第3章　丰田普锐斯混合动力汽车

3.1　丰田普锐斯混合动力的工作原理

3.1.1　丰田混合动力系统的组成

丰田混合动力汽车的动力核心是丰田混合动力系统（THS），它使用汽油机与电动机两种动力，通过串联与并联相结合即混联的方式进行工作，达到了低排放的效果。2003年，丰田公司又推出了应用THS-Ⅱ（第二代丰田混合动力系统）的普锐斯混合动力汽车。

丰田混合动力系统主要部件在车上的位置如图3-1和图3-2所示。

（1）HV（混合动力汽车）变速驱动桥　混合动力汽车（HV）变速驱动桥由发电机（MG1）、电动机（MG2）及行星齿轮组组成。

①发电机（MG1）。它由发动机带动旋转产生高压电来操作电动机（MG2）或为HV蓄电池充电。同时，它还能够作为起动机启动发动机。

②电动机（MG2）。由发电机（MG1）或HV蓄电池的电能驱动，产生车辆动力。制动期间或松开加速踏板时，它生成电能为HV蓄电池再次充电（再生制动控制）。

发电机（MG1）和电动机（MG2）结构紧凑、重量轻、高效，是交流永磁同步电动机/发电机（图3-3）。

在必要时，发电机（MG1）作为辅助动力源为发动机提供辅助动力，使车辆达到优良的动态性能，其中包括平稳起步及加速。启动再生制动时，电动机（MG2）将车辆的动能转换为电能并储存在HV蓄电池中。

发电机（MG1）为HV蓄电池重新充电并为电动机（MG2）供电。另外，通过调节发电量（改变发电机的转速），发电机（MG1）有效地控制变速驱动桥的连续可变变速器的功能。发电机（MG1）同样作为起动机启动发动机。

发电机（MG1）和电动机（MG2）的电路图如图3-4所示。

发电机（MG1）和电动机（MG2）是永磁电动机，其三相交流电经过定子线圈的三相绕组时，电动机内形成旋转磁场。发电机（MG1）和电动机（MG2）的工作原理如图3-5所示。通过以转子的旋转位置及转速控制旋转磁场从而使转子的永磁铁受到旋转磁场的吸引形成转矩，产生的转矩可用于与电流相匹配的所有用途，而转速由交流电的频率控制。另外，通过对旋转磁场和转子磁铁的角度作适当的调整，可以产生较大的转矩以及较高的转速。

③行星齿轮组。以适当的比例分配发动机驱动力来直接驱动车辆及发电机。

（2）HV蓄电池　如图3-6所示，在起步、加速和上坡时，将电能提供给电动机/发电机。

普锐斯采用镍-氢（Ni-MH）蓄电池作为HV蓄电池，其安装在行李厢内后排座位下。该HV蓄电池高能、重量轻，并且配合THS-Ⅱ系统特性使用时间较长。车辆正常工作时，因为THS-Ⅱ系统通过充电/放电来保持HV蓄电池SOC（荷电状态）为恒定数值，所以车辆不依赖外部设备来充电。

（3）变频器总成　如图3-7所示。

①作用及组成。变频器总成用于将高压直流电（HV蓄电池）转换成交流电（发电机和电动机）；反之亦可，将交流电（AC）转换成直流电（DC）。其组成部件包括增压转换器、DC/DC转换器和空调变频器。

a.增压转换器。将HV蓄电池的最高电压从DC 201.6V增加至DC 500V；反之亦可，从DC 500V降至DC 201.6V。

b.DC/DC转换器。将最高电压从DC 201.6V降至DC 12V，为车身电气组件供电以及为备用蓄电池再次充电（DC 12V）。

c.空调变频器。将HV蓄电池的额定电压DC 201.6V转换为AC 201.6V，为空调系统中的电动变频压缩机供电。

②工作原理。变频器将HV蓄电池的高压直流电转换成三相交流电来驱动发电机（MG1）和电动机（MG2）。功率晶体管的启动由HV ECU控制。另外，变频器将用于电流控制（如输出电流或电压）的信息传输到HV ECU。变频器与发电机（MG1）、电动机（MG2）一起，由发动机冷却系统分离的专用散热器冷却。若车辆发生碰撞，安装在变速器内部的断路器传感器会检测到碰撞信号从而关闭系统。

变频器总成中的增压转换器将HV蓄电池DC 201.6V的额定电压增加到DC 500V，提升电压后，变频器将直流电转换为交流电。

发电机（MG1）、电动机（MG2）桥电路及信号处理/保护功能处理器已集成在IPM（智能功率模块）中（变频器电路图如图3-8所示），以提高车辆性能。变频器总成中的空调变频器为空调系统中的电动变频压缩机供电。将变频器散热器与发动机散热器集成为一体，更加合理地利用了发动机室内的空间。

a.增压转换器。它可将HV蓄电池输出的额定电压DC 201.6V提升到DC 500V（增压转换器电路图如图3-9所示）。转换器包括增压IPM（智能功率模块）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）。通过这些组件，转换器将电压提升。

