丰田普锐斯混合动力汽车修理技师手册

丰田公司于1997年开始销售的普锐斯混合动力汽车（见图12-32）为5座小型轿车，它是世界上第一款大批量生产的商业用途的混合动力车型。丰田普锐斯混合动力系统由汽油发动机和电动机组成，采用丰田汽车公司自行开发的丰田混合动力系统（Toyota Hybrid System，THS）。

图12-32 普锐斯混合动力汽车

1.丰田混合动力系统（THS）的组成

丰田混合动力系统（THS）使用汽油机和电动机两种动力，通过串联与并联相结合的方式进行工作，达到了低排放的效果。丰田混合动力系统主要部件在车上的位置如图12-33和图12-34所示。

图12-33 丰田混合动力系统主要部件在车上的位置（一）

图12-34 丰田混合动力系统主要部件在车上的位置（二）

（1）HV变速驱动桥 混合动力车辆（HV）变速驱动桥由发电机（MG₁）、电动机（MG₂）和行星齿轮组组成。

1）发电机（MG₁）。发电机（MG₁）由发动机带动旋转产生高压电以操作电动机（MG₂）或为HV蓄电池充电。同时，它还可以作为起动机起动发动机。

2）电动机（MG₂）。电动机（MG₂）由发电机（MG₁）或HV蓄电池的电能驱动，产生车辆动力。制动期间或制动踏板未被踩下时，所产生的电能为HV蓄电池再次充电（再生制动控制）。

3）行星齿轮组。行星齿轮组以适当的比例分配发动机驱动力来直接驱动车辆和发电机。

（2）HV蓄电池 HV蓄电池在HV起步、加速和上坡时，将制动时或制动踏板未被踩下时再次充入的电能提供给电动机（MG₂）。

（3）变频器总成 变频器总成用于将高压DC（HV蓄电池）转换为AC[发电机（MG₁）和电动机（MG₂）]，反之亦然（AC转换为DC）。它包括增压转换器、DC-DC转换器和空调变频器。

1）增压转换器。增压转换器用于将HV蓄电池的最高电压从DC201.6V增加到DC500V，反之亦然（从DC 500V降到DC201.6V）。

2）DC-DC转换器。DC-DC转换器用于将最高电压从DC 201.6V降到DC12V，为车身电气组件供电以及为备用蓄电池再次充电（DC 12V）。

3）空调变频器。空调变频器用于将HV蓄电池的额定电压DC 201.6V转换为AC201.6V，为空调系统中电动变频压缩机供电。

（4）HV ECU HV ECU用于接收每个传感器及ECU（发动机ECU、蓄电池ECU、制动防滑控制ECU和EPS ECU）的信息，根据此信息计算所需的转矩和输出功率。

HVECU将计算结果发送给发动机ECU、变频器总成、蓄电池ECU和制动防滑控制ECU。

（5）发动机ECU 发动机ECU接收的来自HV ECU的目标发动机转速信息和所需的发动机动力信息，进而启动ETCS-I（智能电子节气门控制系统）。

（6）蓄电池ECU 蓄电池ECU用于监控HV蓄电池的充电状态。

（7）制动防滑控制ECU 制动防滑控制ECU用于控制电动机（MG₂）产生的再生制动以及控制液压制动，使总制动力等于仅配备液压制动的传统车辆。

同样，制动防滑控制ECU照常进行制动系统控制。

（8）加速踏板位置传感器 加速踏板位置传感器用于将加速踏板角度转换为电信号并输出到HV ECU。

（9）档位传感器 档位传感器用于将档位转换为电信号并输出到HVECU。

（10）SMR（系统主继电器） SMR（系统主继电器）用来自HV ECU的信号连接或断开蓄电池和变频器总成间的高压电路。

（11）互锁开关（用于变频器盖和检修塞） 互锁开关（用于变频器盖和检修塞）用于确认变频器盖和检修塞均已安装完毕。

（12）断路器传感器 断路器传感器如果检测到车辆发生碰撞，则切断高压电路。

（13）检修塞 在检查或维修车辆时，要拆下检修塞，关闭HV蓄电池高压电路。

2.汽车工作模式

根据行驶条件的不同，汽车在稳定运行过程中可能处于以下工作状态，最大限度地适应车辆的行驶状况。

1）电动机（MG₂）接收来自HV蓄电池的电能，以驱动车辆（见图12-35）。

图12-35 蓄电池供电

2）发动机通过行星齿轮驱动车辆时，发电机（MG₁）由发动机通过行星齿轮带动旋转，为电动机（MG₂）提供产生的电能（见图12-36）。

3）发电机（MG₁）由发动机通过行星齿轮带动旋转，为HV蓄电池充电（见图12-37）。

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图12-36 发动机驱动车轮

图12-37 发动机发电

4）车辆减速时，车轮的动能被回收并转换为电能，并通过电动机（MG₂）为HV蓄电池再次充电（见图12-38）。

图12-38 车轮的动能回收

HV ECU根据车辆行驶状况在[1）、2）、3）、1）+2）+3）或4）]模式间转换。但是，HV蓄电池的SOC（充电状态）较低时，发动机带动发电机（MG₁）为HV蓄电池充电。

