汽车新技术-混合动力汽车

第五章 丰田第二代混合动力系统,5.1 丰田第二代混合动力系统特性,重点掌握： 混合动力系统的类型 THS-的组成及功用 THS-的结构,5.1.1 混合动力汽车概述,混合动力汽车（亦称复合动力汽车，英文为Hybrid Power Automobile）是指车上装有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。,历史发展 当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80%以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40%，在市区还会跌至25%，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池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差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。,现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（Hybrid-ElectricVehicel，缩写HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10%以上，废气排放可改善30%以上。,5.1.1 混合动力汽车概述,混合动力电动汽车（HEV）将内燃机、电动机与一定容量的蓄电池通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。 混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。而且，辅助发动机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力，因此，车主可以享受更强劲的起步、加速。,5.1.2 混合动力典型结构,1、串联式混合动力汽车 “串联方式”是一种只用电动马达驱动行驶的电动汽车，发动机只作为动力源，发动机驱动发电机发电，而发出的电能使电动机驱动车辆。汽车只靠电动马达驱动行驶，驱动系统只是电动马达，但因为同样需要安装燃料发动机，所以也是混合动力汽车的一种。,2、并联混合动力系统 并联方式是一种以发动机为主动力，电动马达作为辅助动力的驱动方式。这种方式主要以发动机驱动行驶，利用电动马达所具有的再启动时产生强大动力的特征，在汽车起步、加速等发动机燃油消耗较大时，用电动马达辅助驱动的方式来降低发动机的油耗。这种方式的结构比较简单，只需要在汽车上增加电动马达和电瓶。,3、混联式混合动力系统 另外一种是串联并联方式 ，发电机的动力通过动力分割机构进行分割，一部分直接驱动车轮，另一部分被用于发电，其使用比例可以自动控制。从而使在低速时只靠电动马达驱动行驶，速度提高时发动机和电动马达相配合驱动的“串联、并联方式”。启动和低速时是只靠电动马达驱动行驶，当速度提高时，由发动机和电动马达共同高效地分担动力，这种方式需要动力分担装置和发电机等，因此结构复杂。,国内外发展现状,日本混合动力汽车的发展现状 从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在发展混合动力汽车方面，日本居世界领先地位。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。到2012年时，其所有的车型将全部装上混合动力发动机。丰田汽车公司在实现混合动力系统的低能耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前列。,美国混合动力汽车的发展现状 美国三大汽车公司只是小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，日本的混合动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。美国能源部与三大汽车公司于1993年签订了混合动力电动汽车开发合同，进行为期5年的研发工作，并于1998年在北美国际汽车展上展出了样车。在此基础上，现已推出3款混合动力概念车：通用Precept、福特Prodigy、戴-克DodgeESX3。2004年，通用汽车公司与戴-克汽车公司对外宣布双方将在开发混合动力电动汽车的技术领域携手，共同推进此项技术的发展。,我国电动汽车的发展现状 目前我国各大汽车集团都在进行混合动力电动汽车研发，多数以混合动力电动客车为主，这种研发方向符合我国国情，有利于我国电动汽车的研究发展。 