丰田第二代混合动力系统_THS_

2024年3月23日发(作者：红旗h9多少钱一台)

第

期

2005

年

月

内燃机

InternalCombustionEngines

No.3

Jun.2005

)

丰田第二代混合动力系统

(

THS

Ⅱ

张金柱

(

黑龙江工程学院汽车系

黑龙江哈尔滨

150050

)

摘要

丰田公司生产的

prius

轿车是世界上第一款大批量生产的混合动力汽车。介绍该车所用丰田第二代混合动

)

的结构、力系统

(

THS

Ⅱ原理和特点。

关键词

丰田

;

混合动力系统

;

结构

中图分类号

:TK411

　　　　文献标识码

　　　　文章编号

:1000-6494(2005)03-0006-04

)

SecondGenerationofToyotaHybridSystem

(

THS

Ⅱ

ZHANGJin-zhu

(

ongjiangEngineeringInstitute,Harbin150050,China

)

Abstract:PriuscarproducedbyToyotaisthef

perintroducesthestructure,theprincipleandfeaturesofTHS

Ⅱ

usedinthecarmentionedabove.

Keywords:Toyota;Hybridsystem;structure

　　丰田公司于

1997

年开始销售混合动力的

Prius,

它是世界第一款商业用途的大批量生产的混合动力

汽车。丰田混合动力车的动力中枢是混合动力系统

(

THS

—

ToyotaHybridSystem

)

它使汽油机和电力两

种动力系统通过串联与并联相结合的形式进行工

作

达到低排放的效果。在

2003

年

月的纽约国际

车展上

丰田推出了采用

THS

Ⅱ系统的新一代

Prius,

使混合动力汽车的发展又向前迈了很大一步。

THS

是一种串并联混合动力系统

它的动力分配装置把

动力分成两路

一路是汽油机的动力直接传到车轮

另一路

(

电路

)

是发动机将能量转变成电能

带动电

动机或给电池充电。

图

THS

Ⅱ系统结构

1.2

THS

Ⅱ系统工作过程

启动

低速到中速运转时

只要电池电量在合

THS

Ⅱ系统简介

1.1

　系统组成

THS

Ⅱ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

。

功率控制单元由高压电源电路、

AC-DC

逆变器组

成。电源电路将电动机和发动机的电压升至

500V

。

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。

　　基金项目

黑龙江省自然基金资助项目

(

E2004-04

)

作者简介

张金柱

(

1963-

)

男

副教授

工学硕士

研

究方向为汽车动力系统检测、开发与设计。

收稿日期

:2005-03-15

理范围内

汽车由电动机驱动

此时整车处于电动车

模式

不排废气。

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。

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

制造了不少驾驶

乐趣。

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。

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。

　　第

期

)

张金柱

丰田第二代混合动力系统

(

THS

Ⅱ?　

停车

发动机自动熄火。

THS

Ⅱ系统的主要部件

2.1

　发动机

丰田

prius

采用

1.5L

汽油发动机。工作循环为

Atkinson

循环

热效率高

膨胀比大。通过减小燃烧

室容积

提高膨胀比〔

(

膨胀行程容积

燃烧室容

(

图

)

膨胀压力充分降低后

才开积

)

Π燃烧室容积〕

始排气冲程

利用全部膨胀能量。

图

　高膨胀比原理图

在传统发动机中

压缩冲程容积和膨胀冲程容

积几乎是一样的

压缩比〔

(

压缩冲程容积

燃烧室

容积

)

燃烧室容积〕和膨胀比基本上相同。因此若

要扩大膨胀比

也要增大压缩比

这就不可避免会产

生敲缸

限制膨胀比增大。

Atkinson

循环采用延长进

气门关闭的时刻

在压缩冲程的起始阶段

(

当活塞开

始上行时

)

