丰田混动系统THS II工作原理和系统组成介绍

对于混动汽车来说，电机的动力用于启动车辆。在车辆正常的行驶过程中，发动机和电机均处在高效的经济转速中，从而提高燃油效率。当车辆需要强力加速时，高输出电机和发动机产生最佳的功率。丰田THS II混动系统是丰田的第二代混合动力系统。新的混合动力系统采用了小型化、轻量化、低损耗的技术，与第四代普锐斯相同。在保持出色燃油经济性的同时，还能实现同级前所未有的高性能。

一、丰田THS II基本工作原理

1.1、启动和低中档车速

发动机在低效范围时停止工作，如在启动和低中档车速。车辆仅靠电机驱动。见图A。

1.2、在正常情况下驾驶

发动机动力由动力分动器分成两部分。一部分动力转动发电机，而发电机又驱动电机，见图B。另一部分动力直接驱动车轮，见图C。通过功率控制单元控制功率分配，以使动力输出效率最大化。

1.3、突然加速

额外的动力功率由电池(A)提供，而发动机和高输出电机提供平滑的响应（B+C），以改善加速特性。

1.4、减速、制动

制动减速时，高输出电机将作为一个高输出发电机，并由车辆的车轮驱动。这种再生制动系统将动能恢复为电能，并存储在高性能电池中。见图D。

1.5、电池充电

必要时，发动机驱动发电机给电池充电。见图E。

1.6、车辆停止时

发动机自动停止。

二、丰田THS II混动系统组成和作用

丰田THS II混动系统的所有主要零部件都是由丰田公司自己开发的。其中，高压电源电路、电机、发电机和电池都进行了新的设计。该混动系统由两种动力源组成，一是利用阿特金森循环高膨胀比循环高效汽油发动机进行传输动力，二是利用永磁交流同步电机、发电机、高性能镍氢电池和功率控制单元组成的新能源动力进行传输。这个电源控制单元包含一个高压电源，用于将电机和发电机的电源系统的电压提高到500 V的高电压，而交流-直流逆变器的作用就是用于转换来自电机和发电机的交流电流和来自混合动力电池的直流电流。其他的关键部件包括一个动力分动装置，它通过分配和组合它们来传递来自发动机、电机和发电机的机械动力。功率控制单元精确控制这些组件，使它们能够高效的协作。

2.1、高压电源电路

高压电源电路是THS II系统的一项新技术。通过在电源控制单元内装上新开发的高压电源电路，电机和发电机的电压从THS的274V增加到THS II的最大500V。因此，电路可以用较小的电流供给给电机，从而提高效率。

从原理上不难，即通过公示可以说明，那就是：功率(P) =电压(V) X电流(I)。功率，表示电力在给定时间内完成的功，是通过电压V乘以电流I可计算出来。如果驱动电机所需的功率保持恒定，上述公式表明，加倍的电压可使电流降低1/2。同时，根据焦耳定律（Q=I²Rt）可以得出，如果电阻保持恒定，电流降低1/2，功率损失将减少到1/4（1/2电流x 1/2电流）。丰田THS II混动系统中的高压功率电路在保持电流恒定的同时，通过增加电压来增加功率。此外，在相同的功率水平下，增加电压和减小电流可以减少能量损失，从而提高效率。

2.2、驱动电机

丰田THS II混动系统采用了一种交流同步型电机，这是一种具有交流电流的高效直流无刷电机。钕磁铁（永磁体）和由堆叠的电磁钢板制成的转子形成一个高性能电机。此外，通过将永磁体排列成最佳的v型，提高了驱动转矩和输出功率。结合更大的电源，输出功率相比THS提升了约1.5倍，即从33 kW到50 kW。在电机控制方面，除了现有的低、高速控制方法外，还在中速范围内增加了一种新开发的过调控制系统。通过改进脉宽修正方法，在中速范围内的输出最大提高了约30%。

2.3、发电机

与驱动电机一样，发电机也是一种交流同步型的电机。为了给高输出驱动电机提供足够的功率，发电机以高速旋转，通过转子强度增强等措施已经将最大可能的最大输出范围从6500rpm（常规类型）增加到10000rpm。这种高转速显著增加了电源的中速范围，提高了在低/中速的加速性能，从而实现了高输出电机和发动机的最佳组合。

2.4、电源控制单元

电源控制单元包含一个逆变器，将电池的直流转换为驱动电机的交流电和一个直流/直流转换为12V的转换器。逆变器是将电池的直流电（DC）转换为交流电（AC）的装置。当直流电转换为交流电时，可用于驱动交流电机。