发电机（MG1）或电动机（MG2）作为发电机工作时，变频器通过其将交流电（201.6～500V）转换为直流电，接着增压转换器将其降低到DC 201.6V，为HV蓄电池充电。

b.DC/DC转换器。车辆的辅助设备，如车灯、音响系统、空调系统（除空调压缩机）和ECU，它们由DC 12V的供电系统供电。因为THS-Ⅱ发电机输出额定电压为DC 201.6V，所以需要转换器将电压降低到DC 12V来为备用蓄电池充电。DC/DC转换器安装在变频器的下部。DC/DC转换器电路图如图3-10所示。

c.空调变频器。变频器总成中的空调变频器为空调系统中电动变频压缩机供电。空调变频器将HV蓄电池的额定电压DC 201.6V转换成AC 201.6V，来为空调系统中的压缩机供电。空调变频器电路图如图3-11所示。

d.冷却系统。车辆使用的是配备有水泵的发电机（MG1）和电动机（MG2）冷却系统，而且将其与发动机冷却系统分开。变频器、发电机（MG1）和电动机（MG2）的冷却系统如图3-12所示。冷却系统的散热器集成在发动机的散热器中，如此，散热器的结构得到简化，空间也得到有效利用。

（4）HV ECU　接收每个传感器和ECU（发动机ECU、蓄电池ECU、制动防滑控制ECU和EPS ECU）的信息，根据此信息计算所需的转矩及输出功率。

HV ECU将计算结果发送给发动机ECU、变频器总成、蓄电池ECU和制动防滑控制ECU。

（5）发动机ECU　根据接收到的来自HV ECU的目标发动机转速以及所需的发动机动力启动ETCS-i（智能电子节气门）。

（6）蓄电池ECU　监控HV蓄电池的充电状态。

（7）制动防滑控制ECU　控制电动机/发电机产生的再生制动以及控制液压制动，使总制动力等于仅配备液压制动的传统车辆。同样，制动防滑控制ECU照常进行制动系统控制（带EBD的ABS、制动辅助和VSC+）。

（8）加速踏板位置传感器　将加速踏板角度转换为电信号并且输出到HV ECU。

加速踏板受到不同的力时，安装在加速踏板臂基部的磁轭以不同速度围绕霍尔IC旋转，此时，磁通的变化量由霍尔IC转换为电信号并输出给HV ECU，显示加速踏板受力强弱（图3-13和图3-14）。

（9）挡位传感器　将挡位转换成电信号并输出到HV ECU。

（10）SMR（系统主继电器）　用来自HV ECU的信号连接或断开蓄电池与变频器总成间的高压电路。

（11）互锁开关　用于变频器盖和检修塞，确认变频器盖和检修塞都已安装完毕。

（12）断路器传感器　若检测到车辆发生碰撞，则切断高压电路。

（13）检修塞　在检查或维修车辆时，应拆下此塞，关闭HV蓄电池高压电路。

（14）电线　将变频器与HV蓄电池、发电机（MG1）、电动机（MG2）以及空调压缩机等部件相连，来传输高电压、高电流。电线一端接在行李厢中HV蓄电池的左前连接器上，而另一端从后排座椅下经过，穿过地板顺着地板下加强件一直连接到发动机室中的变频器，如图3-15所示。这种屏蔽电线可以减少电磁干扰。辅助蓄电池的DC 12V配线排布和上述电线相同。高压线束和接头采用橙色，用来显示区别于普通低压线束。

3.1.2　丰田混合动力系统工作状态

根据行驶条件的不同，汽车在稳定运行过程中，混合动力系统可能处在不同的工作状态，以最大限度地适应车辆的行驶状况。

①HV蓄电池向电动机（MG2）供电，来驱动车辆（图3-16）。

②发动机通过行星齿轮机构驱动车辆时，发电机（MG1）由发动机通过行星齿轮机构带动旋转，为电动机（MG2）提供电能（图3-17）。

③发电机（MG1）由发动机通过行星齿轮机构带动旋转，为HV蓄电池充电（图3-18）。

④车辆减速时，车轮的动能被回收并且转化为电能，并通过电动机/发电机（MG2）为HV蓄电池再次充电（图3-19）。

HV ECU按照车辆行驶状况在①、②、③、①+②+③或④工作模式间转换。HV蓄电池的SOC（荷电状态）较低时，发动机将带动发电机（MG1）为HV蓄电池充电。

THS-Ⅱ（第二代丰田混合动力系统）使用发动机与电动机（MG2）提供的两种动力，并使用MG1作为发电机。系统依照各种车辆行驶状况优化组合这两种动力。

HV ECU始终监视SOC、蓄电池温度、水温及电载荷状况。在“READY”指示灯亮，车辆处于“P”挡或车辆倒车时，若监视项目符合条件，HV ECU发出指令，启动发动机，驱动发电机（MG1），并为HV蓄电池充电。