部分进入气缸的空气回流到进气岐管

有效地延迟了压缩起始点

故膨胀比增大

而实际的

压缩比没有增大。由于这种方法能增大节气门开

度

在部分负荷时可减小进气管负压

从而减小进气

损失。

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

4500r

min

提高到

5000r

min,

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

提高加速时的驱动力

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

274V

增大到

THS

Ⅱ的

500V,

电源供给电机的电流减小

减少了热

损耗。

2.2.1

　电机

电机采用交流永磁电机

采用钕磁铁

(

永久磁

铁

)

转子。通过优化永磁铁排列形式

提高驱动热和

增长输出

;

高电压

(

500V

)

使电机的输出功率比

THS

系统的提高

1.5

倍

即从

33kW

到

50kW,

见图

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的

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

6500r

min

(

传统型

)

提高到

10000r

min,

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

图

　电机性能曲线

?内燃机

2005

年

月

转换器。在

THS

Ⅱ系统中

增加一个将电源电压提

高到

500V

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

高效

率的性能。

2.3.3

　混合动力电池

在

THS

Ⅱ系统中

强化的镍金属氢化物电池更

加紧凑

且具有高性能。使用全新的电荷连接结构

从而降低电池内阻。新电池输入

输出密度比

THS

的电池高

35%,

达到世界上最大的输出密度

(

单位质

量的输出

)

。

2.3.4

　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

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。通过减小传

动系统内部摩擦损失

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

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

见图

。

2.5

THS-

Ⅱ的控制系统

THS-

Ⅱ的控制系统调节整车的能量分配

使整

图

　动力分配装置

车的工作效率最优。这包括使汽车行驶的能量、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信息。比如

节气门开放

换档位置等。换句话说

,THS

Ⅱ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

见

图

。

图

THS

Ⅱ控制系统原理图

2.5.1

THS

Ⅱ系统的启动和停止

THS

Ⅱ采用线控技术。驾驶员的加减速、制动和

转向等指令被转变成电信号

(

通过电线

)

提供给汽

车电控装置

电控装置对汽车进行整体控制。在线

　　第

期

)

张金柱

丰田第二代混合动力系统

(

THS

Ⅱ?　

控装置中

系统的可靠性是要最优先考虑的

当智能

钥匙发出驾驶员已进入车内的信号时

系统电源自

动接合。首先

,THS

Ⅱ系统监测系统计算机功能是否

正常

并且在按下点火钮前进行操作检查

按下点火

钮时

系统检查各种传感器、发动机、电动机、发电机

和电池功能是否正常

然后是高电压部件

如电动

机、发电机和电池的开关接通

做好车辆行驶的准

备

这就是启动准备程序

在驾驶员离开汽车前再次

按下点火钮时

高电压系统的部件断电

在确认这样

的系统关闭后

混合动力系统计算机也关闭。

2.5.2

　发动机功率控制

发动机功率控制是

THS

Ⅱ控制系统的基础

其

作用是使整车能量消耗最小

根据汽车的运行状态

驾驶员踩动油门踏板的位置和电池计算机的状态信

号

能量管理系统将决定是否停止发动机的转动

只

用电动机驱动汽车或启动发动机

或用发动机动力

驱动汽车。

第一次启动汽车时

如果电池有充足电

则电动

机启动车辆。若需用发动机驱动汽车

发动机首先

由发电机启动

同时

,THS

Ⅱ系统计算整车所需能量。

然后

分析行驶条件发挥出生产这些能量的高效率

并把转速信号送至发动机。发电机将发动机转速控

制到指定范围

见图

。发动机所发出的动力影响汽

车驱动力、电动机驱动力、辅助设施需要的动力、给

电池充电需要的动力等。为使发动机功率控制最优

化

,THS

Ⅱ采用先进的整车能量管理系统

提高了燃

油效率。

机转速

,THS

Ⅱ系统可在车速较低的情况下

充分利

用发动机的最大功率。另外

由于采用高电压、大功

率输出的电动机

成功地提高了动力性能

增大了最

大驱动力。由于没有变速器

直接采用了发动机驱

动力和电动机驱动力的组合

这样使驱动力全方位

地响应驾驶员的要求

从低速到高速

从低功率的巡

航行驶到满负荷加速。

此外

在加速时

从只有电动机驱动到发动机启

动的时间减少了

40%,

大大改善了加速响应

为消除

发动机启动造成的冲击

发电机精确地控制曲轴的

停止位置。为保证在受到大负荷时

汽车的驱动力

不受影响

如打开空调时

进行精确的驱动力调整控

制

以达到平稳连续行驶性能。

2.5.4

　再生制动控制

在

THS

系统中

电子控制制动系统

(

ECB

)

