丰田雷凌混合动力技术

2024年3月2日发(作者：怎么加入宝马车友会)

毕业设计（论文）

题目：丰田雷凌混合动力技术

系部：汽车工程学院

专业：汽车检测与维修

学号:

班级：

姓名：

指导老师：

2017年 4 月日

摘要 ............................................................... 3

引言 .................................................................................................................................... 4

一、概述 ............................................................................................................................ 5

（一）混合动力发展背景 ......................................................................................... 5

（二）混合动力简介 ................................................................................................. 5

（三）联接方式 ....................................................................................................... 5

二、雷凌混合动力系统主要部件简介 ............................................................................ 7

（一）发动机 ............................................................................................................. 7

（二）混合动力驱动桥总成 ..................................................................................... 9

不同工况下发动机和电机的运转情况 ............................................................ 10

（三）变频器总成 ................................................................................................. 11

变频器总成的冷却系统 .................................................................................... 12

混合动力冷却液更换、加入方法 .................................................................... 12

在检查或维修高压系统时，请遵循以下安全措施 ........................................ 13

（四）HV电池 ........................................................................................................ 13

雷凌HV电池的规格 ........................................................................................ 13

HV 电池冷却系统 ............................................................................................ 14

冷却过程 ............................................................................................................ 14

HV蓄电池进气口滤清器 ................................................................................. 14

三、功率控制单元 .......................................................................................................... 15

四、雷凌混合动力能量回收系统 .................................................................................. 16

（一）混合动力系统在各个阶段的工作方式 ....................................................... 17

（二）高效制动系统 ............................................................................................... 17

制动控制系统运作流程 .................................................................................... 18

四、故障案例分析 .......................................................................................................... 18

参考文献 .................................................................................................................... 24

致谢 ................................................................................................................................ 25

摘要

混合动力汽车，指一辆车的驱动系由多个可以同时运转的单个驱动系联合组成。驱动系统能够保障车辆的行驶状态，同时可以决定车辆的行驶功率。目前较为时兴的是混合动力电动汽车。由于能源危机和环保的双重压力，混合动力电动汽车应运而生，而且具有广阔的发展前景

关键词：多个驱动系；混合动力汽车；广阔的发展前景

引言

作为混合动力车辆首先要有一台高效的发动机，尽可能的扩大发动机的高效率区间，并发动机最大限度工作在高效率区间并有效利用，提升工作效率。当发动机在低效率状态时用电动机取代发动机工作。车辆启动，汽车怠速和低速行驶时停止发动机，减少燃油损耗，当即提速到需要高功率输出时电动机配合发动机进行高功率输出。当发动机减速时电动机此时转变成发电机回收能量储存在驱动电池中，减少能量的损耗提升燃油经济性。高效利用能量。混合动力汽车的燃油经济性高了，而且行驶性能较好，混合动力汽车的发动机需要用燃油，而且在起步、加速时，因为有电动马达的配合，所以能够减少油耗，通俗的说，就是和相同排量的汽车比较，燃油消耗更少。而且，配合发动机的电动机能够在启动的瞬间产生强劲的动力，所以，使用者能够享受更强大的起步和加速。同时，还能实现较高水平的燃油经济性。

一、概述

（一）混合动力发展背景

汽车作为人们最常用的交通工具，已逐渐地走进千家万户。成为人们出行的第一选择，每年机动车的数量以飞快的速度增长着，给人们带来方便的同时也带了环境污染。其中最严重的当属空气污染，它释放温室气体引起温室效应和一氧化碳，氮氧化物等有毒气体，破坏地球生态环境，范围广难预防。随着全国汽车保有量的不断升高这些问题逐渐突显出来。最近的一项研究结果表明，城市里50%的氮氧化物和80%的一氧化碳来自汽车尾气排放。

伴随着经济的不断的发展人们的素质不断的提升，环保的意识也开始慢慢深入人心，人们更加注重节能和环保来造福子孙。中国也面领着能源紧缺不断加大能源进口力度局面。国家政策方面燃油附加税助推汽车消费理性转型，国家政策大力扶持新能源汽车。节能与新能源车逐渐成为了汽车发展的导向，各大汽车厂商也争相地进军新能源汽车的领域，而丰田在混合动力方面走在了世界的前沿。从1995prius概念车开始到2017年一月混合动力车在全球累计销量突破1000万辆，丰田开发出了世界上最成熟的混合动力汽车，并已投入量产，在新能源车市场上取得了相当大的份额，赢得了良好的口碑。

