丰田第二代混合动力系统(THSⅡ)张金柱(黑龙江工程学院汽车系,黑龙江哈尔滨150050)摘要:丰田公司生产的prius轿车是世界上第一款大批量生产的混合动力汽车。介绍该车所用丰田第二代混合动力系统(THSⅡ)的结构、原理和特点。关键词:丰田;混合动力系统;结构中图分类号:TK411 文献标识码:A 文章编号:1000-6494(2005)03-0006-04
SecondGenerationofToyotaHybridSystem(THSⅡ)ZHANGJin-zhu(AutomotiveDept.ofHeilongjiangEngineeringInstitute,Harbin150050,China)Abstract:PriuscarproducedbyToyotaisthefirststyleofhybridpowerautomotivesproducedinlargebatchintheworld.Thispa2perintroducesthestructure,theprincipleandfeaturesofTHSⅡusedinthecarmentionedabove.Keywords:Toyota;Hybridsystem;structure
基金项目:黑龙江省自然基金资助项目(E2004-04)作者简介:张金柱(1963-),男,副教授,工学硕士,研究方向为汽车动力系统检测、开发与设计。收稿日期:2005-03-15
丰田公司于1997年开始销售混合动力的Prius,
它是世界第一款商业用途的大批量生产的混合动力汽车。丰田混合动力车的动力中枢是混合动力系统(THS—ToyotaHybridSystem),它使汽油机和电力两
种动力系统通过串联与并联相结合的形式进行工作,达到低排放的效果。在2003年4月的纽约国际车展上,丰田推出了采用THSⅡ系统的新一代Prius,
使混合动力汽车的发展又向前迈了很大一步。THS
是一种串并联混合动力系统,它的动力分配装置把动力分成两路,一路是汽油机的动力直接传到车轮,
另一路(电路)是发动机将能量转变成电能,带动电动机或给电池充电。
1 THSⅡ系统简介1.1 系统组成THSⅡ系统主要部件有采用Atkinson循环的高效汽油机、永磁交流同步电机、发电机、高性能镍金属氢化物(NI-MH)电池和功率控制单元,见图1。功率控制单元由高压电源电路、AC-DC逆变器组成。电源电路将电动机和发动机的电压升至500V。AC-DC逆变器用于电动机、发电机的交流电和混合动力电池的直流电之间的转换,动力分配装置用于分配、合成和传递发动机、电动机和发电机的机械动力。
图1 THSⅡ系统结构1.2 THSⅡ系统工作过程a.启动,低速到中速运转时,只要电池电量在合理范围内,汽车由电动机驱动,此时整车处于电动车模式,不排废气。b.当整车进入一般行驶条件时,此时发电机起到启动机的作用,使发动机从静止开始旋转,直到点火。整车动力一部分来自发动机,另一部分则由发动机带动发电机后给电动机供电驱动车轮。c.瞬间加速除与一般行驶条件相同外,电池会提供额外的功率给电机来改善整车加速性能,此时发动机瞬态加速性能大幅提高,制造了不少驾驶乐趣。d.减速、制动,车轮驱动电动机。电动机起到发电机作用。再生制动系统将动能转变为电能,并储存于镍氢能电池。e.电池再充电,电池始终保持充足电量。根据需要,发动机驱动发电机给电池充电。
第3期2005年6月内燃机InternalCombustionEnginesNo.3Jun.2005
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.f.停车,发动机自动熄火。2 THSⅡ系统的主要部件2.1 发动机丰田prius采用1.5L汽油发动机。工作循环为Atkinson循环,热效率高,膨胀比大。通过减小燃烧室容积,提高膨胀比〔(膨胀行程容积+燃烧室容积)Π燃烧室容积〕(图2),膨胀压力充分降低后,才开始排气冲程,利用全部膨胀能量。图2 高膨胀比原理图在传统发动机中,压缩冲程容积和膨胀冲程容积几乎是一样的,压缩比〔(压缩冲程容积+燃烧室容积)/燃烧室容积〕和膨胀比基本上相同。因此若要扩大膨胀比,也要增大压缩比,这就不可避免会产生敲缸,限制膨胀比增大。Atkinson循环采用延长进气门关闭的时刻,在压缩冲程的起始阶段(当活塞开始上行时),部分进入气缸的空气回流到进气岐管,有效地延迟了压缩起始点,故膨胀比增大,而实际的压缩比没有增大。由于这种方法能增大节气门开度,在部分负荷时可减小进气管负压,从而减小进气损失。采用VVT-i(智能可变气门正时)装置,可以根据工况准确调整进气门开启与关闭时刻,始终保持最大充气效率。采用挤压紧凑型燃烧室,确保燃烧室内火焰快速传播。采用铝合金的气缸体,减轻质量,缩小尺寸。小而轻的缸体及紧凑的进气岐管提高了燃油效率。发动机最高转速从4500rΠmin提高到5000rΠmin,输出功率增大。采用较小张力的活塞环,减小摩擦损失。发动机转速的提高使发电机旋转更快,
