第三章_汽車新技術-_混合動力汽車

1、 第五章 豐田第二代混合動力系統(tǒng) 5.1 豐田第二代混合動 力系統(tǒng)特性 重點掌握： 混合動力系統(tǒng)的類型 THS-的組成及功用 THS-的結構 5.1.1 混合動力汽車概述 混合動力汽車混合動力汽車（亦稱復合動力汽車，英（亦稱復合動力汽車，英 文為文為Hybrid Power Automobile）是指車）是指車 上裝有兩個以上動力源：蓄電池、燃料電上裝有兩個以上動力源：蓄電池、燃料電 池、太陽能電池、內燃機車的發(fā)電機組，池、太陽能電池、內燃機車的發(fā)電機組， 當前復合動力汽車一般是指內燃機車發(fā)電當前復合動力汽車一般是指內燃機車發(fā)電 機，再加上蓄電池的汽車。機，再加上蓄電池的汽車。 歷史發(fā)展歷史發(fā)

2、展 當前普遍使用的燃油發(fā)動機汽車存在種種弊病 ，統(tǒng)計表明在占80%以上的道路條件下，一輛普通 轎車僅利用了動力潛能的40%，在市區(qū)還會跌至25% ，更為嚴重的是排放廢氣污染環(huán)境。20世紀90年代 以來，世界各國對改善環(huán)保的呼聲日益高漲，各種 各樣的電動汽車脫穎而出。雖然人們普遍認為未來 是電動汽車的天下，但是目前的電池技術問題阻礙 了電動汽車的應用。由于電池的能量密度與汽油相 比差上百倍，遠未達到人們所要求的數值，專家估 計在10年以內電動汽車還無法取代燃油發(fā)動機汽車 （除非燃料電池技術有重大突破）。 現實迫使工程師們想出了一個兩全其美的辦法，開發(fā) 了一種混合動力裝置（Hybrid-Elect

3、ricVehicel，縮寫 HEV）的汽車。所謂混合動力裝置就是將電動機與輔助動所謂混合動力裝置就是將電動機與輔助動 力單元組合在一輛汽車上做驅動力，輔助動力單元實際上力單元組合在一輛汽車上做驅動力，輔助動力單元實際上 是一臺小型燃料發(fā)動機或動力發(fā)電機組。是一臺小型燃料發(fā)動機或動力發(fā)電機組。形象一點說，就 是將傳統(tǒng)發(fā)動機盡量做小，讓一部分動力由電池-電動機 系統(tǒng)承擔。這種混合動力裝置既發(fā)揮了發(fā)動機持續(xù)工作時 間長，動力性好的優(yōu)點，又可以發(fā)揮電動機無污染、低噪 聲的好處，二者“并肩戰(zhàn)斗”，取長補短，汽車的熱效率 可提高10%以上，廢氣排放可改善30%以上。 5.1.1 混合動力汽車概述 混合動力

4、電動汽車（HEV）將內燃機、電動機與一定容量 的蓄電池通過控制系統(tǒng)相組合，電動機可補充提供車輛起步 、加速時所需轉矩，又可以存儲吸收內燃機富余功率和車輛 制動能量，從而可大幅度降低油耗，減少污染物排放。 混合動力汽車雖然沒有實現零排放，但其動力性、經濟性 和排放等綜合指標能滿足當前苛刻要求，可緩解汽車需求與 環(huán)境污染及石油短缺的矛盾。而且，輔助發(fā)動機的電動馬達 可以在啟動的瞬間產生強大的動力，因此，車主可以享受更 強勁的起步、加速。 5.1.2 混合動力典型結構混合動力典型結構 1、串聯(lián)式混合動力汽車 “串聯(lián)方式”是一種只用電動馬達驅動行駛的 電動汽車，發(fā)動機只作為動力源，發(fā)動機驅動發(fā)電 機發(fā)

