丰田普锐斯电源系统研究

2023年11月23日发(作者：北京现代第十代索纳塔)

宁 波 技 师 学 院

汽车技术系毕业论文

毕 业 论 文

(2016级)

题 目: 丰田普锐斯电源系统研究

专 业: 汽车运用工程

班 级: 13汽车四

* *: ***

学 号: 49

****: **

宁波技师学院汽车技术系

2016年1月8 日

摘 要

普锐斯Prius于1997年10月底问世，是世界上最早实现批量生

产的混合动力汽车。在人们日益关注环保的今天，普锐斯Prius因革

命性地降低了车辆燃耗和尾气排放，其划时代之意义与先进性得到了

全世界的高度评价。

2005年12月15日正式我国上市的新款普锐斯Prius，是第二代

普锐斯Prius，它装备了新一代丰田混合动力系统THS II这是在上

一代丰田混合动力系统THS的基础上，以能够同时提高环保性能和动

力性能的“Hybrid Synergy Drive（混合动力同步驾驶）”为概念开

发的。THS II通过提升电源系统的电压使马达功率提高到原来的1.5

倍，并通过控制系统的改进解决了一系列的技术难题，从而使发动机

动力与马达动力的协同增效作用得到极大程度的发挥。

新款普锐斯Prius除了拥有新一代丰田混合动力系统THS II 特

有的“平滑而强劲的动力性能”和“世界顶级的环保性能”外，还拥

有前卫的造型、舒适的操控性能、以及电子排档、带湿度感应器的电

动变频自动空调等引人注目的卓越功能和先进装备。

关键词：发动机/电气系统/维修/构造/诊断/图解

Abstract

The Prius Prius appeared in late October 1997, is the first in the world to

realize batch production of hybrid cars. In today\'s people increasingly focus

on environmental protection, the Prius Prius due to revolutionary to reduce

the vehicle fuel consumption and exhaust emission, the significance of its

landmark and sophistication has been highly appreciated all over the world.

On December 15, 2005 officially listed on the new Prius Prius in China, is

the second generation of Prius, the Prius, it is equipped with a new generation

of TSH II the Toyota Hybrid power system is in the generation of the Toyota

Hybrid power system, on the basis of TSH, to improve environmental performance

and dynamic performance at the same time \"Hybrid Synergy Drive (Hybrid

synchronous driving)\" for the concept of development. TSH II through

ascension to electric power system voltage raised to 1.5 times, and through

the improvement of the control system to solve a series of technical problems,

so that the engine power and motor power of synergistic effect and get maximum

level of play.

Keywords: engine/electric system/maintenance /diagnosis/diagram

目 录

中文摘要…………………………………………………………….…………...…...I

Abstract………………………...………………………………………………...…..II

1.引言………………………………………………………...……………….............5

2.混合动力车的概述………………………………..................................................6

3.电动汽车对蓄电池的要求……………...……...……….........…………….............7

4.丰田普锐斯电源系统描述...……….........................................................................9

5.丰田普锐斯电源系统的常规维护……………………………………………......12

6.丰田普锐斯电源系统拆装注意事项......................................................................13

7.丰田普锐斯电源系统如何进行故障排除....…………………………...…...........16

(1) 电池组容量降低

（2）电池组充电异常

（3）电池组放电电压低

（4）电源系统局部高温

8.结论..........................................................................................................................22

9.致谢..........................................................................................................................23

