專家揭密：豐田Prius汽油/電力混合動力車

由于豐田Prius汽油/電力混合動力車輛有著跑車的外觀、類似航空設(shè)備的儀表板顯示和無噪聲平穩(wěn)啟動，那么一點也不奇怪，該車是同類車型中銷售得最快的車輛。(圖1) 可是，除此之外，該車有一個可識別的重要特征：省油。美國環(huán)境保護局(EPS)給出燃油級別：街道上是61英里/加侖(mpg)，高速公路(理想測試條件)上是50mpg。實際的，司機可期待的街道/高速路組合路面的燃油數(shù)是45到50mpg. 混合動力汽車的特色是，由汽油發(fā)動機發(fā)動，然后轉(zhuǎn)換成電池動力以加速?？墒?，Prius采取了不同的處理方法，用電池動力發(fā)動，然后在速度超過20mph時，轉(zhuǎn)換到汽油發(fā)動機。雖然Prius有大的突破，但司機不必為了最大限度的節(jié)油而從完全制動開始踩油門。 由于美國和世界其他國家曾面臨過的最高油價，在另外汽油消費能力不強的市場，Prius的耗油數(shù)是個受歡迎的信號。

混合動力系統(tǒng)技術(shù) Prius設(shè)計是基于Toyota稱之為混合動力協(xié)同。概念目標是協(xié)同電動馬達動力和汽油發(fā)動機動力，并使汽車功率和環(huán)境性能最大化成為可能。 Prius最近的型號是基于Toyota混合動力總系統(tǒng)II (THS-II)技術(shù)。THS-II系統(tǒng)的每個連續(xù)世代的產(chǎn)品改進了汽油燃效和減少散熱，包括一個同軸的4缸1.5升發(fā)動機，一個高壓鎳氫電池(NiMH)，一個帶行星齒輪系統(tǒng)的智能混合動力驅(qū)動橋和一個復(fù)雜的發(fā)動機控制部件(圖2)。

兩種方法的混合物 基本上，兩種形式的汽車動力系統(tǒng)都存在：串聯(lián)和并聯(lián)。每個都有各自整套正面和反面的特點。不象其他混合動力汽油-電動車輛，Prius使兩者結(jié)合了，并最大化每個的強項和補足他們的弱項。 在串聯(lián)混合動力系統(tǒng)中，汽油發(fā)動機啟動發(fā)生器，而產(chǎn)生的電流使電動馬達驅(qū)動車輪(圖3)。汽車運行中，此處使用的低輸出功率發(fā)動機在最經(jīng)濟的范圍內(nèi)保持汽車以穩(wěn)定速度行駛，并使之有效的給電池再充電。

在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中，汽油發(fā)動機和電動馬達都直接驅(qū)動車輪。除補充發(fā)動機的原動力之外，電動馬達還可作發(fā)生器，在汽車運行中給電池再充電。 Prius用兩塊永久磁鐵500-V交流馬達發(fā)生器：MG1和MG2。兩個馬達都是由變壓器組驅(qū)動，該變壓器組將電池的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電高壓。一個混合動力驅(qū)動橋和行星齒輪系統(tǒng)連接兩個發(fā)動機和兩個發(fā)生器。(圖4)

由于MG1和MG2從1040rpm到5600rpm產(chǎn)生67hp的輸出，MG1和MG2不需要汽油發(fā)動機的幫助就有足夠的扭矩發(fā)動汽車。Prius發(fā)動機運轉(zhuǎn)的最大速度僅5000rpm，供給75hp輸出。 首先，高壓電池供應(yīng)電力給MG2，以驅(qū)動車輪。當(dāng)發(fā)動機輪通過行星齒輪被發(fā)動機驅(qū)動，MG1被發(fā)動機帶動旋轉(zhuǎn)供應(yīng)發(fā)生電流給MG2。接著，發(fā)動機通過行星齒輪使MG1旋轉(zhuǎn)給高壓電池充電。汽車減速時，輪子的動能被恢復(fù)轉(zhuǎn)化成電能，以通過MG2用之于高壓電池充電(圖5)。這就是著名的“再生制動”。

Prius的核心是動力輸出設(shè)備，即行星齒輪盒，它將電力發(fā)動機、發(fā)生器和電動馬達聯(lián)結(jié)在一起(圖6)。如并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中，這使得汽車運行可以是電動馬達獨立提供動力，也可以是汽油發(fā)動機獨立提供動力，或者兩者同時提供動力。

