丰田普锐斯混合动力系统分析

　　摘要：随着人类社会与科学技术的不断提高，人们生活水平也随之有了很大的改善，汽车作为一种方便快捷的交通工具，也逐渐成为人们日常生活不可或缺的一部分。但是，随着汽车保有量的逐年增加，汽油、柴油等传统化学燃料的消耗量也越来越大，使得能源危机不断加剧；同时，汽车保有量的增加也导致了汽车有害排放物的急剧增加，对大气环境以及人们身体健康造成非常大的影响。因此，为了解决能源危机与汽车有害排放物对生态环境和人身体健康的威胁，近些年来，越来越多的汽车生产厂家开始着手研发低能耗、低排放的新能源汽车，例如，混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等。混合动力电动汽车以发动机和电池为动力源，兼顾了传统燃料汽车与电动汽车的优势，因此具有非常大的研究意义。

　　日本丰田汽车制造公司于上世纪末就开始了对混合动力汽车的研发与推广，并与1997年推出了世界上最早量产的混合动力汽车—普锐斯。该混合动力汽车一面世，随即就受到全世界的关注，并在全球汽车制造领域就引起了混合动力汽车开发的浪潮。本文将就丰田普锐斯混合动力汽车的动力系统进行分析。首先，介绍了混合动力汽车发展的背景与意义；其次，就混合动力汽车发展现状作简要介绍；随后，对普锐斯混合动力汽车的动力系统进行详细分析；最后，以丰田普锐斯为例对混合动力汽车的发展进行展望。

　　关键词：丰田普锐斯，混合动力，动力系统，展望

　　卡尔本次发明世界上的第一辆汽车，是人类交通工具发展史上的一个里程碑，也使人们的出行方式发生了前所未有的革新。经过一百多年的发展，汽车制造行业也是空前繁荣，汽车技术不断成熟和完善。随着经济的发展与人们生活水平的不断提高，汽车也成为了家庭生活中不可缺少的一部分，因此，全球汽车保有量每年都在急剧增加。尽管汽车发展促进了人们交通运输方式的巨大变革，同时，也影响了社会经济的发展，但是其所引发的环境问题与能源消耗问题，却同样引起了人们的关注。因此，为了缓解能源危机与改善生态环境，越来的越多的汽车生产制造商开始研发更节能、更高效、更环保的新能源汽车，比如，混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等。

　　纯电动汽车（EV）以电能为汽车动力源，几乎无任何有害排放物，是传统燃料汽车最理想的替代品，但是，电动汽车在一些关键技术上仍然存在问题。首先，电动汽车核心—电池。电动汽车以电池为动力源，但是在生产电池的过程中会产生一系列对环境与人体有害的化学物质，研发清洁、环保的电池是当前电动汽车发展的最主要的问题；其次，电池的容量问题也是限制电动汽车发展的重要因素，电池容量严重影响电动汽车的续驶里程，电池容量过小就需要频繁的充电，这对电池本身的影响非常大，会严重缩短电池的使用寿命；最后，电动汽车的充电问题，因为，现在国际上还没有将电动汽车电池的充电设备进行统一标准，不同汽车需要不同的充电桩，所以，各品牌之间就无法通用，这就进一步阻碍了电动汽车的发展。所以，混合动力电动汽车作为传统能源汽车向电动汽车的过度就应运而生。混合动力汽车有两个动力源：内燃机与电动机。根据不同的运行工况汽车选用不同的动力源，因此它同时兼顾了纯电动汽车与传统燃料汽车的优点，一方面，它可以保证汽车有足够的动力和较长的续驶里程，另一方面又可以减少燃油的消耗和有害物质的排放。因此，混合动力汽车是当前动力性、经济性以及排放特性都比较优异的新能源汽车，具有非常大的发展空间和市场前景。

　　混合动力电动汽车是指同时装备有发动机和电动机两种动力源的汽车，在汽车行驶过程中这两种动力装置至少有一种给汽车提供动力。目前我们所说的混合动力汽车一般是指以传统燃料内燃机与电动机为动力源的油电混合动力式汽车。混动力电动汽车兼具有电动汽车与内燃机汽车的优点，对现有的汽车产业布局、汽车整体结构、能源供应方式以及用户的使用习惯没有太大的影响。一方面，混合动力汽车与现在的内燃机汽车相比具有非常低的燃油消耗率，尾气排放中要害物质含量少等优势，在保证汽车动力性的前提下，提高了汽车的经济性与排放特性。另一方面，与纯电动汽车相比，混动力电动汽车具有内燃机，因此，具有较强的动力性，续驶里程也基本与传统燃料汽车相同。

