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丰田混合动力prius的前世今生及其逆天黑科技

原标题:丰田混合动力prius的前世今生及其逆天黑科技

1994年,丰田代号为“G21”项目组成立,任务是开发所谓的“面向21世纪的革命性新型汽车”,目标是“油耗减半”。

1995年东京车展上,丰田发布了名为Prius的混合动力概念车,Prius在拉丁语中意为prior(优先的、超前的)。

Prius概念车:

1、第一代prius

1997年12月,代号NHW10的第一代丰田Prius在日本爱知县的丰田工厂下线。

第一代Prius长4275mm,宽1695mm,高1491mm,轴距2550mm,车重1254kg(属于A0级小型车,相当于现在的一汽丰田威驰的级别,不过第一代prius比威驰重了200kg)。第一代Prius仅拥有一款三厢车型。

第一代Prius在日本本土的售价为215万日元,和同时期代号AE110的Corolla1.5 SE Saloon售价152.7万日元相比,高成本的Prius已经卖的相当便宜了。

第一代Prius搭载代号1NZ-FXE的1.5升直列四缸自然吸气发动机和一台288V永磁交流电动机。

其中汽油发动机最大功率58马力(1马力=0.7355kW),最大扭矩102Nm,电动机最大功率29kW(约合40马力),最大扭矩305Nm,配备ECVT变速箱(所谓ECVT电控无级变速箱,其实就是单档减速器(包括主减速器、差速器)),镍金属氢化物(镍氢)电池组作为电力源,丰田将这套油电混合动力系统称之为“THS”,即Toyota Hybrid System。

第一代Prius油耗表现出众,新车上市前官方公布的油耗为28km/L(约合3.57L/100km),经过不断的产品改良,最终量产后的商品车实测油耗为31km/L(约合3.22L/100km),油耗表现完全符合丰田的预期(油耗减半)。

1.1、第一代prius欧美版

丰田在2000年将第一代Prius推广到北美和欧洲市场。根据北美市场的安全标准,丰田Prius的保险杠造型有所改变,后扰流板的增加也有助于提升车辆行驶时的空气动力效应。

丰田对Prius的动力作出了优化,代号NHW11。为了满足欧美消费者对高速和长途驾驶的需求,Prius出口车型性能有所提升,原先那台1.5升(1NZ-FXE)四缸发动机加入了VVT-i可变正时气门技术,最大功率提升至76马力,最大扭矩提升至110N·m273.6V电动机最大功率适当增加到44马力,电动机最大扭矩提升到了350N·m

第一代Prius在欧美市场的表现还算不错,在全球20多个国家共售出12.3万辆。

2、第二代prius

2003年,丰田推出代号为NHW20prius。丰田摒弃了上一代车型三厢车的设计理念,实用性更佳的五门掀背造型成为第二代Prius最大的特点。

第二代Prius车身尺寸介于同时期的CorollaCamry之间,其整车尺寸为长4450mm,宽1725mm,高1490mm,轴距2700mm,车重1317kg(属于A级紧凑型车,相当于现在一汽丰田卡罗拉的级别,第二代prius长度比现在的丰田卡罗短170mm,由于增加了电池电机,重量却一样重)。

更加合理的空气动力学设计使得第二代Prius风阻系数仅为0.26

为了向空气动力学妥协,第二代Prius的外观并不一定人见人爱,溜背造型让整车比例看起来略显怪异,后扰流板横贯在后车窗末端,将后窗一分为二,横在后窗上的扰流板多少会阻挡后方的视线,不过这种分体式后窗也成为第二代Prius外观最大的特点。

在那个年代,Prius的内饰的确很有未来科技感。同样还是中置仪表盘,只不过设计师将投影数字仪表盘刻意横向拉长了,尺寸更大且分辨率更出色的液晶显示屏能够显示丰富的油电混合系统工况信息。

虽然内饰材质充满塑料感,但细腻的工艺弥补了材质的不足,第二代Prius内饰质感更加出色。

悬架形式也沿用前麦弗逊、后扭力梁式的结构。

第二代Prius沿用了代号1NZ-FXE1.5升四缸自然吸气发动机,此发动机具有VVT-i可变正时气门技术,最大功率76马力,最大扭矩115N·m500V电动机最大功率50kW(约合68马力),最大扭矩400N·m,混合动力净功率112马力,配备ECVT无级变速箱。

