豐田普銳斯混合動力汽車的結構原理與檢修

王斌，張曉明

（1.無錫商業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇無錫 214153；2.蕪湖凱翼汽車有限公司，安徽蕪湖 241009）

豐田普銳斯混合動力汽車的結構原理與檢修

王斌1，張曉明2

（1.無錫商業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇無錫 214153；2.蕪湖凱翼汽車有限公司，安徽蕪湖 241009）

豐田普銳斯混合動力汽車有著良好的燃油經濟性和綠色環(huán)保性能，被越來越多的人所接受。文章闡述了普銳斯混合動力汽車的結構組成，著重分析了混合動力系統(tǒng)不同工況下的工作原理，介紹了普銳斯的維修注意事項和一般檢修步驟。

普銳斯；混合動力；THSⅡ；結構原理；故障檢修

豐田普銳斯是日本豐田汽車公司研發(fā)上市的第一款大規(guī)模生產銷售的混合動力汽車，至今已銷往全球40多個國家和地區(qū)，普銳斯因革命性地大幅度降低了燃油消耗和尾氣排放，受到多國的青睞[1]。

一、普銳斯混合動力汽車的結構組成

普銳斯混合動力汽車是一套混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，它把并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點進行有機組合，系統(tǒng)結構上也更加復雜。圖1所示為該汽車系統(tǒng)組成，主要由HV蓄電池、變頻器、發(fā)動機、MG1、MG2、以及動力分配系統(tǒng)等組成。

（一）HV蓄電池

HV蓄電池屬于高輸出鎳氫蓄電池，重量輕、壽命長的優(yōu)點較為明顯。HV蓄電池是由28塊7.2V的電池組合而成，電池電壓為201.6V，并由專門的電池ECU對其進行監(jiān)控管理，對電池充放電的過程進行全面監(jiān)測，從而避免因過充或過放而導致電池損壞。普銳斯除了HV蓄電池外還有一塊輔助蓄電池，電壓為12V，主要是用來給燈光、多媒體系統(tǒng)以及其他附件及所有的ECU供電。

圖1 普銳斯汽車結構組成

（二）變頻器總成

變頻器在車輛啟動的時候將201.6V的直流電轉換為500V的交流電，驅動電動機輔助發(fā)動機抑或是獨立驅動車輛行駛；在能量回收的時候再將500V的交流電轉換為直流電對蓄電池進行回充電。變頻器內部集成DC-DC直流轉換器，可以用來為其他用電設備提供電源，還可以為12V輔助蓄電池進行充電。

（三）發(fā)動機總成

目前在售的第三代普銳斯裝配阿特金森（Atkinson）循環(huán)發(fā)動機，該款發(fā)動機將老款1.5升的排量更換為1.8升，采用阿特金森循環(huán)技術、VVT-i和ETCS-i技術來推遲進氣門關閉。發(fā)動機在壓縮沖程從進氣門排放出部分燃氣，減少進入的氣量，從而實現進一步節(jié)油的效果，最大功率為98馬力，扭矩142Nm。

（四）MG1和MG2

MG1和MG2皆為永磁式交流同步電動機。MG1用于發(fā)電同時也作為發(fā)動機的起動機使用，MG1額定電壓是500V交流,其最大功率為37.8KW，最大扭矩為45N.M。MG2是汽車驅動電機，同時也起到發(fā)電機的作用，比如在汽車減速的時候它被車輪驅動發(fā)電給蓄電池充電。MG2額定電壓也是500V交流，其最大功率為50KW，最大扭矩為400N.M，最大轉速為6700rpm。

（五）動力分配系統(tǒng)

混合動力系統(tǒng)的動力分配系統(tǒng)主要依靠一套行星齒輪機構來完成，如圖2所示。行星齒輪機構包括太陽輪、行星架以及齒圈，其中發(fā)動機和行星架相連，MG1和太陽輪相連，MG2和齒圈相連。太陽輪和MG1相連，MG1既可以正轉又可以反轉，太陽輪也隨之正轉或反轉。行星架與發(fā)動機相連，行星架只能隨發(fā)動機正轉。齒圈一端和MG2相連，齒圈可以隨著MG2正轉或反轉，齒圈的另一端通過減速齒輪與驅動車輪相連，MG2正轉的時候車輛前行，MG2反轉的時候車輛倒退[2]。

圖2 行星齒輪機構

二、普銳斯混合動力系統(tǒng)的工作方式

（一）靜止狀態(tài)下發(fā)動機的啟動

HV蓄電池提供電力給MG1，MG1工作帶動行星齒輪機構中的太陽輪轉動，因為車輛靜止，此時與MG2相連的齒圈靜止無法轉動，所以太陽輪帶動行星輪轉動，行星架就帶動與之相連的發(fā)動機轉動，發(fā)動機啟動完成。發(fā)動機啟動的時候只給兩個氣缸點火，發(fā)動機啟動非常平靜。啟動后HV蓄電池不再向MG1供電，如果蓄電池電量不足，車載電腦則將節(jié)氣門開度稍微調大以提高發(fā)動機轉速，帶動MG1運轉，發(fā)電給蓄電池充電。

（二）車輛起步

車輛在較小負荷、緩慢加速的時候，不需要發(fā)動機工作，只需要MG2驅動車輛起步，但負載增大或者坡道起步，發(fā)動機提供的扭矩則遠遠不夠。根據行星齒輪動力分配機構的結構，可以簡單認為發(fā)動機相當于一直處于最高擋位上，扭矩較小，所以起步加速時所需要更大的扭矩應該由MG2來補充。發(fā)動機運轉后，一部分動力驅動車輛前行，另一部分動力驅動MG1發(fā)電，用來供給MG2和HV蓄電池充電，這時發(fā)動機會適當增加節(jié)氣門開度，提高發(fā)動機轉速，提高發(fā)動機功率。

