专家揭密:丰田Prius汽油/电力混合动力车

2006-05-22 13:51:35来源: 电子工程专辑

由于丰田Prius汽油/电力混合动力车辆有着跑车的外观、类似航空设备的仪表板显示和无噪声平稳启动,那么一点也不奇怪,该车是同类车型中销售得最快的车辆。(图1) 可是,除此之外,该车有一个可识别的重要特征:省油。美国环境保护局(EPS)给出燃油级别:街道上是61英里/加仑(mpg),高速公路(理想测试条件)上是50mpg。实际的,司机可期待的街道/高速路组合路面的燃油数是45到50mpg. 混合动力汽车的特色是,由汽油发动机发动,然后转换成电池动力以加速。可是,Prius采取了不同的处理方法,用电池动力发动,然后在速度超过20mph时,转换到汽油发动机。虽然Prius有大的突破,但司机不必为了最大限度的节油而从完全制动开始踩油门。 由于美国和世界其他国家曾面临过的最高油价,在另外汽油消费能力不强的市场,Prius的耗油数是个受欢迎的信号。

 

混合动力系统技术 Prius设计是基于Toyota称之为混合动力协同。概念目标是协同电动马达动力和汽油发动机动力,并使汽车功率和环境性能最大化成为可能。 Prius最近的型号是基于Toyota混合动力总系统II (THS-II)技术。THS-II系统的每个连续世代的产品改进了汽油燃效和减少散热,包括一个同轴的4缸1.5升发动机,一个高压镍氢电池(NiMH),一个带行星齿轮系统的智能混合动力驱动桥和一个复杂的发动机控制部件(图2)。

 


两种方法的混合物 基本上,两种形式的汽车动力系统都存在:串联和并联。每个都有各自整套正面和反面的特点。不象其他混合动力汽油-电动车辆,Prius使两者结合了,并最大化每个的强项和补足他们的弱项。 在串联混合动力系统中,汽油发动机启动发生器,而产生的电流使电动马达驱动车轮(图3)。汽车运行中,此处使用的低输出功率发动机在最经济的范围内保持汽车以稳定速度行驶,并使之有效的给电池再充电。

 

在并联混合动力系统中,汽油发动机和电动马达都直接驱动车轮。除补充发动机的原动力之外,电动马达还可作发生器,在汽车运行中给电池再充电。 Prius用两块永久磁铁500-V交流马达发生器:MG1和MG2。两个马达都是由变压器组驱动,该变压器组将电池的直流电压转换成交流电高压。一个混合动力驱动桥和行星齿轮系统连接两个发动机和两个发生器。(图4)



 


由于MG1和MG2从1040rpm到5600rpm产生67hp的输出,MG1和MG2不需要汽油发动机的帮助就有足够的扭矩发动汽车。Prius发动机运转的最大速度仅5000rpm,供给75hp输出。 首先,高压电池供应电力给MG2,以驱动车轮。当发动机轮通过行星齿轮被发动机驱动,MG1被发动机带动旋转供应发生电流给MG2。接着,发动机通过行星齿轮使MG1旋转给高压电池充电。汽车减速时,轮子的动能被恢复转化成电能,以通过MG2用之于高压电池充电(图5)。这就是著名的“再生制动”。

Prius的核心是动力输出设备,即行星齿轮盒,它将电力发动机、发生器和电动马达联结在一起(图6)。如并联混合动力系统中,这使得汽车运行可以是电动马达独立提供动力,也可以是汽油发动机独立提供动力,或者两者同时提供动力。

 

这种分离动力设备使车辆采用串联混合动力系统运转。从而,汽油发动机可不依汽车速度独立运转,以给高压电池充电或必要时为车轮提供动力。该设备也承担了连续变速传动的功能,不必再用手动传动或自动传动。因为分离动力设备通过发生器发动了汽油发动机,汽车不需要起动器。

电子马达连接在齿轮组的环形齿轮上,也连接驱动车轮的差速器。因此,电子马达的自转速率和环形齿轮决定车子的速度。 发电机被连在齿轮组的中心齿轮上,而引擎连接着行星齿轮架。环形齿轮的速度由三个部件共同决定,它们必须同时工作以控制输出速度。 所有的32位微处理器单元被用于发动机控制模块(ECM)、高压电控制单元(ECU)、电池的ECU和刹车控制ECU。这表明由早期的16位设计升级了。交互式通讯通过控制器区域网络总线发生。 先进的电池设计 NiMH电池由168节1.2V直流电池组成,用28个电池模块互相连接,以产生201.6V的名义直流电压,被安置在一个耐冲击的容器内,置于汽车后坐下。现在,电池连续不断的改良已到第三代。(用在Toyota的Lexus RH400h和Highlander运动型多用途运载车上的电池是第四代设计。)发动机罩下,有发动机、变速器组和混合动力驱动桥。(图7)

 

Toyota说,已经有人问及电池的使用寿命和更换价格。需要说明的是,电池群和所有混合动力成分都被认为是“汽车使用寿命”的组成部分。无论哪部分,他们都保用8年或100,000英里里程。在美国按加州型排放标准,保用期更长(10年和150,000英里)。(California, Connecticut, Massachusetts, Maine, New Jersey, New York, Rhode Island, Vermont, Washington, 和即将加入的 Oregon,都是采用该标准)。而且,从5年前Prius在美国发售以来,还没有电池要求更换这样的故障实例。 Toyota发言人宣称,“我们的电池已经通过模仿180,000英里无故障测试。在大西洋城西北用作出租车的第一代Prius,原始电池的使用里程已超过200,000英里。” 尽管如此,如果在保用期外电池发生故障,还是要考虑更换。由于没有电池故障历史记录就没有电池更换规定成本数,能量储备专家估计价格在3千美元到4千美元。 根据专家意见,“电池寿命中的关键问题是好的能量消耗监控。合理使用电池增加电池寿命(比如没有彻底的充电和放电,保持在合理的温度下运转等等)。” 他将Prius用高压电池做协同设计看作一个里程碑,但一定不是能源存储的最终和最经济解决方案。他预见到视野范围内甚至有更新的技术将使汽车运行更有效率和更环保。 超电容器就是这样的技术。他们不是电池。确切的说,他们是离子能量储备设备,比电池使用寿命长8到10年。并且,他们只占用20%左右的能量储备能力。但他相信,Prius设计引发了自动能量储备和低污染技术的革命。 当然,汽油-电动混合动力车辆运动才刚开始,确实会有相当大的扩张。到2008年,预计其他的汽车厂都要进入这一市场。 最近,由于潜在的软件小故障可能导致汽车发动机停转或关闭,对美国已售的75,000台(全球160,000)Prius,Toyota发布自主召回。据Toyota宣称,没有导致意外事故或意外伤害发生。还说,问题很小,公司已经成功解决。

关键字:混合  动力  耗油  功率

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