　　混合动力电动汽车一般都采用小功率的内燃机，能满足汽车正常行驶所需要的功率，当汽车在一些特殊工况，例如加减速、爬坡、负载等，则需要电动机提供额外的辅助功率，这样就可以保证汽车在高效率、低消耗率、低排放特性的状况下运行。当发动机功率不能够满足汽车正常行驶所需要的功率时候，就需要电池进行补充；当发动机提供的功率过剩时，就将剩余的功率储存到电池内。当车辆在城市比较拥挤的道路行驶时就可以只使用电池提供动力，这样就可以减少燃料的消耗和有害物质的排放。

　　综上所述，混合动力电动汽车在动力性、经济性以及排放特性方面均具有较好的表现，所以受到各大汽车生产制造厂商的青睐，他们都在积极研发动力搭配优异的混合动力汽车，促进了混合动力汽车市场的蓬勃发展。

　　日本无论是在汽车技术研发还是在生产制造方面都领先世界很多国家，同样，日本汽车各大汽车生产制造商早在上个世纪末就开始着手对混合动力汽车的研发与生产。其中，最具有代表性的就是丰田汽车公司于1997年推出的普锐斯混合动力电动汽车。丰田普锐斯采用汽油机与电动机组合为汽车提供动力源，在正常行驶时仅适用一种动力源，当在一些特殊工况时，汽油机与电动机同时为汽车提供动力。普锐斯混合动力电动汽车可以根据工况的不同合理选择动力源的分配，这种分配可以有效地减少燃油的消耗和提高能源的利用率。同时，普锐斯混合动力电动汽车使用电控无级变速器，提高动力的传动效率，因此就有良好的传动性能。高性能的传动装置匹配混合动力装置，进一步提高了普锐斯混合动力汽车的动力性，保证汽车在运行过程中具有足够的动力。

　　欧洲各大汽车生产企业紧随世界发展潮流，纷纷开始着手研究新能源汽车，其中德国作为欧系车的代表在混合动力汽车研发方面也取得了非常大的成就。例如，德国宝马汽车制造有限公司推出的混合动力概念跑车i8就完美展现了混合动力的魅力和特点。i8采用了典型的汽油机与电动机双动力源驱动系统，在内燃机配置方面，i8搭载了一台三缸1.5L排量的涡轮增压直喷汽油机，i8采用发动机后置后驱，两台电动机为前置，这样就可以直接将动力输出至前轮。当使用双动力系统驱动汽车时，百公里加速时间仅为4.8s，最高车速可以达到250Km/h，由于采用混合动力，因此i8的百公里油耗仅为3.76L,极大地提高了整车的燃油经济性，同时，i8在纯电动模式下行驶时无任何有害气体生成，真正做到了高效、节能、环保。

　　由于国内内燃机汽车起步较晚，汽车制造技术相对落后，再加上内燃机研发基础比较薄弱，就导致我国混合动力汽车的生产与研发起步比较晚。但是，随着传统燃料汽车对能源的消耗以及环境污染问题越来越尖锐，就迫使国内汽车生产制造企业逐渐开始研究和生产新能源汽车，同时，为了进一步促进新能源汽车的研发与量产，国家相关部门出台相关政策对新能源汽车行业的发展进行积极的引导和鼓励，并将新能源汽车项目作为未来汽车发展的一个重大战略目标。这些举措为新能源汽车营造了良好的社会环境，创造了非常有力的发展空间。国内各大汽车生产厂家紧紧把握机会，积极开展混合动力汽车的研发，经过几年的发展，混合动力汽车各个关键技术方面均取得了非常大的进步与成就。根据相关研究表明，我国混合动力汽车在整车技术与动力分配上已经建立了比较完善的体系，已经能够独立进行混合动力汽车的研发与生产，很多混合动力汽车动力系统的关键性技术已经有了非常大的突破，这些进步极大地促进了我国汽车行业的进步与发展，是国内汽车呈现出百家争鸣的新局面。