5、電，而發(fā)出的電能使電動機驅動車輛。汽車只 靠電動馬達驅動行駛，驅動系統(tǒng)只是電動馬達，但 因為同樣需要安裝燃料發(fā)動機，所以也是混合動力 汽車的一種。 2、并聯(lián)混合動力系統(tǒng) 并聯(lián)方式是一種以發(fā)動機為主動力，電動馬達作 為輔助動力的驅動方式。這種方式主要以發(fā)動機驅 動行駛，利用電動馬達所具有的再啟動時產生強大 動力的特征，在汽車起步、加速等發(fā)動機燃油消耗在汽車起步、加速等發(fā)動機燃油消耗 較大時，用電動馬達輔助驅動的方式來降低發(fā)動機較大時，用電動馬達輔助驅動的方式來降低發(fā)動機 的油耗。的油耗。這種方式的結構比較簡單，只需要在汽車 上增加電動馬達和電瓶。 3、混聯(lián)式混合動力系統(tǒng) 另外一種是串聯(lián)并聯(lián)方式

6、，發(fā)電機的動力發(fā)電機的動力 通過動力分割機構進行分割，一部分直接驅動車輪通過動力分割機構進行分割，一部分直接驅動車輪 ，另一部分被用于發(fā)電，其使用比例可以自動控制，另一部分被用于發(fā)電，其使用比例可以自動控制 。從而使在低速時只靠電動馬達驅動行駛，速度提。從而使在低速時只靠電動馬達驅動行駛，速度提 高時發(fā)動機和電動馬達相配合驅動的高時發(fā)動機和電動馬達相配合驅動的“串聯(lián)、并聯(lián)串聯(lián)、并聯(lián) 方式方式”。啟動和低速時是只靠電動馬達驅動行駛， 當速度提高時，由發(fā)動機和電動馬達共同高效地分 擔動力，這種方式需要動力分擔裝置和發(fā)電機等， 因此結構復雜。 國內外發(fā)展現狀國內外發(fā)展現狀 日本混合動力汽車的發(fā)展現狀

7、日本混合動力汽車的發(fā)展現狀 從目前世界范圍內的整個形勢來看，日本是電動汽車 技術發(fā)展速度最快的少數幾個國家之一，特別是在發(fā)展混 合動力汽車方面，日本居世界領先地位。目前，世界上能 夠批量產銷混合動力汽車的企業(yè)，只有日本的豐田和本田 兩家汽車公司。1997年12月，豐田汽車公司首先在日本 市場上推出了世界上第一款批量生產的混合動力轎車 PRIUS。到2012年時，其所有的車型將全部裝上混合動 力發(fā)動機。豐田汽車公司在實現混合動力系統(tǒng)的低能耗、 低排放和改進行駛性能方面已經走在了世界的前列。 美國混合動力汽車的發(fā)展現狀美國混合動力汽車的發(fā)展現狀 美國三大汽車公司只是小批量生產、銷售過純電動汽 車，

8、而混合動力和燃料電池電動汽車目前還未能實現產業(yè) 化，日本的混合動力電動汽車在美國市場上占據了主導地 位。美國能源部與三大汽車公司于1993年簽訂了混合動力 電動汽車開發(fā)合同，進行為期5年的研發(fā)工作，并于1998 年在北美國際汽車展上展出了樣車。在此基礎上，現已推 出3款混合動力概念車：通用Precept、福特Prodigy、戴- 克DodgeESX3。2004年，通用汽車公司與戴-克汽車公司 對外宣布雙方將在開發(fā)混合動力電動汽車的技術領域攜手 ，共同推進此項技術的發(fā)展。 我國電動汽車的發(fā)展現狀我國電動汽車的發(fā)展現狀 目前我國各大汽車集團都在進行混合動力電動汽車研發(fā) ，多數以混合動力電動客車為主

9、，這種研發(fā)方向符合我國國 情，有利于我國電動汽車的研究發(fā)展。 一汽研發(fā)的紅旗HQ3 于2006年投產；東風集團的混合動力公交車已于2005年7月 完成最終產品定型樣車試驗并通過驗收；長安集團具有完全 自主知識產權的羚羊混合電動車已產出樣車，其裝備混合動 力技術的長安CV9已經下線；奇瑞集團成立了國家節(jié)能環(huán)保 汽車工程技術研究中心，將在2006年下半年重點推出第一自 主品牌真正意義上的混合動力車，代號為“BSG”的混合動力 車；吉利集團旗下的上海華普汽車已與同濟大學汽車學院簽 署合作協(xié)議，預計3年內完成混合動力轎車商業(yè)化生產；上 汽集團與通用簽署協(xié)議，將聯(lián)手開發(fā)混合動力轎車和公交客 車。 來自中

