项目二 任务2 丰田混合动力系统（课件）《新能源汽车底盘技术》同步精品课堂（机工版·第2版）

同步精品课程——中职专业课 项目二任务2 丰田混合动力系统 《新能源汽车底盘技术》（第2版）机械工业出版社 1 学习目标 项目二任务2丰田混合动力系统 知识目标 能理解丰田混合动力系统的定义。 能力目标 能掌握THS系统的三个基本特点。 情感目标 1.让学生认识到新能源汽车底盘的重要性。 2.积极参与课堂，能够表达自己的观点和想法。 学习内容 01 1.能理解丰田混合动力系统的定义。 2.能掌握THS系统的三个基本特点。 3.能分析四代丰田混动的特点。 4.培养一丝不苟、严肃认真的工作作风。 新知学习 02 二、相关知识 丰田混合动力系统THS 在深入的理解行星齿轮机构的结构和工作原理之后， 我们就很好的能够理解丰田THS系统的特点和工作原理。 丰田混合动力系统已经发展了四代，即THS-Ⅰ、THS-Ⅱ、THS-Ⅲ、THS-Ⅳ，分别用在不同时期的车型当中。作为最早投入使用的普锐斯车系，一共四代都分别使用了四代混合动力系统。 丰田混合动力系统THS 第一代丰田混合动力系统THS-Ⅰ 第一代丰田混合动力系统THS-Ⅰ，图左侧为1NZ-FXE型1.5L的汽油发动机，图右侧为整套E-CVT的结构，MG1电机和MG2电机之间有一套行星齿轮组；最终输出是通过链条传动到最终输出端。以后的三代混合动力系统也是运用这个基本设计原理。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第二代丰田混合动力系统THS-Ⅱ THS-Ⅱ仍然采用1NZFXE型1.5L的汽油发动机； E-CVT部分除了提高效率以外都是小调节为主，并没有太大的改动，依然是使用链条传动。但整个运算系统和逻辑进行了重新计算，发动机效率获得提高。 1）THS-II混合动力系统的组成 丰田第二代混合动力系统THS-II主要部件有汽油发动机、MG1电机、MG2电机、行星齿轮、减速机构等，THS-II中带有两台电机：MG1电机和MG2电机。MG1电机主要作为发电机使用，用于发电，必要时可驱动汽车；MG2电机主要用于驱动汽车。而MG1电机、MG2电机以及发动机输出轴被连接到一套行星齿轮机构的太阳轮、齿圈和行星架上。动力分配就是通过功率控制单元控制MG1电机和MG2电机，通过行星齿轮机械机构进行分配的。发动机输出经过固定减速机构减速后直接驱动车轮。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第二代丰田混合动力系统THS-Ⅱ 工作原理： 1）发动机启动工况 电流流进MG2通过电磁力固定行星齿轮的齿圈，MG1作为起动机使用驱动太阳轮，太阳轮带动行星架转动（减速传动，传动比为1+α），与行星架连接的发动机曲轴转动，起动发动机。 2）发动机怠速工况 电流流进MG2固定行星齿轮的齿圈，发动机带动行星架转动，行星架带动太阳轮转动，与太阳轮连接的MG1发电给电池充电。 新知学习 02 丰田混动系统的视频讲解 发动机启动工况 发动机怠速工况 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第二代丰田混合动力系统THS-Ⅱ 工作原理： 3）车辆起步工况 发动机停转，行星架被固定；MG2通电驱动行星齿轮齿圈，直接驱动车辆前进；此时，MG1发电机处于空转状态。 车辆起步需要更大动力时，如驾驶员深踩油门或检测到负载过大，MG1通电转动启动发动机，发动机与MG2共同驱动车辆。 车辆起步工况 车辆起步需要更大动力工况 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第二代丰田混合动力系统THS-Ⅱ 工作原理： 4）车辆起步MG1发电给MG2工况 发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能。 5）在部分负荷下加速工况 发动机驱动MG1发电并供给驱动MG2运转的电能，MG2提供附加的驱动力用以补充发动机动力；在重负载下加速时，发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能；MG2提供附加的驱动力用以补充发动机动力；电池会根据加速程度给MG2提供电流。车辆加速工况。 车辆起步MG1发电给MG2工况 车辆加速工况 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第二代丰田混合动力系统THS-Ⅱ 工作原理： 6）车辆降挡（D挡）工况 发动机停转，MG1空转，MG2被车轮驱动发电给电池充电。 7）车辆减速（B挡）工况 MG2产生的电能供给MG1，MG1驱动发动机；此时发动机断油空转；MG1输出的动力成为发动机制动力 车辆降挡（D位）工况 车辆减速（D位）工况 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第二代丰田混合动力系统THS-Ⅱ 工作原理： 8）车辆倒车工况 只使用MG2作为倒车动力。 