丰田普锐斯混合动力车系统研究.docx

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丰田普锐斯混合动力车系统研究

摘要

　　普锐斯Prius于1997年10月底问世，是世界上最早实现批量生产的混合动力汽车。

在人们日益关注环保的今天，普锐斯Prius因革命性地降低了车辆燃耗和尾气排放，其划时代之意义与先进性得到了全世界的高度评价。

　　2005年12月15日正式我国上市的新款普锐斯Prius，是第二代普锐斯Prius，它装备了新一代丰田混合动力系统THSII这是在上一代丰田混合动力系统THS的基础上，以能够同时提高环保性能和动力性能的“HybridSynergyDrive（混合动力同步驾驶）”为概念开发的。

THSII通过提升电源系统的电压使马达功率提高到原来的1.5倍，并通过控制系统的改进解决了一系列的技术难题，从而使发动机动力与马达动力的协同增效作用得到极大程度的发挥。

　　新款普锐斯Prius除了拥有新一代丰田混合动力系统THSII特有的“平滑而强劲的动力性能”和“世界顶级的环保性能”外，还拥有前卫的造型、舒适的操控性能、以及电子排档、带湿度感应器的电动变频自动空调等引人注目的卓越功能和先进装备。

　　动力系统构成

　　通过提升电源系统电压来提高马达输出功率，同时控制系统进行了大幅度的改进。

自主开发总成所构成的全息系统，带来车辆行驶性能的飞跃。

　　主要新开发总成

　　THSII的主要总成全部由丰田汽车公司自主开发。

通过对电源系统、马达、发电机、电池组等的革新，全面提升了系统性能。

系统构成包括：

两个动力源（采用高膨胀比循环的高效汽油发动机和输出功率提升至1.5倍的永磁式交流同步电动机）及其驱动马达、发电机、内置动力分离装置的混合动力用变速箱、混合动力用高性能镍氢电池组、动力控制总成。

　　与人们所熟悉的将汽油发动机作为动力提供装置的普通汽车不同，普锐斯Prius的动力有两部分组成，除了发动机外还多出了电动机（永磁式同步交流电动机）和混合动力车专用蓄电池（密封镍氢电池），这样蓄电池的电力也可以为车辆提供部分动力，达到节省燃油的目的。

　　在普锐斯Prius的整个行驶过程中到底是用发动机还是用马达来驱动汽车是要根据车辆的行驶状态来决定的，发动机只有在普通行驶和全面加速的两个阶段中运转，消耗燃料，而在减速制动阶段由车轮来驱动马达将车辆制动能量转换成电能并进行回收将被再次利用。

　　普锐斯Prius作为世界首款量产的混合动力车，它改变了人们基于传统汽车的评判标准。

通过TOYOTA油电混合动力系统将汽油发动机与电动机进行组合，在达成高水平的燃油经济性和环保性能的前提下，实现了出色的动力性，并创造了舒畅的驾驶乐趣和良好的静谧性。

在城市工况下，排量为1.5L的PRIUS普锐斯达到了相当于2.0L传统车型的动力性能；而油耗仅相当于1.0L的传统车型。

关键词　　发动机、电气系统、维修、构造、诊断、图解

Title：

ToyotaPriusHybridResearch

Abstract：

PriusPriusinavailablebytheendofOctober1997,istheworld'sfirstmassproductionofhybridvehicles.Thereisagrowingconcernintoday'senvironment,thePriusPriusasaresultofarevolutionarywaytoreducevehiclefuelconsumptionandexhaustemissions,withitsepoch-makingsignificanceoftheadvancednatureoftheworldhasbeenhighlypraised.

December15,2005China'sofficiallistingofthenewPriusPrius,isasecond-generationPriusPrius,equippedwithitsnext-generationToyotaHybridSystemTHSIIThisisthelastgenerationToyotaHybridSystemTHSonthebasisofTobeabletoimprovetheenvironmentalperformanceofpowerandperformanceofthe"HybridSynergyDrive（synchronoushybriddrive）"forthedevelopmentoftheconcept.THSIIthroughtheupgradingofthepowersystemvoltagemotorssothatthepowertotheoriginal1.5-fold,andthroughimprovedcontrolsystemtosolveaseriesoftechnicalproblems,sothattheenginepowerandmotorpowerofthesynergiestobeagreatlevelofplay.