10、興汽車的消息，中興汽車與美國在“汽 車混合動力技術、轉子發(fā)動機技術及飛行汽車技 術”等方面有著雄厚的技術實力的梅爾萊普頓集 團簽訂了合作意向書，正式介入“油汽混合動力 技術”領域。與此同時，新能源汽車作為未來汽 車的主要發(fā)展方向，國家一向給予支持和鼓勵。 如汽車產業(yè)發(fā)展政策、“十一五”汽車產業(yè) 發(fā)展規(guī)劃等政策和文件都鼓勵清潔汽車、代用 燃料及汽車節(jié)油技術的發(fā)展。 本田混合動力汽車 江淮江淮-和悅混合動力和悅混合動力 海馬3混合動力汽車 5.1.3 豐田第二代混合動力系統(tǒng)的組成及功能 豐田第二代混合動力系統(tǒng)的組成主要包括：發(fā)動機、MG1 （1號電動機）、MG2（2號電動機）、HV蓄電池、變頻器、

11、 行星齒輪機構和差速器等。 (1)混合動力變速驅動橋 1）發(fā)電機 TOYOTA 混合動力系統(tǒng)采用和電動機相同的交流同步 型發(fā)電機，并且實現了高旋轉化，提高了最大輸出電力。另 外還通過加大轉子的強度，將最大發(fā)電的旋轉帶擴大到 10000r.p.m.。 通過采用交流同步和高旋轉化，在一邊發(fā)電一邊 行駛的同時，可供給中速帶所需的大量電力。 其中發(fā)電機可進一步細分為MG1和MG2， MG1的作用主要是發(fā)動機帶動旋轉產生的高壓電 以操作MG2或為HV蓄電池充電。同時也可為發(fā)動機啟 動時作為起動機使用。 MG2的作用是通過來自MG1或HV蓄電池的電能驅 動，產生車輛動力。在制動期間，作為發(fā)電機向HV 蓄電

12、池充電。 2）行星齒輪機構 TOYOTA 混合動力系統(tǒng)中安裝有動力分離裝置 ，可將發(fā)動機產生的動力分配給驅動輪和發(fā)電機。 采用由齒環(huán)、小齒輪、太陽齒輪、行星支架組成的 行星齒輪，高效率地分配動力。 1行星支架的旋轉軸與發(fā)動機連接，通過小 齒輪帶動外圍的齒環(huán)和內側的太陽齒輪。 2小齒輪旋轉軸直接和電動機連接，將驅動 力傳給車輪。太陽齒輪旋轉軸直接和發(fā)動機連接， 將發(fā)動機的動力轉換為電能。 （2）HV蓄電器 安裝在TOYOTA 混合動力系統(tǒng)上的高輸出鎳氫 蓄電池具有高輸入輸出密度(每重量的輸出)和重量 輕、壽命長等特點。無需利用外界電源進行充電， 也無需定期交換。全新設計了以往的電極材料及單 電池

13、(一個HV蓄電池)之間的連接結構，減少了HV蓄 電池的內部電阻，因此安裝在混合動力的汽車上的 電池單元實現了約540W/kg的輸入輸出密度，居世界 最高水平。 另外，還使用車輛加速時的放電、減速時的再 生制動器、以及用發(fā)動機行駛時產生的剩余能量來 進行充電，從而累積充電放電電流，使充電狀態(tài)保 持 保持穩(wěn)定。不會出現放電過多或多余充電等現象， 使用壽命非常長。 （3）變頻器總成 變頻器主要用于將高壓DC（HV蓄電池）轉化成AC （MG1和MG2）或把AC轉化成DC。它主要由增壓轉換 器、DC/DC轉化器、空調變頻器組成。 （4）電子控制系統(tǒng)（ECU） TOYOTA 混合動力系統(tǒng)采用EUC實時監(jiān)控