在THS II中，在逆变器电路的前面增加了一个直流/直流高压电源电路。因为这个转换器可以提高电压，即使在相同的电流水平下，电力功率也会增加，可使电机输出更高的扭矩。同时，在THS II中，增加了一个高压电源电路，可以将电源电压从电源提高到500V。基于功率=电压x电流的关系，增加电压使电流减小，使得逆变器的尺寸减小。电源控制单元中的半导体开关器件（IGBT：绝缘栅双极晶体管）可以提高来自电池的电压，并将增强的直流电源转换为交流电源来驱动电机。由于必须切换的电流很大，对散热也提出了高要求。因此，丰田开发了一种独特的晶体管，可以微调到晶体水平。该装置比THS中使用的类似装置小20%，并实现了低热产率和高效率。

2.5、混合动力电池

在THS II中，为THS开发的紧凑型、高性能的金属镍氢化物电池进行了进一步的改进优化。通过改进电极材料和使用（电池）电池之间全新的连接结构，降低了电池的内阻，新电池的输入/输出密度比THS中使用的电池高35%。为了保持恒定的充电，新电池被放电或从发电机和电机接收充电能量，因此不需要像电动汽车那样进行外部充电。

2.6、再生制动系统

使用再生制动系统，在发动机制动和使用脚制动器制动时，将电机作为发电机运行，将车辆的动能转化为电能，用来给电池充电。该系统在城市驾驶过程中恢复能量特别有效，在城市驾驶中，重复加速和减速的驾驶模式很常见。当使用脚制动器时，系统控制ECB的液压制动器与再生制动器之间的协调，并优先使用再生制动器，从而即使在较低的车速下也能回收能量。此外，通过提高电池的输入性能，也能回收更多的能量。

2.7、混合动力变速器

2.7.1、混合动力变速器

混合动力变速器由动力分动器、发电机、电机、减速齿轮等组成。发动机的动力被动力分动器一分为二。其中一个输出轴连接到电机和车轮，而另一个则连接到发电机。这样，发动机的动力就通过两条路线传递，即机械路线和电气路线。THS II还通过在变速器中使用球轴承减少约30%的摩擦损失。

2.7.2、动力分动器

动力分动器使用了一个行星齿轮。齿轮机构内部的行星齿轮托架的旋转轴直接与发动机相连，并通过小齿轮将动力传递给外环齿轮和内太阳齿轮。齿圈齿轮的旋转轴直接与电机相连，并将驱动力传递到车轮上，而太阳齿轮的旋转轴则直接与发电机相连。

发动机、发电机和电机的运行方式

1)车辆静止时的

发动机、发电机和电机均停止运行。

2)启动期间的

车辆仅使用电机驱动就可开始行驶。

3)从启动开始加速

该发电机也具有发动机起动器的功能，它可以旋转太阳齿轮并启动发动机。一旦发动机启动，发电机就开始发电，用于给电池充电，并提供给电机以驱动汽车。

4)正常驾驶时

在大多数情况下，发动机是用来驱动车辆。此时发电机不发电。

5)加速期间的

在从正常驾驶状态开始加速时，发动机转速增加，同时，发电机开始发电。利用发电机发的电和电池中的电，电机同时参与驱动，使得车辆的加速能力变强。

基于发电机高速旋转的输出增强技术，由于发电机的最大可能的转速已经增加，它可以利用更高的发动机转速，从而产生更高的输出。这样使得发电机产生的电量增加，这一增加的电量供给电机，从而导致驱动功率的增加。

2.8、发动机

采用1.5升发动机，通过使用阿特金森循环来实现高效率（一种由詹姆斯•阿特金森（英国）首先提出的热循环发动机，其中压缩冲程和膨胀冲程持续时间可以独立设置。R.H.Miller（美国）的后续改进允许调整进气门开启/关闭时间），这是最省热、高膨胀比的循环之一。由于通过减少燃烧室的体积来增加膨胀比（（膨胀行程体积+燃烧室体积）/燃烧室体积），只有在爆炸力充分下降后才能排出燃烧室，因此该发动机可以获取所有的爆炸能量。

在传统发动机中，由于压缩冲程体积和膨胀冲程体积几乎相同，所以压缩比（（压缩冲程容积+燃烧室容积）/燃烧室容积）和膨胀比基本相同。因此，试图增加膨胀比也会增加压缩比，导致不可避免的爆缸，并限制膨胀比的增加。为了解决这个问题，关闭进气阀的时间被延迟，在压缩冲程的初始阶段（当活塞开始上升时），进入气缸的部分空气被返回到进气歧管，实际上延迟了压缩的开始时间。这样，在不增加实际压缩比的情况下，增加了膨胀比。由于该方法可以增加节流阀的开度，因此可以降低部分负载时进气管道的负压，从而减少进气损失。

采用VVT-i（可变气门正时智能），根据运行条件仔细调整进气门正时，始终获得最大效率。此外，使用倾斜挤压紧凑燃烧室确保火焰在整个燃烧室快速传播。高热效率，再加上通过使用铝合金气缸体和紧凑的进气歧管等来减少发动机车身的尺寸和重量，有助于提高燃油效率

该发动机的最高转速已经从传统发动机的4500rpm增加到5000rpm，从而提高了输出功率。运动部件较轻，活塞环的张力较低，气门弹簧载荷较小，从而使摩擦损失减小。此外，5000 rpm使得发电机旋转更快，增加了加速过程中的驱动力，进一步提高了燃油效率。