（二）混合动力简介

混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式。优点在于车辆启动停止时，只靠电机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低。而且电能的来源都是发动机和再生制动，只需加油即可。

混合动力汽车的燃油经济性能高，而且行驶性能优越，混合动力汽车的发动机要使用燃油，而且在起步、加速时，由于有电动马达的辅助，所以可以降低油耗，简单地说，就是与同样大小的汽车相比，燃油费用更低。

而且，辅助发动机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力，因此，驾驶员可以享受更强劲的起步、加速。同时，还能实现较高水平的燃油经济性。

（三）联接方式

串联式混合动力系统。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构

来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。

并联式混合动力系统。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。

雷凌采用的是混联式联结方式。混联式混合动力系统的特点在于内燃机驱动系统和电机驱动系统中各自有一套机械变速机构，两套机构可以通过齿轮系，也可以采用行星轮式结构结合在一起，从而综合地调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统能够更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。这种联结方式系统复杂，成本高。

二、雷凌混合动力系统主要部件简介

雷凌的混合动力系统主要是由发动机、混合驱动桥总成、MG1、MG2、变频器总成、HV电池等相关组件组成。如图1所示：

（图1）雷凌混合动力系统结构图

MG1、MG2为混合动力系统中的两个电机。MG1主要用于发电，必要时可推动汽车。MG2主要用于推动汽车。

（一）发动机

丰田雷凌搭载1.8L阿特金森汽油机，四缸直列，16气门，双顶置凸轮轴并带有气门相位调节器。

图2阿特金森结构图

图3阿特金森原理图

阿特金森循环发动机由于通过气门相位调节器改变进气门的关闭时间延迟,因而延迟了实际的压缩行程的开始。与传统发动机的工作循环相比，它最大特点就是做功行程

比压缩行程长，也就是我们所常说的膨胀比大于压缩比。更长的做功行程能够更加有效地利用燃烧后废气残存的高压燃油，所以燃油效率比传统发动机更高一些。雷凌用气门相位调节器控制进气门迟闭代替了复杂的连杆机构，使发动机在进气行程结束后进气门仍然在一段时间内保持开启，这样就把吸入的混合气又排出去一部分，更加简单的实现了膨胀比大于压缩比的效果，模拟出了阿特金森循环工况从而更加充分地利用发动的能量。

（二）混合动力驱动桥总成

混合动力传动桥主要由下列部件组成

图5

? 混合动力传动桥安装在发动机室内。

? 混合动力传动桥包含驱动车辆的电动机发电机（MG2）和产生电能的电动机发电机（MG1）。

? 该传动桥使用带复合齿轮装置的无级变速器机构以实现平稳、静谧性操作。

? 发动机、MG1和MG2通过复合齿轮装置机械连接。

? 混合动力传动桥使用两个行星齿轮机构，动力分配行星齿轮机构和减速行星齿轮机构。

? 复合齿轮装置由动力分配行星齿轮机构和电动机减速行星齿轮机构组成。

? 通过采用与2个行星齿轮机构的齿圈集成为一体的复合齿轮、中间轴主动齿轮和驻

车锁止齿轮，复合齿轮装置更为紧凑和轻量化。

? 动力分配行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG1、行星齿轮支架连接至发动机、齿圈连接至复合齿轮（车轮）。

? 电动机减速行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG2、齿圈连接至复合齿轮（车轮）。行星齿轮支架固定至传动桥外壳。

