，方法比较简单直观，因此更具有使用价值，在实际混合动力汽车的能量管理系统中得到了广泛的应用。第3章丰田普锐斯混合动力汽车的概述3.1 丰田普锐斯混合动力汽车的技术特点和技术参数3.1.1 丰田普锐斯混合动力汽车的技术特点丰田公司于1997年开始销售普锐斯混合动力汽车，为5座小型轿车。它是世界上第一款大批量生产的商业用途的混合动力车型。2003年推出第二代轿车，2012年推出最新第三代混合动力轿车。丰田普锐斯混合动力系统由汽油发动机和电动机组成，采用丰田汽车公司自行开发的THS（toyota hybrid system）混合动力系统1。THS的核心是用行星齿轮组组成的动力组合器，用于协调发动机和电动机的运动和动力传递。图3-1为最新款普锐斯混合动力轿车。图3-1 丰田普锐斯混合动力汽车丰田普锐斯混合动力汽车应用了大量先进技术，如采用“线控（by-wire）”技术、全电动空调等。简单介绍2012年最新款普锐斯混合动力汽车的先进技术。（1） Atkinson 循环发动机新款丰田普锐斯汽车采用1.8L汽油机，最大输出功率为73kw。工作循环为Atkinson 循环，其热效率高，膨胀比大。Atkinson 循环的汽油机采用延迟进气门关闭时刻的方法，增大膨胀比。在压缩冲程的起始阶段，部分进入气缸的空气回流到进气歧管，有效地延迟了压缩起始点，故膨胀比增大，而实际的压缩比并没有增大。由于用这种方法能增大节气门开度，在部门负荷时可减小进气管负压，从而减小进气损失。（2） “线控（by-wire）”技术“线控（by-wire）”技术是某些操纵机构采用电子控制、电动执行的，用来取代机械或液力控制。普锐斯混合动力汽车上的节气门、制动、换挡杆、牵引力控制和车辆稳定性控制（VSC+）都采用了“线控（by-wire）”技术，提高了操纵性。（3） 电控无级变速器普锐斯的变速理论与无级变速器的变速理论相同，动力分配装置将发动机和电动机的力矩分配给驱动轮或发电机，通过选择性地控制动力源的转速，模拟变速器传档比的连续变化，工作起来像普锐斯的无级变速器（CVT）一样。（4） 电动牵引力控制如果防滑控制单元（ECU）检测到车轮打滑时，会立即切断电动机传到车轮的驱动力矩，而不是像传统牵引力控制系统那样切断来自发动机的动力。此外电控制动系统可采取制动。普锐斯混合动力汽车是世界上第一辆采用电动机施力的牵引力控制系统，各组成部件之间信息传递快，提高了整车的主动安全性。（5） 电子换挡杆电子换挡杆安装在仪表盘上，比传统的换挡杆使用起来更加方便、灵活，还可以用指尖点动。换挡杆每次动作后，总是回到原来位置。换挡杆有照明灯，方便夜间使用。换挡杆有四个位置：N（空挡）、D（驱动）R（倒档）B（发动机制动）。驻车开关安装在换挡杆的上方，与传统自动变速器手柄处于“P”位置的作用相同。（6） 电控制动系统（ECB）普锐斯混合动力汽车采用独特的线控制动系统。踩动制动踏板会触动停车的控制电路，电控制动系统响应迅速，可与其他主动安全系统互相配合。ECB也用于提高再生制动系统的效率，将车辆制动时的动能回收。ECU有备用电源，以防车辆电源系统发生故障。（7） 全电动空调系统普锐斯混合动力汽车的空调压缩机由空调变频器电机直接驱动，不依靠发动机的运转，其优点为：即使发动机熄火，空调也能发挥最大效率。空调与发动机的运转各自独立，空调的运转不会降低汽车的行驶性能。电动水泵能够在发动机熄火时向加热器供热。