丰田卡罗拉双擎混合动力系统结构原理和故障案例分析(1)

2023年12月23日发(作者：一汽大众揽胜多少钱)

职教与培训VE&T丰田卡罗拉双擎混合动力系统结构原理和故障案例分析（1）文：赵宝平、刘静、武文娟在能源危机和环保要求的压力下，社会对汽车燃料和排放的要求越来越高，很多国家都在大力发展纯电动汽车，但是纯电动汽车技术目前还不成熟。而

编者按：混合动力汽车既能减少能源的消耗，又可以达到更高的排放标准，所以很多车企也在研究混合动力技术。目前丰田的混动技术得到了汽车界的认可，本文介绍卡罗拉混合动力车型的混动技术。关键词： 丰田卡罗拉、双擎、混合动力、结构原理

一、混合动力概述内燃机从发明到成熟使用已经100多年了，它给人们带来许多便利，但是随之而来也有许多问题。环境的污染，石油的消耗，温室气体的排放，一个个问题接踵而来，即便政府对汽车排放进行了严格要求，但是环境污染问题依然严峻。CO2的排放，不是仅靠着限牌限号能够解决的，还有石油的消耗，世界石油储量预计还有100年就会被开采完。那么没有汽油，那些车辆又将如何工作呢？所以电动车就出现了，但是纯电动车又给人们带来了几大难题：无法长时间续航、大容量电池体积太大及充电时间过长等。于是，混合动力车就成了目前解决问题的最好办法。混合动力汽车是通过普通发动机与电动机同时运行来驱动汽车的，即热动力源（传统发动机）与电动力源（电池与电动机）的汽车，把电机安装到汽车上，使汽车可以在不同工况下选择不同的动力模式，发动机处于综合性能最好的工况下工作，从而降低油耗与减少汽车尾气排放。相比纯电动汽车，混合动力汽车有APU（Auxiliary Power Unit）作为辅助动力，APU是串联混合动力汽车的控制核心技术，可以减少电池的数量和重量，续航能力和动力性能可以和传统内燃机汽车差不多。利用APU可以给空调、助力系统等提供电能。相比内燃机，电机排量通常很小，并且在最佳工况点工作，所以排放低且节能，在市区等红灯时可以关闭APU，实现零排放。电动驱动系统还可以充当发电机，回收制动和下坡时产生的能量，进一步实现节能减排。20世纪90年代以来，大多数汽车公司都开始研究和开发混合动力汽车，无论是高端跑车品牌法拉利还是国产民族品牌比亚迪，都加入到混合动力汽车的研究队伍中。车型包括进口宝马X1、迈凯伦P1、进口奥迪A6、丰田卡罗拉、本田雅阁、雷克萨斯ES及荣威eRX5等。由于中国经济的快速发展，汽车数量急剧增加，2016年中国石油消耗总量达到5.56亿吨，全国汽车销量达到2 802.8万辆，位居世界第一，汽车保有量达到1.94亿辆。这么大数量的汽车所带来的污染量也是巨大的。我国的新能源汽车发展目标是，到2020年新能源汽车累计产销量达到500万辆。混合动力发展前景潜力无穷。首先，从消费者的角度来说，汽车不需要外部充电，发电机和电动机可以互补，不用担心没油或没电。其次，对于环境保护和能源利用来说，混合动力汽车减少了污染物的排放量。与传统汽车相比，因为发动机总是处在最佳工况，油耗非常低。它既有发动机动力性好、反应快和工作时间长的优点，又有电动机无污染和低噪声的好处。混合动力有3种类型，分别为：串联式、并联式和混联式。1.串联式混合动力汽车发电机靠发动机驱动发电，汽车只利用电动机驱动行驶，驱动系统只有电动机。发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在最佳工作区稳定运行。发动机动力转化为电能才能为车辆所用，但是转化中会有部分热量损失，所以燃油能量的利用率比较低，适合于市内低速运行，结构如图1所示。串联式的优点是结构简单，发动机不受工况影响，能在高效、低排放的情况下工作，三大动力总成之间没有机械联系，可以独自工作。缺点是因为需要大动力的发电机，所以发电机尺034AUTO DRIVING & SERVICE 2019 . 10