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

1 引 言

电动汽车关键技术瓶颈突破的预期的增强以及能源危机、环境污染

的加剧，各国政府逐布加大政策支持力度，全力推进电动汽车产业化。

动力电池是新能源汽车的核心，是新能源汽车技术和成本上的最大

瓶颈，是新能源汽车产业链中最核心的一环。未来汽车厂商之间的竞争，

将主要是动力电池性能的竞争，先进的动力电池厂商，必将成为汽车厂

商争夺的焦点。电动汽车对动力蓄电池的要求包括安全性、能量密度、

功率密度、一致性、低成本等。车用动力电源系统的设计是集电子技术、

控制技术、材料科学、工艺过程控制、汽车技术和电源技术等为一体的

高新综合科学技术，是一个系统工程。通过多年的发展，国内在电池性

能方面与国外相差不大，但在整个车用动力电源系统性能方面和国外还

有比较大的差距。

1

混合动力车的概述

混合动力汽车（HEV）是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单

个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据车辆的实际行驶状态由

单个驱动系单独或共同提供。混合动力汽车的基本组成单元由牵引电机

（traction motor）及控制系统ECU、动力电池（power battery）及管

理系统ECU、燃油发动机及控制系统ECU等组成。任意设计的HEV是不

能达到上述要求的，必须要求设计HEV进行整体性能及参数匹配研究，

包括驱动部分的布置形式、各部件的参数选择、功率在燃油发动机和动

力电池之间的分配等。根据HEV零部件的种类、数量及联结工作方式，

可以将混合动力汽车分为三种基本类型：串联型混合动力汽车SHEV

（Series Hybrid Electric Vehicle）、并联型混合动力汽车PHEV

（Parallel Hybrid Electric Vehicle）、混联型混合动力汽车SPHEV

（Series-Parallel Hybrid Electric Vehicle）。CAN（ControllerArea

Network）总线是德国Bosch公司为解决现代汽车工业中众多的控制与测

试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。

2

混合动力汽车（HUV）对蓄电池的要求

为了确保电动车合理的行驶性能，对其能源系统应具有如下要求：

高比能量，以确保电动车达到合理的行驶里程；高比功率，确保加速和

爬坡性能；寿命长，免维护；成本低，自放电小；充电快，效率高，以

提高车辆的使用效率和接受制动回输功率的能力；尺寸小；安全性好；

更换简便。

从HEV的使用特点可以看出，电池是一个功率辅助系统，大部分放

电是以大电流进行的，能量消耗较小，所以设计时应着重注意功率性能

而不是能量参数。HEV循环几乎不要求电池完全充电或完全放电，所以

多只电池一起应用通常存在的问题（充电电压升高而导致泄气、电池之

间的不平衡、过放电等）较少。主要的问题是电池的失效、整体的可靠

性及电流分布，以及大电流长时间循环下的温度控制。最可能的失效是

随着循环的进行电流的充放电功率性能的降低。过充电/深放电在由许多

电池组成的电池组中几乎是不可避免的，随着电池使用时间的增加，可

能性更大。由于许多电池串联一起使用，所以对电池的一致性要求很高。

丰田公司的Prius电动车需要240只电池串联，以前若一只电池出现故