ThenewPriusadditiontothenewgenerationToyotaPriusHybridSystemTHSII-specific"smoothandstrongperformanceofpower"and"theworld'stopenvironmentalperformance",butalsohavetheavant-gardestyleandcomfortablecontrolperformance,aswellasfoodstallsbye-,Withthehumiditysensor'selectricalinverterairconditioningautomaticallynotable,andotheroutstandingfeaturesandadvancedequipment.

Priusastheworld'sfirstmassproductionofhybrid,itchangedthewaypeoplejudgethecarbasedonthetraditionalstandards.TOYOTAthroughthehybridsystemwithgasolineengineandelectricmotorcombination,toreachahighleveloffueleconomyandenvironmentalperformance,achieveexcellentpower,andcreatedacomfortabledrivingfunandgood-quiet.Conditionsinthecities,1.5LdisplacementforthePRIUSPrius2.0Lreachedtheequivalentofthetraditionalmodelsofdynamicperformance;and1.0Lfuelconsumptionisequivalenttoonlythetraditionalmodel.

Keywords：

Engines,electricalsystems,maintenance,construction,diagnosis,graphic

目录

摘要I

1.1引言3

1.1.1混合动力车的概述5

2Prius混合动力系统结构8

2.1动力系统结构8

2.2不同工况下混合动力系统工作状况9

2.2.1发动机起动9

2.2.2车辆起步10

3Prius混合动力车技术特征分析14

3.1机械结构分析14

3.2电气结构分析16

4电机及驱动控制系统分析21

4.1电机及驱动控制系统的特点21

4.2电机及驱动系统基本组成21

4.2.1电机（MG1、MG2）工作原理23

4.2.2电机（MG1、MG2）结构23

4.2.3变频器电路26

4.2.4电机驱动系统的控制26

4.2.5维修电动机及驱动系统注意事项28

结论29

致谢30

参考文献31

1.1引言

能源和环境是当今世界可持续发展面临的两大根本问题。

随着经济的发展，汽车拥有量急剧升高，这两大问题日益突出，而在我国显得更加严重。

2002年中国轿车产销量以超过40%的增长而被称为“中国轿车元年”。

2002年我国汽车总产量达到300万辆，2003年总产量达到400万辆。

汽车产销量的飞速增长，给我国石油能源带来巨大的压力，同时也给城市大气环境带来了严重的影响。

进入21世纪，随着经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提出越来越高的要求。

为了降低汽车的燃油消耗，减少有害的排放生成物，各国相继出台了更严格的排放法规，汽车工作者对传统内燃机汽车采取了复杂的技术改造，例如代用燃料、添加剂、催化净化器、多气门结构、稀燃、分层燃烧、电控喷射等。

这些技术的应用大大降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。

但是传统的内燃机车由于其固有的燃烧和排放特性，对燃油消耗和排放的解决有一定的局限性。

同时复杂的技术改造直接的后果是使得传统汽车的造价不断上升，利润空间越来越小，长此以往，不利于汽车工业的发展，也不利于汽车的普及。

在此背景下，各种各样的新型动力汽车脱颖而出。

虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的技术问题阻碍了电动汽车的应用。

由于电池的能量密度与汽油相比要差上百倍，远远未达到人们所期望的数值。

专家估计在未来一段时间内，电动汽车还无法取代燃油发动机汽车，为此采取了一个两全其美的办法，开发了混合动力汽车HEV（HybridElectricVehicle）。

混合动力汽车是一种新出现的绿色环保汽车，它采用内燃机和电动机作为混合动力源,这种混合动力的汽车既有燃油发动机动力性好、续驶里程长的优点，又有电动机无污染和低噪声的好处,可达到发动机和电动机的最佳匹配。