這種分離動力設(shè)備使車輛采用串聯(lián)混合動力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。從而，汽油發(fā)動機可不依汽車速度獨立運轉(zhuǎn)，以給高壓電池充電或必要時為車輪提供動力。該設(shè)備也承擔(dān)了連續(xù)變速傳動的功能，不必再用手動傳動或自動傳動。因為分離動力設(shè)備通過發(fā)生器發(fā)動了汽油發(fā)動機，汽車不需要起動器。

電子馬達連接在齒輪組的環(huán)形齒輪上，也連接驅(qū)動車輪的差速器。因此，電子馬達的自轉(zhuǎn)速率和環(huán)形齒輪決定車子的速度。 發(fā)電機被連在齒輪組的中心齒輪上，而引擎連接著行星齒輪架。環(huán)形齒輪的速度由三個部件共同決定，它們必須同時工作以控制輸出速度。 所有的32位微處理器單元被用于發(fā)動機控制模塊(ECM)、高壓電控制單元(ECU)、電池的ECU和剎車控制ECU。這表明由早期的16位設(shè)計升級了。交互式通訊通過控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)總線發(fā)生。 先進的電池設(shè)計 NiMH電池由168節(jié)1.2V直流電池組成，用28個電池模塊互相連接，以產(chǎn)生201.6V的名義直流電壓，被安置在一個耐沖擊的容器內(nèi)，置于汽車后坐下。現(xiàn)在，電池連續(xù)不斷的改良已到第三代。(用在Toyota的Lexus RH400h和Highlander運動型多用途運載車上的電池是第四代設(shè)計。)發(fā)動機罩下，有發(fā)動機、變速器組和混合動力驅(qū)動橋。(圖7)

Toyota說，已經(jīng)有人問及電池的使用壽命和更換價格。需要說明的是，電池群和所有混合動力成分都被認為是“汽車使用壽命”的組成部分。無論哪部分，他們都保用8年或100,000英里里程。在美國按加州型排放標準，保用期更長(10年和150,000英里)。(California, Connecticut, Massachusetts, Maine, New Jersey, New York, Rhode Island, Vermont, Washington, 和即將加入的 Oregon，都是采用該標準)。而且，從5年前Prius在美國發(fā)售以來，還沒有電池要求更換這樣的故障實例。 Toyota發(fā)言人宣稱，“我們的電池已經(jīng)通過模仿180,000英里無故障測試。在大西洋城西北用作出租車的第一代Prius，原始電池的使用里程已超過200,000英里。” 盡管如此，如果在保用期外電池發(fā)生故障，還是要考慮更換。由于沒有電池故障歷史記錄就沒有電池更換規(guī)定成本數(shù)，能量儲備專家估計價格在3千美元到4千美元。 根據(jù)專家意見，“電池壽命中的關(guān)鍵問題是好的能量消耗監(jiān)控。合理使用電池增加電池壽命(比如沒有徹底的充電和放電，保持在合理的溫度下運轉(zhuǎn)等等)。” 他將Prius用高壓電池做協(xié)同設(shè)計看作一個里程碑，但一定不是能源存儲的最終和最經(jīng)濟解決方案。他預(yù)見到視野范圍內(nèi)甚至有更新的技術(shù)將使汽車運行更有效率和更環(huán)保。 超電容器就是這樣的技術(shù)。他們不是電池。確切的說，他們是離子能量儲備設(shè)備，比電池使用壽命長8到10年。并且，他們只占用20%左右的能量儲備能力。但他相信，Prius設(shè)計引發(fā)了自動能量儲備和低污染技術(shù)的革命。 當(dāng)然，汽油-電動混合動力車輛運動才剛開始，確實會有相當(dāng)大的擴張。到2008年，預(yù)計其他的汽車廠都要進入這一市場。 最近，由于潛在的軟件小故障可能導(dǎo)致汽車發(fā)動機停轉(zhuǎn)或關(guān)閉，對美國已售的75,000臺(全球160,000)Prius，Toyota發(fā)布自主召回。據(jù)Toyota宣稱，沒有導(dǎo)致意外事故或意外傷害發(fā)生。還說，問題很小，公司已經(jīng)成功解決。