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浅析丰田THS混合动力系统
2020-05-07 23:43:45· 来源：EDC电驱未来
混合动力汽车的分类混合动力汽车有多种分类方式：1.按动力传动系统布置分类可分为：串联式、并联式、混联式。2.按使用用途分类可分为：续航里程延长型混合动力汽
混合动力汽车的分类
混合动力汽车有多种分类方式：
1.按动力传动系统布置分类可分为：串联式、并联式、混联式。
2.按使用用途分类可分为：续航里程延长型混合动力汽车、动率辅助型混合动力汽车。
3.按电动机与内燃机的搭配比例分类可分为：微混合动力汽车、轻混合动力汽车、中混合动力汽车、强混合动力汽车。
以上分类方式过于冗杂，结合三种分类方式的特点，可将其更直观的分类为：
单电机直连式、双电机直连式、双电机非直连式三种。
各自的结构形式和特点如下：
①单电机直连式，其示意图如图2-1所示。电机与发动机并联存在，汽车的动力可由发动机与电机同时提供，也可由发动机或电机单独提供。该结构中的电机既充当发电机又充当电动机，此种混动方式结构简单、易于拓展，但能量回收效率较低、驱动模式切换的过程不够平顺、节油效果并不明显，插电式混合动力便是在此结构上改进而来。
（图2-1 单电机直连式混合动力驱动系统示意图）
②双电机直连式，如图2-2所示。两台电机与发动机之间为机械连接。发动机发出的一部分动力通过机械能传递给驱动桥，另一部分动力用来驱动1号电机（负责发电），1号电机发出的电能输送给2号电动机或蓄电池组。车辆在不同的工况下，发动机、1号电机、2号电机与蓄电池组之间可以有多种不同的组合方式。发动机与两个电机之间通过行星齿轮机构无缝连接。两个电机与行星齿轮机构组成了动力分离装置ECVT用来替代传统汽车的变速箱机构。此种混动方式在各工况下都能维持较高的能量回收效率，在各种驱动模式切换时非常平顺，节油的效果也十分明显。丰田混合动力系统就是使用的此混动结构。
（图2-2 双电机直连式混合动力驱动系统示意图）
③双电机非直连式（也可称为双电机电连式），如图2-3所示。发动机并不是直接连接机械式传动装置去驱动车轮，而采用一种类似电传动的形势。发动机运转产生机械能用来驱动1号电机，由1号电机发电，产生电能为电池充电。然后由电池给2号电机供电，2号电机驱动车轮。该结构将电能作为中间能量传递的介质，而并非机械能。这种结构相对于纯电动车是最容易拓展的，整体的效能也要强于前两种混合动力结构。曾程式赛车雪佛兰沃兰达与本田的i-MMD混动系统就是采用的该混动方式。
（图2-3 双电机非直连式混合动力驱动系统示意图）
混合动力汽车的结构组成
（1）发动机
混合动力汽车广泛采用自然吸气发动机，根据不同的动力需求，可以研发出不同的混动汽车。在不同的混动结构中，发动机也有多种功能。例如发动机可以直接为车轮提供动力，也可以驱动电机发电为蓄电池组储存电能，有时还可以与电机协同工作为车辆提供澎湃动力。
（2）电动机
现阶段的混合动力汽车多数搭载永磁电机或开动磁阻电机。随着技术的进步，直流电动机在混动领域渐渐的被淘汰。电动机在混合动力系统中有两个主要功能：正向的从蓄电池组汲取能量驱动车轮；或反向的变为发电机通过再生制动回收的能量进行发电。电动机也可与发动机同时驱动车轮，为车辆提供澎湃动力。由于电动机恒定扭矩的特性，当车辆采用功率越大的电动机时，其加速性能便能有明显提升。
（3）蓄电池组
蓄电池组在不同的混动结构下有不同的功能应用，其基本作用是为电机提供能量驱动车轮。在一些混动结构里，蓄电池组更像一个“能量储存回收站”，车辆动能回收系统回收的能量都被储存在此处。现阶段混合动力汽车较多的使用成本低廉、稳定可靠、安全系数较高的镍氢电池组。其已经应用在国产丰田卡罗拉双擎混合动力汽车上，厂家提供给蓄电池组接近车辆整体寿命的保修政策，足以看出其可靠性极强。
（4）动力控制单元
动力控制单元相当于整套混合动力系统的“中央信息处理中心”。该控制中心根据车辆多个传感器反馈的时时信息判断整车的运行状态，由此对发动机与电动机发出的动力进行分配。车辆在不同工况下采用发动机驱动、纯电驱动，还是两者协同工作，都是由动力控制单元决定的。
下面将详细介绍极具代表性、诞生时间最长、较为稳定可靠、无需额外充电的丰田混合动力系统。
