第3章 普锐斯混合动力汽车结构与工作原理
3.1 普锐斯混合动力汽车的技术特点
丰田汽车公司于1997年开始销售普锐斯混合动力汽车（图3-1），为五座小型轿车。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THS（toyota hybrid system）混合动力系统。THS的核心是用行星齿轮组组成的动力组合器，用于协调发动机和电动机的运动和动力传递。
图3-1 丰田普锐斯混合动力汽车
丰田普锐斯混合动力汽车应用了大量先进技术，如采用线控（by-wire）技术、全电动空调等。下面介绍普锐斯混合动力汽车的一些先进技术。
（1）Atkinson循环发动机
丰田普锐斯汽车采用1.5L汽油机，最大输出功率为57kW。工作循环为Atkinson循环（图3-2、图3-3），其热效率高，膨胀比大。Atkinson循环的汽油机采用延迟进气门关闭时刻的方法，增大膨胀比。在压缩冲程的起始阶段（当活塞开始上行时），部分进入气缸的空气回流到进气歧管，有效地延迟了压缩起始点，故膨胀比增大，而实际的压缩比并没有增大。由于用这种方法能增大节气门开度，在部分负荷时可减小进气管负压，从而减小进气损失。
图3-2 Atkinson循环发动机
图3-3 高膨胀比原理
（2）线控（by-wire）技术
线控（by-wire）技术起源于航空工业，意思是某些操纵机构采用电子控制、电动执行，用来取代机械或液力控制。具有响应快、质量小、占地小的特点。在普锐斯混合动力汽车上，节气门、制动装置、换挡杆、牵引力控制装置和车辆稳定性控制装置（VSC+）都采用了线控（by-wire）技术，提高了操纵性。
（3）电控无级变速器
普锐斯混合动力汽车实际上没有真正的无级变速器（CVT），但普锐斯的变速理论与无级变速器的变速理论相同。普锐斯混合动力汽车的动力分配装置将发动机和电动机的力矩分配给驱动轮或发电机，通过选择性地控制动力源（驱动电动机、发动机和发电机）的转速，模拟变速器传动比的连续变化，工作起来像普通的无级变速器（CVT）一样（图3-4）。
图3-4 普锐斯混合动力汽车传动系统剖面图
（4）电动牵引力控制
如果防滑控制单元（ECU）检测到车轮打滑时，会立即切断电动机传到车轮的驱动转矩，而不是像传统牵引力控制系统那样切断来自发动机的动力。此外，电控制动系统可采取制动。普锐斯混合动力汽车是世界上第一辆采用电动机施力的牵引力控制系统，各组成部件之间信息传递快，提高了整车的主动安全性。
（5）电子换挡杆
电子换挡杆安装在仪表盘上，比传统的换挡杆使用起来更加方便、灵活，还可以用指尖点动。换挡杆每次动作后，总是回到原来位置。换挡杆有照明灯，方便夜间使用。换挡杆有四个位置：N（空挡）、D（驱动）、R（倒挡）、B（发动机制动）。驻车开关安装在换挡杆的上方，与传统自动变速器手柄处于P位置的作用相同（图3-5）。
图3-5 电子换挡示意
（6）电控制动系统（ECB）
普锐斯混合动力汽车采用独特的电控制动系统（ECB）（图3-6）。踩动制动踏板会触动停车的控制电路，电控制动系统响应迅速，可与其他主动安全系统（如VSC+）互相配合。ECB也用于提高再生制动系统的效率，将车辆制动时的动能回收。ECB有备用电源，以防车辆电源系统发生故障。
图3-6 普锐斯混合动力汽车的电控制动系统（ECB）
（7）用户定制车身电气系统
普锐斯混合动力汽车允许用户根据自己的喜好定制42种不同的参数。定制工作可由经销商按客户要求完成。定制的项目有门锁遥控器、门锁、防盗系统、智能门控灯系统、空调和智能钥匙等。
（8）智能驻车辅助系统
普锐斯混合动力汽车是世界上大批量生产的能够自己驻车的汽车，能够按照预定的路线驻车在指定的地方，既可并排驻车又可前后排驻车（图3-7）。
图3-7 显示屏显示驻车过程
（9）全电动空调系统
传统空调系统的压缩机由曲轴通过传动带驱动，而普锐斯混合动力汽车的空调压缩机由空调变频器驱动。普锐斯混合动力汽车空调系统不依靠发动机的运转，有下列优点。
①即使发动机熄火，空调也能发挥最大效率。
②空调与发动机的运转各自独立，空调的运转不会降低汽车的行驶性能。
③电动水泵能够在发动机熄火时向加热器供热。
普锐斯混合动力汽车的电动压缩机（图3-8）比传统的压缩机小40％，轻50％，可将压缩机直接安装到发动机上。
图3-8 电动压缩机
（10）蓝牙免提电话系统
用户可以用复式显示器（图3-9）的触摸屏或方向盘上的开关接通手机，也可把手机上的所有电话号码传输到多功能信息显示器上。蓝牙是一种非常先进的无线通信技术，工作频率为2.4GHz，通信速度为1MB/s。使用本系统需要具备蓝牙功能的手机（图3-10）。允许注册四种手机，但每次只能使用一种手机。
图3-9 复式显示器
图3-10 蓝牙电话与有线电话传输过程比较
（11）LED停车灯
普锐斯混合动力汽车采用LED停车灯（图3-11），其主要优点如下。
图3-11 LED停车灯
①安全 LED元件点亮比普通灯泡点亮的速度快，LED为2～25ms，灯泡为150～200ms。
②高效 LED元件比普通灯泡省电。
③易于设计 LED小巧紧凑，便于布置。
（12）智能钥匙与启动系统
普锐斯混合动力汽车采用具有双向通信功能的智能钥匙，在汽车周围一定范围内，智能钥匙系统的ECU能够判别是否存在智能钥匙，只要车主随身携带智能钥匙，即可不用钥匙也能开或锁车门；同样，只要随身携带钥匙，驾驶员可推动按钮启动车辆（图3-12）。
图3-12 智能钥匙的遥控作用
汽车的前门和后舱门装有振荡器、触摸传感器和天线。振荡器若接收到智能钥匙系统ECU的命令，会发射信号，检测汽车周围是否有智能钥匙。若有人按动触摸传感器（智能钥匙在探测范围内），则对应的车门锁会打开。若随身携带钥匙离开车，车主可以按下门手柄上锁开关将所有车门锁上。若在车内携带钥匙（如钥匙放在手提包内），只需按动仪表盘上的启动按钮就能启动汽车。
（13）坡道起步辅助控制
坡道起步时，控制系统能够通过驱动电动机上的高灵敏度的转速传感器判别道路的坡度，防止汽车向下溜滑。若坡道很陡，系统会增大汽车启动转矩。
（14）增强型车辆稳定控制系统（VSC+）
增强型车辆稳定控制系统（VSC+）将车辆稳定控制系统与电动助力转向（EPS）组合在一起。在发生意外情况时提供一定量的辅助转向力矩（转向助力），帮助驾驶员更快地转动方向盘，而在前轮打滑时转向，EPS提供较小的转向助力，防止过度转向。