对于传统内燃机动力汽车，制动能量全部由刹车片摩擦消耗掉；而对于混合动力汽车，在刹车制动时，通过对电机、刹车系统及动力电池管理系统的协调控制，使电机工作在发电机状态而产生制动转矩，向动力电池高效率回收制动能量，可显著提高整车的能量利用率。

一般认为这类汽车的燃油经济性可提高15%-40%，废气排放可降低30%-50%，排放指标最好水平能达到目前排放标准指标值的10%。

混合动力汽车是目前公认的最具有产业化和市场前景的电动汽车，它具有如下主要的优点：

*可以大幅度降低汽车的排气污染；

*可以较大幅度的提高汽车燃油效率；

*与纯电动汽车相比，大大降低了对动力电池的过分依赖，避开了目前电动汽车研发和产业化过程中电池领域的“瓶颈”；

*使用传统燃料，对基础设施没有提出任何特别的要求；

*使用方便，成本提高幅度小。

混合动力汽车既具有内燃机动力性好、反应快和工作时间长等优点，又有电机无污染和低噪声的特点，可达到电机和发动机的最佳匹配。

由于混合动力系统具有充电功能，因此不需要建设配套的充电基础设施。

对于电池的要求，与纯电动汽车相比也大大降低了。

因此混合动力汽车在技术、经济和环境等方面具有综合优势。

1.1.1混合动力车的概述

混合动力汽车（HEV）是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据车辆的实际行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。

混合动力汽车的基本组成单元由牵引电机（tractionmotor）及控制系统ECU、动力电池（powerbattery）及管理系统ECU、燃油发动机及控制系统ECU等组成。

任意设计的HEV是不能达到上述要求的，必须要求设计HEV进行整体性能及参数匹配研究，包括驱动部分的布置形式、各部件的参数选择、功率在燃油发动机和动力电池之间的分配等。

根据HEV零部件的种类、数量及联结工作方式，可以将混合动力汽车分为三种基本类型：

串联型混合动力汽车SHEV（SeriesHybridElectricVehicle）、并联型混合动力汽车PHEV（ParallelHybridElectricVehicle）、混联型混合动力汽车SPHEV（Series-ParallelHybridElectricVehicle）。

CAN（ControllerAreaNetwork）总线是德国Bosch公司为解决现代汽车工业中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线。

CAN协议已成为国际标准化组织ISO的11898和11519标准，现在它逐步发展成为用于工业部门控制和通信的现场总线。

与其它的现场总线相比，CAN具有低成本、易开发以及抗干扰性能好等优点，传输速率最高为1Mbps，最大传输距离为10km（5kbps），同时由于CAN废除了传统的站地址编码，使网络上的节点理论上为无穷大。

CAN的诸多优点使它在最近几年得到广泛应用，世界上很多著名的汽车制造商都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统及各检测和执行机构间的数据通信。

同时，各种基于CAN的高层协议的开发使得CAN总线的功能更强，应用范围更广，不仅在汽车工业、过程控制、数控机床和纺织机械等领域广泛应用，而且也在向医疗、电力、海运电子设备等方面发展。

CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

其特点可概括如下：

1）CAN为多主工作方式，网络上任意节点均可在任意时刻主动的向网络上的

其它节点发送消息，不分主从，通信方式灵活，并且无需站地址等节点消息，利用这一特点可方便的构成多机备份系统。

2）CAN采用非破坏仲裁技术，当多个节点同时向总线发送消息时，优先权较低的消息会主动退出发送，而最高优先级的消息可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线仲裁时间。

3）CAN的每帧消息都有CRC校验及其它检错措施，数据出错率低，从而使通信更加可靠。

CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，使总线上其它节点的操作不受影响。

4）CAN总线支持新节点的在线接入，在应用层协议编码上也留有一定的保留位为将来扩充提供支持。

1.1.2混合动力电动汽车发展概况

国际电子技术委员会（InternationalElectro-technicalCommission，简称IEC）对混合动力车辆的定义为：

“在特定的工作条件下，可以从两种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。

其中至少有一种存储器或转化器要安装在汽车上。

混合动力电动汽车至少有一种能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能。

串联式混合动力车辆只有一种能量转化器可以提供驱动力，并联式混合动力车辆则不止一种能量转化器提供驱动力。

”混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。

它将现有内燃机与一定容量的储能器件（主要是高性能电池或超级电容器）通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。