丰田混合动力系统组成
（图3.1 丰田混合动力系统组成）
丰田的混合动力系统THS-II主要部件采用阿特金森循环的高燃效自然吸气发动机、永磁铁电机、行星齿轮机构、发电机、高性能镍氢蓄电池组、动力控制单元、功率控制单元，如图3.1。逆变器与高压电源电路组成了功率控制单元，电源电路将发动机与电动机的电压升高。发电机、电动机采用交流电，蓄电池组采用直流电，逆变器负责两者之间的转换。汽油机、发电机与电动机之间动力的合成、分配以及传递由动力控制单元完成。
丰田混合动力系统工作过程
①当车辆在启动、怠速、起步、慢速蠕形、走走停停或低速到中速行驶阶段时，由于汽油发动机在这些情况下效率很低，而电动机恒定扭矩在这些情况下性能优越，可以灵敏、高效、顺畅的运行。所以丰田混合动力系统此时只使用蓄电池组为电动机提供电能驱动车轮，此阶段汽油发动机处于停机状态，如图3.2-1。（当蓄电池电量低时，发动机才介入带动发电机发电。）
（图3.2-1 纯电动模式）
②当车辆处于传统汽油发动机高效运转区间或高速行驶阶段，丰田混动系统使用发动机作为主要动力来源，此时发动机直接驱动车轮，根据行驶状况可将部分动力分配给发电机。发电机发电产生电能，驱动电动机协同配合发动机一起驱动车轮，如图3.2-2。若此时蓄电池组电量过低或车辆处于高速行驶阶段，发动机会产生多余的能量，这些能量由发电机发电转换成电能储存在蓄电池组中，如图3.2-3。
（图3.2-2 发动机为主要动力来源）
（图3.2-3 发动机为主要动力来源 充电模式）
③当车辆需要提高动力响应时，如提速、超车、爬陡坡等阶段，丰田混合动力系统采用双动力全开模式。蓄电池组与发电机同时为电动机提供电能，这样能够加大电动机的驱动力。发动机与电动机动力的结合可以使得车辆获得超越同级汽车的动力水平，获得强劲而顺畅的加速体验，如图3.2-4。
（图3.2-4 双动力全开混合模式）
④当驾驶员正在刹车减速或者减缓油门开度时，丰田混合动力系统进再生制动回收模式。使车轮的旋转力带动电动机运转，将其作为发电机使用。正常内燃机车减速时作为摩擦热散失掉的能量，在此时被转换成电能，回收到蓄电池组中进行再利用，如图3.2-5。
（图3.2-5 能量回收模式）
丰田混合动力系统主要部件解析
高燃效发动机
丰田混合动力系统采用高燃效、高膨胀比的阿特金森循环自然吸气汽油发动机。发动机在进气时推迟进气门关闭时刻，在压缩冲程开始时活塞上行，一部分进入缸内的空气返回进气歧管，延迟了压缩的起始点，减小燃烧室容积，故膨胀比增大。膨胀比远大于压缩比，发动机燃烧效率得以提高。于此同时配合丰田VVT-i（智能可变气门正时）装置，可以根据不同的工况环境及时的调整出最佳的进气门开启与关闭时刻，始终保持最大进气效率。
动力分离装置
丰田混合动力汽车没有传统汽车上的变速箱机构，取而代之的是由两个电机与行星齿轮机构组成的动力分离装置。该装置可以根据具体工况，将发动机产生的动力按一定比例分配给驱动机构与发电机构使用。行星齿轮机构是整个动力分离装置中的核心零件，也是丰田混合动力结构的优势所在。
下面我将结合图例（如图3.3）剖析行星齿轮的结构组成：
- 齿圈：最外侧的蓝色部分即为齿圈。齿圈与外侧的2号电机相连，并与车轮之间通过减速齿轮组连接。
- 行星轮：处于行星齿轮组中心的太阳轮与齿圈之间通过4个小齿轮连接，这四个小齿轮就是行星轮。
- 行星架：4个行星轮固定在结构图上的红色部件，该红色部件带动4个行星轮绕着太阳轮公转。这个红色机构就是行星架，与发动机直接相连。
- 太阳轮：位于行星齿轮组中心的淡黄色部件即为太阳轮。太阳轮与4个行星齿轮直接咬合，并且与靠内侧的一号电机直接相连。
（图3.3 行星齿轮机构）
综上所述，丰田混合动力汽车中的动力分离装置由5个齿轮、1个行星架、1个齿圈组成。发动机、1号电机与2号电机之间，是行星架、太阳轮、齿圈通过4个行星轮以咬合的方式机械连接在一起的。
电机与发电机
丰田最新一代混合动力系统的汽油机与电机的电压增加至500V，电源提供给电机的电流减小进一步的减少了热损耗。电机部分采用交流永磁电机。通过优化磁铁排列、增长输出、提高驱动热，500V的高电压使电机的输出功率从33KW提升至50KW。在此基础之上，电机的尺寸却没有改变。在电机的调控方面，中速区间采用全新调度控制方法，脉冲宽度最大值增加约30%。
