丰田普锐斯介绍

2023年11月24日发(作者：宝马x1内饰改装)

丰?普锐斯介绍

丰?PRIUS?动传动系统分析

摘要：混合动?汽车传动系统的建模是混合动?汽车传动系统能量控制策略开发、仿真和优化的基础。对?分析了三代丰?

PRIUS混合动?传动系统的结构和基本?作原理，建?了传动系统发动机、动?分离装置和电动/发电机等各?系统模型，基

于统?的动?传动系统结构建?了丰?PRIUS混合动?传动系统的运动学、动?学和能量守恒模型。

关键词：混合动?汽车；建模；传动系统；?星齿轮

Abstract: It is basic and essential work to establish the system model for the development, simulation and optimization of

powertrain and energy management of the hybrid electric vehicle. The powertrain architecture is analyzed for understanding

the basic principle and difference among hybrid powertrain system of the three generations of Toyota/PRIUS. The powertrain,

power split mechanism, motor/generator and traction battery model are constructed. Model of kinematics, dynamics and

conservation law of the

Toyota/PRIUS hybrid electric vehical powertrain system are constructed based on a uniform powerstrain architecture.

Keywords: Hybrid electric vehicle; Modeling; Powerstrain system; Planetary gear;

1. 汽车变速系统综述

汽车变速器是影响整车动?性、经济性和舒适性的重要汽车零部件总成，是汽车的核?零部件之?。?动变速器因其良好的舒

适性与经济性已逐步得到了消费者的喜爱，在我国装载?动变速器的乘?车?例在不断增多。??动变速器也有多种形

式，AT、AMT、CVT等都是?较常见的?动变速器形式。我国从“九五”阶段开始将汽车?动变速器作为汽车产业的重点突破?

向，??前，国内已有奇瑞、吉利、上汽等整车企业掌握了?动变速器的核?技术，开始进?产业化阶段。

主要汽车变速器简介：

AT?动变速箱是由液?变扭器、?星齿轮和液压操纵系统组成，通过液?传递和齿轮组合的?式来达到变速变矩。

AMT变速箱，是在通常的?动变速箱和离合器上配备?套电?控制的液压操纵系统，以达到?动切换档位的?的机构。AMT汽

车驾驶简单，驾驶者则只需要踩油门，由AMT系统会?动地选择换挡的最佳时机，从?消除了发动机、离合器和变速箱的错误

使?，避免换错挡。

CVT?级变速器是采?传动带和?作直径可变的主、从动轮相配合传递动?。可以使传动系与发动机?况实现最佳匹配。发动

机输出轴输出的动??先传递到CVT的主动轮，然后通过V型传动带传递到从动轮，最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动

汽车。

DCT双离合?动变速器有?个由两组离合器?集合?成的双离合器装置，由电?控制及液压装置同时控制两组离合器及齿轮组

的动作。与传统的?动变速器相?，DSG使?更?便，DCT的新技术的应?使得?动变速器具备?动性能，同时??改善了汽

车的燃油经济性，DCT??动变速器换挡更快速、顺畅，动?输出不间断。

从全球乘?车市场看，采?液??动变速器的乘?车占据相当?的?例，?乎所有乘?车型均提供?动变速器和?动变速器的

选装配置，?在?部分?档豪华车型上只提供?动变速器。在?些汽车发达国家?动变速器的乘?车已占主流地位。在世界不

同国家和地区，?动变速乘?车的市场占有率有很?差别。这和各国?然地理条件、道路状况、交通法规、?均收??平、?

户购买?理等有很?关系。

近年来，?动变速器（AT）在北美市场，AT和CVT（?级变速器）在?本市场，?动变速器在欧洲市场分别占据主导地位。

?年前开始出现双离合器变速器（DCT），这将在?定程度上改变现有的市场格局。?未来?年，全球的乘?车变速器市场的

竞争将在AT、CVT和DCT之间激烈展开。

?前，在国内AT是最受欢迎的，因其结构简单、?产?艺也不复杂，是?动变速器中技术最为成熟的?种，?且我国现有的?

