丰田第二代混合动力系统(THSⅡ)

1、10汽检（2）班翁星星100340209丰田第二代混合动力系统 THS 混合动力汽车的概念混合动力汽车(Hybrid EleetriC vehiez。，简称HEV)是在电动汽车(仅依靠电能驱动的车辆)上加人辅助动力单元，将电力驱动与辅助动力驱动结合起来，充分发挥两者各自的优势及两者相结合产生的新优势的电动汽车。电力驱动可采用直流电动机或三相同步(或异步)电动机;辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组。混合动力汽车通常采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电能2套系统开动汽车。简单地说，就是将传统的发动机尽量做小，让一部分动力由电池一电动机系统承担。这种混合动力装置既

2、发挥了发发动机持续工作时间长，动力性好动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低电动机无污染、低噪声的好处，噪声的好处，两者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10%以上，废气排放可降低30%以上。混合动力汽车的分类按动力藕合方式的不同，可将混合动力汽车分为串联、并联和混联分为串联、并联和混联3种形式种形式 。1 THS系统简介1. 1系统组成 THS系统主要部件有采用Atkinson 循环的高效汽油机、永磁交流同步电机、发电机、高性能镍金属氢化物(NI - MH)电池和功率控制单元 ,见图 1。功率控制单元由高压电源电路、 AC - DC 逆变器组成。电源电路将电动

3、机和发动机的电压升至 500 V。AC - DC逆变器用于电动机、发电机的交流电和混合动力电池的直流电之间的转换 ,动力分配装置用于分配、合成和传递发动机、电动机和发电机的机械动力。各装各装置之间取长补短，优势互补，使置之间取长补短，优势互补，使得发动机达到最大的效率。得发动机达到最大的效率。1. 2 THS系统工作过程a.启动 ,低速到中速运转时低速到中速运转时 ,只要电池电量在合理范围内 ,汽车由电动机驱动 ,此时整车处于电动车模式整车处于电动车模式 ,不排废气。不排废气。b.当整车进入一般行驶条件时 ,此时发电机起到启动机的作用 ,使发动机从静止开始旋转 ,直到点火。整车动力一部分来自发

4、动机 ,另一部分则由发动机带动发电机后给电动机供电驱动车轮。c .瞬间加速除与一般行驶条件相同外 ,电池会提供额外的功率给电机来改善整车加速性能 ,此时发动机瞬态加速性能大幅提高发动机瞬态加速性能大幅提高 ,制造了不少驾驶乐趣。d.减速、制动 ,车轮驱动电动机。电动机起到发电机作用。再生制动系统将动能转变为电能 ,并储存于镍氢能电池。e.电池再充电 ,电池始终保持充足电量。根据需要 ,发动机驱动发电机给电池充电。f .停车 ,发动机自动熄火。2 THS系统的主要部件2. 1发动机 丰田prius采用 1. 5 L 汽油发动机。工作循环Atkinson循环 ,热效率高热效率高 ,膨胀膨胀比大比大

5、。采用VVT - i (智能可变气门正时)装置 ,可以根据工况准确调整进气门开启与关闭时刻 ,始终保持最大充气效率。采用挤压紧凑型燃烧室 ,确保燃烧室内火焰快速传播。采用铝合金的气缸体 ,减轻质量 ,缩小尺寸。小而轻的缸体及紧凑的进气岐管提高了燃油效率。发动机最高转速从 4 500 rP min 提高到 5 000 rPmin ,输出功率增大。采用较小张力的活塞环 ,减小摩擦损失。发动机转速的提高使发电机旋转更快 ,提高提高加速时的驱动力加速时的驱动力 ,改善了燃油效率改善了燃油效率。2. 2 高电压系统 电机和发电机 发动机和发电机的电压从 THS的 274 V 增大到THS的500 V ,

6、电源供给电机的电流减小 ,减少了热损耗减少了热损耗。2. 2. 1电机 电机采用交流永磁电机交流永磁电机 ,采用钕磁铁(永久磁铁永久磁铁)转子转子。通过优化永磁铁排列形式 ,提高驱动热和增长输出;从图3可以看出高电压(500 V)使电机的输出功率比 THS系统的提高1. 5 倍 ,即从 33 kW到 50 kW,而电机尺寸没有改变 ,单位质量和体积所产生的输出功率在世界上最大。在电机控制方面 ,在中转速范围增加全新的过调制控制系统:保留原来的低速和高速控制方法。通过改进脉冲宽度调制方法 ,中速范围的输出比原来的最大值增加大约30 %。2. 2. 2发电机 与电动机一样 ,发电机也是采用交流永磁