发电机部分同样采用交流永磁电机，通过增加转子强度等手段，将最大功率输出时的转速提高到了10000r/min，中转速范围的电力也得到了明显提高，改善了低转速范围的加速性能。
动力控制单元
动力控制单元由变压器、可变电压系统、DC/DC转换器组成。由于车辆蓄电池组采用直流电，而电动机与发电机使用交流电，因此两者之间需要使用变压器进行相互转换。可变电压系统可以根据需要将发电机与电动机的电源电压进行无极升压，则小电流可以提供较大的电力供给，发挥出电动机的高性能，提高系统的整体效率，这样也能使变压器的体积减小。DC/DC转换器可以将蓄电池组与发电机发出的202V直流电压减至12V，以便为车辆辅助设备、电子元器件供电。
混合动力控制系统
丰田混合动力系统能够实时监测汽车的各种能量消耗状态以及整个系统与部件的工作状态，确保车辆始终处于最优工作状态。
- 1.对发动机功率的控制
发动机功率的控制是整个丰田混合动力系统的基础，控制系统将根据汽车运行的状态，油门的开度、蓄电池组计算机的状态信息来决定：是否用纯电模式行驶、是否停止发动机运转、是否需要为蓄电池组充电等。
2.对行驶的控制
驱动力是直接由发动机驱动力与电动机驱动力组合在一起的。车速越低，电动机效率越高，发出的驱动力也越大。丰田混合动力系统在各种情况下都能充分发挥发动机的最佳效率，发动机一但运转就使用最佳运转区间运行。由于采用了大功率、高电压的电动机，直接提高了车辆动力性能。
3.再生制动控制
在丰田混合动力系统中，电子控制制动系统（ECB）协调制动系统的液压制动与再生制动，利用刹车时刻回收能量储存在蓄电池组，提高汽车整体效率和燃油经济性。
丰田混合动力系统较传统内燃机车的优势
传统内燃机汽车在能耗方面的劣势：
1.发动机在中低速区间燃效较低。
2.传统内燃机汽车的发动机大都使用压缩比=膨胀比的奥托循环结构，此种结构动力性较好，但燃烧效率却不够好。
3.传统内燃机汽车没有动能再生回收系统。
丰田混合动力汽车较传统内燃机在能耗方面的优势：
1.丰田混合动力汽车在传统内燃机燃烧效率最低的中低速阶段使用纯电驱动，不消耗燃油。
2. 发动机采用高燃效、膨胀比>压缩比的阿特金森循环发自然吸气发动机，其燃效高于奥拓循环结构发动机，动力性能弱于前者，但混合动力汽车搭载的高扭矩电动机可以弥补其动力上的不足。
3.丰田混合动力汽车搭载动能再生回收系统，利用刹车时刻再生回收动能进行再利用。
丰田混合动力系统较单电机直连式混合动力系统的优势
单电机直连式混合动力系统低效率的原因：
1.单电机直连式混合动力汽车有传统变速箱。车辆在复杂的行驶环境下需要频繁换挡，由此导致发动机在高、中、低效率之间来回切换，无法使发动机始终维持在一个最高效的运转区间，因此效率低下。
2.单电机直连式混动结构在行驶过程当中，电机两端的定子与转子几乎是同向旋转，转速差很小，这样就导致了充电效率的低下。
3.蓄电池组体积庞大，给车辆的综合行驶效率带来额外的负担。
丰田混合动力系统（双电机直连式）结构更高效的原因：
1.丰田混动系统能使发动机一但启动就保持一个最高效的运转区间，在这种情况下不仅调整动力需求，也调整传动比。
2.行星齿轮机构可以在发动机驱动时，不仅调整电机转速，也调整电机的旋转方向，因此使得充电效率大大提升。
3.丰田混合动力系统搭载的汽油发动机本身燃效就很高，可以达到38%、39%、40%。采用宽域甚至全域阿特金森循环逻辑，使得发动机的高效率区间非常大。
丰田混合动力汽车较纯电动汽车的优势
纯电动汽车的劣势：
1.由于电池技术的限制，纯电动汽车的续航里程不高。
2.由于充电技术的限制，纯电动汽车充电的速度无法与内燃机车加油的速度相提并论。
3.为了更加可观的续航里程，车厂都会为纯电动汽车配备容量较大的蓄电池组，不仅车重会增加，利润也会增加，自然价格也会提高。
4.国内充电桩的普及率远不如加油站，纯电动汽车不具备说走就走的能力。
丰田混合动力汽车较纯电动汽车的优势：
1.丰田混动车通过发动机与动能回收系统为电池充电，无需额外充电，不改变用户使用习惯。加油的速度也远快于充电。
2.丰田混合动力汽车续航里程远远大于纯电动汽车。
3.丰田混合动力汽车售价已经达到A级轿车的正常水平。
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