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普锐斯揭密:“油”与“电”是怎样混合的

现在网上介绍普锐斯的文章几乎千篇一律,但对“油”和“电”究竟是怎样混合的并没有说清楚。普锐斯是一款技术含量很高的汽车,二十几万元的售价对我们工薪阶层也不是个小数目。当年我下决心出手普锐斯二代之前,就尽可能多地去了解一些混合动力的情况,做到心中有数,买了不后悔。先声明一下,我只是个普锐斯2代的车主,不是搞技术的,下面的东东要是说错了,还请多指正。里面的图片是从国外网站上搜来的,不是我拍的。

普锐斯的混合动力系统由1号电机、2号电机、行星齿轮组、汽油机和ECU(电子控制单元)等组成。为了说明“油”和“电”是怎样混合的,先上几张实物图(都是普锐斯3代的图,2代的图就不上了):

1、1号电机、2号电机、行星齿轮组以及组装起来的动力分配单元,没有包括汽油机。

2、行星齿轮组

3、普锐斯的传动机构组成(普锐斯总共就这么几个齿轮,连离合器、变速箱都省了,单就机械结构来说,我觉得比手动档汽车还简单,当然,它的电子控制装置非常复杂。)

4、ECU的图就不上了,反正我们知道它是普锐斯的电脑控制中心就行了。

从上面的实物图不一定能看明白里面到底是怎么回事,所以再上一张示意图。

要弄清楚“油”和“电”是怎样混合的,必须先熟悉一下行星齿轮组(其实汽车的差速器也是行星齿轮组)。

从示意图上看,行星齿轮组由三部分组成:齿圈(红色部分),行星座和行星齿轮(蓝色部分)、太阳轮(绿色),在行星座上有4个可以自转的行星齿轮,将齿圈、行星座、太阳轮啮合在一起。(由于2号电机和齿圈联在一起,所以也是红色的;汽油机和行星座联在一起,所以也是蓝色的;1号电机和太阳轮联在一起,所以也是绿色的。)示意图还告诉我们,齿圈是和车轮关联的(通过最终驱动和差速器)。总之,“油”和“电”就在这个行星齿轮组上结合起来了。

通过观察行星齿轮组(这需要有点想象力),可以了解到:1、由于4个自转的行星齿轮的存在,齿圈、行星座、太阳轮都可以自由转动,譬如,齿圈和行星座顺时针转动时,太阳轮可以逆时针转动。2、即使锁住齿圈、行星座、太阳轮中的一个,其余的两个部分仍然可以转动。3、齿圈、行星座、太阳轮之间有很复杂的数学关系,其中之一的转速会影响到其它两部分的转速,加上电脑调节两台电机的转速和扭矩,就构成了所谓的ECVT(电子控制无级变速器),我们这些外行就不去管它了吧。

有了上面的基础,我们就可以大致了解一下“油”和“电”是怎样混合的了。

下面分别几种情况说明:

一、冷车原地预热:1、踩下刹车的同时,按下启动按钮(人工操作)。2、电脑指令1号电机为电动机状态,从动力电池取电,带动汽油机怠速运转,此时汽油机不输出任何动力。3、1号电机启动汽油机后立即停机。4、约30秒钟后,汽油机停机,预热完成。

二、慢走预热(不踩油门):1、在原地预热状态下挂进D档并松开刹车(人工操作)。2、电脑指令一号电机转为发电机状态,二号电机为电动机状态。3、电脑指令节气门开大,汽油机转速提高,带动一号电机向二号电机供电。4、二号电机带动车轮。

此时普锐斯一边缓慢前行,一边继续预热。不要听到汽油机在响就以为它在带动普锐斯,它主要是带动1号电机发电,此时带动普锐斯前行的主要是二号电机。再说了,从示意图上我们可以看到,既然汽油机是直接联在行星座上的,相当于它一直挂在最高档上,它的扭矩此时也带不动普锐斯。当然,汽油机也有一部分扭矩会通过齿圈传递到车轮,但这一部分扭矩只占它动力输出的五分之一左右。

三、混合动力起步(踩油门)1、在原地预热状态下松开刹车,踩下油门(人工操作)。2、电脑指令1号电机转为发电机状态,2号电机为电动机状态。3、电脑指令节气门开大,汽油机转速提高到,在带动1号电机向2号电机供电的同时,也开始向动力电池充电。4、动力电池同时向二号电机供电,由二号电机和汽油机共同驱动车辆前行。5、随着车速提高,汽油机在继续带动一号电机发电时,也向车轮提供更多的动力。车速达到40公里时,电动力占60%左右,车速达到100公里时,汽油机提供60%的动力。

四、纯电起步1、按下启动按钮和EV按钮。2、电脑指令动力电池向二号电机供电,二号电机单独带动车辆前行。3、汽油机会在以下情况启动介入:-当车速超过49公里时-当动力电池电量低于40%时-冷车启动时-当你狠踩油门时4、据说插电版普锐斯可以用电机起步并一直加速到100公里的时速。