? 2个行星齿轮机构的齿圈组合在一起。

? 需要大功率电动机以产生较大的扭矩。使用电动机减速行星齿轮机构降低MG2的转速，从而可利用紧凑、轻量的电动机产生较大的扭矩。

? MG2连接至电动机减速行星齿轮机构的太阳齿轮。行星齿轮支架固定到位时，可降低MG2的转速并将其传输至齿圈。

? 内置于混合动力传动桥的MG1和MG2为紧凑、轻量且高效的交流永久磁铁电动机。

? MG1和MG2均由定子、定子线圈、转子、永久磁铁和转速传感器组成。

不同工况下发动机和电机的运转情况

1.在城市中起步和低速行驶时引擎处于关闭状态汽车只会依赖电动机去进行行驶

2.起步加速阶段由于阿特金森循环发动机本生的缺陷导致扭矩差，而混合动力驱动桥又不能改变传动比来提高。此时则由电机发挥作用提供动力或者配合发动机的时候提供动力，以电机高扭矩高响应性来弥补发动机此时动力上不足的问题。

3.当车辆上坡或者猛踩油门加速时电动机和引擎一起工作输出强大的驱动功率

4.巡航阶段当汽车以稳定的速度行驶时，电动机对引擎起辅助作用保持最优的引擎转速同时给混合动力电池充电，此时阿特金森循环发动机大功率输出，能量出现盈余而此时会利用发电机工作去收集产生的多余能量转变成为电量储存在混合动力电池组内，避免能源浪费所以能量的使用控制的更加精确

5.减速停车阶段此时发动机停止，以往车辆本生的能量都以内能的形势浪费掉了，但混合动力车辆能够应用再生制动功能来回收大部分能量，这些储存的能量可用于

车辆驾驶像电动汽车一样依靠这些能量就可以保持车辆的运转通过这种方式可以监控能量流动，不管在什么时候都可以保持最高效的驾驶。

（三）变频器总成

变频器由以下部件组成：

图6变频器结构

ECU：控制逆变器和增压转换器。

2.逆变器：产生用于驱动MG的3相交流电。

3.增压转换器：将HV蓄电池（直流电压201.6V）的电压最高升至直流电压650V。

/DC转换器：将HV蓄电池（直流电压201.6V）的电压降至直流电压14V（用于电气零部件）。

图7变频器冷却系统循环

变频器总成的冷却系统

变频器总成有专用的散热器，并且独立于发动机散热

其循环顺序为HV散热器→变频器→HV散热器储液罐→HV电机水泵→HV变速驱动桥→HV散热器

混合动力冷却液更换、加入方法

1.缓慢将冷却液注入储液灌，直到达到FULL线位置.

2.将智能检测仪连接到诊断通信链路连接器3上.

3.将点火开关转到on (IG).

4.进入以下菜单: 动力总成 / HV控制 / 主动测试 / 激活水泵.

5.使储液灌中的冷却液保持在FULL线，以补偿放气时冷却液液位的下降，每隔1分钟操作一次水泵.

当水泵工作声音降低或者储液罐中没有气泡出现时，即空气排空完成。

注意:

不要重新使用排出的冷却液，因为可能有杂质。

假如车辆在行驶过程有空气进入到变频器冷却系统中，可能会造成损坏和存储DTC。

在检查或维修高压系统时，请遵循以下安全措施

1.关掉点火开关，将钥匙移开智能系统探测范围

2.断开辅助电池负极端子

3.确认绝缘手套

4.拆除维修塞

5.等待10分钟或更长以便变频器总成高压电容放电

6.测量变频器端子电压 (0V)

7.用绝缘乙烯胶带包裹被断开的高压线路连接器

（四）HV电池

图8 HV电池结构

HV电池位于后备箱内后排座位下

雷凌HV电池的规格

类型

电池组电池数量

电压

维修塞

主保险

密封型镍氢电池

6格×28块

201.6V

不带

有

无刷型电机

Sirocco 风扇

进气1个电池组3个

SMRs (SMRB / SMRP /

SMRG), HV 电池电流传感器，电抗器

互锁开关

图

电机类型

HV电池冷却鼓风机

风扇类型

HV电池温度传感器

HV接线盒总成

电池组：储存并提供电量。

维修塞：使用紧凑的维修塞。

HV电池冷却鼓风机：对电池组进行冷却。

HV 接线盒总成：3个系统主继电器根据 HV ECU 的信号，接通或断开高压电路。

HV 电池冷却系统

在重复的充放电过程中，HV电池会产生热量，为了保证HV电池良好的工作性能，专门为HV电池提供了一套冷却系统。

冷却过程

空气从后排座椅的进气口经过进气通道进入HV电池冷却鼓风机，鼓风机将空气泵进电池组，将电池组的热量带走。

HV蓄电池进气口滤清器

图9 HV蓄电池进气口结构

进气口设置了滤清器。

如果多媒体信息显示屏中有警告信息显示的话，请检查No.1 HV蓄电池进气口滤清器。

三、功率控制单元

功率控制单元根据驾驶情况作出调整，而不需要人为干预，电脑事实监控引擎和发电机辅以混合动力电池组和发电机等零部件来产生动力并通过电脑精确的控制这些零部件实现能量的最高利用。