　　混合动力汽车的分类形式有很多种，根据内燃机与电动机动力耦合方式的不同混合动力汽车主要可以分为以下三种形式：串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车以及混联式混合动力汽车。

　　2.3.1、串联式

　　串联式混合动力汽车只有电动机为汽车提供驱动力。它的动力输出路径为发动机做功带动电动机发电，然后电动机作为动力源将电能输送到驱动轮上驱使汽车行驶；另外，动力电池也可以单独作为汽车的动力源给汽车提供动力。图2-1是串联式混合动力汽车的典型结构图。

　　图2-1串联式混合动力汽车结构图

　　从图中可以看出，串联式混合动力汽车的动力系统包括发动机、发电机以及驱动电机这三部分组成，这三部分采用了串联的方式组成了汽车的驱动系统。在车辆行驶的过程中，当蓄电池能量充足时就只需要蓄电池给汽车提供动力，发动机不需要工作，蓄电池输出直流电经过控制转换器后将变为交流电，交流店驱动电机输出转矩经过变速器、万向传动装置、驱动桥以及驱动轮驱动汽车行驶；当电池电力不足时，作为辅助动力装置的发动机就开始工作，发动机利用燃烧产生的动能驱动发电机发电，产生的电能将用于驱动汽车行驶，若发动机有剩余功率，则剩余功率将用于给蓄电池充电。

　　2.3.2、并联式

　　并联式混合动力汽车发动机和电动机既可以单独作为动力源驱动汽车，也可以同时作为动力源驱动汽车行驶。并联式混合动力汽车的典型结构如图2-2所示。

　　图2-2并串联式混合动力汽车结构图

　　从图2-2中我们还可以看出并联式混合动力汽车的驱动模式，首先，当单独采用发动机为动力源时，发动机将输出的动力经变速器输出到驱动轮驱动汽车的行驶，若发动机有剩余动力，则剩余动力将用于给蓄电池充电；其次，当采用蓄电池为动力源进行动力输出时，蓄电池将电力输送至电动机，电动机将动力输送至驱动轮；当采用混合动力时，此时发动机与蓄电池同时作为动力源向驱动轮输送动力。

　　2.3.3混联式

　　混联式混合动力电动汽车具备有串联式和并联式两种动力。混联式可以分别在这两种模式下工作，即可以采用串联混合模式，也可以采用并联混合模式，因此混联式混合动力汽车同时兼顾有串联式与并联式的优点。

　　混联式混合动力汽车的驱动系统包括发动机、电动机、发电机以及蓄电池等组成，动力输出到车轮上的路径有串联和并联两条，其中，串联路径包括发电机、能量存储系统、电动机以及车轮组成，串联路径可以将发动机燃烧产生的机械能通过发电机转化为电能，这些电能一部分用于驱动车轮行驶，一部分用于给蓄电池充电。在并联路线中，内燃机可以将燃烧产生的机械能直接用于驱动车轮行驶，当有剩余能量时，这部分能量可以通过发电产生电能并存储到蓄电池中；当内燃机提供的功率不能够满足汽车所需功率时，蓄电池将会提供辅助能量驱动车轮行驶。

　　混联式混合动力汽车最大的特点就是兼顾了串联式与并联式的优点，但是，确实的汽车的动力装置结构更为复杂，同时，也增加了汽车的生产成本，因此，混联式混合动力汽车并没有得到很好地发展与推广，下文所介绍的丰田普锐斯就是采用混联式动力输出方式。

　　图2-3混联式混合动力汽车结构图

　　日本丰田汽车有限公司于上世纪末研发并推广了第一辆混合动力电动汽车，该款汽车以汽油机和电动机为动力源，下面就简单介绍一下丰田普锐斯混合动力汽车。

　　丰田普锐斯就采用混联式驱动系统，正如上文所介绍的混联式动力输出系统兼顾了串联式与并联式的优点，是串联式与并联式的结合体。串联式可以使发动机不受汽车工况的影响而持续给汽车提供动力，并且始终都能够使发动机在最佳的工作区间内运行，同时，混联式所采用的发动机一般都是功率较小的发动机，因此，既可以保证汽车的动力性也可以提高汽车的经济性；并联式可以使汽车发动机和电动机共同为汽车提供动力，也可以使两者单独为汽车提供动力；丰田普锐斯混合动力汽车采用混联式，可以将发动机产生的机械能既可以以串联方式输出到驱动轮上，也可以采用并联方式将动力输出到驱动轮上，从而保证汽车在各种工况下均能以最佳状态工作，所以可以有效地降低燃油消耗率和污染物的排放。