车辆倒车工况 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第三代丰田混合动力系统THS-Ⅲ THS-Ⅲ与THS-Ⅱ相比，THS-Ⅲ发生了较大变化。 发动机从1NZ-FXE型1.5L改成了2ZR-FXE型1.8L，发动机功率和转矩的增加，提高了车辆的动力性能。 另外，增加了一个行星齿轮组；MG1电机和MG2电机体积也缩小，从而缩小整个E-CVT的体积；将链传动改为齿轮传动，传动损耗更小，因此节能效果更明显。 THS-Ⅲ的结构示意图 THS-Ⅲ的组成 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS-Ⅳ与前三代相比，最大的区别就是原来的电机属于串联结构，现在则变成了平行轴结构。主要目的除了让整个E-CVT更短以外，用普通外啮合减速齿轮的代替THS-Ⅲ中MG2电机的行星齿轮减速结构。这样E-CVT整体尺寸更短，部件更少，摩擦更低，整体能效上升，且依然能保证对MG1的减速效果。第四代普锐斯的纯电行驶最高车速由70km/h提升到110km/h。 THS-Ⅲ的结构示意图 THS-Ⅲ的组成 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS-Ⅳ的组成： THS-Ⅳ主要由MG1电机、MG2电机、行星齿轮机构、单向离合器、减振器、差速器等组成。 行星齿轮机构作为功率分流装置，确定发动机动力是供应给MG1电机还是用作车辆驱动力。 MG2电机及其减速装置采用平行轴布局。发动机的输出轴通过一个单向离合器和一个扭转减振器与行星齿轮机构的行星齿轮架相结合；其余的仍和THS-Ⅰ一样，MG1电机与行星齿轮机构的太阳齿轮相连；MG2电机通过减速齿轮及丛动齿轮与外齿圈相连。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS-Ⅳ的特点： 1）与前几代构型不同，该构型中MG1电机和MG2电机不再处于同一轴上，而是采用了平行轴的布置，这种平行轴布置减小了轴向尺寸和重量，与双行星排的结构相比，MG2电机的减速装置为一组直齿轮，减少了齿轮啮合点，进而降低了接合损失，提升了综合效率。 2）平行轴布置中，MG2电机的减速装置具有更大的减速比，可以使用转速更高最大扭矩较小的电机。MG2电机的体积可以更小，使得平行轴结构的驱动桥相比THS-Ⅲ宽度并没有增加。 3）发动机和行星齿轮架之间通过单向离合器进行连接，单向离合器反向旋转时可以锁止行星架，实现整车的双电机驱动，提高了整车在纯电动模式的动力性。 4）采用了电动油泵，改进了冷却、润滑结构，提升了冷却和润滑效果。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS-Ⅳ混合动力系统的工作模式： 1）纯电驱动模式 纯电驱动模式分为单电机驱动和双电机驱动。 单电机驱动工况 MG2电机作为整车动力源，转矩为正，带动车辆前进，转速为正；发动机不工作，由于本身阻力较大，转速几乎为0；MG1电机不输出转矩，转速满足行星排传动关系，以负方向随转。图中S代表太阳齿轮；C代表行星齿轮架；R代表外齿圈；K代表外齿圈齿数与太阳齿轮齿数之比，大于1（K即α=Z_2/Z_1>1 ）。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS-Ⅳ混合动力系统的工作模式： 1）纯电驱动模式 纯电驱动模式分为单电机驱动和双电机驱动。 双电机驱动工况 MG2电机输出正向转矩，驱动车辆前进，转速为正；MG1电机转速方向为负，同时转矩方向也为负，根据行星齿轮传动关系，传递至齿圈端的转矩方向为正，与MG2电机共同驱动车辆；发动机不工作，受MG1电机负转矩影响有负向转动趋势，触发单向离合器锁止，发动机转速保持为0，如图所示。相比单电机电动，双电机驱动的总转矩更大，动力性更强，多出现在急加速和爬坡工况。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS-Ⅳ混合动力系统的工作模式： 1）混合驱动模式 混合驱动模式分为低速混合驱动工况和高速混合驱动工况。 低速混合驱动工况 在设定模式为EVAuto或HV时，车速较低，车辆实际工作模式为混合驱动模式，发动机、MG1电机和MG2均参与驱动。发动机启动并输出正向转矩，并传递至太阳轮和齿圈；MG1电机输出负转矩平衡发动机传递到太阳轮处的转矩，同时由于车速较低，转速为正，为发电状态；MG2电机输出正转矩，与发动机传递至齿圈端的转矩耦合，共同驱动车辆，为混合驱动状态。 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS-Ⅳ混合动力系统的工作模式： 1）混合驱动模式 高速混合驱动工况 在设定模式为EV、EVAuto或HV时，车速较高，车辆实际工作模式为混合驱动模式，发动机、MG1电机和MG2均参与驱动。发动机启动并输出正向转矩，并传递至太阳轮和齿圈；MG1电机输出负转矩平衡发动机传递到太阳轮处的转矩，同时由于车速较高，行星排运行超过机械点，MG1电机转速变为负向，功率为正，处于电动状态；为维持电池电量，MG2电机输出负转矩，为发电状态，与发动机传递至齿圈端的转矩耦合。