与传统汽油发动机车辆相比，系统具有更高的燃油经济性及低尾气排放量的特性。这种改进后的动力传动系统还避开了电动车辆的一些局限性（如较短的巡航里程或对外部充电设备的依赖性）。

3.丰田混合动力系统的主要部件

（1）发电机（MG₁）和电动机（MG₂） 发电机（MG₁）和电动机（MG₂）的结构紧凑、重量轻、高效，为交流永磁铁同步型电动机/发电机。

电动机在必要时，作为辅助动力源为发动机提供辅助动力，使车辆达到优良的动态性能，其中包括平稳地起步和加速。起动再生制动后，电动机（MG₂）将车辆的动能转换为电能并储存在HV蓄电池中。

发电机（MG₁）为HV蓄电池重新充电并为电动机（MG₂）供电。此外，通过调节发电量（改变发电机的转速），发电机（MG₁）有效地控制变速驱动桥的连续可变变速器的功能。发电机（MG₁）同样作为起动机起动发动机。

发电机（MG₁）和电动机（MG₂）的电路图如图12-39所示。发电机（MG₁）和电动机（MG₂）为永磁电机，其工作原理如图12-40所示。其三相交流电经过定子线圈的三相绕组时，电机内产生旋转磁场。通过以转子的旋转位置和转速控制旋转磁场从而使转子的永磁铁受到旋转磁场的吸引产生转矩，产生的转矩可用于与电流相匹配的所有用途，而转速由交流电的频率控制。

图12-39 发电机（MG₁）和电动机（MG₂）

图12-40 发电机（MG₁）和电动机（MG₂）的工作原理

注：→来自变频器；#：电机内部连接。

（2）变频器总成 变频器总成（见图12-41）将HV蓄电池的高压直流电转换为三相交流电来驱动发电机（MG₁）和电动机（MG₂）。功率晶体管的启动由HVECU控制。此外，变频器将用于电流控制（如输出电流或电压）的信息传输到HVECU。变频器和发电机（MG₂）、电动机（MG₂）一起由发动机冷却系统分离的专用散热器冷却。如果车辆发生碰撞，则安装在变速器内部的断路会检测到碰撞信号来关停系统。

图12-41 变频器总成

变频器总成中的增压转换器将HV蓄电池DC201.6V的额定电压提升到DC500V，提升电压后，变频器将直流电转换为交流电。

发电机（MG₁）、电动机（MG₂）桥电路和信号处理/保护功能处理器已集成在IPM（智能动力模块）中，如图12-42所示，以提高车辆性能。变频器总成中的空调变频器为空调系统中的电动变频压缩机供电。将变频器散热器和发动机散热器集成为一体，更加合理地利用了发动机室内的空间。

图12-42 变频器电路图

1）增压转换器。增压转换器将HV蓄电池输出的额定电压DC201.6V增压到DC500V的最高电压（见图12-43）。转换器包括增压IPM（集成功率模块）和IGBT，（绝缘栅双极性晶体管）。通过这些组件，转换器将电压升高。

图12-43 增压转换器电路图

发电机（MG1）或电动机（MG2）作为发电机工作时，变频器通过其将交流电（201.6～500V）转换为直流电，然后增压转换器将其降低到DC201.6V，为HV蓄电池充电。

2）DC-DC转换器。车辆的辅助设备，如车灯、音响系统、空调系统（除空调压缩机外）和ECU，由DC12V的供电系统供电。由于THS发电机输出额定电压为DC201.6V，所以需要转换器将这个电压降低到DC12V来为备用蓄电池充电（见图12-44）。DC-DC转换器安装在变频器的下部。

图12-44 DC-DC转换器电路图

3）空调变频器。变频器总成中的空调变频器为空调系统中的电动变频压缩机供电。空调变频器将HV蓄电池的额定电压DC201.6V转换为AC201.6V来为空调系统中的压缩机供电（见图12-45）。

（3）电池组件 普锐斯混合动力汽车采用镍氢（Ni-MH）蓄电池作为HV蓄电池，这种HV蓄电池具有高能、质量小、使用时间较长等特点。车辆正常工作时，由于THS通过充、放电来保持HV蓄电池SOC（充电状态）为恒定数值，因此车辆不依赖外部设备来充电。

图12-45 空调变频器电路图