转 详解丰田普锐斯 Toyota Prius 工作模式Word文档格式.docx
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“行星齿轮座”与汽油机联接，由于汽油机只能正转，所以“行星齿轮座”也只能正转。
（行星齿轮、行星齿轮座和汽油机见图中的蓝色部分）
最外面的圆环是一个齿圈，齿圈的齿全部向内，与四个行星齿轮咬合在一起。
齿圈的一端与二号电机相联。
由于二号电机既可以正转，也可以反转，所以齿圈也随二号电机正转或反转。
齿圈的另一端通过减速齿轮与普锐斯的车轮相联。
这样，当二号电机正转时，普锐斯向前行驶，当二号电机反转时，普锐斯向后倒退。
（外齿圈和二号电机见图中的红色部分）
行星齿轮本身没有动力源，但它们有“自转”和“公转”。
行星齿轮在短轴上的旋转为自转，自转可以是正转，也可以是反转；
公转是指四个行星齿轮随“行星齿轮座”一起围绕恒星齿轮公转。
四个行星齿轮虽然没有动力源，但却有特别的功效。
正是由于它们的存在，才使行星齿轮座、恒星齿轮和齿圈之间的微妙相互作用成为可能。
譬如，当齿圈固定不动（即普锐斯车轮静止不动）时，有了行星齿轮的自转，恒星齿轮（暨一号电机）才可以带动行星齿轮座（即汽油机）转动；
有了行星齿轮的自转，当齿圈（暨二号电机）正转时，恒星齿轮（即一号电机）才可以反转，而当齿圈（暨二号电机）反转时，恒星齿轮（暨一号电机）又可以正转。
又如，当齿圈和恒星齿轮以某个速度同向转动时，行星齿轮可以不转，造成行星齿轮座的公转，从而带动汽油机转动。
当行星齿轮座不转（相当于发动机停转）时，齿圈和恒星齿轮仍可以自由转动，等等。
总之，有了这个行星齿轮组，发动机与车轮及电动机之间就可以始终保持联接了，也就不需要离合器了。
理解动力分配器的工作状态需要一点想像力。
二、普锐斯的各种工作模式：
1、静止状态下汽油机的启动
为了启动汽油机，一号电机在电力驱动下带动恒星齿轮正转，如果普锐斯处于静止状态，则与车轮相联的外齿圈是不转的。
于是，恒星齿轮的正转使行星齿轮反转，并迫使行星齿轮座开始正转并带动汽油机转动。
下面的示意图显示动力分配器在启动时的工作状态：
如果是普通汽车，启动电机带动汽油机开始旋转时，就该向汽油机注入燃料并点火了。
而普锐斯却要等到汽油机转速达到每分钟1000转时才开始点火。
启动汽油机的整个过程不到一秒钟。
普锐斯的一号电机功率高达10千瓦，比普通汽车的启动电机强劲得多，由于恒星齿轮与行星齿轮及外齿圈的齿比关系，行星齿轮座（即汽油机）的转速为恒星齿轮（即一号电机）转速的1/3.6。
也就是说，为了使汽油机转速达到每分钟1000转，一号电机的转速要达到每分钟3600转。
对汽油机来说，每分钟1000转的启动转速实在算不了什么，因为汽油机本来就能靠自己的力量以这个速度从容运转。
另外，普锐斯启动时只给2个汽缸点火，这就使得汽油机启动非常平稳和宁静，避免了普通汽油机的启动磨损。
汽油机启动完成后，普锐斯的车载计算机会控制汽油机节气门的开度，以保持预热时的合理怠速。
这时，电池组不再向一号电机供电，如果电池组电量不足，反而可以利用一号电机发电来给电池组充电。
为此，车载计算机只需将一号电机切换到发电状态（正转）并将汽油机节气门开大一点即可将电力导出。
2、冷车启动
普锐斯的汽油机冷车启动后，会运转一会儿，主要是给汽油机和催化剂转换器预热，使废气排放控制系统开始工作。
具体运转多长时间取决于汽油机和催化剂转换器的实际温度。