3.1.3　丰田混合动力系统工作原理

图3-20反映了车辆的常见行驶状况。可以按照图3-20来分析THS-Ⅱ系统是如何控制发动机、MG1和MG2来驱动汽车的。

图3-21所示为行星齿轮组与发动机、MG1和MG2的连接关系。发动机连接行星架，MG1连接太阳轮，MG2连接环齿轮。根据相对运动关系可以用模拟杠杆清楚地表示出行星齿轮机构（组）各部件的转速关系（图3-22）。杠杆的3个节点的相对位置由太阳轮（MG1）和环齿轮（MG2）的齿数确定，相对于水平基准位置，同侧代表运转方向相同，异侧代表运转方向相反，相对于基准位置的高度（垂直位移）相似于转速。

（1）准备启动状态（图3-20中的A阶段）　若水温、SOC、蓄电池温度和电载荷状态不满足条件，即使驾驶员按下“POWER”开关，“READY”指示灯打开，发动机也不会转动。

启动发动机：仪表盘上的“READY”指示灯亮、车辆处于“P”或者倒挡时，若HV ECU监视的任何项目都正常，HV ECU启动发电机（MG1），从而启动发动机。

运行期间，为避免发电机（MG1）太阳轮的反作用力转动电动机（MG2）的环齿轮并驱动车轮，电动机（MG2）接收电流，施加制动（图3-23、图3-24），这个功能称为“反作用控制”。

在随后的状态中，运转中的发动机驱动发电机（MG1），为HV蓄电池进行充电，如图3-25、图3-26所示。

（2）起步工况（图3-20中的B阶段）　电动机（MG2）驱动车辆起步后，车辆只由电动机（MG2）驱动。此时，发动机保持停止状态，发电机（MG1）以反方向旋转而不发电（图3-27、图3-28）。

启动发动机：只有电动机（MG2）工作时，增加所需驱动转矩，发电机（MG1）才能被启动，进而启动发动机；同样，若HV ECU监视的任何项目如SOC、蓄电池温度、水温和电载荷状态与规定值有偏差，发电机（MG1）将被启动，进而启动发动机（图3-29、图3-30）。

在随后的状态中，已经启动的发动机将使发电机（MG1）为HV蓄电池充电。若需要增加所需驱动转矩，发动机将启动发电机（MG1）并转变为“发动机微加速”模式（图3-31、图3-32）。

（3）发动机微加速工况（图3-20中的C阶段）　发动机微加速时，发动机的动力由行星齿轮组分配。其中一部分动力直接输出，剩余动力用于发电机（MG1）发电，通过变频器输出，电力输送到电动机（MG2），用来输出动力（图3-33、图3-34）。

（4）低载荷巡航工况（图3-20中的D阶段）　车辆以低载荷巡航时，发动机的动力由行星齿轮分配。其中一部分动力直接输出，剩余动力用于发电机（MG1）发电，通过变频器传输，电力输送到电动机（MG2），用来输出动力（图3-35、图3-36）。

（5）节气门全开加速工况（图3-20中的E阶段）　车辆从低载荷巡航转换为节气门全开加速模式时，系统将在确保电动机（MG2）动力的基础上，增加HV蓄电池的电动力（图3-37、图3-38）。

（6）减速工况（图3-20中的F阶段）

①“D”挡减速。车辆以“D”挡减速行驶时，发动机停止工作。此时，车轮驱动电动机（MG2），使电动机（MG2）作为发电机运转，为HV蓄电池充电（图3-39、图3-40）。

车辆从较高速度开始减速时，发动机以预定速度继续工作，保护行星齿轮机构。

②“B”挡减速行驶。车辆以“B”挡减速行驶时，车轮驱动电动机（MG2），使电动机（MG2）作为发电机工作，为HV蓄电池进行充电，并为发电机（MG1）供电。这样，MG1保持发动机转速并施加发动机制动（图3-41、图3-42）。此时，发动机燃油供给被切断。

（7）倒车工况（图3-20中G阶段）

①车辆倒车。仅由电动机（MG2）为车辆提供动力。此时，电动机（MG2）反向旋转，发动机不工作，发电机（MG1）正向旋转但是不发电（图3-43、图3-44）。

②启动发动机。若HV ECU监视的任何项目如SOC、蓄电池温度、水温和电载荷状况与规定值有偏差，发电机（MG1）将启动发动机（图3-45、图3-46）。

在随后的状态中，已经启动的发动机驱动发电机（MG1），为HV蓄电池进行充电（图3-47、图3-48）。