混合动力系统THS

混合动力系统THS-C简介
中图分类号：U463.203 文献标识码：B 文章编号：1003-8639（2005）02-0056-04 作为节省燃油的手段，在汽车上设置了采用电动机的混合动力系统。

这在小客车上已获得了成功，从保护环境的角度看，CO2排放量较多的轻型车更有必要加速混合运输经。

在2001年，丰田将THS与无级自动变速器相结合的系统（称之为THS-C）设置在大霸王牌混合动力车上。

与小客车相比，轻型车的车身大而重，油耗也多，这种系列的车辆采用混合动力系统之后，减少CO2排放的效果会更加显著。

但是，如果只是将THS加大后就用在轻型车上，驱动转矩主要依靠的是电动机，需要加大电动机、逆变器等部件的尺寸，在成本、质量、装车性等方面存在很多难题。

因此，丰田公司决定变速器还是利用现在的皮带式无级变速器（CVT），选择发动机高效工作点，以便可用较小的电动机就能确保所需要的驱动转矩。

同时减小逆变器与驱动用蓄电池的体积，由此降低成本、提高装车性，同时显示出采用混合动力系统的节油效果。

对轻型车来说，与2轮驱动（2WD）相比，4轮驱动（4WD）车的油耗更严重些，造成所必需的传动轴质量增加。

采用电动式4WD的话，就可以将这些缺点抑制在最小程度。

而且，仅在必要时才采用4WD，并通过前、后两方的电动机回收制动能量，由此将4WD 化引起的油耗恶化降低到最小程度。

1 系统的构成
大霸王牌轻型车前轮驱动采用的是并联工混合动力系统，它包括发动机、电动机、CVT 及动力转换系统;后轮为电动式4WD，它是由与前电动机不相关的后电动机来驱动的。

混合动力系统的构成如图1所示。

采用THS-C的大霸王混合动力车与采用THS的普瑞斯对比如表1所示。

大霸王混合动力车采用的电动机与动力用蓄电池的规格如表2所示。

前驱动组件的结构简图如图2所示。

发动机与恒星齿轮相连，电动机与行星齿轮相连。

CVT的输入有时为齿环，有时为行星齿轮。

2 系统的工作原理
2.1电动机行驶与发动机行驶
发电机的充电状态处于通常范围时，在车辆停止及低速轻负荷等发动机的效率很低的工作区域里，则发动机自动停机、断开离合器II、仅使离合器I接合，这时为电动机行驶，从而降低了油耗。

在采用电动机行驶方式起步之后，当驾驶员需要较大的驱动力时（油门开度较大时），则走动发动机与离合器II缓缓地接合，按发动机行驶方式行车，如图3所示的r区域。

当进一步要求较大的驱动力时，除了发动机之外，电动机也加以辅助，如图3中所示的发动机＋电动机行驶方式区域。

发动机与电动机等控制量的决定方法可用图4的控制方框图来说明。

根据油门开度与车速可以求出驾驶员所要求的动力，利用蓄电池控制器可以求出充电所要求的动力，利用4WD控制器可以求出后轮所要求的动力，由此可以求出所要求的总动力并决定行车方式，在发动机方式下，就可以决定发动机的工作点（转速与转矩）。