冷车启动以后，汽油机怠速为每分钟1300转。
3、热车启动
普锐斯热车启动时，汽油机转一会儿就会停下来。
汽油机怠速略低于每分钟1000转。
4、起步
通过考察行星齿轮组的结构，我们可以认为普锐斯的汽油机相当于始终挂在最高档上。
这意味着光靠汽油机不能提供起步所需的扭矩。
起步加速所需的扭矩是由二号电机来补充的。
二号电机直接作用于动力分配器的外齿圈，而外齿圈又与推动车轮的减速齿轮动力输入端联在一起。
电动机最适合在低速下提供扭矩，所以电动机起步是让普锐斯开动起来的好办法。
由于汽油机运转时，车子最初还处于静止状态，所以一号电机是正向旋转的。
控制单元把从一号电机获得电能传递到二号电机。
为了抵消一号电机的“发电阻力”，车载计算机会增加汽油机节气阀的开度，提高汽油机的出力。
这时，汽油机在更卖力地推动行星齿轮座圈转动，而一号电机却想降低恒星齿轮的转速。
结果这两股力量的合力施加到外齿圈上，推动了外齿圈，也就推动了普锐斯的车轮。
下面的示意图显示动力分配器在起步时的工作状态：
动力分配器将汽油机扭矩的72%分配给了外齿圈，28%分配给了恒星齿轮。
在踩下油门踏板之前，汽油机处于怠速状态，没有扭矩输出。
踩下油门踏板之后，节气阀开大了，28%的扭矩用于推动一号电机发电，其余72%的扭矩传到了外齿圈及车轮。
尽管起步的主要扭矩来自二号电机，但汽油机的确通过这种方式也向车轮提供了扭矩。
那么，汽油机分配给一号电机的这28%的扭矩是如何引导二号电机的输出动力来使普锐斯起步的呢？
为此，首先必须弄清楚扭矩与动力的区别。
扭矩是一股旋转的力，但如果只是维持扭矩，就不需要消耗能量。
当普锐斯尚未起步时，尽管汽油机扭矩的72%传递到了车轮上，但是由于外齿圈尚未转动，动力并未朝这个方向传递。
尽管只得到汽油机扭矩的28%，恒星齿轮这时却在狂转，发出大量的电能。
当普锐斯开始缓慢移动后，它的动力是一号电机提供的。
随着车速提高，一号电机转速开始下降，发电量就会减少。
这时，车载计算机会进一步开大汽油机节气阀，产生更大的扭矩，由于增加的扭矩的一部分也传递到了恒星齿轮上，使一号电机得以维持发电量。
也就是说，扭矩的增加抵消了一号电机转速下降的趋势。
电池组对于普锐斯起步并非必不可少。
不过实际上，起步时通常都是靠计算机指令从电池组直接取电传送到二号电机的。
当普锐斯缓慢前行时，为了避免一号电机因转速过高受损，汽油机的转速是受到限制的，因此一号电机的发电量也受到了限制。
再说，汽油机转速过高，起步时的声音会很难听。
油门踏板踩得越深，汽油机转速越高，从电池组汲取的电能也会越多。
在时速25英里以下时，如果把油门踏板踩到底，大约有40%的动力来自电池组，60%的动力来自汽油机。
随着车速提高，汽油机转速也随之提高，其供电的份额也在增加，如果踩住油门不放，当车速达到每小时100公里时，则有75%的动力来自汽油机。
需要说明的是，来自汽油机的动力应当包括被一号电机用来发电并传递给二号电机的那部分动力。
当车速达到每小时100公里时，二号电机提供了更多的扭矩，但增加的动力并非直接来自汽油机，其中相当一部分来自一号电机，这是由汽油机间接提供的动力，而不是由电池组提供的动力。
5、加速和爬坡
当需要很大的动力时，汽油机和二号电机共同提供扭矩来推动普锐斯，就像前面提到过的起步阶段一样。
随着车速的提高，二号电机已经以50千瓦满负荷工作了，它能提供的扭矩不断下降。
功率是扭矩与转速的乘积。
