2024年4月19日发(作者：opporeno3新品发布)

透视雷克萨斯RX450h混合动力技术文

朱余清;王海林;赵新

【期刊名称】《汽车维修与保养》

【年(卷),期】2010(000)012

【总页数】4页(P102-105)

【作 者】朱余清;王海林;赵新

【作者单位】华南农业大学;华南农业大学;华南农业大学

【正文语种】中 文

图1 雷克萨斯RX450h混合动力SUV

2005年雷克萨斯首次发布了全球首创的油电混合动力豪华SUV RX400h，时隔四

年，该公司于2009年4月推出了最新一代的RX450(如图1)，显示了雷克萨斯在

油电混合动力技术方面的强劲实力和领先地位。作为AWD(all-wheel-drive)四轮

驱动的SUV车型，RX450h搭载了“THS II with motor speed reduction

device+E-Four”，即带行星齿轮减速单元THS II+电子四轮驱动混合动力系统。

一、RX450h THS II系统的基本构成

RX450h四轮驱动系统主要由3.5L V6发动机、高输出电机/制动发电、先进的镍

氢电池组、功率控制单元、混合动力传动装置、E-FOUR系统及电控制动系统等组

成。雷克萨斯RX450h混合动力系统与丰田普锐斯的混合动力系统同属THS II系

统，主要由前驱动桥、动力分配机构、行星齿轮减速单元、后驱动桥，电子功率控

制单元(PCU)、变频器及高输出HV镍氢蓄电池组等构成，如图2所示。

动力传动系统方面，RX450h前驱动轮由汽油和蓄电池提供能量，驱动力输出装置

由汽油发动机和内置在前驱动桥内的驱动电机MG1、MG2，变速器为电子无级变

速器(ECVT)，MG1通过行星齿轮机构控制前桥输出轴速度，不需要离合器或粘性

联轴器；后驱动轮由后桥内的后电机MGR驱动，是一套纯电子四驱系统，前后桥

之间用电气连接取代了传统的机械传动轴连接，实现分时四轮驱动(parttime all-

wheel-drive)。

二、RX450h油电混合动力系统新技术

与上一代RX400h相比，RX450在动力性、经济性和驾驶性方面进行了诸多改进。

1.阿特金森燃烧循环控制3.5L V6发动机

该发动机在燃油经济性改善方面得益于采用了阿特金森循环及水冷EGR系统。

RX450h以阿特金森循环工作，与有效压缩比相比，具有相对较高的膨胀比。简单

说，就是以较少的泵气损失进行油气混合，而产生较高的做功能量。

阿特金森循环发动机减少了泵气损失，比常规四冲程“奥托循环”发动机提升10%

的效率。与常规奥托循环发动机相比，其排量也有所减小，负面效果就是降低了的

转矩输出，但是这一转矩损失被RX450h电机得到迅速补偿。RX450h发动机以

阿特金森循环工作不仅可改善小负荷(节气门部分开启)时的燃油经济性，即使在大

负荷时也结合排气VVT-i和精确控制EGR率，在保证动力性的前提下，把空燃比

调制到最佳比率，改善燃油经济性。

图2 RX450h构成

RX450h发动机采用了全新的水冷EGR系统，降低了废气再循环过程中进入汽缸

的再循环废气温度，同时该系统可精确计量进入进气歧管的再循环废气量。该

EGR系统能把再循环的废气输送到进气歧管内平均分配到每一个汽缸。全新的水

冷EGR系统能使废气温度从880℃降低到150℃，提高了汽缸的容积效率，因此

发动机的功率和转矩也获得改善，特别是高负荷驱动工况。

2.废气加热恢复系统

另一个改善燃油经济性的因素来自RX450h 的废气加热恢复系统EHRS(Exhaust

Heat Recovery System)，如图3所示。混合动力的一个重要控制策略是关闭发

动机，但是在冬天驾驶时，发动机停机后温度降低需要预热，此时要求启动发动机