14、汽車 各系統(tǒng)的運轉情況和能量消耗情況，進行精密且高 速的綜合控制。 監(jiān)控混合動力組成部分（混合動力系統(tǒng)的發(fā)動 機、發(fā)電機、電動機、HV蓄電池）的運轉狀態(tài)。 監(jiān)控通過汽車的控制網絡傳來的制動信息。 監(jiān)控從駕駛者發(fā)出的指令 （加速踏板開度 ，變擋位置） 監(jiān)控輔助駕駛設備（如空調、加熱器、前照燈、 導向系統(tǒng)等）的能量消耗。 （5）再生制動器 TOYOTA 混合動力系統(tǒng)中采用了“再生制動器 ”，它利用電動機的發(fā)電來再次利用動能。電動機電動機 通常在通電后開始轉動，但是相反地讓外界力量帶通常在通電后開始轉動，但是相反地讓外界力量帶 動電動機旋轉時，它又可作為發(fā)電機來發(fā)電。因此動電動機旋轉時，它又可作為發(fā)

15、電機來發(fā)電。因此 ，利用驅動輪的旋轉力帶動電動機發(fā)電，在給，利用驅動輪的旋轉力帶動電動機發(fā)電，在給HVHV蓄蓄 電池充電的同時，又可利用發(fā)電時的電阻來減速。電池充電的同時，又可利用發(fā)電時的電阻來減速。 該系統(tǒng)在制動時與液壓制動器同時控制再生 制動器，完美的將原來在 減速中作為摩擦熱散失的 動能回收為行駛用能量。城市中行駛時反復進行的 調速操作具有較高的能量回收效果，所以在低速帶 優(yōu)先使用再生制動器。例如，裝有再生制動器的汽 車在城市中行駛100km，即可再生相當于一升汽油的 能量。 （6）傳感器 豐田混合動力系統(tǒng)的傳感器主要有加速踏板傳感 器、檔位傳感器、斷路器傳感器等 5.1.4 豐田第二代

16、混合動力系統(tǒng)的結構 （1）MG1和MG2 （2）變頻器總成 （3）冷卻系統(tǒng) （4）HV蓄電池 5.2 豐田第二代混合動 力系統(tǒng)的工作原理 重點掌握： 豐田第二代混合動力系統(tǒng)在 各工況的工作原理 豐田第二代混合動力系統(tǒng)的基本原理是使用發(fā)動 機和MG2提供的兩種動力，并使用MG1作為發(fā)電機。 HV ECU始終監(jiān)視蓄電池充電狀態(tài)、蓄電池溫度、冷 卻液溫度和電載荷狀況。當混合動力開關啟動后， 如果車輛處于駐車或倒車情況，當監(jiān)測項目不滿足 運行條件，則HV ECU發(fā)出指令啟動發(fā)動機驅動MG1為 HV充電。 1、啟動時及中低速行駛 當汽車啟動時，TOYOTA混合動力系統(tǒng)僅使用 由HV蓄電池提供能量的電動機

17、的動力啟動，這時發(fā) 動機并不運轉。因為發(fā)動機不能在低旋轉帶輸出大 扭矩，而電動機可以靈敏、順暢、高效地進行啟動 對于發(fā)動機而言，在低速中速帶的效率并不 理想，而另一面，電動機在低速-中速帶性能優(yōu)越。 因此，在用低速-中速行駛時，油電混合動力系統(tǒng)使 用HV蓄電池的電力，驅動電動機行駛。 2、一般行駛狀態(tài) TOYOTA混合動力系統(tǒng)采用發(fā)動機，使它在能產 生最高效功率的速度帶驅動 。由發(fā)動機產生的動力 直接驅動車輪，依照駕駛狀況由發(fā)電機轉化為電力 部分動力被分配給發(fā)電機。由發(fā)電機產生的動力用 來驅動電動機和輔助發(fā)動機。利用發(fā)動機和電動機 這一雙重傳動系統(tǒng)，發(fā)動機產生的動力以最小消耗 被傳向地面。如果

18、當行駛時出現發(fā)動機提供的能量 多于實際所需的動能，出現能量過剩情況時，則將 發(fā)動機產生多余的能量由發(fā)電機轉化為電能，存儲 在HV蓄電池中。 3、全速行駛 在需要強勁加速力（如爬陡坡及超車）時， HV 蓄電池也提供電力，來加大電動機的驅動力。通過 發(fā)動機和電動機雙動力的結合使用，TOYOTA混合動 力系統(tǒng)得以實現與高一級發(fā)動機同等水平的強勁而 流暢的加速性能。 4、減速行駛 在車輛處于減速行駛狀態(tài)，如踩下制動器或松開 油門時， TOYOTA混合動力系統(tǒng)使車輪的旋轉力帶動 電動機運轉，將其作為發(fā)電機使用。減速時通常作 為摩擦熱散失掉的能量，在此被轉換成電能，回收 到HV蓄電池中進行再利用。 5、倒