由于二号电机功率是一定的，其转速越高，提供的扭矩就越小。
幸好，这与司机的要求是一致的。
当一辆普通轿车加速时，其步进式变速箱不断地向高档位切换，传递到驱动轴的扭矩随之减少，这就使汽油机转速得以降低到安全水平。
尽管普锐斯采用了完全不同的变速机构，但在加速时给人的感觉与常规轿车没什么两样。
主要区别是完全没有了换档时的顿挫感。
这是因为普锐斯根本没有采用步进式变速箱。
（装备真正无级变速器的轿车，譬如Insight，在加速时同样感觉十分平顺）。
下面的示意图显示动力分配器在加速和爮坡时的工作状态：
现在再来归纳一下。
汽油机驱动动力分配器的行星齿轮座，把72%的扭矩通过外齿圈传递到最终驱动器和车轮，把28%的扭矩通过恒星齿轮传递到一号电机。
一号电机转动时发出电能，供给二号电机，使二号电机向外齿圈提供额外的扭矩。
油门踏板得越深，汽油机产生的扭矩越大。
结果，一方面增加了通过外齿圈传递的扭矩，另一方面增加了一号电机供给二号电机的电能，使二号电机能向外齿圈提供更多的扭矩。
车载计算机根据电池组的电量、道路的坡度、踩油门的力度等因素，可能还会调用电池组的电能，以进一步提高二号电机的出力。
正是因为如此，像普锐斯这么大的车才能以区区77马力在高速公路上加速超车。
另一方面，如果动力需求不太大，一号电机发出的一部分电能便可以给电池组充电，甚至在超车时也在充电！
关键是汽油机既带动行星齿轮座，又带动一号电机发电。
发出的电能怎样使用，以及是否需要电池组供电则取决于各种复杂因素。
6、巡航
在平坦的路面上，当普锐斯达到稳定的速度以后，汽油机需要提供的动力远低于加速和爬坡所需的动力，只须提供动力来克服空气阻力和滚动阻力即可。
为了在低功率时能保持高效率，汽油机以低转速运行。
下面这张表显示的是在平坦的路面上普锐斯以不同速度行驶所需的纯动力。
车速：
60公里
动力：
3.6kW
汽油机转速：
1300r.p.m.
一号电机转速：
-1470r.p.m.
80公里
5.9kW
1500r.p.m.
-2300r.p.m.
100公里
9.2kW
这时，较高的车速和较低的汽油机转速使动力分配器进入了一个微妙的状态。
一号电机此时必须反转才行。
由于一号电机反转，使得行星齿轮正转，而行星齿轮的转动加上行星齿轮座的转动提高了外齿圈的转速。
这种状况与此前提到过的加速状况相比，行星齿轮座的转速相似，但不同的是，普锐斯加速时，尽管车速不太高，但汽油机转速较高，以提供强劲的动力；
而在巡航时，尽管车速较高，汽油机却要保持低转速，以获得较高的效率。
根据对动力分配器的研究，我们知道一号电机必须对恒星齿轮施加一个反转力矩。
只有这样，汽油机才能提供一个力矩迫使外齿圈正转。
如果一号电机不顶住汽油机的推力，汽油机就会带动一号电机越转越快，而不会去推动外齿圈（车轮）正转了。
一号电机正转（发电）时，其反向力矩就是发电的阻力，这很好懂。
也就是说，当通过电子逆变器从一号电机获得电能时，反向力矩就会出现。
但是，一号电机在反转时（不发电），我们怎么才能让它提供反向力矩呢？
当一号电机正转并提供正向力矩时，它以电动机模式工作。
如果要求一号电机反转并提供反向力矩，一号电机也必须工作在电动机状态，此时，通过电子逆变器向一号电机供电。
现在的情况有点微妙了。
汽油机和一号电机都在提供推力。
哪么二号电机是不是也在推动车子呢？
眼下，从机械结构上分析，也不好说二号电机不能推动车子。
这种情形初看似乎挺不错：
