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(M(1)和电动机(MG2)是水磁电动机,其三相交流电经过定子线圈的相绕组时,电动机内形成旋转磁场。发电机(M(1)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DC201.6V增加至DC500V;反之亦可,从DC500V降至DC201.6V。
b.DC/DC转换器。将最高电压从DC201.6V降至DC12V,为车身电气组件供电以及为备用蓄电池再次充电(DC12V)。
c.空调变频器。将HV蓄电池的额定电压DC201.6V转换为AC201.6V,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DC201.6V的额定电压增加到DC500V,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DC201.6V提升到DC500V(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(201.6500V)转换为直流电,接着增压转换器将其降低到DC201.6V,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DC12V的供电系统供电。因为THSⅡ发电机输出额定电压为DC201.6V,所以需要转换器将电压降低到DC12V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DC201.6V转换成AC201.6V,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。