提高加速时的驱动力,改善了燃油效率。2.2 高电压系统———电机和发电机发动机和发电机的电压从THS的274V增大到THSⅡ的500V,电源供给电机的电流减小,减少了热损耗。2.2.1 电机电机采用交流永磁电机,采用钕磁铁(永久磁铁)转子。通过优化永磁铁排列形式,提高驱动热和增长输出;高电压(500V)使电机的输出功率比THS
系统的提高1.5倍,即从33kW到50kW,见图3,而电机尺寸没有改变,单位质量和体积所产生的输出功率在世界上最大。在电机控制方面,在中转速范围增加全新的过调制控制系统:保留原来的低速和高速控制方法。通过改进脉冲宽度调制方法,中速范围的输出比原来的最大值增加大约30%。2.2.2 发电机与电动机一样,发电机也是采用交流永磁的,向高功率电动机提供充足的电,发电机高速旋转,以增大输出。采用增加转子强度等措施,将最大功率输出时的转速从6500rΠmin(传统型)提高到10000rΠmin,高转速明显地提高了中转速范围的电力,改善半低转速范围的加速性能。2.3 功率控制单元,电池和再生制动系统2.3.1 功率控制单元功率控制单元包括一个将电池的直流电变为驱动电机的交流电的逆变器和转换成12V的DC/DC
图3 电机性能曲线
第3期张金柱:丰田第二代混合动力系统(THSⅡ)・7 ・
© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.转换器。在THSⅡ系统中,增加一个将电源电压提高到500V的高电压电源电路,根据功率=电压×电流的关系式,提高电压就可以减小电流,可减小逆变器的大小。由于控制电路是集成的,功率控制单元与以前大小一样。2.3.2 半导体开关装置(IGBT)半导体开关装置(IGBT,绝缘门双极晶体管)提高电池电压,并将增大的直流电转变成驱动电机的交流电,由于转换的电流大,减小发热量很重要。丰田研制出一种独特的,可细调到晶体级的晶体管,该装置要比THS的类似装置小20%,具有低发热,高效率的性能。2.3.3 混合动力电池在THSⅡ系统中,强化的镍金属氢化物电池更加紧凑,且具有高性能。使用全新的电荷连接结构,
从而降低电池内阻。新电池输入/输出密度比THS
的电池高35%,达到世界上最大的输出密度(单位质量的输出)。2.3.4 再生制动系统再生制动系统用于发动机制动或脚制动,将电动机变成发电机,转变汽车的动能为电能,给电池充电,在市区行驶时,该系统对于能量回收很有效,因为在城市行驶时,需经常加速和减速。踩动制动踏板时,本系统协调电子控制制动系统(ECB)的液压制动和再生制动关系,优先利用再生制动,甚至在车速很低时,也能回收能量。此外,通过改善电池性能,能更多地回收能量。通过减小传动系统内部摩擦损失,减速期间的能量也被回收。2.4 混合动力传动系统混合动力传动系统由动力分配装置、发电机、电动机和减速器等组成。发动机的动力由动力分配装置分为两部分,一个动力输出轴与电动机和车轮连接,另一个输出轴与发电机相连。这样,发动机从两条路线传递,即机械路线和电路。也可安装电控无级变速器,可连续地改变发动机转速以及电动机和发电机转速。THS-H采用低摩擦球轴承传动装置,摩擦损失减小30%。动力分配装置采用行星齿轮机构。行星齿轮架的转轴直接与发动机连接,通过行星齿轮把动力传给外齿圈和内太阳轮。齿圈的转轴直接与电动机连接,把驱动力传给车轮,太阳轮直接与发电机连接,
见图4。2.5 THS-Ⅱ的控制系统THS-Ⅱ的控制系统调节整车的能量分配,使整
图4 动力分配装置车的工作效率最优。这包括使汽车行驶的能量、辅助装置消耗的能量,如空调、加热器大灯和巡航系统。控制系统监测需求量和混合动力系统、部件的工作状态,如发动机,整个混合动力车的能量来源;
电动机,利用电池的电能产生使汽车行驶的驱动力;
电池,储存电动机在汽车减速时产生的电能。通过汽车控制网络、驾驶员的指令获得制动信息。比如节气门开放,换档位置等。换句话说,THSⅡ的控制,
实时监测汽车的各种能量消耗状态,提供快速、准确的整体控制,使汽车能够安全、高效、平稳地行驶,见图5。
图5 THSⅡ控制系统原理图2.5.1 THSⅡ系统的启动和停止THSⅡ采用线控技术。驾驶员的加减速、制动和转向等指令被转变成电信号(通过电线),提供给汽车电控装置,电控装置对汽车进行整体控制。在线
・8 ・内燃机2005年6月© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.