双擎卡罗拉THS技术解析

　　近年来，环境与能源问题日益突出，我国政府在限制燃油消耗的强制性国家法规中规定，从2016年开始到2020年的第4阶段，轻型车企业平均燃料消耗量(CAFC)限值将从6.9 L/100km逐步降低到5.OL/100km。从目前运行混合动力乘用车来看，它可以比常规内燃机动力乘用车的整车燃油消耗和有害物排放降低30%以上。因此，发展混合动力汽车是满足未来一段时期内油耗和排放法规的主流技术路线。混合动力汽车是指拥有两个以上能量系统驱动的汽车，如2015年上市的国产双擎卡罗拉就是将燃油发动机和动力蓄电池供能的电动机产生的驱动力同时或者分别驱动车辆。下面通过它的构造原理和控制策略，解析丰田第二代混合动力系统THS-II(TyotaHybrid System)，发动机节能技术以及发动机与电动机驱动力藕合技术。双擎卡罗拉混合动力系统布置如图1所示。混合动力系统性能参数如图2所示。发动机性能参数如图3所示。

　　一、混合动力车用发动机

　　传统的汽车是由单一动力源驱动，所有动力均来自燃料发动机。这使得按最高车速、最大爬坡、极限加速性等动力性要求设计的发动机功率，与整车一般行驶工况下的功率需求之间存在较大差别，发动机大部分时间工作在轻载、低负荷工况，因此发动机效率低，排放性能差，造成整车燃油经济性和排放性的恶化。

　　混合动力汽车避开了发动机怠速和低负荷工况工作(用电力驱动)，并且采用Atkins。门(阿特金森循环)汽油发动机。Atkinson循环比Otto循环(奥托循环)的热效率高，这是因为Atkinson循环的膨胀比大于压缩比，阿特金森循环发动机原理图如图4所示。

　　发动机部分负荷时，通过VVT-i控制实现进气门延迟关闭，使得有效压缩比变小，同时加大节气门开度，利用进气门开闭时刻来调节负荷，减少了进气过程的泵气损失(延迟进气门关闭工作示意图如图5所示)。另外膨胀比大于压缩比这也使得膨胀压力下降后开始进行排气行程。能够更大程度地将热能转化为机械能，提高发动机的热效率，降低燃油消耗率(阿特金森循环发动机减少进排气损失原理如图5所示)。因此阿特金森循环发动机在混合动力乘用车上得到广泛的应用。

　　双擎卡罗拉采用了1.8L排量的8ZR-FXE Atkinson循环发动机，它较上一代丰田混合动力汽车用的1.5L手非量发动机的万有特性范围有所扩大，体现了更好的动力性和燃油经济性。(图6双擎卡罗拉8ZR-FXE发动机与丰田上一代混合动力发动机万有特性对比图)。

　　二、混合动力电源

　　双擎卡罗拉的混合动力系统采用了两个蓄电池，混合动力蓄电池和辅助蓄电池(混合动力2个蓄电池安装位置如图7所示)。

双擎卡罗拉THS技术解析----构造篇

　　　双擎卡罗拉THS技术解析----构造篇(二)来源：汽车维修与保养 作者：佚名 2016-11-12 09:30:54

　　1.辅助蓄电池(直流12V铅蓄电池)向电气部件(如前照灯、音响设备以及各ECU)供电。

　　2.混合动力蓄电池(HV蓄电池)的功能是存储电机MG1和电机MG2产生的电能。同时，当使用电动机驱动车辆时，HV蓄电池向MG1和MG2供电。空调工作时，通过DC-AC电压转换，向压缩机供电。为控制车辆正常运行，HV蓄电池和辅助蓄电池都需要正常工作。

　　HV蓄电池采用镍氢(Ni-MH)蓄电池，单体数量168个，6个单体组成1个模块，共28个模块(图8)。

　　3，在HV蓄电池模块电路中串联了维修塞把手，用于手动切断高压电路，这样确保维修期间的安全性。电路中还安装了可检测维修塞把手安装状态的互锁开关。把手解锁时，互锁开关关闭，动力管理控制ECU(HV CPU)切断系统主继电器。因此，为确保操作安全，拆下维修塞把手前务必将电源开关置于OFF位置。高压电路的主熔丝(125A)位于维修塞把手内，如图9所示。