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

提高汽车整体效率及燃油经

济性。

2.5.5

THS

按需提供转矩控制

按需提供转矩可确保根据驾驶员的意愿在各种

行驶条件下提供所需驱动力。

电动机牵引力控制

在

THS

系统中

发电机、

电动机和车轮通过动力分配装置连接在一起。发动

机的大部分动力由发电机转变成电能

;

功率大、响应

快的电动机驱动汽车。汽车的驱动力突然发生变化

时

如车轮在冰面上打滑或车轮在制动时抱死时

有

一个类似于传统牵引力控制的保护装置来防止电压

波动和行星齿轮转速的增加

在

THS

Ⅱ中

进一步改

进了保护装置

并利用高输出、快响应的电动机制造

了世界上第一台电动机牵引力控制装置

其目的是

当检测到车轮在冰雪路面上打滑时

控制汽车的牵

引力

并告诉驾驶员路面的状况。车辆安全运行的

基本要求是轮胎和路面之间有可靠的牵引力

电动

机牵引控制装置可使汽车保持这种状态。

爬坡辅助控制

该功能可在坡道起步时防止

汽车向下溜滑。电动机上装有高灵敏度转速传感

器

能够传感道路的坡度和汽车的溜滑

通过增大电

机的转矩确保汽车不向下溜滑。这也是

THS

Ⅱ的大

功率电机所带来的独特效果。

图

　发动机运转范围

THS

Ⅱ效果

3.1

　增大输出

THS

Ⅱ的电机电压增大到

500V,

使电动机输出

2.5.3

　行驶控制

THS

Ⅱ系统的汽车驱动力是由直接的发动机驱

动力和电动机的驱动力组合在一起的。车速越慢

由电动机发出的最大驱动力越大。由于提高了发电

功率增大

1.5

倍

从

35kW

增到

50kW

。与此相匹配

(

下转第

页

)

?内燃机

2005

年

月

图

　以

ERP

为中心的生产管理控制系统

(

上接第

页

)

发电机最大转速从

6500r/min

提高到

10000r/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

系统的动力输出

提高了加速性能。

由于中低车速范围输出功率增大

起步加速性

和超车加速性明显改善

性能水平已超过

2.0L

汽油

机

由于采用大功率输出电动机

提高了响应能力和

(

上接第

页

)

平稳加速性。

3.2

　整体效率

THS

Ⅱ高效率来自于改进混合能量管理系统和

协调再生制动控制

两者的改善提高了整车的能量

效率。

3.3

　排放性能

根据丰田室内测试

采用

THS

Ⅱ的汽车排放水

平

满足日本超低排放水平

加利福尼亚的零排放法

规

(

ATPZEV

)

和欧Ⅳ排放法规。

车辆经跑合试验后

即进行满载试验

在载货量为

10t

时进行各种路况的道路运输试验

至今已行驶

4.2

万

km,

柴油机工作可靠。试验结果表明

该柴油机

实际使用平均燃油耗仅为

13.3L

100km,

具有良好

的经济性和可靠性

目前试验仍在继续。该产品已

小批量投放市场

受到主机厂及用户的好评。

机型的开发是成功的

具有燃油耗省、可靠性好、配

套适应性强、排放性能好等特点。除了与低速载货

汽车、工程机械配套外

该机型还与中马力拖拉机配

套

并已小批量投放市场。

〔参考文献〕

〔

〕　朱仙鼎

中国内燃机工程师手册〔

〕

上海

上海科技出

版社

,2000.

　结论

从样机性能试验及配套使用试验结果表明

该

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