图1 串联式混合动力汽车结构图2 并联式混合动力结构寸大，能量转换时的能量损耗较高，示。并联式的优点是只有2个动力总转换率低，需要大容量电池。成，体积质量比串联式小，能量转换2.并联式混合动力汽车率比串联式高，发动机在高效、低排主动力是发动机，辅助动力是电状态下工作。缺点是有害气体排放多动机，发动机和电动机共同驱动车辆，于串联式，结构复杂，布置和控制困难。或各自单独驱动车辆。通过机械传动3.混联式混合动力汽车机构发动机可以直接驱动车辆，燃油低速时只有电动机工作；速度提利用率较高，发动机受到车辆行驶工高时发动机和电动机相配合驱动，是况影响，需要安装变速装置和动力复串联方式工作；稳定高速时是并联式合装置，结构较为复杂，适合在高速方式工作。动力复合装置复杂，一般公路等稳定路况行驶，结构如图2所基本框架是行星齿轮机构。结构如图图3 混联式混合动力结构035AUTO DRIVING & SERVICE 2019 . 10职教与培训VE&T3所示。混联式优点是3个动力总成功率都比较高，所以质量体积比串联式和并联式都小；有多种驱动模式，可以选择最佳节能驱动模式；驱动电动机可以给发动机提供辅助动力，所以发动机可以选择功率较小、燃油经济性高的。缺点是发动机工况受到串联式行驶工况影响，有害气体排放比串联式高，因为有两套驱动系统，所以结构非常复杂，布置也很困难，还需配备一个多能源动力控制总成，成本高。二、丰田卡罗拉双擎混合动力系统结构组成丰田卡罗拉混合动力系统主要由混合动力传动桥总成、高压蓄电池组电池）、发动机总成、2台电动发电一体机（MG1、MG2）、带转换器的变频器总成以及辅助电池等组成。各部分组成元件在车上的位置布置如图4所示，整个系统的动力连接关系如图5所示。 1.发动机总成 丰田卡罗拉混动采用的发动机型号是1NZ-FXE，外观如图6所示，相比正常版的发动机，具有低油耗、高输出的特性，最高转速提升到5 000 r/min，提高了其输出功率。这图4 车辆上元件分布图（HV

职教与培训VE&T止信号时，发动机ECU控制其停止工作。当系统出现故障时，发动机ECU通过HV ECU的要求打开检查发动机警告灯，控制原理如图7所示。注：本文主要阐述混合动力电动部分，所以不对发动机作具体介绍。2.传动桥总成传动桥总成由组合齿轮单元（电机减速行星齿轮、动力分配行星齿轮）、MG1、MG2、油泵、主减速器以及差速器等组成（图8）。（1）组合齿轮单元图5 混合动力连接图组合齿轮单元（图9、图10）由电机图7 发动机ECU控制图6 发动机外观款发动机采用阿特金森循环，进气门的关闭时间被延迟，因而延迟了实际压缩行程的开始，压缩行程小于膨胀行程，所以热效率更高。

HV ECU向发动机ECU发送信号（发动机目标转速和发动机目标动力），发动机ECU根据HV ECU的要求控制发动机节气门、燃油喷射量、点火正时和喷油正时，实现发动机的起动和正常运转。当HV ECU发出停图8 传动桥总成036AUTO DRIVING & SERVICE 2019 . 10

图9 组合齿轮单元图10 组合齿轮单元结构图11 行星齿轮位置图12 行星齿轮结构减速行星齿轮、动力分配行星齿轮组成。小齿轮、太阳齿轮及行星支架组成（图动力分配行星齿轮（图11）由齿环、12）。动力分配行星齿轮能高效分配动力，037AUTO DRIVING & SERVICE 2019 . 10职教与培训VE&T图13 传动桥减震器图14 机械油泵切断和分配来自不同动力输出的速度、旋转方向和扭矩。例如，把发动机的动力分为2个路径，其中一路分配给车轮来驱动车辆，而另一路则分配给MG1发电。行星支架的旋转轴连接着发动机，通过小齿轮带动外围的齿环和内侧的太阳齿轮，小齿轮旋转轴直接和电动机连接，将驱动力传给车轮，太阳齿轮旋转轴直接连接发动机，把发动机的动力转换为电能。（2）传动桥减振器

传动桥减振器（图13）主要作用是当传输较大动能时能减轻震动。（3）油泵油泵有2种类型，一种是机械油泵，一种是电子油泵。卡罗拉用的是机械油泵（图14），发动机通过主轴驱动油泵来润滑齿轮。（待续）