动变速器?产线等能?都能够被有效的利?。但是A T?动变速器使?的液?变矩器会提?车辆10%左右的油耗。和当今节能

环保的发展趋势相背。所以，普遍认AT在?定时期内仍然是?动变速器的主流，但长期来看的话会被其他?动变速器所取代。

AMT变速箱在三类新型?动变速箱中，技术难度相对较低，但是存在换挡动?中断等影响驾驶舒适性的问题。DCT则是?前国

内最受关注也是?家最为看好的，DCT变速器能满?消费者对驾驶运动感和车辆节油的双重要求。相?较?前中国市

场上?泛使?的AT?动变速器，DSG可以降低油耗。与传统MT?动变速器相?，在整个换档期间能确保最少有?组齿轮在输

出动?，令动?没有出现间断的状况。

2. 丰?PRIUS?动传动系统简介与分析

PRIUS于1997年10?底问世，是世界上最早实现批量?产的混合动?汽车。在?们?益关注环保的今天，PRIUS因?命性地

降低了车辆燃耗和尾?排放，其划时代之意义与先进性得到了全世界的?度评价。PRIUS的核?是油电混合动?系统THSII。

经过30多年的努?，研究、开发出来的最先进的技术。它进化了混合能源管理控制系统，提?了燃油效率，再加上制动能源再

?系统的进步，与第?代PRIUS相?，实现了更?的燃油效率。另外，空?动?性能的提?，世界上都前所未有的电动变频空

调，车?及驱动部分的轻量化也为提?燃油效率做出了贡献。

丰?PRIUS所搭载的油电混合动?系统THS(Toyota Hybrid System)采?了由动?分离装置将并联式混合系统和串联式混合动

?系统组合在?起的混联式结构，具有较好的燃油效率和?驶性能。该系统由发动机、蓄电池、发动机、电动机、动?分离装

置、动?控制单元组成。动?分离装置采??星齿轮机构，可以将发动机的动?分成两部分，?部分?来直接驱动车轮，另?

部分?来发电，给电动机供应电?和给蓄电池充电。

图1PRIUS传动系统原理图和实物图

第?代和第?代PRIUS的传动系统采?的是四轴结构。发动机、扭转减振器、动?分离装置、电动/发电机MG1和MG2布置在

第1轴上，第1和2轴通过传动链连接，第2、3轴之间为中间齿轮，第3、第4轴之间为主减速器齿轮。动?分离装置采?了?星

齿轮机构，发动机与?星架相连，电动/发电机MG1和太阳轮相连，电动/发电机MG2与齿圈相连。动?分离装置按照?定的控

制策略将发动机的动?分配给MG1和MG2，MG2通过传动链、中间齿轮和主减速器齿轮减速之后驱动车轮。第三代PRIUS的

传动系统采?了三轴结构。

图2第?代和第?代PRIUS的传动系统图3第三代PRIUS的传动系统

该传动系统通过动?分离装置将发动机，电机MG1和MG2连接起来，动?分离装置是?个?星轮系。发动机，电机的功率和?

矩在?星轮系?得到合成，共同通过传动系传递到车轮。

3. ?星齿轮机构的转速关系

?星齿轮机构作为动?分离装置，是混联混合动?汽车传动系统的重要部件。它包括3个元件：太阳轮、?星架和齿圈，如图4

所?。设太阳轮。齿圈和?星架的?速度分别为ωs 、ωr 和ωc ，?星轮?转?速度为ωp 。太阳轮的齿数为Z s ，齿圈的齿数

为Z r ，?星轮的齿数为Z p 。齿圈与太阳轮的齿数?为α。单排?星齿轮的特性?程为：

ωs +αωr = 1+α ωc 或 Z s ωs +Z r ωr =(Z s +Z r )ωc （1）

式1所描述的动?分离装置的运动学模型，可?杠杆图表?，如图5所?。杠杆图中，?箭头的长度表?元件旋转?速度的?

?，箭头的?向代表元件旋转?向。满?式所?运动学关系的动?分离装置的3个元件，其在杠杆图中的箭头顶端?处于同?

直线上。

当ωc ≠0时，式可表?为

α1+α ωr ωc + 11+∝ ω

s ωc =1 （2） 式2可表?为以ωr ωc 为X 轴，

以ωs ωc 为Y 轴的直?坐标系中

的?条直线，该直线描述了动?

分离装置的传动?特性。

4.

设F x

图7PRIUS传动系统框图

丰?PRIUS动?传动系统有两个电动/发电机MG1和MG2。电动/发电机MG1的作?有3个：?个作为动?分离装置的控制元

件，MG1与太阳轮相连，动?控制单元按照?定的控制策略改变转速和转矩，从?实现?极变速的功能；?是作为发电机将发

动机冗余能量转化为电能，给蓄电池充电或给MG2供电；三是作为发动机的起动机。电动/发电机MG2的作?有两个：?是提

供辅助动?，以保证在任何?况下发动机始终在?效区域内?作；?是当汽车制动、下坡或驾驶员放松油门踏板时，发动机关

闭，MG2作为发电机，在汽车的惯性下，车轮带动MG2发电，将制动能转化为电能存储在蓄电池中。动?分离装置将两个电机

的功率合成。

图7为整合后的丰?PRIUS传动系统框图，描述?来系统内机械功率流（实线）和电功率流（虚线）的流动路径。对于第?代/

第?代PRIUS传动系统，由于电动/发电机MG2没有减速齿轮机构，其减速?i1为1。从动?分离装置的齿圈到驱动桥半轴所包

含的所有减速机构，在这?被整合为?个减速?为i2的减速原件。在发动机、MG1和MG2均驱动车轮，为汽车提供动?，下?