当汽油发动机和电动机同时运转时,其0-100km/h加速时间9.7秒,纯电动模式下加速时间在11秒左右。

为了提升动力输出,丰田为第二代Prius配备了全电动空调压缩机,此外还使用了电动转向系统。此前丰田担忧的电池使用寿命问题再一次得到优化。

第二代Prius配备了尺寸更小且重量更轻的镍氢电池组,丰田在北美市场给这套电池组提供10万英里(约合16.1万公里)内或8年是保修期,此举更进一步降低了消费者对油电混合技术心存的疑虑。

官方给出的理论油耗为35.5km/L(约合2.82L/100km)。省油的同时,第二代Prius也获得了欧洲五星级碰撞测试的成绩。

2.1第二代Prius中国版普锐斯

200512月,一汽丰田长春工厂开始投产第二代Prius,国产后的Prius采用音译名称普锐斯。先期上市的国产普锐斯分为1.5L织物座椅版和1.5L真皮版两种车型,售价分别为25.98万元和27.38万元,一汽丰田为普锐斯定下的销售目标为3000辆。

然而国产普锐斯2006年共售出2152辆,未能达到一汽丰田的预期,2007年甚至只售出414辆。随着本田在2007年将思域混动版引入国内后,国产普锐斯的日子更不好过了。

国内市场普锐斯低迷的表现与其在海外市场大相径庭,20083月,丰田对海外Prius的售价降低了8%,降价3000美元后的Prius售价为36500美元。

截至2011年停产,第二代Prius在全球40多个国家共售出119.2万辆,和第一代车型销量相比翻了将近10倍,可见全球消费者对丰田Prius的认可度。

2.2第二代Prius的动力耦合机构THSⅡ

第二代Prius动力耦合机构THSⅡ,发动机连接行星架,发电机MG1连接太阳轮,电动机MG2连接内齿圈,三者同轴。作者在十年前拆解过THSⅡ,如下图:

两个电机在被动转动的时候均可以当作发电机为电池充电。外侧的MG2直接和输出终端连接,因此其转速和轮上转速直接相关。

MG1则同时作为汽油机的起动机使用,因此和传统汽油机不同,并不需要单独的设置启动装置。这就是整套E-CVT的组成部分。可以见到虽然同样称为CVT,但实际上其传动组件只有一组PSD(Power SplitDevice),和传统使用钢带或者链条的CVT变速箱并不一样。

整个变速过程,就和两个电机和发动机的转速有相关。

发电机、电动机和高压电池之间使用一个交直流变频器负责当中的充放电和能量转换的控制。

其中,MG2主要用于驱动车辆,而MG1主要用于启动发动机、发电和协调MG2/发动机之间的转速关系而输出目标扭矩(也就是尽量让发动机的转速维持在最高能效转速范围内,约1,500-2,000rpm)。

整套行星齿轮减速比约是1:2.6,也就是MG1转2.6圈的时候MG2转1圈(不过实际使用上,引擎使用MG1进行充电的效率并不如刹车时MG2作为能量回收充电效率高。而MG1更多是充当另外一个重要角色)。

分为几种工况:

1、发动机对电池充电:当整车处于停止状态但电池电量低时,MG2通电输出反向扭矩固定外圈齿,MG1转动至发动机的最低工作转速,离合器接合发动机点火,之后发动机驱动MG1对电池进行充电。

2、起步/低速纯电行驶模式:汽车起步均由MG2驱动。起步之时踩下油门,MG2通过电池取电,直接驱动车轮转动。此时行星齿轮架被固定,MG1空转。如此时需要急速起步,MG1则会通电主动转动驱动行星齿轮架来发动引擎。

3、平路行驶:当汽车超过纯电模式的最高限速时,离合接合并启动发动机运转。此时发动机驱动MG1进行发电驱动电能给MG2,MG2驱动车辆。多余的电能会充电。

4、重负载行驶:引擎加速驱动MG2和MG1。MG2用于驱动车辆,MG1为电池充电。

5、急加速:MG1成为电动机并正向旋转至最大转速,以便让引擎进入4,500转左右的最大扭矩转速推动车身。而MG2也从电池取电,以最大功率推动车身前进。实际上整个加速过程是两个电机和引擎共同输出扭矩驱动车身。

6、刹车或者松油:发动机停转,车轮驱动MG2进行制动回馈。

7、B档模式下刹车:车轮驱动MG2进行充电,同时MG1成为电动机,驱动引擎不点火空转进行发动机强制制动。

值得注意的是,由于电机都有最高转速保护,限制避免过高转速而烧毁。因此当引擎并没有启动的时候,最大时速是由MG1的最大转速决定(MG1的转速是MG2的2.6倍)。

所以时速超过MG1的最大转速的时候,引擎就会开始转动,利用引擎的转速来降低MG1的转速(实际上,只要控制油门开度,在高速也可以开启纯电模式。此时引擎为空转,用于降低MG1的转速,但并不喷油做工)。

