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淺析豐田THS混合動力系統(tǒng)
2020-05-07 23:43:45· 來源：EDC電驅(qū)未來
混合動力汽車的分類混合動力汽車有多種分類方式：1.按動力傳動系統(tǒng)布置分類可分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。2.按使用用途分類可分為：續(xù)航里程延長型混合動力汽
混合動力汽車的分類
混合動力汽車有多種分類方式：
1.按動力傳動系統(tǒng)布置分類可分為：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。
2.按使用用途分類可分為：續(xù)航里程延長型混合動力汽車、動率輔助型混合動力汽車。
3.按電動機與內(nèi)燃機的搭配比例分類可分為：微混合動力汽車、輕混合動力汽車、中混合動力汽車、強混合動力汽車。
以上分類方式過于冗雜，結(jié)合三種分類方式的特點，可將其更直觀的分類為：
單電機直連式、雙電機直連式、雙電機非直連式三種。
各自的結(jié)構(gòu)形式和特點如下：
①單電機直連式，其示意圖如圖2-1所示。電機與發(fā)動機并聯(lián)存在，汽車的動力可由發(fā)動機與電機同時提供，也可由發(fā)動機或電機單獨提供。該結(jié)構(gòu)中的電機既充當發(fā)電機又充當電動機，此種混動方式結(jié)構(gòu)簡單、易于拓展，但能量回收效率較低、驅(qū)動模式切換的過程不夠平順、節(jié)油效果并不明顯，插電式混合動力便是在此結(jié)構(gòu)上改進而來。
（圖2-1 單電機直連式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)示意圖）
②雙電機直連式，如圖2-2所示。兩臺電機與發(fā)動機之間為機械連接。發(fā)動機發(fā)出的一部分動力通過機械能傳遞給驅(qū)動橋，另一部分動力用來驅(qū)動1號電機（負責發(fā)電），1號電機發(fā)出的電能輸送給2號電動機或蓄電池組。車輛在不同的工況下，發(fā)動機、1號電機、2號電機與蓄電池組之間可以有多種不同的組合方式。發(fā)動機與兩個電機之間通過行星齒輪機構(gòu)無縫連接。兩個電機與行星齒輪機構(gòu)組成了動力分離裝置ECVT用來替代傳統(tǒng)汽車的變速箱機構(gòu)。此種混動方式在各工況下都能維持較高的能量回收效率，在各種驅(qū)動模式切換時非常平順，節(jié)油的效果也十分明顯。豐田混合動力系統(tǒng)就是使用的此混動結(jié)構(gòu)。
（圖2-2 雙電機直連式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)示意圖）
③雙電機非直連式（也可稱為雙電機電連式），如圖2-3所示。發(fā)動機并不是直接連接機械式傳動裝置去驅(qū)動車輪，而采用一種類似電傳動的形勢。發(fā)動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生機械能用來驅(qū)動1號電機，由1號電機發(fā)電，產(chǎn)生電能為電池充電。然后由電池給2號電機供電，2號電機驅(qū)動車輪。該結(jié)構(gòu)將電能作為中間能量傳遞的介質(zhì)，而并非機械能。這種結(jié)構(gòu)相對于純電動車是最容易拓展的，整體的效能也要強于前兩種混合動力結(jié)構(gòu)。曾程式賽車雪佛蘭沃蘭達與本田的i-MMD混動系統(tǒng)就是采用的該混動方式。
（圖2-3 雙電機非直連式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)示意圖）
混合動力汽車的結(jié)構(gòu)組成
（1）發(fā)動機
混合動力汽車廣泛采用自然吸氣發(fā)動機，根據(jù)不同的動力需求，可以研發(fā)出不同的混動汽車。在不同的混動結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機也有多種功能。例如發(fā)動機可以直接為車輪提供動力，也可以驅(qū)動電機發(fā)電為蓄電池組儲存電能，有時還可以與電機協(xié)同工作為車輛提供澎湃動力。
（2）電動機