??矩关系分析传动系统的?矩关系，并列出系统的?矩矩阵?程。

轴1的转矩和转速为

T1=(T MG2?ωMG2J MG2)i1

（3）

ω1=ωMG2

i1

轴2的转矩和转速为

T2=T w

i1

（4）

ω2=ωw i1

车轮与轮胎转速的关系为

v=ωw R w（5）设发动机提供的扭矩T e=T c，转速ωe=ωc。发动机和?星架等与其相连部件的总的转动惯量为J c。齿圈的转

动惯量为J r。忽略?星轮的质量和转动惯量，则?星轮始终处于平衡状态。

对于太阳轮元件有

ωMG1J s=T MG1?T s（6）对?星架元件有

ωr J r=T1+T r?T2（7）对于?星轮，根据?矩平衡，有

T s:T r:T c=1:α:1+α（8）对?星机构进?功率分析，输出为太阳轮和齿圈，输?为?星架，有

P s=T sωs

P c=T cωc

（9）

P c=P s+P r

可以验证，当转速关系满?式2，??矩关系满?式8时，功率关系9?然成?。

5. PRIUS的?作过程和控制策略

将车辆的?驶过程分为5个阶段：引擎启动、车辆起步、加速、减速和倒车?驶。

引擎刚启动时，MG1?作，以发动引擎。电流流?MG2，防?齿圈转动，此时的转速杠杆图如图8所?。在MG1启动后，引擎

驱动电机MG1发电，给HV电池充电。

图8引擎启动转速杠杆图图9车辆轻负荷起步转速杠杆图车辆在轻负荷下起步加速时，仅使?电机MG2。此时，车速很低，不适

合发动机?作，电机MG2提供的功率也满??作性能要求。当需要提供额外的动?时，如图10，电机MG1?作以启动引擎。

引擎启动后，引擎驱动电机MG1，MG1处于发电状态，为MG2供电。

图10 车辆重起步转速杠杆图图11 车辆低负荷加速杠杆图

车辆在加速的时候，需要提供多的动?，发动机和电机MG2都会?作，为车辆提供能量。如图11所?，此时的车辆低负荷加

速，发动机节?门开度?，发动机输出的功率较?。车辆重负荷加速时，发动机节?门全开，发动机输出的功率较?，如图12

所?。加速期间MG2增加驱动?以补偿引擎，MG1提供电?给MG2。

图12 车辆重负荷加速杠杆图图13 车辆D档减速的杠杆图

车辆在D档减速的时候，如图13所?，发动机熄?，系统不再给MG1和MG2供电。车轮驱动MG2给电池充电。车辆在B档是，

车辆依靠发动机来减速，?般在很长的下坡中常?，如图14所?。由MG2产?的电?被供应到MG1，?MG1驱动引擎。此

時，引擎燃油切断。MG1的牵引??来当作引擎刹车。

图14 车辆B档减速的杠杆图图15 车辆倒档时的杠杆图

车辆在倒档（R档）?作的时候，只有电机MG2反转，汽车向后?驶。

6. 结束语

在混合动?电动汽车动?系统中，按照动?系统的控制策略由多能源管理系统通过机械传动装置将两种或多种不同形式的能源

耦合在?起，在不同?况条件下组成不同的?作模式，以满?车辆动?性、经济性和排放要求。多能源系统控制策略对混合动

?电动汽车性能有重要影响，设计控制策略不仅要满?整车最佳经济性的优化?标，还要适应各种?况要求，同时还应考虑车

辆动?总成系统参数的合理匹配、电池寿命、成本、汽车排放性能等多??的要求。在相同功率条件下，提?电机调节电压、

减少电流有利于降低电机能量损耗，但应考虑电池成本和重量的影响。丰?PRIUS的控制策略在启动及轻载低速?况下，采?

电动机驱动的纯电动?作模式，对排放性的改善有明显的作?，但由于发动机起停频率较??对发动机效率有?定影响。制动

能量回收系统对提?车辆的经济性有重要意义。

参考?献

[1]陈清泉，孙逢春，祝嘉光. 现代电动汽车技术. 北京理??学出版社，2002

[2]赵晓静，武?民，王海霞. 丰?PRIUS混合动?传动系统分析与建模. 机械传动，2010

[3]范健?，吴彤峰. 丰?PRIUS控制策略研究. 机械制造42卷，2004

[4]张炳?，赵韩，?朝勇，朱可. 汽车?动变速器研究现状及展望. 中国机械?程，2006