五、纯电行驶:即使车速超过49公里,也可以纯电行驶。1、松开油门,汽油机停机。2、微踩油门(这需要右脚有类似踩离合器半联动的功夫),汽油机不启动,但电动机启动,从动力电池取电,继续带动车辆前行。

需要说明的是,由于行星齿轮组的齿比关系,太阳轮此时的逆时针转速是齿圈的大约3.6倍,在普锐斯2代上,当纯电行驶的车速超过49公里时,为了保护联在太阳轮上的1号电机,电脑会将一号电机设为发电机状态,从而产生发电阻力,并强制行星座旋转,带动汽油机空转,以便适当降低太阳轮和1号电机的转速,但这样做会带来一定的阻力损失。而在普锐斯3代上,将1号电机的转速上限从每分钟6500转提高到每分钟13500转,我估计是为了允许1号电机以更快的速度空转,从而避免或减少使1号电机因发电而带来的阻力损失,另一方面,在插电版普锐斯上,可以实现纯电100公里的时速。

六、急加速和上坡1、狠踩油门。2、电脑指令汽油机和2号电机一起驱动普锐斯前行。3、电脑指令1号电机为发电机状态,向2号电机供电。偶尔也由动力电池补充;如果1号电机发出的电力有富余,在向2号电机供电的同时也向动力电池充电。

七、巡航1、电脑指令1号电机为电动机状态,逆时针转动,通过行星齿轮,推动行星座顺时针转动,配合汽油机继续驱动普锐斯前行。2、电脑指令2号电机为发电机状态,向1号电机供电并向动力电池充电。3、汽油机此时可以用较低的速度运转以节约能源。

八、滑行(松开油门)1、电脑指令汽油机停机。2、电脑指令2号电机和1号电机均为发电机状态,2号电机将普锐斯的惯性转变为电能向动力电池充电,1号电机将产生的发电阻力用于降低自身的旋转速度,以免超速,同时也向动力电池充电。

九、下坡此时的情况与纯电行驶时类似。由于有惯性可以利用,可以回收能量,让1号电机给动力电池充电。

十、坡道起步

1、坡道起步时挂D档,松开刹车。

2、电脑指令给2号电机供电,顶住车辆倒溜的重力2-3秒钟,让你从容踩油门。

十一、减速和刹车1、当踩下刹车踏板时,电脑首先指令2号电机为发电机状态,通过发电产生阻力使普锐斯减速。刹车踩得越重,2号电机发电越多,产生的阻力也越大。回能量以电力的形式回收后又充进动力电池。2、由于一开始刹车片未动或未全力动作,给人以普锐斯刹车前段偏软的感觉,需要适应。3、由于用2号电机发电来减速,大大减少了刹车片的磨损。4、挂进B档时,实现发动机制动。

十二、倒车

1、挂倒档时,电脑指令只是将2号电机的电源反接,让它反转。令1号电机空转,汽油机停机。2、如果动力电池电量不足,电脑会指令1号电机启动汽油机,直接给2号电机供电,使普锐斯后退。

十三、空档从示意图可以看出,齿圈、行星座、太阳轮是始终啮合在一起的,而普锐斯又没有离合器,所以挂普锐斯的N档时,电脑指令切断两台电机的电源,让它们空转,并让汽油机停车,从而实现车轮空转。

个人认为,N档在普锐斯上其实没什么用处,可能是政府部门某些法规规定汽车必须有空档。我三年来从未用过空档。

十四、P档

普锐斯默认是在P档上。P档与N档的区别就是P档状态下行星齿轮组处于锁定状态,而在N档时行星齿轮组未锁定。在P档位置时,按下启动键,电脑除了在冷车预热时会临时启动1号电机,以带动汽油机预热以外,电机的电源都处于关闭状态。由于行星齿轮组处于锁定状态时,电机可以空转,所以汽油机得以自行运转而不需要装备离合器。

十五、自我保护

由于普锐斯是一辆电传操纵汽车,换档、踩油门的动作实际上并不是机械动作,而是操纵电子开关和传感器的动作,所以普锐斯还设置了一系列的自我保护措施:

1、刹车优先:几年前刹车问题曾经把丰田公司搞得很狼狈。但是,在美国出现的所谓普锐斯刹车门在我看来却是美国的某些人为了打压普锐斯制造的冤案。普锐斯一直就有刹车优先系统。由于油门是电传操作的,如果把刹车和油门同时踩下去,电脑会指令停止供油,而刹车保持正常工作。

2、在前进时挂R档:电脑会指令普锐斯进入N档状态。

3、在后退时挂D档:电脑会指令普锐斯进入N档状态。

4、在前进时按启动键:电脑会指令普锐斯进入N档状态。

不过我想没有那个车主会拿自己的普锐斯做这些试验(我也没试过)。

丰田(包括雷克萨斯)生产的所有混合动力车都使用了相同的工作原理,虽然结构不同,汽油机、电机的功率不同,但弄懂了普锐斯,其它的丰田混动车也就好懂了。

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2012-04-17

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