可以看到,实际上三个动力源通过一个行星齿组进行传动,三者除了可以完成扭矩和能量的输出转换以外,也有一个协调各部分转速,以让各方都在最高能效的转速域运转。

譬如当时速稳定之后,MG1会强制通电反转,以降低引擎转速让能耗降低。而整套ECVT就是利用三者不同的转速转换协调,来完成无段变速和扭矩输出的最终结果。

因此内燃机实际上在整个运行过程中都会频繁着车和停转。即使THS的引擎会经常运转,但很多时候都会是负载极低,主要用于平衡MG1的转速或者用于充电,因此此时的能耗依然会相当低。

整套系统作为协调转速和输出扭矩充当最重要角色的就是MG1电机,在运行时其会不断切换正反转和改变转速,其工况可以说是整套系统性能的决定者。

当然,由于行车的状况比较复杂,因此整套系统的标定也比上面说的情况复杂得多,而实际的工况也不止是上面7种模式。 

3、第三代prius

20091月举办的北美车展上,第三代Prius概念车出现在了丰田展台上。20095月,代号ZVW30的第三代Prius在日本本土正式发售,5月下旬登陆北美市场。丰田对其的预期是每年销售40万辆。

第三代Prius轴距依旧是2700mm,整车尺寸长4480mm,宽1745mm,高1480mm

悬架依然是前麦弗逊、后扭力梁结构,不过上一代车型后轮的鼓式刹车已升级为盘式刹车系统。

代号2ZR-FXE1.8VVT-i四缸汽油发动机取代了原先那台1.5升发动机,最大功率99马力,最大扭矩142Nm650V电动机最大功率60kW(约合81马力),最大扭矩207N·m,混合动力最高输出功率100kW(约合135马力),传动系统依然配备了一台ECVT电控无级变速箱。

第三代Prius采用电子水泵,这也让它成为第一款全车无需皮带传动的量产车型,新设计的逆变器、电动机和其他混动零部件的尺寸也更小巧,重量也比上一代车型的轻了20%,仅1385kg-1420kg

正因为这些变化,这代Prius燃油经济性大幅提升。官方给出的理论油耗为38km/L,约合2.63L/100km。不过这仅仅是理论油耗,国内实测油耗在4.3L/100km

3.1第三代Prius中国版普锐斯

201112月,第三代普锐斯在位于长春的一汽丰田工厂投产。

20122月,国产第三代普锐斯正式上市,先期推出了标准型、豪华型、豪华先进型共三款车型,售价22.98万元至26.98万元。

该车在上海、长春、深圳、杭州以及合肥这5座试点城市中,可享受每车3000元的补贴政策。售后方面,第三代普锐斯在国内享受整车三年或十万公里质保政策,蓄电池享受五年或二十万公里质保。

不过和第二代国产普锐斯一样,国人对这款油电混合车型并不太感兴趣。(不过从2009年诞生以来,第三代Prius全球销量已达168.8万辆。)

3.2、Prius Plug-In(PriusPHV)

2009年,在第三代Prius上市不久后,丰田基于第三代Prius打造了Prius Plug-In Hybrid概念车并在同年的法兰克福车展上展出。

这是一款插电式混动车型,丰田打造了数百辆试验车型,以多种方式在日本、美国和欧洲等国投入使用,用于进行一系列实际道路测试工作,主要测试锂电池组的耐用性以及插电式混动系统的稳定性。

当丰田认为软硬件技术已经成熟后,丰田在2011年将代号ZVW35Prius PHV插电式混动车型推向市场,该车百公里油耗进一步降至2.2升,CO2的排放降至49/公里。

3.3、Prius α(Prius v或Prius+)

2011年在日本本土推出了代号ZVW40WPrius α,镍氢电池版售价235万日元,锂电池版售价300万日元。该车轴距增加到2780mm,乘坐和储物空间进一步提升。

这款车在其他市场则被称为Prius vPrius+,其在北美市场起售价为26400美元,且只提供镍氢电池版车型。

3.4、Prius c

为了进一步填补混动车型细分市场的空白并巩固自己在混动车型领域的地位,丰田在2011年北美车展上发布了名为Prius c的概念车,c代表city,顾名思义就是更适合城市代步的混动车型。