障，需要替换全部240只电池，后来进行了改进，设计了6单体电池组

件，可以简便地更换失效电池，充电能量转换效率要高。另一个很重要

的问题是电池管理方面的问题，包括水平的判断，其精确的判

断不仅确定HEV可以使用的时间，也决定其工作状况的好坏。其他如安

全性能、热管理性能等也是很必要的。

3

各种混合动力对电源系统的总体要求如下。

（1） 串联式混合电动汽车完全由电机驱动，内燃机-发动机总成与电池

组一起提供电机所需要的电能，电池SOC处于较高水平，对电

池系统功率的要求与纯电动汽车相似，但容量要低。

（2） 并联式混合电动车内燃机和电机都可以直接对车轮提供驱动力，

整车的驾驶要求可以由不同的动力组合结构来满足。电池的容

量可以更小，但是电池组瞬时提供的功率要满足汽车加速或爬

坡要求，电池最大放电电流有时可能达到20C以上。

（3） 电池的峰值功率要求大，能短时间大功率放电。

（4） 较高的瞬间回馈功率。

（5） 循环寿命要长。

（6） 较高的能量密度。

（7） 需配备电池管理系统和热管理系统。

（8） 电池的SOC应保持在30%~80%。

4

丰田普锐斯电源系统描述

蓄电池 智能单元可以将判定充电或放电值（由动力管理控制ECU计

算）所需的HV蓄电池状态信号（电压、电流和温度）转换为数字信号，

并通过串行通信将其传输至动力管理控制ECU。

蓄电池智能单元采用泄漏检测电路来检测HV蓄电池的任何泄漏情

况。此外，蓄电池智能单元检测动力管理控制ECU所需的冷却风扇的电

压，以实现冷却风扇控制。蓄电池智能单元还将这些信号转换为数字信

号并通过串行通信将其传输至动力管理控制ECU。

5

SMR(系统主继电器)控制：

1电源打开。电路连接SMR1和SMR3闭合；而后，SMR2闭合，然后SMR2

断开，由于这种这种方式可以控制流过电阻器的电流，保护电路中的触

电，避免其受到强电流造成的损害。

2电源关闭。电路断开时，先断开SMR2，然后在断开SMR3，然后，HVECU

确认各个继电器是否已经断开，这样HVECU可确定SMR2是否卡住。

6

丰田普锐斯电源系统的常规维护

维护内容

1检查动力电源系统的状态。

2检查管理系统的功能是否正常。

3对电池进行充放维护。

维护方法

1外观维护 对电源系统的外观做检查如有问题应及时排除。

2绝缘 断开电池组与整车的高压连接，用数字电压表测量各个电池包

的总正、总负端子对车体的电压，是否小于上限值。如果发现电压偏高，

应测量电池与车体是否绝缘。通过测量电池包总正、负对电池包外壳的

电压可以大致确定电池包内绝缘故障的电池模块。

如果绝缘性能检测正常，再进行充放维护。

3电池及管理系统

（1） 接通电池管理系统，采集并记录开路状况下电池组的总电压、各

个电池模块的电压以及各个电池模块的温度。

（2） 按厂家推荐的充放电制度对系统进行充放电测试。

（3） 在充放电过程中检查电池管理系统显示的电流、电压、温度和SOC

是否正确；车辆正常运行过程中，检查管理系统数据显示是否

正常；否则进行故障排除。

（4） 接通辅助电源，运行车辆直至冷却系统工作，观察冷却通道是否

通畅。

（5） 检查管理系统与各部分连接是否有松动。

8

4冷却系统 检测进出风通道是否顺畅，风机是否能正常工作。清楚防

尘网上的灰尘及杂物，或更换防尘网。

丰田普锐斯电源系统拆装注意事项

1. 检查混合动力控制系统的注意事项

(a) 检查高压系统或断开带转换器的逆变器总成低压连接器前，务必采

取安全措施，如果佩戴绝缘手套并拆下维修塞把手以防电击。拆下维修