　　4.在HV蓄电池接线盒中安装了3个继电器SMR。SMR是根据来自动力管理控制ECU(HVCPU)的信号以连接和断开HV蓄电池和电源电缆的继电器。SMRB：位于HV蓄电池正极侧。SMRG：位于HV蓄电池负极侧。SMRP：位于连接至预充电电阻器的蓄电池负极侧(图10)。图11所示为SMR继电器接通与断开工作顺序。

　　电源开关接通(READY ON)SMR时的工作情况：首先SMRB和SMRP依次接通，可使电流流经预充电电阻器。保护电路中的触点以防涌入电流造成损坏。SMRG接通可使电流绕过预充电电阻器。然后SMRP断开。电源开关关闭(READYOFF)SMR时的工作情况：首先SMRG断开。然后1 SMRB断开。

　　三、混合动力传动桥

　　双擎卡罗拉采用了丰田混合动力车辆P410传动桥。P410混合动力传动桥由电机MG1、 MG2、复合齿轮装置、传动桥阻尼器、中间轴齿轮、减速齿轮、差速器齿轮机构和油泵组成(图16)。该传动桥改进了上一代4轴结构为3轴结构，复合齿轮装置、传动桥阻尼器、油泵、MG1和MG2连接至输入轴。中间轴从动齿轮和减速主动齿轮连接至第二轴。减速从动齿轮和差速器齿轮机构连接至第三轴。传动桥使用丰田原厂ATF WS润滑油为润滑介质。

　　1.内置于混合动力传动桥的MG1和MG2为紧凑、轻量且高效的永磁同步电机。MG1和MG2由定子、定子线圈、转子、永久磁铁和解析器(转速传感器)组成，电机MG结构如图17所示。

　　双擎卡罗拉THS技术解析----构造篇(三)来源：汽车维修与保养 作者：佚名 2016-12-17 09:30:49

　　将永磁铁V型置于电机转子内，通过一极下由两块混合充磁的永磁体共同作用实现励磁，可有效增加气隙磁通，减少漏磁(充磁更集中)，以及利用转子的凸极效应与定子绕组所产生的磁阻转矩提高电机的输出扭矩(图18)。

　　MG1电机主要用作发电机，为MG2驱动车辆提供电能并对HV蓄电池充电。此外，启动发动机时，MG1用作启动机。MG1电机定子采用集中绕组型线圈，使电机端部绕组较短，铜耗量显著减少，结构更加紧凑。

　　MG2主要作用是利用MG1和HV蓄电池提供的电能，以电动机模式运行驱动车辆，此外，在减速过程中MG2用作发电机对HV蓄电池充电，并提供再生制动能量。MG2采用分布绕组型线圈能使定子绕组生产理想的正弦波磁通势，降低高次谐波，使电机运转更加平稳。

　　2.解析器(电机转速/位置传感器，图19)：为了使电机能够从恒扭矩到恒功率运行，采用磁场定向矢量控制方法，必须精确确定转子的磁极位置和转速，解析器承担了此项任务。解析器的结构是旋转变压器形式。由励磁线圈、检测线圈S、检测线圈C和一个椭圆形的转子(与MG转子作为一个单元一起旋转)组成。检测线S的+S和-S相互偏离90°。检测线圈C的+C和-C也以同样的方式相互偏离。线圈S和C相互分离45°。

　　当恒频交流电输入励磁线圈，随着电机转子轴上旋转变压器的椭圆形转子的旋转，与旋转变压器定子之间的间隙发生变化，因此在检测线圈S和C中互感出恒频的感应电动势。MG ECU利用线圈S和C的峰值差异计算转子的绝对位置。并且根据在指定时间内转子位置的变化量计算旋转速度。

　　3.复合齿轮装置：复合齿轮装置由动力分配行星齿轮机构和电动机减速行星齿轮机构组成。动力分配行星齿轮机构的太阳轮齿数30齿，齿圈齿数78齿，电动机减速行星齿轮机构的太阳轮齿数22齿，齿圈齿数58齿(图20)。