2012年,Prius c正式上市,这款两厢小车基于汽油版的丰田Aqua打造而来,这也是继Prius MPV版之后,Prius家族的第三款车型。

Prius c在日本本土售价169万日元,为了降低售价,其搭载第二代Prius那台代号1NZ-FXE1.5升汽油发动机。

4、第四代prius

20159月,第四代Prius在美国内华达州的拉斯维加斯公开亮相。201512月,第四代Prius在日本本土市场正式发售,售价242万日元至320万日元。(日元与人民币汇率16左右)

20161月,第四代Prius正式登陆北美市场,欧洲市场则在2月份上市销售。

第四代Prius仍未打破前两代车型的整体造型,但在丰田设计师迸发出的灵感下,其造型已然摆脱了人们长期以来将它看待成一款MPV的印象。

向上挑起的腰线配合当下流行的悬浮式车顶,赋予了新一代Prius更强的科技感。独特的尾灯样式与后扰流板完美融合,Prius经典的分体式后窗依然延续了下来。

第四代Prius整车尺寸为长4540mm,宽1760mm,高1470mm,轴距仍保持在2700m。根据不同车型,其车重为1310kg1460kg

在上一代Prius优秀的内饰设计下,丰田设计师并未对中控台布局做太多调整,而是在前者的基础上进一步优化设计并突显出这款混动车型的个性。

中置电子仪表盘读数清晰、信息丰富,仪表盘由上一代车型的单色液晶屏升级为彩色液晶屏,功能区采用黑色高亮材质独立于中控台表面,视觉效果仿佛悬浮在中控台一般。

中控台采用硬塑料材质,但表面经过特殊处理后,给人感觉像是附上了一层软性材质,令车内质感提升了一个档次。

除了常规的那些配置外,第四代Prius还配备了抬头显示、自动泊车、前排座椅加热等功能,前排储物格还带有无线充电装置。

此外,第四代Prius的主动安全性配置也更为丰富,TSSToyota Safety Sence)系统囊括了主动刹车、碰撞预警、车道偏离预警和自适应巡航等功能。值得一提的是,第四代Prius仍沿用前麦弗逊式独立悬架,但后悬架已升级为双叉臂式独立悬架,操控性和舒适性方面将得到进一步提升。

第四代Prius基于丰田全新的TNGA (Toyota New Global Architecture)平台打造,其风阻系数为0.24,如此低的风阻系数让许多超跑都为之汗颜。

丰田对第四代Prius的混动系统结构进行了些许调整,曾经占用一部分后备厢空间的电池组被移到了后座下方,这样带来的好处是后备厢空间变得更为宽裕,同时整车配重比和更为合理了。

得益于容量更大的电池组,第四代Prius在纯电动模式下的行驶里程将得到提升,标准前驱版Prius的油耗为37.2km/L,约合2.69L/100km

第四代普锐斯车身比第三代减轻60kg。但车身的抗扭刚度,却比第三代提升了60%。

一方面,后门、发动机罩则采用铝合金等轻量化材料;

另一方面,拉伸强度1.5GPa级热压超高强度钢、980MPa级的冷压高强度钢,整体用料由先前的3%提升至19%;要令抗扭刚度大幅提升,丰田还有一项秘诀,就是在普通的点焊之外,例如以车门四角为中心,采用焊点间距更加密集的激光焊接(Laser Screw Welding)和结构胶黏剂加固车架。

除此之外,我们还可以明显地看见,车身前部特别加强了纵梁,以应对美国IIHS特别严格的25%重叠正面碰撞测试。

后悬架改为双叉臂独立悬架,主要为了突出运动性、提升操控性。

第四代普锐斯也配有“E-Four”四驱版本。这套带后轴电机的四驱技术,主要在20km/h以下的低速区域使用;车速升至20-30km/h以上的中高速区域后,后轴电机便退出了工作。

除非经常在冬季下雪的地区使用,这套辅助四驱对于普锐斯来说,意义不算十分重大;但是如果TNGA平台上诞生的新车,都能应用类似的后轴电机技术的话,这项技术的重要性不言而喻。

发动机:

1.8L2ZR-FXE自然吸气四缸发动机,压缩比为13:1,缸径为80.5mm,冲程为88.3mm,在可变进排气门正时控制之下,成为一副典型的膨胀冲程比压缩冲程长的阿特金森循环发动机。最大输出功率为98马力(72kW),峰值扭矩为142Nm