一汽研发的红旗HQ3于2006年投产；东风集团的混合动力公交车已于2005年7月完成最终产品定型样车试验并通过验收；长安集团具有完全自主知识产权的羚羊混合电动车已产出样车，其装备混合动力技术的长安CV9已经下线；奇瑞集团成立了国家节能环保汽车工程技术研究中心，将在2006年下半年重点推出第一自主品牌真正意义上的混合动力车，代号为“BSG”的混合动力车；吉利集团旗下的上海华普汽车已与同济大学汽车学院签署合作协议，预计3年内完成混合动力轿车商业化生产；上汽集团与通用签署协议，将联手开发混合动力轿车和公交客车。,来自中兴汽车的消息，中兴汽车与美国在“汽车混合动力技术、转子发动机技术及飞行汽车技术”等方面有着雄厚的技术实力的梅尔莱普顿集团签订了合作意向书，正式介入“油汽混合动力技术”领域。与此同时，新能源汽车作为未来汽车的主要发展方向，国家一向给予支持和鼓励。如汽车产业发展政策、“十一五”汽车产业发展规划等政策和文件都鼓励清洁汽车、代用燃料及汽车节油技术的发展。,本田混合动力汽车,江淮-和悦混合动力,海马3混合动力汽车,5.1.3 丰田第二代混合动力系统的组成及功能,丰田第二代混合动力系统的组成主要包括：发动机、MG1（1号电动机）、MG2（2号电动机）、HV蓄电池、变频器、行星齿轮机构和差速器等。 (1)混合动力变速驱动桥 1）发电机 TOYOTA 混合动力系统采用和电动机相同的交流同步型发电机，并且实现了高旋转化，提高了最大输出电力。另外还通过加大转子的强度，将最大发电的旋转带扩大到10000r.p.m.。,通过采用交流同步和高旋转化，在一边发电一边行驶的同时，可供给中速带所需的大量电力。 其中发电机可进一步细分为MG1和MG2， MG1的作用主要是发动机带动旋转产生的高压电以操作MG2或为HV蓄电池充电。同时也可为发动机启动时作为起动机使用。 MG2的作用是通过来自MG1或HV蓄电池的电能驱动，产生车辆动力。在制动期间，作为发电机向HV蓄电池充电。,2）行星齿轮机构 TOYOTA 混合动力系统中安装有动力分离装置，可将发动机产生的动力分配给驱动轮和发电机。采用由齿环、小齿轮、太阳齿轮、行星支架组成的行星齿轮，高效率地分配动力。1行星支架的旋转轴与发动机连接，通过小齿轮带动外围的齿环和内侧的太阳齿轮。2小齿轮旋转轴直接和电动机连接，将驱动力传给车轮。太阳齿轮旋转轴直接和发动机连接，将发动机的动力转换为电能。,（2）HV蓄电器 安装在TOYOTA 混合动力系统上的高输出镍氢蓄电池具有高输入输出密度(每重量的输出)和重量轻、寿命长等特点。无需利用外界电源进行充电，也无需定期交换。全新设计了以往的电极材料及单电池(一个HV蓄电池)之间的连接结构，减少了HV蓄电池的内部电阻，因此安装在混合动力的汽车上的电池单元实现了约540W/kg的输入输出密度，居世界最高水平。 另外，还使用车辆加速时的放电、减速时的再生制动器、以及用发动机行驶时产生的剩余能量来进行充电，从而累积充电放电电流，使充电状态保持,保持稳定。不会出现放电过多或多余充电等现象，使用寿命非常长。,（3）变频器总成 变频器主要用于将高压DC（HV蓄电池）转化成AC（MG1和MG2）或把AC转化成DC。它主要由增压转换器、DC/DC转化器、空调变频器组成。 （4）电子控制系统（ECU） TOYOTA 混合动力系统采用EUC实时监控汽车各系统的运转情况和能量消耗情况，进行精密且高速的综合控制。监控混合动力组成部分（混合动力系统的发动机、发电机、电动机、HV蓄电池）的运转状态。 监控通过汽车的控制网络传来的制动信息。 监控从驾驶者发出的指令 （加速踏板开度，变挡位置）, 监控辅助驾驶设备（如空调、加热器、前照灯、导向系统等）的能量消耗。,（5）再生制动器 TOYOTA 混合动力系统中采用了“再生制动器”，它利用电动机的发电来再次利用动能。电动机通常在通电后开始转动，但是相反地让外界力量带动电动机旋转时，它又可作为发电机来发电。因此，利用驱动轮的旋转力带动电动机发电，在给HV蓄电池充电的同时，又可利用发电时的电阻来减速。 该系统在制动时与液压制动器同时控制再生制动器，完美的将原来在 减速中作为摩擦热散失的动能回收为行驶用能量。城市中行驶时反复进行的调速操作具有较高的能量回收效果，所以在低速带优先使用再生制动器。例如，装有再生制动器的汽车在城市中行驶100km，即可再生相当于一升汽油的能量。,（6）传感器 丰田混合动力系统的传感器主要有加速踏板传感器、档位传感器、断路器传感器等 5.1.4 丰田第二代混合动力系统的结构 （1）MG1和MG2 （2）变频器总成 （3）冷却系统 （4）HV蓄电池,5.2 丰田第二代混合动力系统的工作原理,重点掌握： 丰田第二代混合动力系统在各工况的工作原理,丰田第二代混合动力系统的基本原理是使用发动机和MG2提供的两种动力，并使用MG1作为发电机。