丰田第二代混合动力系统(THSⅡ)

丰田第二代混合动力系统(THS Ⅱ

)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(THS Ⅱ)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:TK 411 文献标识码:A 文章编号:1000-6494(2005)03-0006-04

Second G eneration of Toyota H ybrid System (TH S Ⅱ

)ZH ANGJin -zhu

(Autom otive Dept.of Heilongjiang Engineering Institute ,Harbin 150050,China )

Abstract :Prius car produced by T oy ota is the first style of hybrid power autom otives produced in large batch in the w orld.This pa 2per introduces the structure ,the principle and features of THS Ⅱused in the car mentioned above.K ey w ords :T oy ota ;Hybrid system ;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 —T oy ota Hybrid System ),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THS Ⅱ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　THS Ⅱ系统简介

1.1　系统组成

THS Ⅱ系统主要部件有采用Atkins on 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　THS Ⅱ系统结构

1.2　THS Ⅱ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

Internal C ombustion Engines N o.3Jun.2005

f.停车,发动机自动熄火。

2　THS Ⅱ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Atkins on 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。Atkins on 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4500r Πmin 提高到5000r Πmin ,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THS Ⅱ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6500r Πmin (传统型)提高到10000r Πmin ,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(THS Ⅱ)・7　・