的电机MG1在较高功率状况运转，特别是在预热过程中。当温度低于0℃，HV

电池输出电流大、储量降低，同时电机性能受损。为应对这一挑战，雷克萨斯开发

了一种全新的高效系统，以废气快速加热发动机冷却液，使发动机关闭后迅速被预

热。采用EHRS后允许发动机迅速停止，帮助车辆运行过程改善燃油经济性。废

气加热的热能来自直接固定在排气系统中的催化转化器下游废气管。一个恒温控制

阀(节温器)强制使一部分废气再循环到一个加热腔内，很快加热周围的发动机冷却

液。阀内的一个弹簧允许打开到全速加热状态。当发动机冷却液被有效加热后，阀

的开度允许废气对EHRS系统进行旁路。

3.混合动力驱动桥

RX450h混合动力驱动桥的结构如图4所示，主要由动力分配机构、MG1、MG2、

缓冲器、行星齿轮减速单元、主减速器齿轮、次级减速齿轮、速度传感器、油泵、

差速器等组成。该驱动桥在机械方面对各零部件采用先进的润滑方式、低摩擦轴承

以及油冷系统，提高了输出转矩和整个驱动桥的效率。在传动系统方面，RX450h

采用了一种能有效改善飞轮减震效果的两级转矩缓冲(减震)机构，当发动机启动过

程也能起到较好的减震效果。在混合动力汽车的城市驾驶过程中，发动机频繁关闭

和启动，这种缓冲机构起到显著的减震和降低噪声。

4.动力分配机构

动力分配机构是雷克萨斯混联式混合动力技术的关键部件，它不仅联接了汽油发动

机与电动机，控制了各能量的流向，并且取代了传统的变速器，如图5所示。

RX450h的动力分配机构其实就是一套行星轮系，包括太阳轮、行星齿轮、行星架、

齿环四个部件。太阳轮与发电机(MG1)相连，行星架与汽油发动机相连，齿环与前

桥输出轴(前驱动轮)相连，行星轮同时与太阳轮和齿环啮合。这套机构与普锐斯的

相比，普锐斯的前电动机MG2是直接与齿环相连的，而RX450h则多了一套行星

齿轮减速单元，只不过这套轮系的行星架已被固定，少了一个自由度，只作为前电

动机MG2的减速增扭机构，减速比为2.48，相同负荷条件下减小了前电动机的

尺寸。

图4 RX450h混合动力驱动桥结构

图5 RX450h动力分配机构结构

RX450h油电混合动力系统运行过程中，实际上由汽油发动机、发电机、输出轴

(前驱动轮)三个装置协同工作。通过THS II ECU监控驾驶员的操作、车辆运行状

况、各电机工作状况及HV电池状况等因素，一方面保证汽油发动机在高效率经济

工况区工作，同时计算并控制发电机的转速和负载，由发电机回收汽油发动机发出

的多余能量及制动能量。通过动力装置的输入输出进行反馈式控制，实现了足够的

动力输出、良好的燃油经济性及对HV蓄电池充电三者之间的优化协同工作。这个

过程的进行也取代了传统变速器的换挡功能，消除机械式变速器不可避免的换挡冲

击。雷克萨斯将这一依靠行星轮系的运转来改变传动比，实现无级变速换挡的机构

称为电子无级变速器(ECVT，Electronically Controlled Continuously Variable

Transmission)。况且RX450h首次在这一ECVT系统应用了所谓人工智能(AI)控

制功能，即ECVT-i变速，AI智能控制变速器是一种设计好的换挡运算程式，依据

路况及驾驶行为去进行换挡管理，它依据加速踏板角度及改变率，节气门开度及发

动机转速，比较车辆行驶车速，准确理解驾驶员意图，判断车辆究竟是上坡或还是

下坡，依靠智能预测，变速器选择恰当的变速范围以控制发动机在最适合的转速进

行上坡加速或者控制发动机进行下坡制动，这一功能不但使驾驶员轻松操作，而且

使E-FOUR系统具有更佳的驾驶性能，实现最佳燃油经济性和低排放。

5.高输出的驱动电机MG1/MG2/MGR