两台电机和一台汽油机都在提供推力。
但是，这时汽油机转速不高，功率不大。
要想对车轮提供较大的推力，这种方式的效果并不好。
为了向车轮提供较大的推力，还是应该提高汽油机的转速，也就是让一号电机正转。
既然这么做不行，必须考虑从什么地方获得电能来让一号电机以电动机的模式工作。
用电池组供电吗？
短时间是可以的。
但维持不了多久，就不得不放弃用电池供电的作法，因为加速和爬坡都不能没有电。
一方面要能够连续供电，另一方面还不能把电池组的电能耗尽，这样，我们只能得出一个结论，即必须用二号电机发电，也就是让二号电机以发电机模式工作。
二号电机发电，供一号电机以电动机方式工作，这可能吗？
有人用II型车载诊断仪测试汽油机的转速，提供了有关证据，并使这一过程得到了重现以后，普锐斯的动力分配器有这样一种工作方式的说法逐渐被人接受了。
由于汽油机和一号电机都在提供动力，并由动力分配器把二者的动力结合在一起，有人提供把这种工作模式称为“动力结合模式”。
不过，由于“二号电机发电，让一号电机以电动机模式工作”的概念与人们想象中的系统工作方式大相径庭，最终大家称之为“特异模式”。
让我们换个角度再概括一下吧：
普锐斯巡航时，汽油机以低速推动行星齿轮座圈，一号电机带动恒星齿轮反转，迫使使得行星齿轮正转，向外齿圈提供更多的动力。
外齿圈还是只得到汽油机扭矩的72%，但是由于一号电机反转的结果，（使行星齿轮正转，增加了对外齿圈的推力）外齿圈的转速提高了。
外齿圈转得越快，普锐斯跑得就越快，而汽油机仍能保持较低的转速。
令人难以置信的是，二号电机此时却向一号电机供电，并由于发电产生的阻力对普锐斯的运动造成轻微的影响。
可以说这时普锐斯是利用来自汽油机的剩余扭矩在行驶。
以下的示意图显示动力分配器在巡航时的工作状态：
如果能用耳朵听出汽油机转速的变化，就能知道普锐斯现在处在什么工作方式。
但当普锐斯以相当快的速度行驶时，却几乎听不到汽油机的声音，也许是汽油机的声音被路噪掩盖了。
在能量监视屏幕上会出现汽油机向车轮提供动力，以及发电机给电池组充电的显示。
显示屏上的内容一会儿是给电池组充电，一会儿是从电池组取电。
这种变化反映了车载计算机在调整二号电机的发电阻力，以便保持动力输出的稳定。
能量不时地注入和流出电池组也起到了防止偏离最佳充电状态的作用。
在我每天在高速公路和城市道路往返过程中，普锐斯有三分之一的时间在这种“特异模式”下工作，其累计时间超过了其它工作方式，如所谓的“正常加速”模式，纯电动模式、滑行模式、等红灯模式等。
7、滑行
当把脚从油门踏板上抬起来时，可以说普锐斯进入了“滑行状态”。
这时，汽油机不再推动车子前行，由于滚动阻力和空气阻力的影响，普锐斯的速度逐渐下降。
在常规汽车里，发动机依然通过变速箱与车轮相联。
由于汽油机在旋转过程中没有燃料进入，发动机本身的阻力也会使车速降低。
这种现象称为“发动机制动”。
尽管在普锐斯上不可能出现这种现象，丰田公司还是决定通过模拟发动机制动，让你在开普锐斯时有开常规汽车的感觉。
滑行的时候，普锐斯的车速下降比只有滚动阻力和空气阻力的情况更快。
为了造成这种额外的阻力，二号电机被设置作为发电机工作，给电池组充电。
其发电阻力模拟了发动机制动的情形。
由于滑行时普锐斯的汽油机不必推动车子行驶，所以它可以停止运转。
右边的动画显示的是行星齿轮座圈（即汽油机）停止了运转，但外齿圈还在转动的情况。
因为二号电机是直接作用于外齿圈的。
这时行星齿轮正转，一号电机反转。