19、車狀態(tài) 車輛倒車時僅僅由MG2為車輛提供動力，此時， MG2反向旋轉，只要HV ECU監(jiān)測的各項指標正常，發(fā) 動機就不會工作；此時，MG1正向空轉，并不發(fā)電。 6、停車狀態(tài) 在停車時，發(fā)動機、電動機、發(fā)電機全部自動停 止運轉。不會因怠速而浪費能量。當HV蓄電池的充 電量較低時，發(fā)動機將繼續(xù)運轉，以給HV蓄電池充 電。另外有時因與空調開關連動，發(fā)動機會仍保持 運轉。 5.3 豐田第二代混合動 力系統(tǒng)控制系統(tǒng) 重點掌握： THS-控制系統(tǒng)的控制 內容 THS-控制系統(tǒng)的結構 HV ECU控制 THS-系統(tǒng)控制內容 1、HV ECU控制 HV ECU是整車能量控制中心，它采用層級式管 理，由其通過C

20、AN(控制器局域網)總線統(tǒng)一協(xié)調和控 制各個低端控制器，即發(fā)動機ECU、蓄電池ECU和制 動防滑控制ECU，最下層則為各個執(zhí)行器，即發(fā)動機 、變頻器、MG 1和MG 2等部件。 HV ECU根據加速踏板位置傳感器(霍爾式)發(fā) 出的信號檢測施加在加速踏板上的力的大小，根據 MG 1和MG 2中的速度傳感器(解角傳感器)發(fā)出的信 號檢測車速，并根據檔位傳感器的信號檢測檔位。 HV ECU根據這些信息即可確定行車狀態(tài)，從而 對MG 1和MG2和發(fā)動機動力進行最優(yōu)控制。此外，HV ECU對動力輸出的轉矩和效率也進行最優(yōu)控制，以實 現低耗油和更清潔的排放等目標。 1）系統(tǒng)監(jiān)視控制 蓄電池ECU始終監(jiān)視H

21、V蓄電池的SOC(充電狀態(tài)) 并將SOC發(fā)送到HVECU。SOC過低時，HV ECU提高發(fā)動 機的功率輸出以驅動MGI為HV蓄電池充電;發(fā)動機停 止時，MG1工作以起動發(fā)動機，然后，發(fā)動機驅動 MGI為HV蓄電池充電。 2）關閉控制功能 通常車輛處于“N位時，MG1和MG2被關閉。這 是由于MG2通過機械機構與前輪相連，所以必須停止 MG1和MG2的供電以切斷動力輸出，此即為MGI和MG2 的關閉功能。 3）上坡輔助控制 車輛在陡坡上松開制動而起步時HV ECU會通過 增大電動機扭矩的方法實施上坡輔助控制，以防止 車輛下滑。如果施加了上坡輔助控制，那么制動防 滑控制ECU會在HV ECU的指令

22、下實施車輛后輪制動。 4）電動機牽引力控制 車輛在光滑路面上行駛時，如果驅動輪打滑 ，MG2(與車輪直接相連)會旋轉過快，從而引起相關 行星齒輪組件的轉速增大。這種狀況對行星齒輪組 及其配套部件等會造成損害某些時候還可能使MG1產 生過量電能。因此如果轉速傳感器信號表明轉速發(fā) 生突然變化，HV ECU就確定MG2轉速過大，并 對其施加制動力以抑制轉速變化，從而保護行星齒 輪組。 2、發(fā)動機ECU控制 發(fā)動機ECU根據接收到的HV ECU發(fā)送的目標 發(fā)動機轉速和所需的發(fā)動機動力信號后，可對ETCS 一i(智能電子節(jié)氣門)、燃油噴射系統(tǒng)、點火正時和 VVT-i(電子可變氣門正時)系統(tǒng)實施最佳控制。