电动压缩机比传统的压缩机小40%，轻50%，可将压缩机直接安装到发动机上。（8） 坡道起步辅助控制坡道起步时，控制系统能够通过驱动电动机上的高灵敏度的转速传感器，判别道路的坡度，防止汽车向下溜滑。若坡道很陡，系统会增大汽车启动力矩。（9） 增强型车辆稳定控制系统（VSC+）增强型车辆稳定控制系统（VSC+）将车辆稳定控制系统与电动助力转向（EPS）组合在一起。在发生意外情况时提供一定量的辅助转向力矩，帮助驾驶员更快地转动方向盘，而在前轮打滑时转向，EPS提供较小的转向助力，防止过度转向。（10） 智能钥匙与启动系统普锐斯混合动力汽车采用具有双向通信功能的智能钥匙，在汽车周围一定范围内，智能钥匙系统的ECU能够判别是否存在智能钥匙，只要车主随身携带智能钥匙，即可不用钥匙也能开或锁车门；同样，只要随身携带钥匙，驾驶员可推动按钮启动车辆（图3-2）。汽车的前门和后舱门装有振荡器、触摸传感器和天线。振荡器若接收到智能钥匙电脑的命令，会发射信号，检测汽车周围是否有智能钥匙。若有人按动触摸传感器，则对应的车门锁会打开。若随身携带钥匙离开车，车主可以按下门手柄上锁开关将所有车门锁上。若在车内携带钥匙，只要按动仪表盘上的启动按钮就能启动汽车。图3-2 智能钥匙的“遥控作用”3.1.2丰田普锐斯混合动力汽车的技术参数最新2012版丰田普锐斯混合动力汽车的技术参数见表3-1所示。表3-1 丰田普锐斯混合动力汽车的技术参数尺寸及质量发动机全长（mm）4460发动机型号5ZR全宽（mm）1745形式丝杠直列顶置双凸轮轴电喷16气门（VVT-i）全高（mm）1510排量（ml）1798轴距（前/后）（mm）2700最大功率（kw）73轮距（前/后）（mm）1525/1520最大马力（Ps）99最小离地间隙（空载）（mm）160最大扭矩（N*m）142最小转弯半径（m）5.1最大扭矩转速（rpm）4000整备质量（kg）1385缸径行程（mmmm）80.588.3总质量（kg）1805压缩比13轮胎规格195/65 R15配气机构DOHC百公里油耗（L）4.3电动机制动、悬架、驱动方式形式同步交流电动机（永磁型）制动系统（前/后）通风盘式/盘式最大功率（kw）60悬架系统（前）麦弗逊式独立悬架最大转矩（N*m）400悬架系统（后）拖拽臂式驱动方式前轮驱动3.2 丰田普锐斯混合动力系统的结构组成丰田普锐斯混合动力汽车的动力中枢是丰田混合动力系统（Toyota hybrid system，THS），它使用汽油机和电动机两种动力，通过串联与并联结合的方式进行工作，达到了低排放的效果。2003年，丰田公司推出了采用THS-II（第二代丰田混合动力系统）的新一代普锐斯混合动力汽车，使混合动力汽车的发展向前迈进了一大步。丰田混合动力系统的主要部件在车上的位置如图3-3所示。图3-3 丰田混合动力系统主要部件的位置 下面介绍丰田普锐斯动力系统的主要部件。 1.发电机（MG1）和电动机（MG2）发电机（MG1）和电动机（MG2）结构紧凑、重量轻、高效，为交流永磁铁同步型电动/发电机，其技术参数见表3-2、3-3。表3-2 发电机（MG1）参数项目新车型旧车型类型永磁铁电动机永磁铁电动机功能发电机、发动机启动机发电机、发动机启动机最高电压/VAC500AC273.6冷却系统水冷水冷表3-3 电动机（MG2）参数项目新车型旧车型类型永磁铁电动机永磁铁电动机功能发电机、驱动车轮发电机、驱动车轮最高电压/VAC500AC273.6最大输出功率/kw6033最大转矩/Nm400350冷却系统水冷水冷1）发电机（MG1）和电动机（MG2）的工作原理THS-系统的电机（MG1、MG2）属于无刷直流同步电动机B D C M类型的驱动电机。