　　通过采用2套行星齿轮机构的齿圈和中间轴主动齿轮及驻车锁止齿轮做成一体的复合齿轮，使复合齿轮装置的结构更为紧凑和轻量化。动力分配行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG1、行星齿轮支架连接至发动机、齿圈连接至复合齿轮(车轮)。电动机减速行星齿轮机构的太阳齿轮连接至MG2、齿圈连接至复合齿轮(车轮)。行星齿轮支架固定至传动桥外壳。2套行星齿轮机构的齿圈组合在一起(图21)。

　　与上一代丰田混合动力驱动电机MG2相比较，双擎卡罗拉驱动电机MG2通过电动机减速行星齿轮机构，降低了MG2的转速，从而使得紧凑、轻量的电动机产生较大的扭矩。复合齿轮装置传动速度和扭矩输出可以用行星齿轮传动列线图来表示(图22)。

　　4.传动阻尼器：混合动力车辆在发动机运转停止或启动瞬间，会产生发动机扭转振动，而在传动装置结构上又取消了液力变矩器的液力减振作用，因此，在双擎卡罗拉发动机与传动桥之间安装了传动阻尼器(图23) 。

　　传动桥阻尼器减小了发动机传输动能时产生的扭转振动力矩。同时在车辆振动控制方面增加了发动机扭矩脉冲补偿控制程序。降低发动机与传动桥减速机构藕合的共振影响(图24)。

　　5.传动桥油泵：机械油泵采用余摆线型油泵，内置于混合动力传动桥内(图25)。由发动机驱动，压力润滑各部齿轮。另外传动桥还通过减速齿轮旋转，使集油箱内润滑油甩油润滑齿轮，减小机械油泵运转负载。

　　双擎卡罗拉THS技术解析----构造篇(四)来源：汽车维修与保养 作者：佚名 2017-02-21 08:59:11

　　四、带转换器的逆变器

　　带转换器的逆变器总成主要由4个零部件组成，如图26所示。

　　1.MG ECU：根据接收动力管理控制ECU(HV CPU)的信号，控制逆变器和增压转换器，使MG1和MG2运行在电动机或发电机模式(图27)。

　　从动力管理控制ECU(HV CPU)接收控制MG1和MG2的运行状态信息(如MG1和MG2的转速、扭矩、温度以及目标升高电压)。

　　将车辆控制所需的信息，如逆变器输出安培值、逆变器电压、逆变器温度、MG1和MG2转速(解析器输出)、大气压力以及任何故障信息传输至动力管理控制ECU(HV CPU)。

　　2.逆变器：将HV蓄电池或增压转换器直流电转换成用于驱动MG1和MG2的交流电，反之亦然(将MG1和MG2发出的交流电转换成直流电)。

　　3.增压转换器：将HV蓄电池公称201.6V的直流电压升至最高650V的直流电压。反之亦然(将659V直流电压逐步降至201.6V直流电压)(图28)。

　　增压转换器由带内置式IGBT的增压IPM、电抗器和高压电容组成。使用2个IGBT，一个用于升压，一个用于降压。电抗器抑制电流变化，提供稳定的升压和降压电流。高压电容器存储升高的电压，为逆变器提供所需稳定电压。

　　4. DC/DC转换器：车辆的电气零部件(如前照灯和音响系统)和各ECU使用直流电压12V作为其电源。在常规车辆中，交流发电机(使用发动机拖动)用于为12V蓄电池充电并为电气零部件供电。然而，在混合动力车辆中，发动机间歇运行，因此，混合动力车辆不使用交流发电机，采用DC/DC转换器。在DC/DC转换器的晶体管桥接电路将HV蓄电池的201.6V直流电压，暂时转换为交流并通过变压器降至低压。然后，将交流再转换为14V直流电压，稳定地输出至12V低压直流电源系统(图29)。

　　五、逆变器冷却系统

　　逆变器将HV蓄电池高压直流电转换为驱动MG1和MG2运行的交流电，在转换过程中逆变器会产生热量，因此，逆变器配备了独立的冷却系统，由逆变器冷却水泵、冷却风扇和散热器组成。动力管理控制ECU(HV CPU)监视控制逆变器工作温度，水泵和冷却风扇运转，并检测系统故障，采取失效保护措施(图30)。