23、同時 ，發(fā)動機ECU將目前發(fā)動機工作狀態(tài)信號反饋發(fā)送到 HV ECU。如果當接收到HV ECU發(fā)送的發(fā)動機停止信 號后，發(fā)動機ECU將指令發(fā)動機停機。若發(fā)動機電子 控制系統(tǒng)出現故障時，發(fā)動機ECU將通過HV ECU指令 打開檢查發(fā)動機警告燈。 3、變頻器控制 根據HV ECU提供的信號，變頻器將HV蓄電池的直 流電轉換為交流電向MG1、MG2供電，或執(zhí)行相反的 過程。此外，變頻器可將MG1的交流電轉換為直流電 提供給MG2。但是，電流從MG1提供給MG2時，電流在 變頻器內由AC500V轉換為DC500V。 根據MG1、MG2發(fā)送的轉子信息和從蓄電池ECU發(fā) 送的HV蓄電池SOC等信息，HV

24、ECU將信號發(fā)送到變頻 器內部的功率晶體管來轉換MG1、MG2定子線圈的U、 V和W相，需要關閉MG1、MG2的電流時，HV ECU發(fā)送 指令信號到變頻器。 4、制動防滑控制ECU控制 制動防滑控制ECU根據駕駛人踩下制動踏板時制 動執(zhí)行器和制動踏板行程傳感器的制動主缸壓力計 算所需的總制動力。制動防滑控制ECU根據總制動力 計算所需的再生制動力，并將結果發(fā)送到HV ECU。 HV ECU起動MG2進行反方向轉矩控制并執(zhí)行再生制動 功能。制動防滑控制ECU操縱制動執(zhí)行器電磁閥產生 輪缸壓力，這個壓力等于總制動力減去實際再生制 動力控制的數值。在帶(車輛穩(wěn)定控制)系統(tǒng)的車型 上該系統(tǒng)作時，制動防

25、滑控制ECU將向HV ECU發(fā)送實 施電動機引力控制請求信號HV ECU將根據當前的車 輛行駛狀態(tài)制發(fā)動機、MG1和MG2協(xié)調工作，以抑制 動力輸出。 5、蓄電池ECU控制 蓄電池ECU檢測HV蓄電池的SOC(充電狀態(tài))、溫度 、電壓和是否泄漏，并將這些信息發(fā)送到HVECU。蓄 電池ECU通過HV蓄電池內的溫度傳感器檢測其溫度， 并據此控制冷卻風扇的運轉，可將HV蓄電池的溫度 維持在規(guī)定范圍內。 6、碰撞時控制 發(fā)生碰撞時，如果HV ECU接收到安全氣囊傳感 器總成發(fā)出的安全氣囊張開信號或變頻器中的斷路 器發(fā)出的執(zhí)行信號，HV ECU將關閉SMR(系統(tǒng)主繼電 器)，從而切斷總電源以確保安全。

26、7、電動機驅動模式控制 為減小深夜行車、停車時的噪音和在車庫中短時 間減少排氣污染，可以手動按下儀表板上的EV模式 開關，此時車輛只由MG2驅動。除非車輛發(fā)生以下情 形:SOC下降到規(guī)定水平以下;EV模式開關關閉;車速 超過規(guī)定數值;加速踏板角度超過規(guī)定數值;HV蓄電 池溫度偏離正常工作范圍。 選擇EV模式時，發(fā)動機停止工作車輛繼續(xù)在只 有MG2工作的狀態(tài)下行駛。但是，起動發(fā)動機的規(guī)定 數值將受到修正以增加在只有GZ工作狀態(tài)下的車輛 行駛里程。另外，選擇EV模式，車輛在平坦路面行 駛且HV蓄電池在標準SOC以下時，車輛將在連續(xù) 行駛1km一2km后關閉EV模式。 8、換擋控制 HV ECU根據檔位傳感器提供的信號監(jiān)測檔位，控 制MG1、MG2和發(fā)動機，并調整車輛行駛狀態(tài)以適應 所選檔位；另外，變速器控制ECU通過HV ECU提供的 信號檢測駕駛員是否按下駐車開關，并操作換擋控 制執(zhí)行結構通過機械鎖止變速驅動橋。 9、指示燈和警告燈點亮控制系統(tǒng) HV ECU、發(fā)動機