B D C M用装有永磁体转子代替了有刷直流电动机的定子磁极。BDCM是将逆变器产生的方波交流电流直接输入电机定子绕组，省去了机械换向器和电刷。B D C M定子绕组中通入三相方波交流电流。定子绕组上会产生感应电动势，生成与永磁转子磁场在空间位置成正交的电枢反应磁场。在转子永磁铁磁场的作用下，电枢反应磁场以反作用电磁力驱动永磁转子同步旋转（图3-4）。 (c) 图3-4 电机（MG1、MG2）工作原理2）电机（MG1、MG2）结构MG1、MG2定子组采用三相Y形连接，每由4个绕组并联，可以在电机输入较大电流下，获最大转矩和最小转矩脉动 MG1、MG2永磁转子：采用稀土永磁材料为永磁铁，安装在转子铁内部（内埋式永磁转子）。转子内的永磁铁为“V”形，这样永磁体既有径向充磁，又有横向充磁，有效集中了磁通量，提高电机的扭矩（图3-5）。从永磁转子的磁路特点分析，内埋式永磁转子结构，改变了电机交、直轴磁路，可以改善电机的调速特性，拓宽速度范围。 图3-5 电动机永磁体转子示意图MG1、MG2解角传感器：为了满足电机静止启动和全转速范围内转矩波动的控制目的，需要利用解角传感器精确地测量MG1、MG2永磁转子磁极位置和速度。解角传感器是采用电磁感应原理制成的旋转型感应传感器，它由定子和转子组成（图3-6）。椭圆型转子与MG1、MG2的永磁转子相连接，同步转动。椭圆型转子外圆曲线代表着永磁转子磁极位置。定子包括1个励磁线圈和2个检测线圈，2个检测线圈S和C轴线在空间坐标上正交，H VE C U按预定频率的交流电流输入励磁线圈A，随着椭圆型转子的旋转，转子和定子间的间隙发生变化，就会在检测线圈S和C上感应出相位差90正弦、余弦感应电流，HV ECU根据检测线圈S和C感应电流的波形相位和幅值，以及波形的脉冲次数（图3-7），计算出M G 1和M G 2永磁转子的磁极位置和转速值信号，作为HV ECU对电机MG1、MG2矢量控制的基础信号。图3-6 电动机解角传感器示意图图3-7 检测线圈感应电流波形图2.HV变速驱动桥混合动力车辆（HV）变速驱动桥由发动机（MG1）、电动机（MG2）和行星齿轮组组成。图3-8为混合驱动桥剖面结构图。发电机（MG1） 发电机（MG2）由电动机带动旋转产生高压电以操作电动机（MG2）或为HV蓄电池充电。同时，它还可以作为启动机启动发动机。电动机（MG2） 由发动机（MG1）或HV蓄电池的电能驱动，产生车辆动力。制动期间或制动踏板未被踩下时，它产生电能为HV蓄电池再次充电。行星齿轮组 以适当的比例分配发动机驱动力来直接驱动车辆和发电机。图3-8 普锐斯混合驱动桥剖面图3.HV蓄电池在起步、加速和上坡时，将制动时或制动踏板未被踩下时再次充入的电能提供给电动/发动机。HV蓄电池如图3-9所示。图3-9 HV蓄电池4.变频器总成此设备用于将高压DC（HV蓄电池）转换为AC发电机（MG1）和电动机（MG2），反之亦然（AC转为DC）。包括增压转换器、DC/DC转换器和空调变频器。如图3-10所示。增压转换器 将HV蓄电池的最高电压从DC201.6V增加到DC500V，反之亦然（从DC500V降到DC201.6V）。