塞把手后放到您自己口袋中，防止其他技师在您进行高压系统作业时将

其意外连接。

(b) 断开维修塞把手后，接触如何高压连接器或端子前，等待至少10分

钟。

提示：

使带转换器的逆变器总成内的高压电容器放电至少需等待10分钟。

（c）检查带转换器的逆变器总成内检查点的端子电压。

(d) 检查期间将电源的情况下按下电源开关将导致系统进入READY-on

状态。这非常危险，因为可能对检查区域施加高电压。

(e)接触高压系统的任何橙色线束前，将电源开关置于OFF位置、佩戴

绝缘手套并辅助蓄电池负极端子上断开电缆。

（f）执行任何电阻检查前，将电源开关置于OFF位置。

（g）断开或重新连接任何连接器前，将电源开关置于OFF位置。

9

(h)进行涉及高压线束的作业时，使用缠有乙烯绝缘带的工具或绝缘工

具。

（i）拆下高压连接器后，用绝缘胶带缠绕连接器以防止其接触异物。

2. 混合动力控制系统激活的注意事项

（a）警告灯点亮或断开并重新连接辅助蓄电池时，首次尝试将电源开

关置于ON（READV）位置可能不会启动系统（系统可能未进入READV-on

状态）。如果这样，则将电源开关置于OFF位置并再次尝试启动混合动

力系统。

拆卸丰田普锐斯电池及内部图片

10

丰田普锐斯电源系统如何进行故障排除

1. 电池组容量降低

(1) 现象 电动车使用过程中，出现续航里程短的现象，显

示电池容量不足。

(2) 原因分析 出现上述现象，可能有以下原因：

1单体电池电压不一致，容量差异性大，单体电池过早保护;

2电池组处于寿命后期，容量下降；

3电池组出现温度保护；

4外围电路存在高能耗负载；

5电池长期浅充、浅放，存在记忆效应；

6放电平台过低达不到要求而过早失效；

7电池组放电环境温度低；

8长期在超出电池组能力的情况下使用，衰减加快。

（3）故障原因确定 首先确定充电是否正常，每次充电的充

电量是否偏低，由于充电量偏低而导致放电量下降，需要从充

电方面去查找故障原因。其次，检查放电环境温度记录，温度

低放电容量会明显下降。再者，若电池经过了长期贮存，首先

应按照维护制度进行维护，在进行使用。在电池组的应用过程

中，通过BMS检查记录电池组的电压、电流、温度等情况，观

察放电末期是由于何种原因引起的放电终止，根据引起放电终

12

止的参数进行分析判断是何种原因。对于存在记忆效应的电池

组按照系统的使用说明书或维护手册，进行定期维护，以小电

流完全充放电循环2~3次，可以消除记忆效应，恢复电池组的

容量。某些情况下电路中增加了高耗能负载，会引起电池组放

电时间缩短。长期超过电池组正常应用能力的状况下使用，电

池组会衰减很快，表现为电池内阻增大，放电电压低。

（4）故障处理措施 故障处理与故障原因的确定是紧密联系

的过程。有些故障往往在查找故障原因的过程中就得到了修

复。而有些故障原因需要在维修过程中才能完全确定。对于电

源系统研究者来说，故障的处理并不是主要的，关键在于查找

故障原因，避免同类时间再次发生在是主要的。

一般单体电池出现故障，如内阻升高、漏液等，此时均已

严重影响到电池性能，建议更换电池但应作好记录。若大部分

电池内阻有明显升高，出现电池组容量降低的情况，没有回收

意义时，建议直接更换电池组。

2. 电池组充电异常

（1） 现象 电源系统充电过程中，显示充电电压高、充电时

间短，或者根本充不进点。

（2） 原因分析 电池组充电电压过高，有可能是以下几种原

因：

1电池或充电环境温度低；

13

2电池寿命后期，内阻增加;