現(xiàn)階段的混合動力汽車多數(shù)搭載永磁電機或開動磁阻電機。隨著技術(shù)的進步，直流電動機在混動領(lǐng)域漸漸的被淘汰。電動機在混合動力系統(tǒng)中有兩個主要功能：正向的從蓄電池組汲取能量驅(qū)動車輪；或反向的變?yōu)榘l(fā)電機通過再生制動回收的能量進行發(fā)電。電動機也可與發(fā)動機同時驅(qū)動車輪，為車輛提供澎湃動力。由于電動機恒定扭矩的特性，當車輛采用功率越大的電動機時，其加速性能便能有明顯提升。
（3）蓄電池組
蓄電池組在不同的混動結(jié)構(gòu)下有不同的功能應用，其基本作用是為電機提供能量驅(qū)動車輪。在一些混動結(jié)構(gòu)里，蓄電池組更像一個“能量儲存回收站”，車輛動能回收系統(tǒng)回收的能量都被儲存在此處?，F(xiàn)階段混合動力汽車較多的使用成本低廉、穩(wěn)定可靠、安全系數(shù)較高的鎳氫電池組。其已經(jīng)應用在國產(chǎn)豐田卡羅拉雙擎混合動力汽車上，廠家提供給蓄電池組接近車輛整體壽命的保修政策，足以看出其可靠性極強。
（4）動力控制單元
動力控制單元相當于整套混合動力系統(tǒng)的“中央信息處理中心”。該控制中心根據(jù)車輛多個傳感器反饋的時時信息判斷整車的運行狀態(tài)，由此對發(fā)動機與電動機發(fā)出的動力進行分配。車輛在不同工況下采用發(fā)動機驅(qū)動、純電驅(qū)動，還是兩者協(xié)同工作，都是由動力控制單元決定的。
下面將詳細介紹極具代表性、誕生時間最長、較為穩(wěn)定可靠、無需額外充電的豐田混合動力系統(tǒng)。
豐田混合動力系統(tǒng)組成
（圖3.1 豐田混合動力系統(tǒng)組成）
豐田的混合動力系統(tǒng)THS-II主要部件采用阿特金森循環(huán)的高燃效自然吸氣發(fā)動機、永磁鐵電機、行星齒輪機構(gòu)、發(fā)電機、高性能鎳氫蓄電池組、動力控制單元、功率控制單元，如圖3.1。逆變器與高壓電源電路組成了功率控制單元，電源電路將發(fā)動機與電動機的電壓升高。發(fā)電機、電動機采用交流電，蓄電池組采用直流電，逆變器負責兩者之間的轉(zhuǎn)換。汽油機、發(fā)電機與電動機之間動力的合成、分配以及傳遞由動力控制單元完成。
豐田混合動力系統(tǒng)工作過程
①當車輛在啟動、怠速、起步、慢速蠕形、走走停?；虻退俚街兴傩旭傠A段時，由于汽油發(fā)動機在這些情況下效率很低，而電動機恒定扭矩在這些情況下性能優(yōu)越，可以靈敏、高效、順暢的運行。所以豐田混合動力系統(tǒng)此時只使用蓄電池組為電動機提供電能驅(qū)動車輪，此階段汽油發(fā)動機處于停機狀態(tài)，如圖3.2-1。（當蓄電池電量低時，發(fā)動機才介入帶動發(fā)電機發(fā)電。）
（圖3.2-1 純電動模式）
②當車輛處于傳統(tǒng)汽油發(fā)動機高效運轉(zhuǎn)區(qū)間或高速行駛階段，豐田混動系統(tǒng)使用發(fā)動機作為主要動力來源，此時發(fā)動機直接驅(qū)動車輪，根據(jù)行駛狀況可將部分動力分配給發(fā)電機。發(fā)電機發(fā)電產(chǎn)生電能，驅(qū)動電動機協(xié)同配合發(fā)動機一起驅(qū)動車輪，如圖3.2-2。若此時蓄電池組電量過低或車輛處于高速行駛階段，發(fā)動機會產(chǎn)生多余的能量，這些能量由發(fā)電機發(fā)電轉(zhuǎn)換成電能儲存在蓄電池組中，如圖3.2-3。
（圖3.2-2 發(fā)動機為主要動力來源）
（圖3.2-3 發(fā)動機為主要動力來源 充電模式）
③當車輛需要提高動力響應時，如提速、超車、爬陡坡等階段，豐田混合動力系統(tǒng)采用雙動力全開模式。蓄電池組與發(fā)電機同時為電動機提供電能，這樣能夠加大電動機的驅(qū)動力。發(fā)動機與電動機動力的結(jié)合可以使得車輛獲得超越同級汽車的動力水平，獲得強勁而順暢的加速體驗，如圖3.2-4。
（圖3.2-4 雙動力全開混合模式）
④當駕駛員正在剎車減速或者減緩油門開度時，豐田混合動力系統(tǒng)進再生制動回收模式。使車輪的旋轉(zhuǎn)力帶動電動機運轉(zhuǎn)，將其作為發(fā)電機使用。正常內(nèi)燃機車減速時作為摩擦熱散失掉的能量，在此時被轉(zhuǎn)換成電能，回收到蓄電池組中進行再利用，如圖3.2-5。
（圖3.2-5 能量回收模式）
豐田混合動力系統(tǒng)主要部件解析
高燃效發(fā)動機