　　图3-1是丰田汽车有限公司所研发的用于普锐斯混合动力汽车上的动力系统—THS系统，经过研究人员的优化改进，现在已经发展到第二代。THSⅡ系统主要有以下几部分组成：汽油发动机、永磁交流同步电机、发电机、高性能金属氢化物电池盒以及功率控制单元等。THSⅡ系统最大的特点就是在原来的控制单元中又添加了升压转换器，进一步提高了电动机的性能。由于丰田普锐斯混合动力汽车采用了混联式动力驱动模式，所以，其具有非常出色的加速性能以及经济性能，特别是在城市道路中，丰田普锐斯可以使电动机作为辅助动力源给汽车提供动力，在节能和环保方面具有非常出色的表现；当汽车在怠速工况下时，发动机和电动机都不工作，也不会消耗能源。汽车在行驶、急刹车、滑行过程中如果有剩余机械能将会被发电机转化为电能存储到蓄电池中，这样可以实现最大限度的能源利用。根据有关实验数据表明，丰田普锐斯在城市工况下油耗仅为4.7升/100公里，高速公路上的油耗也仅为5升多点（时速不超过120公里）。

　　图3—1丰田THS系统

　　（1）起步、低速行驶和倒车（纯电模式）

　　当电池电力充足的时，在起步、低速行驶以及倒车工况下丰田普锐斯将采用纯电动模式，发动机并不工作，这样就可以避免在以上工况下燃油消耗量增加以及燃烧不充分造成大量污染物的排放。

　　（2）通常高速行驶状态下（纯油模式）

　　当汽车在高速状态下行驶时就需要发动机工作，此时发动机将产生的机械能一部用于驱动汽车行驶，另一部通过发电机转化为电能，然后再将这部分电能提供给驱动轮。

　　（3）急加速状态（油电混合模式）

　　在急加速工况下，汽车需要较多的驱动力，因此，就需要发动机和电动机同时工作，一起为汽车提供扭矩，普锐斯1.5L发动机的功率只有56kW，而且始终是以优化功效的工作模式运行。然后再加上电机的辅助，最大输出功率可以超过100kW，最大输出扭矩可以超过500N·m。

　　（4）制动过程（动能转化电能模式）

　　与其它混合动力汽车不同，丰田普锐斯在制动过程中发动机停止喷油，并且发电机还会将汽车在该过程中的动能转化为电能存储到蓄电池中。

　　（5）停车状态

　　在停车时，普锐斯的发动机和电动机将同时停止工作，这时将不会消耗能量，燃油消耗率和污染物排放量为零，但是，该过程会导致蓄电池处于亏电状态，所以，当蓄电池电力不足时，发动机就会运行带动发电机给蓄电池充电。此外，普锐斯的环保空调完全由电力驱动，因此关闭发动机后也一样可以运行。

　　由于采用混合动力驱动系统，普锐斯在燃油消耗量和污染物排放量上均具有非常优异的表现。在纯电动模式下还可以实现零排放，除此之外，普锐斯的燃油经济性也进一步提升，根据有关数据表明，在城市和高速两种工况下分别可以达到4.7L/100km和5.5L/100km，而两者的综合油耗也只有5.1L/100km，仅为同等排量内燃机汽车的2/3。

　　混合动力电动汽车作为传统燃油汽车向纯电动汽车转变的中间产物，同时兼顾了两者的优点，在动力性、经济性以及排放特性方面均表现不凡，但是，现在仍然存在许多问题需要解决，比如结构复杂、成本相对较高等问题，因此，在今后就需要进一步研究不断对其进行优化，降低成本，简化结构，提高整车性能。

　　在本次完成毕业论文过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学习中，老师从选题指导、论文框架到细节修改都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议。这篇论文正是在老师的精心指导和大力支持下才完成的。

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