電動(dòng)車普及的前奏 3種混合動(dòng)力技術(shù)解析

● 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)解析

1）系統(tǒng)構(gòu)成

　　豐田THS系統(tǒng)是典型的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，至今已發(fā)展到第二代。THS是“Toyota Hybrid System”的縮寫，最早被用于97年10月發(fā)布的第一代普銳斯（Puris）上。下面我們就以最新的THS-II系統(tǒng)對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行解釋。

　　THS-II系統(tǒng)主要部件有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁交流同步電機(jī)、發(fā)電機(jī)、高性能金屬氫化物電池盒以及功率控制單元。最新的第三代普銳斯和凱美瑞尊瑞采用的就是THS-II混合動(dòng)力系統(tǒng)。

2）部件解析

　　采用THS-II系統(tǒng)的第三代普銳斯使用的發(fā)動(dòng)機(jī)是1.8L的5ZR-FXE發(fā)動(dòng)機(jī)，而2012款凱美瑞尊瑞采用的是2.5L的4AR-FXE發(fā)動(dòng)機(jī)。上面提到的這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了能效相對(duì)較高的阿特金森循環(huán)。

阿特金森循環(huán)：

　　阿特金森循環(huán)是一種高壓縮比，長(zhǎng)膨脹行程的內(nèi)燃機(jī)工作循環(huán)。阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)推遲進(jìn)氣門關(guān)閉及推遲排氣門打開使得燃燒產(chǎn)生的能量更充分地被利用，是一種能效比較高的發(fā)動(dòng)機(jī)種類。傳統(tǒng)阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩輸出較弱，較長(zhǎng)的做工行程不利于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)控制技術(shù)的日益成熟（本田VTEC、豐田VVT、寶馬Valvetronic），使得阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有了極大的進(jìn)步。在面臨燃油危急的今天，阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)能效較高的優(yōu)勢(shì)便凸顯出來(lái)了。

　　THS-II系統(tǒng)的關(guān)鍵也是最為復(fù)雜的部件就是由兩臺(tái)永磁同步電機(jī)及行星齒輪組成的動(dòng)力分配系統(tǒng)。

　　THS-II系統(tǒng)中帶有兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)——MG1和MG2。MG1主要用于發(fā)電，必要時(shí)可推動(dòng)汽車。MG2主要用于推動(dòng)汽車。而MG1、MG2以及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸被連接到一套行星齒輪機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪、齒圈和行星架上。動(dòng)力分配就是通過(guò)功率控制單元控制MG1和MG2電機(jī)，通過(guò)行星齒輪機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行巧妙分配的。由于使用了這種創(chuàng)新的動(dòng)力分配方式，THS-II系統(tǒng)甚至連變速箱也不需要了，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出經(jīng)過(guò)固定減速機(jī)構(gòu)減速后直接驅(qū)動(dòng)車輪。

　　很明顯，豐田THS-II系統(tǒng)的復(fù)雜度要比上面提到的本田IMA系統(tǒng)高出許多。雖然控制系統(tǒng)復(fù)雜，但其結(jié)構(gòu)尚算緊湊，省去了龐大的變速箱降低了車身重量，對(duì)于車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性有相當(dāng)大的幫助。

3）工作邏輯

　　為了解THS-II系統(tǒng)的工作邏輯，我們通過(guò)視頻先來(lái)學(xué)習(xí)一下行星齒輪運(yùn)作的基本原理。

　　下面我們來(lái)看看THS-II的核心部件——動(dòng)力分配系統(tǒng)的工作原理。在下面解析中，發(fā)電機(jī)MG1我們簡(jiǎn)稱為MG1，電動(dòng)機(jī)MG2我們簡(jiǎn)稱為MG2。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電流流進(jìn)MG2通過(guò)電磁力固定行星齒輪的齒圈，MG1作為啟動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)輪，太陽(yáng)輪帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)，與行星架連接的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。

　　怠速時(shí)，電流流進(jìn)MG2固定行星齒輪的齒圈，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)，行星架帶動(dòng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與太陽(yáng)輪連接的MG1發(fā)電給電池充電。

　　車輛起步時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，行星架被固定。MG2驅(qū)動(dòng)行星齒輪齒圈，推動(dòng)車輛前進(jìn)。此時(shí)，MG1處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。

　　車輛起步時(shí)，如需要更多動(dòng)力（駕駛員深踩油門或檢測(cè)到負(fù)載過(guò)大），MG1轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　車輛起步時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MG1發(fā)電并供給推動(dòng)MG2運(yùn)轉(zhuǎn)的電能。

　　在輕負(fù)荷下加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MG1發(fā)電并供給推動(dòng)MG2運(yùn)轉(zhuǎn)的電能，MG2提供附加的驅(qū)動(dòng)力用以補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。

　　在重負(fù)載下加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)MG1發(fā)電并供給推動(dòng)MG2運(yùn)轉(zhuǎn)的電能。MG2提供附加的驅(qū)動(dòng)力用以補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。電池會(huì)根據(jù)加速程度給MG2提供電流。

　　降擋（D擋）時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，MG1空轉(zhuǎn)，MG2被車輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電給電池充電。

　　減速（B擋）時(shí)，MG2產(chǎn)生的電能供給MG1，MG1驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)斷油空轉(zhuǎn)。MG1輸出的動(dòng)力成為發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)力。

　　倒車時(shí)，只使用MG2作為倒車動(dòng)力。