一号电机既不发电也不耗电，只是在空转。
以下示意图显示动力分配器在滑行时的工作状态：
8、刹车
如果想让普锐斯快一点停下来，而不是靠滚动阻力、空气阻力、或者汽油机制动让车子停下来时，就要踩刹车了。
在普通汽车里，踩刹车踏板的压力会由液压系统传到刹车片上去。
刹车片与刹车盘或刹车鼓磨擦时，随着车速的降低，车子的动能被转换成了热能。
普锐斯也有同样的装置。
但它还有别的装置－即能量再生式刹车装置。
尽管在滑行时二号电机也会产生发电阻力来模拟普通汽车的汽油机制动，当你踩下制动踏板时，二号电机的的发电量会大幅度上升，产生更大的发电阻力来降低车速。
与浪费汽车动能的磨擦式刹车不同的是，在能量再生式刹车过程中产生的电能被储藏在电池组里供以后使用。
车载计算机会计算出通过能量再生式刹车产生的减速力量，并相应减少传给从磨擦片的液压制动力。
在普通汽车下陡坡时，你也许会决定减档，以便增加发动机制动的效果。
这时发动机转速提高，拖住车子，帮助刹车片来降低车速。
在普锐斯上也有这样的选择，如果把变速杆移到“B”位，就可以利用汽油机制动。
在正常情况下刹车时，汽油机是停转的。
在“B”档，车载计算机和电机会使汽油机转起来，但不给燃料，还会关闭汽油机的节气阀。
汽油机提供的阻力可以降低车速，并减少刹车产生的热量，让你踩刹车时省点儿力气。
9、爬行和电力起步
当你松开刹车踏板以后，普通自动档汽车（挂在D档位置）会由静止状态转为缓慢向前移动。
这也许是变速器的一个副作用。
它的好处就是，当你在坡道上松开刹车去踩油门时，可以防止汽车倒溜。
这种缓慢前移现象可以称为“爬行”。
由于有发动机刹车功能，普锐斯其实不一定非得这样。
只不过丰田公司想让开车人感觉普锐斯和普通汽车差不多，所以，在普锐斯上也模拟了这种爬行。
当你松开刹车时，少量电力就会通到二号电机，使车子缓慢前行。
当你稍微用力踩下油门踏板时，二号电机会获得更多的电力，普锐斯就会更坚定地向前走。
由于二号电机功率很大，扭矩也很大，只要交通情况允许，加速柔和，你完全可以只用电力把普锐斯加速到一个相当的速度。
踩油门的力度越大，汽油机介入的时机就越早。
如果你一下子把油门踩到底，汽油机会立即点火，尽管汽油机提速会稍微滞后一点。
不过，在城里起步时，只用电池组开动二号电机可以完全无声起步。
这时汽油机并不运转，一号电机也只是反向空转。
通过右边的动画，你会发现情况和滑行完全相同。
10、低速行驶和电动行车
前面说了，普锐斯可以只用电动机起步，前提是不要使劲踩油门。
如果在汽油机介入之前就达到了所需的速度，就可以一直用电力行驶。
这种模式称为电动行车，因为这时普锐斯和纯电动车完全一样。
右边的动画显示的是，当二号电机推动普锐斯时，外齿圈在转动，而行星齿轮座圈和汽油机未起动，恒星齿轮和一号电机在反向空转。
以下示意图显示动力分配器在低速行驶和电动行驶时的工作状态：
在加速过程中，即使汽油机启动了，当达到所需的速度时，只要减轻踩油门踏板的力度，所需的动力就会下降到仅凭二号电机就可以轻松行驶的程度。
这时，汽油机就会停车，还是能用电力行驶。
什么时候会进入到电力行驶状态取决于许多因素，如电池组的电量，以及一些还开不清楚的因素。
有时候，在一个缓坡上以56公里速度以纯电力行驶时，车速会慢慢提高到60公里以上。
而有的时候，只要稍微踩一下油门，在车速48公里时，汽油机就会介入。
好像在用电力行车时，普锐斯自己会思考一样。