HV ECU始终监视蓄电池充电状态、蓄电池温度、冷却液温度和电载荷状况。当混合动力开关启动后，如果车辆处于驻车或倒车情况，当监测项目不满足运行条件，则HV ECU发出指令启动发动机驱动MG1为HV充电。 1、启动时及中低速行驶 当汽车启动时，TOYOTA混合动力系统仅使用由HV蓄电池提供能量的电动机的动力启动，这时发动机并不运转。因为发动机不能在低旋转带输出大,扭矩，而电动机可以灵敏、顺畅、高效地进行启动 对于发动机而言，在低速中速带的效率并不理想，而另一面，电动机在低速-中速带性能优越。因此，在用低速-中速行驶时，油电混合动力系统使用HV蓄电池的电力，驱动电动机行驶。,2、一般行驶状态 TOYOTA混合动力系统采用发动机，使它在能产生最高效功率的速度带驱动 。由发动机产生的动力直接驱动车轮，依照驾驶状况由发电机转化为电力部分动力被分配给发电机。由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发动机。利用发动机和电动机这一双重传动系统，发动机产生的动力以最小消耗被传向地面。如果当行驶时出现发动机提供的能量多于实际所需的动能，出现能量过剩情况时，则将发动机产生多余的能量由发电机转化为电能，存储在HV蓄电池中。,3、全速行驶 在需要强劲加速力（如爬陡坡及超车）时， HV蓄电池也提供电力，来加大电动机的驱动力。通过发动机和电动机双动力的结合使用，TOYOTA混合动力系统得以实现与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能。,4、减速行驶 在车辆处于减速行驶状态，如踩下制动器或松开油门时， TOYOTA混合动力系统使车轮的旋转力带动电动机运转，将其作为发电机使用。减速时通常作为摩擦热散失掉的能量，在此被转换成电能，回收到HV蓄电池中进行再利用。,5、倒车状态 车辆倒车时仅仅由MG2为车辆提供动力，此时，MG2反向旋转，只要HV ECU监测的各项指标正常，发动机就不会工作；此时，MG1正向空转，并不发电。 6、停车状态 在停车时，发动机、电动机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费能量。当HV蓄电池的充电量较低时，发动机将继续运转，以给HV蓄电池充电。另外有时因与空调开关连动，发动机会仍保持运转。,5.3 丰田第二代混合动力系统控制系统,重点掌握： THS-控制系统的控制内容 THS-控制系统的结构 HV ECU控制,THS-系统控制内容,1、HV ECU控制 HV ECU是整车能量控制中心，它采用层级式管理，由其通过CAN(控制器局域网)总线统一协调和控制各个低端控制器，即发动机ECU、蓄电池ECU和制动防滑控制ECU，最下层则为各个执行器，即发动机、变频器、MG 1和MG 2等部件。 HV ECU根据加速踏板位置传感器(霍尔式)发出的信号检测施加在加速踏板上的力的大小，根据MG 1和MG 2中的速度传感器(解角传感器)发出的信号检测车速，并根据档位传感器的信号检测档位。 HV ECU根据这些信息即可确定行车状态，从而,对MG 1和MG2和发动机动力进行最优控制。此外，HV ECU对动力输出的转矩和效率也进行最优控制，以实现低耗油和更清洁的排放等目标。,1）系统监视控制 蓄电池ECU始终监视HV蓄电池的SOC(充电状态)并将SOC发送到HVECU。SOC过低时，HV ECU提高发动机的功率输出以驱动MGI为HV蓄电池充电;发动机停止时，MG1工作以起动发动机，然后，发动机驱动MGI为HV蓄电池充电。 2）关闭控制功能 通常车辆处于“N位时，MG1和MG2被关闭。这是由于MG2通过机械机构与前轮相连，所以必须停止MG1和MG2的供电以切断动力输出，此即为MGI和MG2的关闭功能。,3）上坡辅助控制 车辆在陡坡上松开制动而起步时HV ECU会通过增大电动机扭矩的方法实施上坡辅助控制，以防止车辆下滑。如果施加了上坡辅助控制，那么制动防滑控制ECU会在HV ECU的指令下实施车辆后轮制动。 4）电动机牵引力控制 车辆在光滑路面上行驶时，如果驱动轮打滑，MG2(与车轮直接相连)会旋转过快，从而引起相关行星齿轮组件的转速增大。这种状况对行星齿轮组及其配套部件等会造成损害某些时候还可能使MG1产生过量电能。因此如果转速传感器信号表明转速发生突然变化，HV ECU就确定MG2转速过大，并,对其施加制动力以抑制转速变化，从而保护行星齿轮组。 