7、的交流永磁的 ,通过向高功率电动机提供充足的电 ,发电机高速旋转 ,以增大输出。采用增加转子强度等措施 ,将最大功率输出时的转速从 6 500 rP min (传统型)提高到 10 000 rPmin ,高转速明显地提高了中转速范围的电力 ,改善半低转速范围的加速性能。2. 3 功率控制单元,电池和再生制动系统2. 3. 1功率控制单元 功率控制单元包括一个将电池的直流电变为驱动电机的交流电的逆变器和转换成12V的DC/ DC转换器。在 THS系统中 ,增加一个将电源电压提高到500 V的高电压电源电路 ,根据功率 =电压 电流的关系式 ,提高电压就可以减小电流 ,可减小逆变器的大小。由于控制

8、电路是集成的 ,功率控制单元与以前大小一样。2. 3. 2半导体开关装置( IGBT) 半导体开关装置( IGBT ,绝缘门双极晶体管)提高电池电压 ,并将增大的直流电转变成驱动电机的交流电 ,由于转换的电流大 ,减小发热量很重要。丰田研制出一种独特的 ,可细调到晶体级的晶体管 ,该装置要比 THS的类似装置小20 % ,具有低发热具有低发热 ,高效率的性能高效率的性能。2. 3. 3再生制动系统 再生制动系统用于发动机制动或脚制动 ,将电动机变成发电机 ,转变汽车的动能为电能 ,给电池充电 ,在市区行驶时 ,该系统对于能量回收很有效 ,因为在城市行驶时 ,需经常加速和减速。踩动制动踏板时 ,

9、本系统协调电子控制制动系统(ECB)的液压制动和再生制动关系 ,优先利用再生制动 ,甚至在车速很低时 ,也能回收能量。此外 ,通过改善电池性能 ,能更多地回收能量。通过减小减小传动系统内部摩擦损失摩擦损失 ,减速期间的能量也被回收。2. 4混合动力传动系统 混合动力传动系统由动力分配装置、发电机、电动机和减速器等组成。发动机的动力由动力分配装置分为两部分 ,一个动力输出轴与电动机和车轮连接 ,另一个输出轴与发电机相连。这样 ,发动机从两条路线传递发动机从两条路线传递 ,即机械路线和电路。也可安装电控无级变速器 ,可连续地改变发动机转速以及电动机和发电机转速。THS - H采用低摩擦球轴承传动装

10、置 ,摩擦损失减小30 %。动力分配装置采用行星齿轮机构。行星齿轮架的转轴直接与发动机连接 ,通过行星齿轮把动力传给外齿圈和内太阳轮。齿圈的转轴直接与电动机连接 ,把驱动力传给车轮 ,太阳轮直接与发电机连接 。2. 5THS - 的控制系统 THS - 的控制系统调节整车的能量分配 ,使整车的工作效率最优。这包括汽车行驶的能量、辅助装置消耗的能量 ,如空调、加热器大灯和巡航系统。控制系统监测需求量和混合动力系统、部件的工作状态 ,如发动机 ,整个混合动力车的能量来源;电动机 ,利用电池的电能产生使汽车行驶的驱动力;电池 ,储存电动机在汽车减速时产生的电能。通过汽车控制网络、驾驶员的指令获得制动

11、信息。比如节气门开放 ,换档位置等。换句话 说 ,THS的控制 ,实时监测汽车的各种能量消耗状态 ,提供快速、准确的整体控制 ,使汽车能够安全、高效、平稳地行驶 。2. 5. 1再生制动控制 在 THS系统中 ,电子控制制动系统( ECB)通过协调制动系统的液压制动和再生制动 ,最佳地利用再生制动 ,用电池回收能量 ,提高汽车整体效率提高汽车整体效率及燃油经济性。及燃油经济性。3 THS效果3. 1 增大输出 THS的电机电压增大到 500 V ,使电动机输出功率增大1. 5倍 ,从35 kW增到50 kW。与此相匹配,发电机最大转速从 6 500 r/ min 提高到 10 000 r/ min。这样 ,在中低速范围提高供给电动机的电能 ,提高了电动机输出功率 ,从而大大提高了整个系统的输出 ,这也包括发动机直接驱动力的输出。此外 ,在高转速范围 ,发动机旋转得更快 ,输出更大 ,这样增大了