在混合动力系统中，电机总是具备输出动力和再生发电的双重作用，即一方面电机

提供强大的驱动力，另一方面作为再生发电机向HV电池充电。RX450h的

MG2/MGR驱动电机增加了最大扭矩及范围，改善了加速性能和驾驶性能。这一

改善部分归功于全新的动力控制单元PCU。前电机MG2表面看最大转矩虽然仅

增加了2N·m，但其最大扭矩范围增加了15km/h；后桥电机MGR最大扭矩增加

了9N·m，但最大扭矩范围增加到35km/h。

6.高能混合动力HV镍氢蓄电池

高输出HV镍氢蓄电池组位于后排座位底下，分为三部分安装在后排的椅子下面，

减少了占用的空间，不影响驾乘舱以及行李厢空间。蓄电池部件都被封闭在密闭的

金属外壳中，该金属壳体使用高标准的材料制造，可以屏蔽电气元件所产生的电磁

辐射，有效保护乘客免受电磁场影响，同时安装了碰撞传感器，一旦发生事故马上

发出信号给ECU，中断蓄电池电源，保护乘坐者的安全。

RX450h上有装备电池监控系统(电池智能单元)，将电流、电压及温度保持在最佳

水平，有效延长电池的使用寿命，同时还控制电池散热风扇以及发现问题将启动故

障处理系统。此外，依靠汽车发动机的充电以及汽车在减速和制动时的再生能量，

在汽车的使用寿命以内，电池组不需要外接电源充电。

图6 RX450h后驱动桥结构

后驱动桥

提高SUV汽车越野性的一个重要途径是实现四轮驱动，但四驱系统不可避免地存

在底盘传动系统结构复杂、传动效率较低等问题。RX450h实现四轮驱动依靠的是

电子四驱系统。该系统以安装在后驱动桥内的后电动机MGR为动力(如图6)，用

电气联接取代了发动机与前后桥之间的机械连接，省略了分动器和万向轴部件，减

少了能量传递过程中的损耗，也降低了整车重量和优化了底盘布置。RX450h四驱

系统在正常工况下作为一个常规的前轮驱动，当车轮被检测到滑转，电子四驱系统

主动切换使后驱动电机输出驱动，前后驱动力分配最高达到50：50。

动力控制单元

电子动力控制单元PCU是整个混合动力系统的电器核心，负责分配各电力能量的

流向和使用，同时密切监控汽车的行驶状况，发挥汽车最优的性能，提高能量的使

用效率。RX450h最大亮点之一就是采用了全新的动力控制单元PCU，极大地改

善了该车的效率。其关键功能主要包括：

(1)把混合动力电池电压从288V升压至650V；

(2)转换混合动力电池电压从DC到AC驱动电机；

(3)控制电机输出动力/再生发电操作；

(4)转换混合动力电池电压到12V，供应辅助电源和备用电池充电。

由于PCU控制单元集成电路封装高密度化，为解决散热问题使用了更有效率的叠

堆式冷却结构，并采用机油冷却，使PCU的功率密度增加了40%，系统单元体积

从30L降到18.2L，而PCU重量从30kg降低到22kg。整个控制单元的效率提高

10%。PCU优化了操作回路的开关频率，降低开关能量损失，不仅有助于改善经

济性，而且降低了变频器工作噪声。

三、RX450h THS-II电控系统工作原理

图7 RX450h THS-II 电控系统组成

RX450h的THS-II电子控制系统基本组成如图7所示，以THS ECU为系统管理

核心，并由MG ECU、各种传感器、执行器及动力控制单元(PCU)元件等组成复杂

系统。为了解驾驶员的意图，加速踏板和换挡杆的位置信号输送给THS ECU，由

该ECU再向MG ECU发出电控指令使高压系统能以最理想的方式满足驾驶员的需

求。THS ECU同时也控制汽油发动机工作，并向防滑控制ECU发出控制指令，由

防滑控制ECU向制动执行器发出控制指令。

MG ECU发出的指令用于变频器、升压转换器及DC-DC转换器控制，以实现控