2、发动机ECU控制 发动机ECU根据接收到的HV ECU发送的目标 发动机转速和所需的发动机动力信号后，可对ETCS一i(智能电子节气门)、燃油喷射系统、点火正时和VVT-i(电子可变气门正时)系统实施最佳控制。同时，发动机ECU将目前发动机工作状态信号反馈发送到HV ECU。如果当接收到HV ECU发送的发动机停止信号后，发动机ECU将指令发动机停机。若发动机电子控制系统出现故障时，发动机ECU将通过HV ECU指令打开检查发动机警告灯。,3、变频器控制 根据HV ECU提供的信号，变频器将HV蓄电池的直流电转换为交流电向MG1、MG2供电，或执行相反的过程。此外，变频器可将MG1的交流电转换为直流电提供给MG2。但是，电流从MG1提供给MG2时，电流在变频器内由AC500V转换为DC500V。 根据MG1、MG2发送的转子信息和从蓄电池ECU发送的HV蓄电池SOC等信息，HV ECU将信号发送到变频器内部的功率晶体管来转换MG1、MG2定子线圈的U、V和W相，需要关闭MG1、MG2的电流时，HV ECU发送指令信号到变频器。,4、制动防滑控制ECU控制 制动防滑控制ECU根据驾驶人踩下制动踏板时制动执行器和制动踏板行程传感器的制动主缸压力计算所需的总制动力。制动防滑控制ECU根据总制动力计算所需的再生制动力，并将结果发送到HV ECU。HV ECU起动MG2进行反方向转矩控制并执行再生制动功能。制动防滑控制ECU操纵制动执行器电磁阀产生轮缸压力，这个压力等于总制动力减去实际再生制动力控制的数值。在带(车辆稳定控制)系统的车型上该系统作时，制动防滑控制ECU将向HV ECU发送实施电动机引力控制请求信号HV ECU将根据当前的车辆行驶状态制发动机、MG1和MG2协调工作，以抑制动力输出。,5、蓄电池ECU控制 蓄电池ECU检测HV蓄电池的SOC(充电状态)、温度、电压和是否泄漏，并将这些信息发送到HVECU。蓄电池ECU通过HV蓄电池内的温度传感器检测其温度，并据此控制冷却风扇的运转，可将HV蓄电池的温度维持在规定范围内。 6、碰撞时控制 发生碰撞时，如果HV ECU接收到安全气囊传感器总成发出的安全气囊张开信号或变频器中的断路器发出的执行信号，HV ECU将关闭SMR(系统主继电器)，从而切断总电源以确保安全。,7、电动机驱动模式控制 为减小深夜行车、停车时的噪音和在车库中短时间减少排气污染，可以手动按下仪表板上的EV模式开关，此时车辆只由MG2驱动。除非车辆发生以下情形:SOC下降到规定水平以下;EV模式开关关闭;车速超过规定数值;加速踏板角度超过规定数值;HV蓄电池温度偏离正常工作范围。 选择EV模式时，发动机停止工作车辆继续在只有MG2工作的状态下行驶。但是，起动发动机的规定数值将受到修正以增加在只有GZ工作状态下的车辆行驶里程。另外，选择EV模式，车辆在平坦路面行驶且HV蓄电池在标准SOC以下时，车辆将在连续,行驶1km一2km后关闭EV模式。 8、换挡控制 HV ECU根据档位传感器提供的信号监测档位，控制MG1、MG2和发动机，并调整车辆行驶状态以适应所选档位；另外，变速器控制ECU通过HV ECU提供的信号检测驾驶员是否按下驻车开关，并操作换挡控制执行结构通过机械锁止变速驱动桥。 9、指示灯和警告灯点亮控制系统 HV ECU、发动机ECU和蓄电池ECU工作时，其内部的自诊断电路会随时监测其传感器、执行器和电子控制单元本身的运行状况，一旦发现故障，就会点亮仪表板上的警告灯（检查发动机警告灯、主警告灯,或混合动力系统警告灯、HV蓄电池警告灯)或使警告灯闪烁，以提醒驾驶员立即检修。 10、安全保护 如果HV ECU检测到THS一系统有故障，那么它将根据存储器中的数据停止或控制执行机构和ECU的工作。,混合动力汽车的优点,1、采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。 2、因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。 3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现零排放。 4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。 5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。 6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。,本章重点小结,1、混合动力汽车概述； 2、第二代丰田混合动力系统的组成； 3、丰田混合动力系统在各工况的工作原理； 4、丰田第二代混合动力系统的控制内容；,