豐田混合動力系統

混合動力系統 (Hybrid Synergy Drive, 縮寫 HSD)是豐田公司為混合動力汽車所研發的動力技術。它被廣泛應用在以下車型： 雅力士, Auris， 普銳斯，Avalon Hybrid, Highlander Hybrid， 凱美瑞混合動力, 埃斯蒂馬, 阿爾法, 雷克薩斯RX400h/RX450h, 雷克薩斯ES300h, 雷克薩斯GS450h, 雷克薩斯LS600h/LS600hL, 雷克薩斯CT200h, 雷克是300h, 雷克薩斯HS250h 和 雷克薩斯NX300h 。 同時豐田公司也許可日產公司在 Altima 車型上使用該技術。而豐田的供應商愛信精機也將類似的混合傳動技術提供給其他汽車企業。

HSD混動技術屬於強混合動力，區別於弱混合動力不能用純電驅動車輛的是，它允許車輛在純電動模式下行駛。HSD技術同時融合了電驅動和行星齒輪技術，以達到與無級變速器相類似的效果。HSD技術是一套電傳線控系統，在發動機和各類控制器之間並沒有直接的機械連接：在搭載HSD技術的車輛中，無論是油門踏板還是檔位，都是通過傳送電子信號到控制電腦，達到控制的目的。 HSD是豐田混動系統（Toyota Hybrid System, 縮寫 THS）的改進版本，THS被用在1997年到2003年生產的豐田普銳斯車型上。第二代豐田混動系統（THS II）被應用在了2004款普銳斯上。因為豐田將這款系統用在了豐田品牌之外的車型上，比如雷克薩斯（稱為Lexus Hybrid Drive），因此將系統名稱更改為（Hybrid Synergy Drive). 第三代豐田混動系統（THS III）着重於提高功率和效率，同時改進了可放大性，使它能同時適用於大型車和小型車。在這代系統中，內燃機（ICE）/電動機1(MG1) 和電動機2（MG2）具有分離的減速器。這兩者最終通過一個連接到齒輪橋和差速器的複合齒輪聯繫起來。這種動力設計方式被應用到了雷克薩斯車型的四驅和後驅車型中。2007年5月，豐田已在全球出售100萬輛混動車型；這個數字在2009年8月達到200萬輛；2013年3月突破500萬輛。截止2014年9月，豐田已經在全球售出雷克薩斯和豐田品牌的混動車型超過700萬輛。截止2003年，美國市場在豐田混動車輛銷量中佔比38%。

系統原理

配備了早期HSD系統的豐田1NZ-FXE發動機（左）和它的拆解示意圖（右）

豐田HSD系統中用電化學系統代替了常規的齒輪傳動系統。一般來說，內燃機只能在有限的速度範圍內保持高效的功率輸出。在傳統汽車中，齒輪傳動系統將不同轉速下發動機的扭矩傳遞給車輪。齒輪傳動系統可以為帶有離合的手動變速系統，也可以是帶有扭力轉換器的自動變速系統，使發動機在不同速度下得以驅動車輪。駕駛員可以通過調節節流閥（油門）來調節發動機的轉速和扭矩，並通過機械傳動裝置將能量傳遞給車輪，車輪的速度與發動機轉速不同，由齒輪比和當前所選擇的檔位所決定。但是，一般車輛中可供選擇的檔位或者齒輪比是有限的，一般為4檔至6檔。有限的檔位使得發動機不得不在低效率的速度區間工作。通過觀察轉速表和辨別發動機噪聲，可以優化發動機的轉速以匹配實際速度。當一台發動機需要被設計成能夠在較寬的轉速範圍內有效輸出扭矩時，許多參數的設計會受到限制，比如發動機效率、可靠性、壽命、發動機體積和重量等。這也就是為什麼用於發電的發動機相比於需要工作於不同轉速條件的發動機，可以更小、更高效、更可靠，壽命更長。

然後，如果是無級變速傳動系統，可以在各種速度下更加有效地選擇合適的齒輪比，而不受有限的檔位的限制。因此，發動機可以在優化的轉速區間（一般來說為1500-2000 轉/分鐘）工作。一台搭載HSD系統的汽車，可以在任何時候在高效區間工作，用來給電池充電或者加速車輛，並在不需要高功率輸出的時候完全關閉發動機。

跟無級變速傳動方式類似，HSD傳動系統可以無級調節齒輪比以滿足加速需求。這也就是為什麼當需要將搭載HSD系統的車輛歸類到某一個傳統類型時，豐田聲稱其為e-CVT類型。

能量流轉

在傳統的汽車設計中，直流發電機和啟動裝置（直流電動機）只是被視為內燃發動機的附屬配件。這種設計中的電池只是用來啟動內燃發動機，並在發動機不工作時為車內的電器設備提供電力。直流發電機用來在發動機工作時為電池充電並為車內電器提供電力。

HSD系統中用一下部分代替了傳統汽車中的齒輪傳動機構、發電機和啟動電機：

• MG1，是一個具有永磁轉子的交流電動機兼發電機，在啟動內燃發動機時作為電動機，在為電池充電時作為交流發電機使用。
• MG2，也是一個具有永磁轉子的交流電動機兼發電機，用作基本的驅動車輪的電動機，也是一個交流發電機，直接為電池系統充電。
• 電力電子系統，包括三個DC-AC逆變器和兩個DC-DC轉換器。
• 計算機化 控制系統 和 傳感器
• HVB，高電壓電池系統，用於提供和儲存電力。

通過能量分流，一個串並聯強混HSD系統可以實現以下形式的能量流動：

• 輔助設備的電力
  • HVB -> DC-DC 轉換器-> 12V 直流電池
  • 12V 直流電池 -> 各類標準的和自動節能的輔助設備
• 發動機充電（負責為電池充電，或者加熱催化轉換器，或者為空調供電）
  • 內燃發動機 -> MG1 -> 高電壓電池系統
• 電池或電動汽車驅動
  • 高電壓電池系統 -> MG2 -> 車輪
• 發動機和電動機驅動 (中等加速)
  • 內燃發動機 -> 車輪
  • 內燃發動機 >MG1->MG2-> 車輪
• 發動機驅動並充電 (高速公路行駛)
  • 內燃發動機 -> 車輪
  • 內燃發動機 ->MG1-> 高電壓電池系統
• 發動機和電動機同時驅動並充電 (高功率輸出情況下，例如在陡峭的山坡)
  • 內燃發動機 -> 車輪
  • 內燃發動機 ->MG1-> 高電壓電池系統
  • 內燃發動機 ->MG1->MG2-> 車輪
• 全功或逐步減速 (最大功率的情況)
  • 內燃發動機 -> 車輪
  • 內燃發動機 ->MG1->MG2-> 車輪
  • 高電壓電池系統 ->MG2-> 車輪
• B模式制動
  • 車輪->MG2->高電壓電池系統
  • 車輪->MG1->內燃發動機(ECU-電子控制單元觸發MG1驅動內燃發動機，用以消耗電池電量，使高電壓電池系統能夠接受更多充電，同時發動機轉動可以有發動機制動的效果。因此，當高電壓電池系統充電電量太多或者駕駛員用力踩剎車踏板時，發動機的轉速會提高）
• 再生制動
  • 車輪->MG2->高電壓電池系統
• 急剎車
  • 前輪盤剎/後輪轂剎 -> 車輪
  • 所有輪盤剎 > 車輪

普銳斯NHW11 經典款的功率電子系統

參考文獻