DC/DC转换器 将最高电压从DC201.6V降到DC12V，为车身电气组件供电以及为备用蓄电池再次充电（DC12V）。空调变频器 将HV蓄电池的额定电压DC201.6V转换为AC201.6V，为空调系统中的电动变频压缩机供电。图3-10 变频器总成5.HV ECUHV ECU始终监视SOC状态、蓄电池温度、水温和电载荷状况。在READY指示灯亮，车辆处于“P”档或车辆倒车时，如果监视项目符合条件，HV ECU发出指令，启动发动机，驱动发电机（MG1），并为HV蓄电池充电。接收每个传感器及ECU（发动机ECU、蓄电池ECU、制动防滑控制ECU和EPS ECU）的信息，根据此信息计算所需的转矩和输出功率。HV ECU将计算结果发给发动机ECU、变频器总成、蓄电池ECU和制动防滑控制ECU。6.发动机ECU根据接收的来自HV ECU的目标发动机转速和所需的发动机动力启动ETCS-i（智能电子节气门控制系统）。7.蓄电池ECU监控HV蓄电池的充电状态。8.制动防滑控制ECU控制电动/发动机产生的再生制动以及控制液压制动，使总制动力等于仅配备液压制动的传统车辆。同样，制动防滑控制ECU照常进行制动系统控制（带ECU的ABS、制动辅助和VSC+）。3.3 丰田普锐斯混合动力系统的工作原理 混合动力系统的工作原理：THS-II使用发动机和电动机（MG2）提供的两种动力，并使用MG1作为发电机。系统根据各种车辆行驶状况优化组合这两种动力。图3-11为混合动力THS-II系统车辆行驶状况分析的工作原理，来分析说明THS-II系统如何控制发动机、MG1和电动机（MG2）来驱动汽车。图3-11 车辆行驶状况 图3-11中，1表示仪表板上“READY”灯亮；2表示启动；3表示发动机微加速；4表示小负荷巡航；5表示节气门全开加速；6表示减速行驶；7表示倒车。表3-4对行星齿轮的旋转方向、转速和电源平衡进行了说明，并对MG1和MG2的充电 或发电状态、旋转方向和转矩状态作了说明。表3-4 模拟杠杆图状态旋转方向转矩状态模拟杠杆图例放电正转+转矩+侧箭头向上反转-转矩-侧箭头向下发电正转-转矩+侧箭头向下1.READY灯打开状态 （1）发动机停止1）如果冷却液温度、SOC状态、蓄电池温度和电载荷状态不满足条件，即使驾驶员按下POWER开关、READY灯打开，发动机也不会运转。在这种状态下，发动机MG1和MG2均停止工作。2）若要使车辆停止并换到P挡，如果冷却液温度、SOC状态、蓄电池温度和电载荷状态满足条件，则HV ECU将继续使发动机在预定时间段内运行，然后使发动机停机。（2）启动发动机1）READY灯打开，车辆处于P挡或者倒车时，HV ECU监视的任何项目不满足条件HV ECU启动MG1 (太阳齿轮带动支架运转）从而启动发动机，如图3-12所示。图3-12 准备启动状态2） 运行期间，为了防止MG1的太阳齿轮的反作用力使MG2的环齿轮转动并驱动驱动轮MG2接收电流，施加制动，这个功能叫做反作用控制。3） 在下一状态中，运转中的发动机启动作为发电机的MG1，进而为HV蓄电池充电，如图3-13所示。图3-13 启动后蓄电池充电2.起步后（1）MG2驱动（图3-14）起步后，车辆仅由MG2驱动，这时，发动机保持停止状态，MG1以反方向旋转而不发电。图3-14 起步工况（2） 启动发动机（图3-15）当只有MG2工作时，在两种情况下发动机将被启动。1） 如果增加驱动转矩，则MG1将