THS II的控制系统通过精确实时控制感知司机的意图和通过管理整个车辆使用的能量来确保车辆的最大运行效率，其中包括车辆的行驶能量以及用于辅助设备的能量，如空调、加热器、前灯和导航系统。系统监控混合动力系统部件的需求和运行状态，如发动机，这是整个混合动力汽车的能源；发电机作为发动机的起动器，将发动机的能量转化为电能；电机，利用电池的电能产生驱动动力；以及电池，储存电机在减速过程中发电产生的电能。它还接收通过车辆的控制网络发送的制动信息，以及来自驾驶员的指示，如油门开启和换档杆位置。换句话说，THS II的系统控制监控了这些不同的能源消耗状态。

与现代喷气式飞机一样，THS II混合动力汽车采用线控系统，即将驾驶员的指令转换为电信号（通过电线），用于综合控制。在线控系统中，可靠性是系统的最高优先级。当智能钥匙发送指示驾驶员已进入车辆内部的信息时，系统电源将打开。首先，监控混合动力计算机本身是否正常工作，并在按下点火按钮之前进行操作检查。按下点火按钮时，系统检查各种传感器、发动机、电机、发电机和电池是否正常工作。然后，打开高压系统中各部件的开关，如电机、发电机和电池，使车辆准备运行。这是启动控制顺序。当驾驶员在离开车辆前再次按下点火按钮时，高压系统中的部件将断开，在确认该系统已关闭后，混合动力计算机将关闭。

发动机功率控制是THS II的基本控制机制，始终降低整个车辆的能耗。根据车辆的运行状态、驾驶员踩下加速踏板的距离和来自电池计算机的状态信号，能量管理控制决定是否停止发动机并仅使用电机驱动车辆还是启动发动机并使用发动机功率运行车辆。

当第一次启动时，车辆开始使用电机运行，除非温度过低或蓄电池充电过低。为了使用发动机动力运行车辆，发动机首先由发电机启动，同时，系统计算整个车辆所需的能量。然后，它计算出将产生最高效率的运行条件，并向发动机发送一个转速指令。然后，发电机控制发动机的转速。发动机的功率是通过考虑直接驱动功率、发电的电机驱动功率、辅助设备所需的功率和电池的充电要求来控制的。通过优化这种发动机功率控制，THS II为整个车辆提供了先进的能源管理，并提高了燃油效率。

THS II车辆的驱动动力来自于发动机的直接驱动动力和电机的驱动动力的结合。车辆的速度越慢，电机越参与的驱动动力越多。通过增加发电机转速，THS II使得使用发动机的最大功率在较慢的速度比当前的THS要多。它还可以通过使用一个高压、高输出的电机来显著提高最大驱动功率，从而提高了整个系统的动力性。

此外，在仅由电机驱动的加速期间启动发动机所需的时间减少了40%，大大提高了加速响应。为了消除发动机启动过程中的冲击，发电机还能精确地控制发动机曲柄的停止位置。为了保证即使在施加大负载时，如在空调开启时，车辆的驾驶功率也不受影响，进行精确的驾驶功率校正控制，实现平稳、无缝的驾驶性能。

在THS II中，新开发的电控制动系统（ECB）控制ECB液压制动器与再生制动器的协调，优先使用再生制动器；它还使用高输出电池，增加可回收的能量和可回收的范围。该系统提高了整体效率，从而提高了燃油经济性。

THS II的按需扭矩控制确保在任何驾驶条件下都根据驾驶员的意愿忠实地提供驾驶动力。THS II进一步扩展了这一概念，并增加了增强的驾驶员辅助功能，以确保安全驾驶。

1)电机牵引控制

在THS中，发动机、发电机、电机和车轮通过动力分动器连接在一起。此外，大部分的发动机功率被发电机转化为电能，而高输出和高响应的电机驱动车辆。因此，当车辆的驱动功率突然变化时，例如车轮在结冰或其他滑表面上滑动和制动时车轮锁定，使用类似于传统牵引控制的保护控制来防止动力分动器中行星齿轮的突然电压波动和旋转增加。在THS II中，进一步提高了部件保护功能，利用高输出、高响应电机的特性，实现了世界上第一个电机牵引控制。电机牵引力控制的目标是在雪地道路上发现车轮滑动时恢复牵引力，并通知驾驶员滑动的情况。车辆安全运行的基本要求是轮胎与路面之间的牢固牵引力。电机牵引力控制可以帮助驾驶员保持这种状态。

2)上坡辅助控制

这是高输出电机THS II所特有的另一个驱动辅助功能。此功能可防止车辆在陡坡上启动时松开制动器时向下滑动。由于电机有一个高度灵敏度的旋转传感器，它可以响应地感知斜坡的角度和车辆的下降，并通过增加电机的扭矩来确保安全。