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS-Ⅳ混合动力系统的工作模式： 2）驻车充电模式 在设定工作模式为CHG，保持挡位为P挡，车辆进入驻车充电模式，此时车辆静止、MG2转速为0，发动机带动MG1高速旋转发电为电池充电。 3）制动能量回收模式 发动机停止工作，转速、转矩均为0；MG2电机输出负转矩，对车辆产生制动作用，同时转速为正，处于发电状态，对动力电池充电； MG1转速为负转速，不输出转矩。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS系统的三个基本特点： 1）动力分配： 发动机的动力传递至行星齿轮架之后被分成两路，一路流向齿圈，通过差速器传递至车轮，另一路流向太阳轮带动发电机发电，其中：一部分电能被储存在电池，另一部分电能直接驱动电动机，再经差速器传递至车轮。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS系统的三个基本特点： 2）固定扭矩比： 通过对行星齿轮系的特殊设计，将齿圈和和太阳轮的扭矩比设定为0.78/0.22，即发动机的扭矩78%传递给齿圈（接输出），22%传递给太阳轮（接发电机），该比值是固定不变的。但需要注意的是，这个数值是扭矩比，而不是功率比，功率还与转速有关，功率=扭矩×转速。这就造成了车辆高速时也不得不分配22%的动力给发电机发电。所以丰田的THS系统在高速行驶时，即使是发动机的动力充沛，驱动电机也常常会参与传动，以消耗电量供充电来补充，以免浪费。所以，丰田车系高速时相对来说比较费油。 新知学习 02 丰田混合动力系统THS 第四代丰田混合动力系统THS-Ⅳ THS系统的三个基本特点： 3）转速关系： 在行星齿轮系中，齿圈与太阳轮的转速矢量和与行星轮支架的转速成正比，即发电机与齿圈输出的转速矢量和与发动机转速成正比。当发动机转速固定时，发电机转速与齿圈输出转速呈此消彼长之势。如果齿圈处于静止状态，发动机转速全部传递给发电机，即发动机所有的动力都用于发电机发电。 由于丰田等日本车系的设计思路和特点，他们的双动力车型在纯电行驶状况下，其最高车速、爬坡度、加速时间、续航里程和插电充电等主要技术指标达不到国家标准GBT 28382-2012 《纯电动乘用车技术条件》的要求，所以在车辆上牌时，只能按照传统燃油车上蓝色牌照，丰田称之为“碳减排车”，而非新能源汽车。而比亚迪、理想、广汽埃安等国产混动汽车均符合上述国标要求，可以上新能源汽车的绿色牌照，享受国家政策补贴。 新知学习 02 重点：丰田混合动力系统的定义 难点：THS系统的三个基本特点 新知学习 02 小试牛刀 03 1.丰田THS系统的设计理念核心( ) A.以发动机为主，电机为辅 B.通过行星齿轮组实现动力分流 C.依赖大容量电池支持纯电长续航 D.仅用于高性能车型的动力增强 答案：B.通过行星齿轮组实现动力分流 2.丰田混合动力系统的四种基本驱动模式不包括以下( ) A.纯电模式（低速时仅电机驱动） B.混动模式（发动机与电机协同） C.增程模式（发动机仅发电） D.四驱模式（机械四驱系统） 答案：D.四驱模式（机械四驱系统） 3.丰田THS系统的三个基本特点( ) A.无级变速、热效率优化、长寿命电池 B.高油耗、低可靠性、复杂结构 C.需外接充电、高速噪音大、成本高 D.仅限城市工况、动力弱、维修困难 答案：A.无级变速、热效率优化、长寿命电池 4.第二代丰田混合动力系统的工作原理中，发动机何时介入( ) A.车辆启动时立即工作 B.仅高速巡航时工作 C.电池电量低于60% D.永远不介入 答案：C.电池电量低于60% 小试牛刀 03 5.THS-Ⅲ（第三代）系统的技术突破主要体现在( ) A.取消电机，仅依赖发动机 B.优化轴系设计，增强动力平顺性 C.提升纯电续航至100公里以上 D.改用锂电池替代镍氢电池 答案：B.优化轴系设计，增强动力平顺性 6.THS-Ⅳ（第四代）系统的组成不包括( ) A.扭转减震器 B.动力分流行星排 C.新型电动机与逆变器 D.机械变速箱 答案：D.机械变速箱 小试牛刀 03 7.丰田混动系统在减速时的能量回收效率约为( ) A.60%-70% B.40%-50% C.20%-30% D.80%以上 答案： A.60%-70% 8.以下哪项是THS-Ⅳ的技术改进( ) A.逆变器体积增大33% B.取消行星齿轮组 C.采用分段线圈定子电动机 D.仅支持单电机驱动 答案：C.采用分段线圈定子电动机 小试牛刀 03 课堂小结 04 1.第一代丰田混合动力系统THS-Ⅰ，图左侧为1NZ-FXE型1.5L的汽油发动机，图右侧为整套E-CVT的结构，MG1电机和MG2电机之间有一套行星齿轮组。 2.THS-Ⅳ与前三代相比，最大的区别就是原来的电机属于串联结构，现在则变成了平行轴结构。 作业布置 05 (1)简述第一代丰田混动系统的组成。 (2)简述第四代丰田混动系统的特点。 感谢观看 $