豐田混合動力系統(tǒng)采用高燃效、高膨脹比的阿特金森循環(huán)自然吸氣汽油發(fā)動機。發(fā)動機在進氣時推遲進氣門關(guān)閉時刻，在壓縮沖程開始時活塞上行，一部分進入缸內(nèi)的空氣返回進氣歧管，延遲了壓縮的起始點，減小燃燒室容積，故膨脹比增大。膨脹比遠大于壓縮比，發(fā)動機燃燒效率得以提高。于此同時配合豐田VVT-i（智能可變氣門正時）裝置，可以根據(jù)不同的工況環(huán)境及時的調(diào)整出最佳的進氣門開啟與關(guān)閉時刻，始終保持最大進氣效率。
動力分離裝置
豐田混合動力汽車沒有傳統(tǒng)汽車上的變速箱機構(gòu)，取而代之的是由兩個電機與行星齒輪機構(gòu)組成的動力分離裝置。該裝置可以根據(jù)具體工況，將發(fā)動機產(chǎn)生的動力按一定比例分配給驅(qū)動機構(gòu)與發(fā)電機構(gòu)使用。行星齒輪機構(gòu)是整個動力分離裝置中的核心零件，也是豐田混合動力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢所在。
下面我將結(jié)合圖例（如圖3.3）剖析行星齒輪的結(jié)構(gòu)組成：
- 齒圈：最外側(cè)的藍色部分即為齒圈。齒圈與外側(cè)的2號電機相連，并與車輪之間通過減速齒輪組連接。
- 行星輪：處于行星齒輪組中心的太陽輪與齒圈之間通過4個小齒輪連接，這四個小齒輪就是行星輪。
- 行星架：4個行星輪固定在結(jié)構(gòu)圖上的紅色部件，該紅色部件帶動4個行星輪繞著太陽輪公轉(zhuǎn)。這個紅色機構(gòu)就是行星架，與發(fā)動機直接相連。
- 太陽輪：位于行星齒輪組中心的淡黃色部件即為太陽輪。太陽輪與4個行星齒輪直接咬合，并且與靠內(nèi)側(cè)的一號電機直接相連。
（圖3.3 行星齒輪機構(gòu)）
綜上所述，豐田混合動力汽車中的動力分離裝置由5個齒輪、1個行星架、1個齒圈組成。發(fā)動機、1號電機與2號電機之間，是行星架、太陽輪、齒圈通過4個行星輪以咬合的方式機械連接在一起的。
電機與發(fā)電機
豐田最新一代混合動力系統(tǒng)的汽油機與電機的電壓增加至500V，電源提供給電機的電流減小進一步的減少了熱損耗。電機部分采用交流永磁電機。通過優(yōu)化磁鐵排列、增長輸出、提高驅(qū)動熱，500V的高電壓使電機的輸出功率從33KW提升至50KW。在此基礎(chǔ)之上，電機的尺寸卻沒有改變。在電機的調(diào)控方面，中速區(qū)間采用全新調(diào)度控制方法，脈沖寬度最大值增加約30%。
發(fā)電機部分同樣采用交流永磁電機，通過增加轉(zhuǎn)子強度等手段，將最大功率輸出時的轉(zhuǎn)速提高到了10000r/min，中轉(zhuǎn)速范圍的電力也得到了明顯提高，改善了低轉(zhuǎn)速范圍的加速性能。
動力控制單元
動力控制單元由變壓器、可變電壓系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換器組成。由于車輛蓄電池組采用直流電，而電動機與發(fā)電機使用交流電，因此兩者之間需要使用變壓器進行相互轉(zhuǎn)換?？勺冸妷合到y(tǒng)可以根據(jù)需要將發(fā)電機與電動機的電源電壓進行無極升壓，則小電流可以提供較大的電力供給，發(fā)揮出電動機的高性能，提高系統(tǒng)的整體效率，這樣也能使變壓器的體積減小。DC/DC轉(zhuǎn)換器可以將蓄電池組與發(fā)電機發(fā)出的202V直流電壓減至12V，以便為車輛輔助設(shè)備、電子元器件供電。
混合動力控制系統(tǒng)
豐田混合動力系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測汽車的各種能量消耗狀態(tài)以及整個系統(tǒng)與部件的工作狀態(tài)，確保車輛始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)。
- 1.對發(fā)動機功率的控制
發(fā)動機功率的控制是整個豐田混合動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)，控制系統(tǒng)將根據(jù)汽車運行的狀態(tài)，油門的開度、蓄電池組計算機的狀態(tài)信息來決定：是否用純電模式行駛、是否停止發(fā)動機運轉(zhuǎn)、是否需要為蓄電池組充電等。
2.對行駛的控制
驅(qū)動力是直接由發(fā)動機驅(qū)動力與電動機驅(qū)動力組合在一起的。車速越低，電動機效率越高，發(fā)出的驅(qū)動力也越大。豐田混合動力系統(tǒng)在各種情況下都能充分發(fā)揮發(fā)動機的最佳效率，發(fā)動機一但運轉(zhuǎn)就使用最佳運轉(zhuǎn)區(qū)間運行。由于采用了大功率、高電壓的電動機，直接提高了車輛動力性能。