（三）加速或爬坡

在加速或爬坡需要較大驅動力的時候，MG2和發(fā)動機同時工作，MG1產生的電能供給MG2，同時根據情況HV蓄電池也會適時適度地給MG2提供電能。如圖3所示，發(fā)動機驅動行星架，把七成的扭矩通過行星架、外齒圈傳遞給驅動輪，把三成的扭矩通過行星架、太陽輪傳遞給MG1，MG1發(fā)電供給MG2，MG2再驅動車輛運動。ECU根據HV蓄電池的電量、節(jié)氣門的開度、坡道大小等因素，適度調用HV蓄電池的電能，控制MG2的輸出扭矩。

圖3 加速工況動力示意圖

（四）減速工況

減速工況分為兩種情況，一種是在D擋減速，另一種是在B擋減速，工作原理如圖4、圖5所示。

圖4 D擋減速工況動力示意圖

圖5 B擋減速工況動力示意圖

D擋減速時，電能不再提供給MG2和MG1，此時MG2作為發(fā)電機使用，驅動車輪帶動齒圈轉動、齒圈帶動MG2運轉發(fā)電，從而給HV蓄電池反充電。

B擋減速時，MG2仍作為發(fā)電機使用，驅動車輪帶動齒圈轉動，齒圈帶動MG2運轉發(fā)電，從而給HV蓄電池反充電；同時還給MG1提供電能，MG1運轉驅動發(fā)動機，當然這個時候發(fā)動機自身被斷油無法自運轉，MG1帶動發(fā)動機用來制動，從而實現對車輪的制動作用。

（五）倒車

普銳斯的倒車功能和傳統(tǒng)汽車不一樣，它沒有倒檔齒輪，因此只能通過改變MG2的旋轉方向實現倒車。在HV蓄電池不虧電的情況下，發(fā)動機是熄火的，MG2帶動齒圈倒轉，行星架不轉，那么太陽輪會正向空轉，既不發(fā)電也不消耗電。為了防止MG1超速空轉，高速倒車不被允許。如果HV蓄電池電力不足，倒車時發(fā)動機還會繼續(xù)運轉，此時行星架、太陽輪和MG1會加快旋轉，ECU必須將倒車的速度限制在一個比較低的轉速上[3]。

三、普銳斯混合動力汽車的檢修

（一）檢修高壓電路的注意事項

普銳斯配備了在500V電壓下工作的混動系統(tǒng)，容易發(fā)生危險事故，所以必須嚴守操作規(guī)程。

（1）維修人員必須經過嚴格的專業(yè)訓練，持證上崗；（2）高壓線束和連接器的顏色都為橙色，高壓零部件上均標注“高壓”字樣，不可隨意碰觸；（3）當系統(tǒng)中的高壓線束和連接器存有故障時，應統(tǒng)一更換，切不可擅自維修使用；（4）整個檢修過程中一定要戴專業(yè)的絕緣手套，最好穿上專用的絕緣膠鞋；（5）要將輔助蓄電池的負極電纜斷開；（6）拆下檢修塞后必須等待5分鐘，等變頻器內的高壓電容器放完電，并用萬用表監(jiān)測變頻器內每一個相位的電壓，讀數為零后才可以進行下一步檢修操作；（7）不得擅自攜帶金屬器件，防止這些物品意外掉落導致系統(tǒng)線路短路；（8）在觸碰裸露高壓線路的時候，切記要戴好絕緣手套，同時測量電壓應為零伏；（9）斷開高壓線路必須使用絕緣膠帶絕緣，在高壓端子緊固的時候，必須按照規(guī)定扭矩緊固螺母。

（二）故障診斷與檢修的一般步驟

（1）車輛進入車間、分析客戶所述故障；（2）將專用解碼儀插接到DLC3（數據鏈路連接器），如有故障碼則檢查DLC3；（3）檢查并記錄DTC數據，如果出現關聯(lián)CAN系統(tǒng)的故障應先檢修CAN通信；（4）運用普銳斯專用解碼儀清除DTC故障代碼；（5）故障癥狀再確認，若故障未再出現則進行癥狀模擬，若故障出現檢查DTC；（6）根據DTC表查找數據信息，進而檢查電路；（7）故障識別、調整或修理后進行試車檢驗，以確認故障已排除。

[1]胡登興，饒建偉.新普銳斯混合動力汽車系統(tǒng)結構與故障診斷[J].中國高新技術企業(yè)，2015（6）：117.

[2]張年華.豐田普銳斯發(fā)動機不能啟動故障的檢修[J].科技資訊，2015（11）：84-85.

[3]彭仲連,許紅軍.豐田普銳斯混合動力汽車結構原理與檢修[J].汽車維修，2015（9）：16.

（編輯：林鋼）

Structure Principle and Overhaul of Toyota Prius Hybrid Cars

WANG Bin1,ZHANG Xiao-ming2
（1.Wuxi Vocational Institute of Commerce，Wuxi 214153，China；2.Wuhu Cowin Auto Co.,Ltd，Wuhu 241009，China）

Toyota Prius hybrid cars are widely accepted as it is economic and environment friendly.This article illustrates the structure principle of Prius hybrid cars with an emphasis laid on the operating principles under different working conditions.It also introduces the key points for attention in maintenance and the general steps of overhaul for Prius hybrid cars.

Prius;Hibrid Electric Vehicle;THS II;Structure principle;Trouble shooting

U 472.41

A

1671-4806（2016）06-0093-03

2016-09-10

王斌（1982—），男，江蘇無錫人，實驗師，研究方向為汽車維修；張曉明（1981—），男，安徽蕪湖人，工程師，研究方向為汽車底盤測試。