功率控制单元对某一车速，功率控制单元会求出外齿圈的转速有多快。根据雷凌的动力需求，车载计算机就会计算出需要内燃机达到什么转速。接下来，它再解算一个简单的公式，求出1号电机应该旋转多快。然后，它就调节取自1号电机的电力（调节1号电机的励磁电流），使内燃机加速或减速。上面这些动作都不会改变这样一个事实，即内燃机72%的扭矩是用来推动车轮的。就算车轮没有转动，扭矩依然施加在车轮上。因为内燃机能够用这样的方法把雷凌由静止状态动起来，我们就不需要了离合器或者液力变矩器，之后也就放弃了既容易磨损、又十分笨重的传动装置。因为动力是扭矩和转速结合的产物（功率=扭矩×转速），所以通过机械和电气回路的动力各自有多少，取决于1号电机和外齿圈的相应转速。由于内燃机和车轮之间的齿比不能改变，在低车速时，我们无法提高内燃机的扭矩来实现急加速。如果内燃机转速为2000转分，雷凌缓慢前行，这时来自内燃机的大部分动力都会传给1号电机。尽管1号电机只获得了28%的扭矩，但它却获得了所有的动力！（太阳轮带动1号电机转得飞快！）在起步加速过

程中，只有大约五分之一的内燃机扭矩直接来自机械回路（驱动轮上获得的扭矩大约只有1/5来自机械回路，另外4/5是由电机补充的）。随着车速的进一步提高，1号电机需要越来越多的动力来维持其扭矩，很快就会达到它的动力操控极限，意思是随着车速（齿圈转速）的增加，连接太阳轮的1号电机的转速下降，因而1号发电机直接输出给2号电动机功率下降了。而雷凌还有强大的2号电机，它可以使雷凌保持合理的加速度。

四、雷凌混合动力能量回收系统

图10混合动力系统在各个阶段的能量流动

（一）混合动力系统在各个阶段的工作方式

1.在起步阶段，引擎的输出功率为0，汽车的动力来源混合动力驱动电池去带动发电机。

2.在加速阶段，引擎提供大部分动力，而驱动电池带动发电机辅助提供动力。

3.在巡航阶段，引擎在为车辆提供动力的同时，带动发电机为驱动电池充电。

4.在减速停车阶段，引擎停止工作，发电机通过与制动系统协调制动的同时为驱动电池充电。

（二）高效制动系统

和普通汽车不同雷凌有两套制动系统，除传统液压制动系统外，还有一套能量回收系统即通过电机阻尼来制动。为了更好的说明混合制动系统的制动原理，可以想象一下这样的场景：一个人通过用脚摩擦地面来让雪橇停下来，摩擦制动就是用同样的方式制动车辆。对于能量回收系统可以想象一下雪橇在上坡时不断减速的场景，能量回收制动就想上坡时遇到的阻力，上坡时势能被储存起来用于下坡，当然也能用于车辆行驶，例如可以用于平稳加速。

图11制动控制系统运作流程

图12制动联合控制

混合动力汽车采用ECU电子控制系统，ECU根据车主踩下制动踏板的压力和踏板所产生的行程制动力大小计算。而实际的制动力则由再生制动和液压制动两部分组成。

制动控制系统运作流程

当驾驶员踩下制动踏板时，制动踏板行程传感器和制动总泵压力传感器开始向制动防滑控制ECU传递信号，防滑控制ECU通过所接收信号计算总的制动力。再根据总的制动力去计算所需的再生制动力，然后制动防滑ECU会向HV ECU请求产生其所需的再生制动力’防滑控制ECU控制制动执行器电磁阀产生液压制动力，最后再生制动力和液压制动力传递给带有电子制动力分配系统的ABS作用于车轮。从而回收车辆所产生的热能。