国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注。

世界第一辆由汽油机和电动机组合的混合动力汽车，于1899年由费迪南-保时捷（FerdinandPorsche）研制成功。

但由于受其他技术（如电动机、电池和控制等）发展的制约，加上环境、能源问题未被引起足够重视等，使混合动力汽车技术在其后的几十年里未被重视。

直到近十几年才引起世界各大汽车公司的重视。

上世纪90年代以来，日本、美国和欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力汽车。

日本丰田汽车公司率先于1997年12月将混合动力电动汽车Prius（如图1-1所示）投放本国市场，2000年初又开始投放北美市场，并将月产由1000辆调升到月产2000辆，三年内销售了4.5万辆，产品出现了供不应求局面。

除了丰田公司以外，本田、日产等汽车公司研制了自己的混合动力汽车，并取得了骄人的成绩。

本田汽车公司开发的J-VX混合动力电动汽车概念车，其动力系统为1升3缸直喷式VTEC发动机和电动机，还有一组超级电容以替代通常使用的蓄电池系统。

1999年末，本田公司在日本、美国等国陆续开始销售小型混合动力轿车Insight。

Insight并联式电动汽车装备了本田公司的IMA（IntegratedMotorAssist）混合动力系统和无级变速器，是一种新式未来型跑车，被美国环保总署评为2001年美国十大节能汽车的第一名，第二名则为丰田汽车公司的Prius混合动力汽车。

日前，丰田公司推出了其豪华品牌雷克萨斯的混合动力电动越野车RX400h。

2Prius混合动力系统结构

2.1动力系统结构

Prius采用混联式的机械结构,包括2个电机,即MG1和MG2,MG1主要用于调速,MG2主要作为驱动电机,2个电机均可以作为发电机和电动机。

电机和发动机通过一套行星齿轮组连接实现动力分配。

如图1所示,发动机与行星架相连,MG1和太阳轮相连,MG2连接在齿圈上,齿圈再通过齿形带和主减速器相连。

电机和发动机之间具有以下的转速关系:

nMG1+inMG2=（1+i）·ne

尽管我国汽车零部件产业总体水平有了很大提高,但仍然严重滞后于整车发展,尚未摆脱弱、小、散的局面。

市场集中度低、自主开发能力弱、高新技术产品少、长期投资不足,已成为制约汽车产业发展的关键因素。

“十一五”期间,汽车零部件工业要全面提升产业竞争力,不能再走单纯靠投资拉动增量、靠大集团建立封闭零部件制造体系、靠过度依赖国外技术和整车企业的发展道路而要抓住国家支持自主创新的战略机遇期和国际汽车产业转移的契机,进行必要的战略调整,促进产业结构、产品结构的优化升级和开发能力的提高,满足整车发展的需要和市场的需求。

对于机械类零部件要提倡自主开发、培育自主品牌,扩大国内外配套份额,进一步做大、做强企业;机电类零部件要加快形成产品研发能力,形成一批具有国际竞争力的骨干企业;电子类零部件要充分利用国内外技术资源,尽快掌握核心技术,形成一批具有高新技术、能为多家配套的企业,积极参与整车企业产品开发,与整车企业建立长期战略伙伴关系,进入国际市场。