2ZR-FXE热效率高达40%。这比世界上任何的量产燃油发动机都要高。目前内燃机热效率普遍在30%左右,柴油机热效率比汽油机稍微高一些。

电机:

电机最高总输出功率为53kW,最大扭矩为163N·m,从数据上看,比第三代车型还退步了。但是动力系统的损耗减少了20%,而车重有所减轻,因此实际表现并不会比前辈弱。

据丰田描述,整套混合动力控制逻辑基本能沿用上一代车型,只是细微地作了调整。例如在发动机停止工作、仅靠电机驱动行驶时,第三代车型的最高车速为70km/h,而新一代车型则可以达到110km/h。

电机主要着手两方面的工作:1.减小尺寸;2.减小损耗。丰田的目的很明确,TNGA平台下的所有新车,发动机舱必须都能塞下一套混动系统;电机的尺寸减小了,连带新的平行轴式变速箱,整个混合动力系统的体积也一并大幅减小。

因此,定子采用了截面积为长方形、整体呈梳齿状的“分段绕组”方式。这种绕组跟普通的绕组不同,不是缠绕,而是将分段绕组插入定子,将突出的对侧拧结起来。由此,将马达的重量比原来减轻了15%以上,体积比原来减小了大约20%。

运行电压则从650伏提高到850伏,额定工况下,电压高,电流小,热损耗低,由此,将马达的电热损耗也降低了大约20%。

变速箱:

表现优异的E-CVT变速箱被平行轴变速箱所取代。驱动电机的减速机构,转而采用了平行轴齿轮,这就相当于,MG1电机、MG2电机肩并肩横向布置。

此举一石三鸟,新型驱动桥的长度为362mm,比原来的409mm缩短了47mm;零件数量也减少了大约80%;最重要的,齿轮及接触面减少,动力系统的损耗也降低不少。

电池和电控:

丰田为第四代普锐斯提供了两种电池选择,较为传统的镍氢电池和目前比较流行的锂离子电池。虽然两种电池的材料不同,但在制造成本、电池性能、电池体积等方面两种电池均有着类似的表象。

两款电池的输出电压相近,锂离子电池的输出电压为207.2V,镍氢电池则为201.6V,所占的体积也相似,锂电池大小约为30.5L升(1.1立方英尺),镍氢电池约为35.5升(1.25立方英尺)。

第四代普锐斯提高了电池的输出功率,辅助行驶时,能提供更强的动力,充电时也能承受更大的电流。新车根据车型等级使用不同的电池。

E、A、A Premium配备的是锂离子电池,S和4轮驱动车型都配备的是镍氢电池。锂离子电池组的重量为24.5kg,而镍氢电池的电池组为40.3kg。

镍氢电池体积为35.5L,比原来削减10%,现在和锂电池一样,配备在后座下方。除了继电器、电池监控单元和线束的小型化,电池组中的空冷风扇也被安装在车身一侧,最终才腾出足够空间,把镍氢电池组从行李厢里掏空出来。

从行李厢里一起被掏出来的,还有那块用来控制电机工作的动力控制单元PCU。体积由第三代普锐斯的12.6L,一下子削减至8.2L,已经能够和动力系统一起集成在前轴上方,不必再占用行李厢的空间。

4.1、第四代prius的动力耦合机构THS Ⅳ

最新的第四代THS Ⅳ混合动力,发电机MG1(太阳轮)和发动机(行星架)依旧同轴,但是分别在行星齿轮组两侧。电动机MG2不再同轴,通过一个反转从动齿轮减速,并与行星齿轮组的齿圈结合。

4.2、PriusPrime

2016年日内瓦车展上,丰田发布了全新一代Prius衍生车型——Prius Prime。该车最大特点是采用了一套插电式混动系统,这似乎能让人联想到上一代PriusPrius Plug-In Hybrid插电式混动车型。

Prius Prime延续了第四代Prius的外观设计,其中还夹杂着丰田Mirai的影子,这也让它看起来更具攻击性。

动力方面,Prius Prime采用一套插电式混动系统,其中包含1.8升四缸汽油发动机和电动机,纯电动模式下Prius Prime采用8.8kWh的锂电池组进行驱动,其最大续航里程为35km,最高时速135km/h

在一般的220V民用电源下,Prius Prime仅需5.5小时即可将电池电量充满,在综合模式下PriusPrime的平均油耗仅为1.4L/100km

(来源:电动汽车设计笔记)返回搜狐,查看更多

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