四、故障案例分析

一辆丰田雷凌HV轿车已行驶的里程6.2万km。

客户反映：该车辆行驶过程中仪表上的发动机故障灯、防滑灯、制动系统故障灯都点亮，仪表中间的显示器内容为“检查混合动力系统”，该车的空调不制冷（如图1所示）。该车停在路边关闭钥匙之后，重新启动发动机，仪表上的“READY”灯熄灭，车辆处无法启动。

故障诊断：用CTS对混合动力系统进行读码为：① P0A0D高电压系统连锁电路高；② U029A：与混合动力电池组传感器模块失去通信，如图2所示。

根据故障码查找维修手册，无U029A故障码的维修说明，所以只有去检测另一个POAOD故障码，根据所查电路图进行分析（如图3所示）发生这个故障的原因有：①逆变器上盖；②逆变器总成；③动力管理控制ECU；④维修塞把手；⑤线束接触不良。

检查逆变器上盖的发电机、电机、空调高压电缆的安装状况，安装正常，判断逆变器上盖良好。

（2）断开逆变器总成连接器A14，用万用表测量A14的ILKI（16脚）与车身接地，打开点火开关有12.46V参考电压，认为动力管理控制ECU正常。电阻档测量A14的ILKI（16脚）与A14的ILK O（5脚），电阻在标准10Ω之下，说明逆变器里面不存在断路情况，逆变器良好。

（3）断开逆变器总成连接器A14，用万用表测量A14的ILKI（16脚）与车身接地，打开点火开关有12.46V参考电压，认为动力管理控制ECU正常。

（4）用万用表电阻挡测量A14的ILKI（16脚）与A14的ILKO（5脚），电阻在标准10Ω以下，说明逆变器里面不存在断路情况，逆变器良好。继续测量维修塞把手的互锁连接器阻值为0.2Ω，维修塞把手互锁连接器正常。

（5）插上维修塞把手测A14的ILKO （5脚）与车身接地，阻值610Ω超出正常1Ω的标准，故障点基本锁定在线路上。

根据相关电路图的连接检查，在T1接地点处终于发现了故障点，该处接地没有使用原装螺栓且安装松动（如图4所示）。

在更换好了一个原装螺栓后，再次查阅电路图，考虑T1接地线松动对哪些用电设备有影响，偶然发现T1接地线同时并联着另一条N1的接地线（如图5所示），按这种设计理念就是防止在碰撞尾部时T1接地线松脱后，另一条N1接地线接地仍然继续维持其他电子设备工作，那为何目前T1接触不良后就导致其他设备工作瘫痪了呢？N1有没有存在这样的情况呢？想到这里，继续进行检查。按照维修手册拆卸左后内饰板，检查N1接地点情况，拆开后发现N1接地线束并没安装，而是挂在边上，之后拧开开固定螺栓，再次安装并拧紧（如图6所示）。

故障总结：其实该车的故障真正原因是：维修技师工作不认真和责任心差，在维修过程中偷工减料，对维修该车辆没有严格遵守维修流程拆卸和装配。

最后需要提醒的是，对于目前的混合动力车辆需多加培训维修流程和诊断思路，对于先进的混合动力涵盖了传统车型上根本不存在的高压电系统，如果用原来的维修思路及诊断方法检修混合动力系统，有可能会导致严重的伤害甚至死亡。

第四部分结论

丰田一直乐此不疲的开发节能环保的车辆，通过开发高效率阿特金森发动机提高用引擎的燃油经济性，用混合东传动桥完美的结合发动机和发电机协同工作实现车辆的加速性能，利用电动机和发电机的互相转换创造再生制动对能量实现高效利用。在混合动力领域走在了世界的前言，取得了傲人的成绩，卡罗拉双擎1.8L阿特金森循环发动机搭配E-CVT电子无极变速系统，与电动机协调工作。在日常生活尤其是城市道路行驶时最常见的时速20-50公里/小时下，加速达到3.1秒，而百公里油耗仅为4.2升

参考文献

1.广汽丰田，CAMRY HYBRID.2014-12. 广汽丰田汽车有限公司编译

2.赵航，混合动力电动技术. 机械工业出版社

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