3.再生制動控制
在豐田混合動力系統(tǒng)中，電子控制制動系統(tǒng)（ECB）協(xié)調(diào)制動系統(tǒng)的液壓制動與再生制動，利用剎車時刻回收能量儲存在蓄電池組，提高汽車整體效率和燃油經(jīng)濟性。
豐田混合動力系統(tǒng)較傳統(tǒng)內(nèi)燃機車的優(yōu)勢
傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車在能耗方面的劣勢：
1.發(fā)動機在中低速區(qū)間燃效較低。
2.傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的發(fā)動機大都使用壓縮比=膨脹比的奧托循環(huán)結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)動力性較好，但燃燒效率卻不夠好。
3.傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車沒有動能再生回收系統(tǒng)。
豐田混合動力汽車較傳統(tǒng)內(nèi)燃機在能耗方面的優(yōu)勢：
1.豐田混合動力汽車在傳統(tǒng)內(nèi)燃機燃燒效率最低的中低速階段使用純電驅(qū)動，不消耗燃油。
2. 發(fā)動機采用高燃效、膨脹比>壓縮比的阿特金森循環(huán)發(fā)自然吸氣發(fā)動機，其燃效高于奧拓循環(huán)結(jié)構(gòu)發(fā)動機，動力性能弱于前者，但混合動力汽車搭載的高扭矩電動機可以彌補其動力上的不足。
3.豐田混合動力汽車搭載動能再生回收系統(tǒng)，利用剎車時刻再生回收動能進行再利用。
豐田混合動力系統(tǒng)較單電機直連式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢
單電機直連式混合動力系統(tǒng)低效率的原因：
1.單電機直連式混合動力汽車有傳統(tǒng)變速箱。車輛在復雜的行駛環(huán)境下需要頻繁換擋，由此導致發(fā)動機在高、中、低效率之間來回切換，無法使發(fā)動機始終維持在一個最高效的運轉(zhuǎn)區(qū)間，因此效率低下。
2.單電機直連式混動結(jié)構(gòu)在行駛過程當中，電機兩端的定子與轉(zhuǎn)子幾乎是同向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速差很小，這樣就導致了充電效率的低下。
3.蓄電池組體積龐大，給車輛的綜合行駛效率帶來額外的負擔。
豐田混合動力系統(tǒng)（雙電機直連式）結(jié)構(gòu)更高效的原因：
1.豐田混動系統(tǒng)能使發(fā)動機一但啟動就保持一個最高效的運轉(zhuǎn)區(qū)間，在這種情況下不僅調(diào)整動力需求，也調(diào)整傳動比。
2.行星齒輪機構(gòu)可以在發(fā)動機驅(qū)動時，不僅調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，也調(diào)整電機的旋轉(zhuǎn)方向，因此使得充電效率大大提升。
3.豐田混合動力系統(tǒng)搭載的汽油發(fā)動機本身燃效就很高，可以達到38%、39%、40%。采用寬域甚至全域阿特金森循環(huán)邏輯，使得發(fā)動機的高效率區(qū)間非常大。
豐田混合動力汽車較純電動汽車的優(yōu)勢
純電動汽車的劣勢：
1.由于電池技術(shù)的限制，純電動汽車的續(xù)航里程不高。
2.由于充電技術(shù)的限制，純電動汽車充電的速度無法與內(nèi)燃機車加油的速度相提并論。
3.為了更加可觀的續(xù)航里程，車廠都會為純電動汽車配備容量較大的蓄電池組，不僅車重會增加，利潤也會增加，自然價格也會提高。
4.國內(nèi)充電樁的普及率遠不如加油站，純電動汽車不具備說走就走的能力。
豐田混合動力汽車較純電動汽車的優(yōu)勢：
1.豐田混動車通過發(fā)動機與動能回收系統(tǒng)為電池充電，無需額外充電，不改變用戶使用習慣。加油的速度也遠快于充電。
2.豐田混合動力汽車續(xù)航里程遠遠大于純電動汽車。
3.豐田混合動力汽車售價已經(jīng)達到A級轎車的正常水平。
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