不过，用电力行驶一段时间以后，电池组的电力肯定下降，汽油机点火推动普锐斯并给电池组充电的可能性会大大增加。
在电力行车过程中，当汽油机必须启动时，外齿圈和恒星齿轮一开始就在转动，除此以外，情况与热车启动时差不多。
恒星齿轮在反转，而且转速要下降，不过其转速足以启动汽油机了。
根据车速情况，恒星齿轮也许需要转为正转。
为了使恒星齿轮降低转速，一号电机首先被设置以发电机模式工作。
不过，当一号电机的转速降到几乎为0的时候，就必须将其转换为电动机模式，使它的转速从0迅速转为正转。
就像汽油机在静止的车上启动那样，这时其是行星齿轮座圈开始正转，汽油机也随之正转。
外齿圈本来就是在二号电机驱动下正转的，在一号电机转速较低时它可以协助将汽油机提高到启动转速。
但这样做是有代价的。
启动汽油机时，会给外齿圈带来一股反作用力。
为了不让驾驶员和乘客感到汽油机启动的冲击，车载计算机会发出指令，向二号电机提供一个额外的电脉冲来抵消汽油机启动的冲击。
11、减速和下坡
缓慢减速行驶或者下坡时不需要很大的动力，因为这时普锐斯的惯性和重力会帮忙。
所以会放松油门踏板就行了。
如果只是稍微减速或者下一个小坡，汽油机的输出和转速会有所下降，但开车的人很可能不会发现。
在大幅度减速或者是陡坡时，如果二号电机足以提供所需的动力，汽油机就会完全停止运转。
减速时，前面曾经说过在汽油机停止运行时二号电机是如何提供所需的动力的。
在加速时，或者在平坦的路面上行驶时，如果车速超过64公里，就不太可能出现情况纯电力行驶的情况，这是因为克服空气阻力所需的动力会足以让汽油机启动。
不过，当车速更高时，在减速和下坡的时，纯电力行驶的情况也可能出现。
当利用电力行驶时，如果车速超过67公里，普锐斯就必须防止一号电机超速运转，其保护方式与前面提到过的高速滑行时相同。
唯一的区别是，这时车轮不是靠普锐斯的动能来带动，而是靠二号电机推动。
而一号电机还是要通过发电来抵消过快的转速，结果使汽油机也转动起来。
这时，并不向汽油机供油和点火。
当然，这样做的结果是一号电机会消耗一部分本来可以驱动普锐斯的动力。
还有一部分能量在转动汽油机时损失掉了。
但也有一部分能量以一号电机发电的形式又收回来了。
这部分电能可以部分弥补二号电机用掉的电能。
所以，可以把时速67公里以上时纯电力行驶的状况称为“高速电动模式”，以便与低速电动模式相区别。
在低速电动模式下，汽油机是不必旋转的。
如果完全松开油门踏板，普锐斯当然又回到滑行状态了。
12、倒车
普锐斯没有倒档齿轮来让汽油机推动车辆倒退，所以它只能利用来自二号电机的电动力后退。
汽油机对倒车也不提供直接的帮助。
在多数情况下，当你挂倒档后，普锐斯会停掉汽油机。
当二号电机推动减速齿轮倒转时，动力分配器的外齿圈也会倒转。
由于这时汽油机和行星齿轮座圈都不转，这意味着一号电机将会正向空转，既不耗电，也不发电。
这种情形与电动行车模式完全相同，只不过旋转方向相反。
以下示意图显示动力分配器在倒车时的工作状态：
车载计算机将不会允许高速倒车，以免一号电机超速。
当电池组电力不足时，如果挂进倒档，汽油机仍会继续运转。
唯一的不同之处是，当行星齿轮座正向旋转时，恒星齿轮和一号电机正向旋转的速度会更快。
而车载计算机必须将普锐斯倒车的速度限制在一个较低水平上，以防止一号电机超速。
同时，一号电机向二号电机供电并给电池组充电。
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