一汽丰田卡罗拉双擎2022款搭载了丰田当时最新一代THS 混合动力系统,THS全称Toyota Hybrid System ,丰田THS混合动力系统从1997年就开始量产了。首次应用于丰田普锐斯车型上,到现在已经有20多年的历史,2022年已经发展到丰田THS II混合动力系统了,也就是第二代THS混合动力系统,也有称为第五代THS II混合动力系统,其实也就是丰田最新的THS II混合动力系统。
此文将主要分析其第四代的THS以简要说明它的发展过程。同时以下将沿用通俗的1至5代的说法来展开叙述。
第一代普锐斯所搭载的 THS-Ⅰ结构非常简单,第一代 THS 结构图如下图所示,通过行星排机构将发动机和电机的动力进行了耦合,使得三个部件相互配合高效工作,提高燃油经济性,驱动桥则采用P110和P111构型。
MG1交流永磁同步电机,在启动 ICE (1.5L)时用作电动机,在为高压蓄电池充电时用作发电机;MG2交流永磁同步电机,用作主驱动电机和发电机,其功率为29KW,制动能量回收时用作发电机给蓄电池充电。
2003 年,丰田发布了第二代普锐斯搭载 THS-Ⅱ,第二代 THS 系统进一步提高了效率,控制算法上进行了修改。2 代系统相对于 1 代 THS 在结构上只是小调节。相对于第一代,第二代改为高压电子空调,蓄电池母线从 201V 升为 500V,MG1电机功率升级为37.8KW、10000r/min,MG2电机升级为50KW、400N·m、6700r/min,发动机仍旧保持为1.5L的排量,驱动桥则更换为P112构型。
前两代 THS 系统在燃油经济性上有很大的成就,但动力性,加速能力却稍显不足。2009 年,丰田发布了第三代普锐斯并搭载 THS-Ⅲ弥补了这一缺憾,第三代系统相对于前两代 THS 进行了大的变革,做了很多优化改进,结构图如下图所示。
在混动变速器结构上采用双行星排结构,两行星排共用齿圈,相对于前两代增加了一组减速行星排,以降低 MG1 和 MG2 的转速差,纯电动模式的行驶速度可以更高。
MG1 和 MG2 的体积缩小了,整个变速器的尺寸也得以缩小;原来的链条减速传动改成了齿轮减速传动,从而降低了齿轮传动带来的动力传递损失。
除了结构上的变化外,THS-Ⅲ系统相对于 THS-Ⅱ系统,发动机改为 1.8L,发动机输出功率由 57kW 提升到了 73kW ;相对于前两代采用镍氢蓄电池,THS-Ⅲ系统采用锂离子蓄电池;MG1 采用集中绕组,工作电压由 500V 提升到 650V,MG2 最高转速由 6500 提升至 13000r/min,功率由 50kW 提升到了 60kW。驱动桥也改为P410和P510构型。
2016 年,丰田推出了第四代混合动力系统,框架图如下图所示。变速结构和牵引电机经过重新设计,减轻了总重量。牵引电机本身更加紧凑,并且具有更高的比功率。与之前相比,由于摩擦导致的机械损失减少了 20%,传动桥也由之前的P510构型改为P610。
电机减速装置将牵引电机直接连接到动力分配装置,然后连接到车轮改为平行齿轮。原来的电机属于同轴机构,现在则变成了平行轴结构,这使得变速器更短,如上图所示,轴向尺寸要求得以降低。一系列的改进,让第四代普锐斯的纯电行驶极速从70km/h 上升至 110km/h。
行星齿轮机构起到了动力分流的作用,其确定发动机动力是供应给电机MG1还是用作车辆驱动力。电机MG2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架相结合,电机MG1与行星齿轮机构的太阳轮相连,电机MG2通过减速齿轮及丛动齿轮与齿圈相连。
行星齿轮机构可以将72%的扭矩分配给了外齿圈,把28%的扭矩传给了太阳轮。外齿圈通过减速齿轮连接到差速器,然后再连接到车轮驱动车辆前进。太阳轮则与MG1电机相连,发动机带动行星架,行星齿轮又带动太阳轮,使MG1电机旋转。
发动机以72%的扭矩驱动车辆,28%的扭矩推动MG1电机发电。如果车辆需要达到某一速度时,ECU控制单元会计算出外齿圈的转速,然后确定发动机需要达到什么转速,MG1电机需要多少转速。
MG2电机是与动力分配器的外齿圈相连。MG2电机对来自发动机的扭矩进行补充。就相当于28%的扭矩通过电气回路又回到了车轮端,外齿圈和MG2电机一起通过减速齿轮和差速器来驱动车辆。
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