3电池实际容量已下降，仍以原来的倍率进行充电，

相对充电倍率大；

4电池之间连接松动，连接内阻大；

5电池组荷电量已经很高；

6充电机故障，充电电流大；

7电池组长期存放，首次充电即以较大电流进行充电。

电池组充不进电的可能原因：

1电池内阻增加，或连接松动；

2电池组内部出现断路；

3电池组内部出现微短路状况。

（3） 故障原因确定与故障处理 故障的确定和处理流程与

上面的基本相同，首先应排查外部因素，如环境温度

和充电机，其次从电源系统方面查找问题，分BMS和

电池组，排除BMS问题，电池组在分为连接部件问题

和单体电池问题，排除连接部件问题，最终查单体电

池的原因。

若在正常温度下充电，电压仍偏高，可以通过阶跃充

电检查系统的直流内阻是否明显增大。同时通过BMS

检查单体电压数据，若有某些电池电压偏大，其他电

压正常，则可能是这些电池长期过充、过放，造成内

阻增大甚至断路，更换此部分电池，若电压均一性比

14

较好，检查单体电压之和与总电压数据比较是否相差

过大，若差别较大表明电池组内部线路连接松动，进

行维修。

3. 电池组放电电压低

（1） 现象 输出功率能力下降，正常电流放电电压平台明显

下降，荷电量低时不能启动。

（2） 原因分析

1电池内阻增大；

2内部发生微短路或有电池短路，串联数量减少；

3电池包内或环境温度低

4连接松动；

15

5荷电量低；

6长期贮存未有效活化；

7部分类型的电池长期浅充放存在记忆效应。

（3） 故障原因确定与处理措施 一般放电电压低于充电电

压高的原因是一致的，处理方式和处理措施一样。有

两个原因不同，一是电池内部发生微短路，或者电池

内部有电池短路，表现串联电池数量减少，一般微短

路的电池充电后搁置其电压会明显降低，或者充电时

其电压低，在充放电过程中进行监测便可查到这些电

池。二是若电源系统本身发生漏电现象，也会出现放

电低电压现象，此时检查电池组与车体的电压，找出

漏电点，进行排除。对于电池包内部出现的内短路现

象，大多是由于电池漏液等引起的，此时拆开电池包

进行检查，清理电池包内部，更换坏电池。

4．

电源系统局部高温

（1）现象 车辆行驶过程中，电源系统某部位温度高出5C以上，

并且多次表现为同一部位。

（2）原因分析

1冷却通道受阻或该位置的冷却风扇故障；

2局部连接片松动，连接电阻大；

3该部件电池内阻明显增大，产热大；

16

4设计缺陷，流场存在温度死角；

5外围局部环境影响。

（3）故障原因确定及处理措施 电池组局部高温，除了设计造

成的流场死角问题外，冷却系统如风扇损坏、进出风口由于灰

尘等堵塞是常见的因素，风机有故障需要更换，风道定期清理。

另外若电池组在应用过程中，外围设备影响电池包局部位置，

可能会引起电池内局部温度过高。局部高温另一个主要因素是

应用过程中局部产生了热源，热源主要是高电阻引起的，有两

个可能，一是电池本身内阻加大，充放电过程中产热高，另一

方面是连接片或接线端子松动，电阻升高。因此对于主电流回

路的线路连接，应定期进行检查，否则松动后很容易出现烧坏

接线柱，并且容易影响到电池性能。

5 结 论

经过了这些时间对电源系统课题的学习，让我更全面的了解到

了电源系统的各方面知识。从之前刚开始接处到该课题的一无所知，

通过不断查阅汽车混合动力电源的书籍与其他各种资料，

使我对丰

田普锐斯的电源系统有了新的认识。

结合了丰田普瑞斯混合动力汽车，

了解了丰田普锐斯电源系统的常规维护、拆装注意事项以及一些故

障的排除。

虽然电源系统的故障种类繁多，但是其故障对电源系统充电

不正常现象是大致相同的，都是为了让电源系统给电动机供电。

致 谢

在本次论文设计过程中，常亮老师对该论文从选题，构思到最后定

稿的各个环节给予细心指引与教导,使我得以最终完成毕业论文设计。在

学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益

求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们

的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。在此，我

向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！最后，我要向百忙之中抽时间

对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。

参考文献

[1]李相哲，丁干，石常青·混合电动车及蓄电池·电池工业，2003.

[2]王红梅，许顺余，吴兵，插电式混合动力汽车用动力蓄电池探析，2006.

[3]黄倩·锂离子电池热效应及安全性能研究·上海：复旦大学，2007.

[4]朱亚薇·锂离子电池过充安全性能研究·厦门；厦门大学2006.

[5]刘晓岩·现代汽车42V电源系统新技术·2009.

[6]李学成·ISA/ISG在42V汽车电源中的应用分析，2008.

[7]徐宏佳·电动汽车混合动力系统的技术分析·机电工程技术，2001.

[8]黎林，姜久春·电动汽车电池组绝缘检测方法的研究·电子测量技术，2009.

20