Prius主要参数

Prius1997

Prius2001

Prius2004

长/宽/高（mm）

4310×1695

×146

4310×1695

×146

4445×1725

×1475

整备质量（kg）

-

1255

1296

发动机最大功率（kW）

（r/min）

43/4000

52/4500

57/5000

发动机最大转矩（Nm）

（r/min）

102/4000

111/4200

115/4200

驱动电机最大功率（kW）

（r/min）

30/（940~

2000）

33/（1040~

5600）

50/（1200~

1540）

驱动电机最大转矩（Nm）

（r/min）

305/

（0~940）

350/

（0~400）

400/

（0~1200

镍氢电池

圆柱形模块

288V

长方体模块

273.6V

长方体模块

201.6V

动力总成最大功率（kW）

（km/h）

-

74/120

82/120

动力总成最大转矩（Nm）

（km/h）

-

421/11

478/22

百公里加速时间（s）

-

12.8

10.9

EPA油耗（M/G）

（C./H./Com.）

-

52/45/49

60/51/56

Prius混合动力系统结构示意图

2.2不同工况下混合动力系统工作状况

2.2.1发动机起动

发动机起动分为热起动、冷起动。

热机状态下,MG1作为电动机拖动发动机达到1000r/min以上后,发动机开始喷油,同时MG1进入发电模式,如图2所示,如果电池的充电需求为零,则发动机在运行约2s后停机。

图3为发动机冷起动时系统工作状况。

发动机被MG1拖动到1200r/min左右后约2s才开始工作,这实际上包含了发动机的暖机过程。

2.2.2车辆起步

车辆起步时,发动机静止,由MG2拖动车辆,MG1随动,当功率需求达到一定值时,MG1立即拖动发动机起动。

根据电池SOC的不同,发动机起动的时刻也不同。

图4为车辆起步工况。

2.2.3加速

分别对全油门加速和部分油门加速情况进行试验测试。

全油门加速试验时,MG2电流迅速增加,拖动车辆加速,MG1也迅速拖动发动机到较高转速,在发动机转速突变的过程中基本不存在瞬态加浓过程。

部分油门时,由于电机MG2的助力作用,发动机的喷油脉宽不存在瞬间增加的情况,而MG1一直作为发电机。

2.2.4匀速

图5为120km/h匀速工况,由于此时的电池SOC为60%,电池充电需求为零,车辆功率需求恒定,发动机工作点比较优化。

MG2正向旋转为发电机,而MG1作为调速电机调整发动机的工况点。

在车辆匀速行驶时,电池是否充电首先取决于SOC,另外与MG2转速和输出电压有关。

当车辆的功率需求较小时,可以以纯电动工况行驶,发动机静止,MG2拖动车辆,MG1随动经观察,纯电动运行最高车速为40km/h,当电池SOC降低到45%时,发动机必须重新起动。

2.2.5滑行和制动

加速踏板松开后,车辆开始滑行,图6为D档滑行情况,初始SOC为60%,发动机喷油脉宽逐渐减小直至断油,MG1立刻作为电动机调速使发动机停转,这样减小了滑行过程中的摩擦损失,而MG2一直进行能量回收。

车速较高时,为了防止MG1逆向旋转超速,必须对MG1进行转速控制。

若电池SOC较低,发动机断油,转速逐渐下降,当降到1000r/min时,发动机恢复喷油。

B档时利用发动机制动,不管SOC状态如何,发动机必须旋转,MG1作为电动机调速。

车辆制动时的工作状况和滑行工况相差不大,不同的是制动时ECU会根据制动功率需求进行液压制动和电机制动的功率分配。

图7为初速100km/h的B档制动,B档制动时,发动机转速降到1000r/min,车速降到15km/h时,发动机停转,不再恢复喷油。

3Prius混合动力车技术特征分析

3.1机械结构分析

丰田混合动力系统已经演变到第二代,THSⅡ（丰田混合动力系统Ⅱ代）的配置和工作原理与第一代Prius的THS完全相同,只是对一些主要零部件进行了重新设计、加工。

该THSⅡ系统由发动机、驱动电机/发电机、发电机、简单的电子机械动力分配装置（电控行星齿轮组）、镍氢蓄电池组和电控单元等共同组成,其中动力分配装置联接电动机和发电机起到CVT（无极变速器）的作用。

THSⅡ系统中不包含单独的起动电机,省掉了传统的齿轮式变速器或自动变速器。

该系统的结构特点是既采用串联工作方式又采用并联工作方式,组成了混联的THS混合动力系统,它能根据车辆行驶状态及发动机的效率有效地选定车辆的运行模式,其系统构成如图1所示。

THSⅡ系统的发动机是1NZ-FXE1.5-L