这些都是由CVT的变速与电子节气门来控制的。

电动机除了要完成发电与回收制动机械能的任务之外，在仅靠发动机的输出功率不能满足驾驶员要求时，则受控的电动机输出功率予以辅助。

2.2发动机与电动机的协调控制
在蓄电池的充电状态低下时，因为无法靠电动机行驶，所以需要转换到发动机与电动机协调控制方式。

采用这种方式时，即使在车辆停止或者减速、轻载行驶时，也不停止发动机，电动机则以反转方式起着发电机的作用，在对蓄电池充电的同时还可以作行车用。

电动机承受着发动机的反力，所以可将电动机称作是电动式变矩器。

在传统的采用自动变速器（AT）的车辆上，油压式变矩器发热造成了以损耗，而在电动工变矩器上，这些能量都可以回收。

此外，在以4WD方式行车时，由于相应于的发电量可以驱动后轮，可以减少蓄电池的输出。

也就是说，在蓄电池充电状态较差的条件下，通过维持前轮电动机的反向旋转也可以维持4WD的性能，所以可不装用大功发电机，这就是此系统的最大优点。

再来看一下发动机与电动机协调控制时的蓄电池的电力收支与前、后轮的驱动转矩的分配比的关系。

设蓄电池的电力收支为0，CVT的变速一定值，这时，前、后轮的驱动转矩的分配比可以用车速与发动机的转速表示。

当固定发动机的转速时，驱动转矩的分配比T R/T F如图5所示（T R——后轮的驱动转矩，T F——前轮的驱动转矩）。

也就是说，在车速较低时，后轮的矩较高;随着车速的升高;随着车速的升高，前轮的驱动转矩增大。

通过对蓄电池的充放电控制，可以实现前、后轮驱动转矩的最佳分配。

蓄电池的充放电量与车速关系的一个例子如图6所示。

在此例中，道路的坡度为7°，路面的摩擦系数μ=0.22，T R/T F=0.49。

在车速低于约8km/h时为充电状态。

2.3回收制动器的控制
大霸王车上的制动系统为协调控制系统。

由驾驶员意愿所决定的制动转矩优先使由前轮电动机与后轮电动机带动的回收制动器动作，并与传统的制动器协调工作。

也就是说，电动机带动回收制动器工作，不足的部分由传统的制动器（油压制动器）补足，产生由驾驶员意愿所决定的制动力矩，如图7所示。

下面对4轮能量的回收加以说明。

从注重车辆稳定性的角度来看，前、后轮制动转矩的分配比应为7：3，当采用普通的油压制动器制动后轮时，有30％的制动能量变成热量损耗掉了。

利用后电动机回收能量，可降低由于采用4WD所造成的油耗损失。

虽然，回收的总能量取决于蓄电池的可接受能力，但在前电动机与后电动机的回收电能超过此能力时，则首先利用后电动机，其余的利用前电动机回收。

优先采用后电动机的理由是：后轮仅与减速齿轮相啮合，不通过CVT，回收效率高;而且与前电动机相比，后电动机的使用频率较低，有利于降低温升。

2.4 4WD方式行驶
采用4WD方式行驶的条件是：起步、转弯、在以电动机方式行车加速、以及在低摩擦系数道路上行车且检测出前轮打滑。

在低摩擦系数道路上行车且检测出前轮打滑时，将前电动机作为发电机使用，通过吸收发动机的输出功率来降低前轮的驱动力矩。

另一方面，可以利用前电动机所发出的电能驱动后轮，如图8所示。

当电能严重不足时，则用蓄电池加以调整。

3系统的工作状态
3.1起步时
汽车起步时，蓄电池输出电能驱动前后电动机，以4WD方式行车，能量的传输如图9a中的C、D箭头所示;当判断出发动机在效率高的区域运转时，则起发动机，通过CVT以前轮驱动方式行车，如图9a中的A箭头所示。

3.2通常行车与蓄电池充电时
通常行车时，利用发动机的动力通过CVT驱动前轮，如图9b中的A箭头所示。

必要时，利用发动机的动力驱动前电动机，将其作发电机用，向蓄电池充电，如图9a中的B箭头所示。

3.3满负荷加速时
除了利用发动机驱动（如图9c中的A箭头所示）之外，蓄电池输出电能驱动前电动机，以增大前轮的驱动转矩，如图9c中的C箭头所示; 进而利用蓄电池的电能在短时间里驱动后电动机，对后轮也加以驱动，如图9c中的D箭头所示。

3.4轻负荷时
在低速行车或者下很小的坡时，发动机的效率很低，所以停止发动机，利用蓄电池驱动前、后电动机，按4WD方式行车，能量的传输如图9d中的C、D箭头所示。

3.5减速与制动时
这时前、后轮分别驱动前、后电动机，实行回收发电，能量的传输如图9e中的C、D 箭头所示。

3.6在易打滑等路面上行车时（以4WD方式行车）
当在易打滑等路面上检测到前轮打滑时，通过利用发动机的动力使前电动机作发电机用，吸收发动机的功率，可以降低前轮的驱动转矩，同时利用前电动机所发出的电能驱动后电动机，就可以形成后轮的驱动转矩，这时能量的传输如图9f中的E箭头所示。

当电能不足时，则利用蓄电池来调整。

在前轮的驱动转矩过大时，可以缩小发动机的节气门开度，以控制打滑程度。

从2001年起，这种轻型车已经批量生产。