制电动机和发电机的功能。当通过电机进行功率输出时，HV电池电流从HV电池

经过系统主继电器SMR到升压转换器，再经变频器后以AC驱动MG1、MG2和

MGR，同时通过DC-DC转换器将HV电池的DC电压转换为空调压缩电机(自带

变频器)及辅助电池需要的12V直流电。

四、油电混合动力系统工作原理

结合动力分配机构的工作原理，RX450h完成各种运行工况，实现高效、舒适、节

能和环保的目标。

1.启动发动机

车辆静止(发动机关闭)，MG2停止，由MG1输出功率，利用动力分配机构启动

汽油发动机。

2.车辆起步

车辆起步时前混合动力驱动桥内行星齿轮驱动桥行星架静止(发动机关闭)，前桥

(前驱动轮)有MG2驱动；AWD的后桥MGR同时由HV电池供电驱动，实现四

轮驱动。

可见，蓄电池组为前、后电动机提供电力，电动机运转为车辆提供驱动力，电动机

在低转速状态下提供最大扭矩，带来出色而宁静的加速表现。此时车辆无排放污染，

不产生任何油耗。

3.正常行驶

车辆正常行驶，依据行星齿轮机构工作原理说明，发动机正常工作，MG1发电，

MG2电流由MG1提供，向前驱动桥输出动力。可见，发动机在正常行驶中发挥

主导作用，其中大部分的发动机能量直接驱动车轮，另一部分能量则用来驱动发电

机产生电力，为前电动机MG2提供动力。

4.全力加速

全力加速时，发动机、MG2同时输出动力，MG1发电并向MG2供电，HV电池

也向MG2供电，使前桥获得全力加速。同时，后桥MGR也由HV电池供电输出

驱动力，车辆全力加速。可见，车辆全力加速时，发动机的全部动力输出与蓄电池

组同时提供动力，以双重动力驱动车辆，动力更加强劲。无间隙的平顺加速，与传

统汽车截然不同。

5.低速行驶

车辆处于下坡等低速行驶状态时，发动机停止工作，由蓄电池向前电动机MG2提

供电力，驱动车辆前进，车辆行驶更平稳宁静。在低温或电池电力不足的情况下，

仍由发动机提供动力。

6.减速与制动

当车辆减速或制动时，汽车损失的能量能够由系统回收、再生。这种再生使前、后

电动机转而成为发电机，将回收的动能转化为电能存储在电池组中，为之后驾驶提

供动力。

7.电池组充电

当监测到HV电量不足时，发动机输出动力向MG1，由MG1发电向HV充电，

部分MG1电力向MG2供电输出驱动力，同时发动机也向前桥输出驱动力。可见，

电池监控系统将保证电池组储备稳定的电量。

8.前轮打滑时

当前轮打滑时，发电机MG2产生的部分电能被分配到后电动机MGR驱动后轮，

以此削弱前轮驱动力，有效缓解打滑状况。

9.车辆运行过程中发动机的启动

混合动力车辆需要在行驶过程中把发动机切换到关闭模式，此时车辆不能停止，但

发动机需要启动，这时HV电池需要同时向MG1和MG2放电，使发动机产生启

动扭矩。如前所述，关闭发动机可以起到省油的作用，废气加热恢复系统EHRS

有助于延长发动机关闭时间，达到更佳节油效果，同时又使发动机迅速预热启动。

五、总结

提起混合动力，人们首先想起的总是丰田普锐斯。然而，这辆搭载新一代雷克萨斯

油电混合动力系统的豪华型SUV，无论是经济性、排放性还是动力性都要明显优

于它的前辈。RX450h在RX400h基础上进行了改进，采用了大量的机械与电子

新技术，最大限度地发挥汽油机和电动机的优势，其先进的THS II控制系统使传

统内燃机、电机驱动、再生发电系统及先进的电控底盘之间的协同工作达到完美境

界，从而实现该车动力性、经济性、环保型及驾驶性能的进一步提升。从技术角度

而言，RX450h SUV是对传统的四轮驱动汽车技术的一次革命，从驾驶者角度而

言，人们不仅可以体验该车四驱系统强大的动力性、操纵性和越野性，而且可享受

其优越的燃油经济性所带来的无穷驾驶乐趣。