2.2 混合动力汽车的结构原理

2.2.1 串联式混合动力汽车

串联式混合动力汽车中有两个能源向单个动力机械（电动机）供电。串联式混合动力系统结构如图2-2-1所示，主要由发动机、发电机、电动机三大动力总成和蓄电池组等部件组成。

发动机、发电机和驱动电动机采用串联的方式组成驱动系统。发动机仅用于发电，发电机输出的电能通过电动机控制器直接输送到电动机，由电动机产生的电磁力矩驱动汽车行驶。发电机输出的部分电能向蓄电池充电，以延长汽车的行驶里程。发动机的运行独立于车速和道路情况，适合市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况。发动机在最佳工况点附近稳定运转，避免了怠速和低速工况，从而提高了效率和排放性能。但是在机械能与电能的转化过程中有能量损失，因此油耗并没有降低。此外，蓄电池还可单独向电动机提供电能以驱动汽车，使混合动力汽车在零污染状态下行驶。

图2-2-1 串联式混合动力系统结构

在串联式混合动力汽车上，由发动机驱动发电机产生的电能和蓄电池输出的电能，共同输出给电动机以驱动汽车行驶，电力驱动是唯一的驱动模式。

串联式混合动力汽车的动力流程如图2-2-2所示。电动机直接与驱动桥相连，发动机与发电机直接连接产生电能，以驱动电动机或给蓄电池充电，汽车行驶时的驱动力由电动机输出，将存储在蓄电池中的电能转化为车轮转动的机械能。

当蓄电池的荷电状态（SOC）降到一个预定值时，发动机开始对蓄电池充电。发动机与驱动系统并没有机械连接，这种方式可在很大程度上减少发动机所受的车辆瞬态响应。瞬态响应的减少可使发动机进行最优的喷油和点火控制，使其在最佳工况点附近工作。

串联式混合动力汽车的发动机能经常保持在稳定、高效、低污染的运转状态，将有害排放气体控制在最低范围。串联式混合动力汽车的总体结构比较简单，易于控制，只有电动机的电力驱动系统，其性能特点更趋近于纯电动汽车。

图2-2-2 串联式混合动力汽车动力流程

发动机、发电机、电动机三大总成在汽车上布置起来有较大的自由度，但各自的功率较大，外形较大，质量也较大，在中小型汽车上布置有一定困难。另外，在发动机—发电机—电动机驱动系统中的热能—电能—机械能的能量转换过程中，能量损失较大。从发动机输出的能量以机械能的形式从曲轴输出，并立即被发电机转变为电能，受发电机的内阻和涡流影响，会产生能量损失（效率为90%～95%）。电能随后又被电动机转变为机械能，在电动机和控制器中能量又进一步损失，平均效率为80%～85%。能量转换的效率比内燃机汽车低，串联式混合动力驱动系统适合在大型客车上使用。

串联式混合动力汽车一般有以下运行模式：

1）纯粹的电模式。发动机关闭，车辆仅由蓄电池组供电、驱动。

2）纯粹的发动机模式。车辆驱动功率仅源于发动机-发电机组，而蓄电池组既不供电，也不从驱动系统中获取任何功率。电设备组用作从发动机到驱动轮的电传动系统。

3）混合模式。驱动功率由发动机-发电机组和蓄电池组两者提供。

4）发动机驱动和蓄电池组充电模式。发动机-发电机组提供给向蓄电池组充电和驱动车辆所需的功率。

5）再生制动模式。发动机-发电机组关闭，而驱动电动机以发电机模式运转，所产生的电功率用于向蓄电池组充电。

6）蓄电池组充电模式。驱动电动机不接收功率，发动机-发电机组向蓄电池组充电。

7）混合式蓄电池充电模式。发动机-发电机组合运行在发电机状态下的驱动电动机，两者都向蓄电池组充电。

串联式混合动力驱动系统的优点如下：

1）发动机与驱动轮脱开连接时，能运行在转速-转矩特性图上的任何运行工作点，且可能完全运行在最大效率区。在这一狭小区域内的优化可使发动机性能获得显著提高。

2）因电动机具有近乎理想的转矩-转速特性，不需要多档的传动设置，因此其结构大为简化，且成本下降。

3）由电传动系统提供的机械上的解耦，可应用简单的控制策略。

串联式混合动力驱动系统的缺点如下：

1）由于发动机的能量被两次转换（在发电机中，由机械能转变为电能，在驱动电动机中，由电能转变为机械能），发动机和电动机的低效率相加，损耗显著。

2）发动机附加了额外的重量和成本。

3）因为驱动电动机是唯一的驱动车辆的动力机械，所以必须按满足最大运行性能需求定制。

2.2.2 并联式混合动力汽车

并联式混合动力汽车的驱动系统由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成。发动机、电动/发电机或驱动电动机采用并联的方式组成驱动系统。

并联式混合动力系统结构如图2-2-3所示，它主要由发动机、电动/发电机（以下称电机）和蓄电池等部件组成。并联式混合动力汽车系统有多种组合形式，可以根据使用要求选用。并联式混合动力系统采用发动机和电机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和电机通常通过不同的离合器来驱动车轮，可以采用发动机单独驱动、电机单独驱动或发动机和电机混合驱动三种工作模式。当发动机提供的功率大于车辆所需驱动功率或车辆制动时，电机工作于发电机状态，给蓄电池充电。发动机和电机的功率可互相叠加，发动机功率和电机功率约为汽车所需最大驱动功率的0.5～1倍。

因此，可采用小功率发动机与电机，使整个动力系统的装配尺寸、质量都较小，造价也更低，续驶里程也可比串联式混合动力汽车长一些，其性能更趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统通常应用在小型混合动力汽车上。

图2-2-3 并联式混合动力系统结构

并联式驱动系统的动力流程如图2-2-4所示。发动机和电机通过某种变速装置同时与驱动桥直接连接。电机可用来平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区工作，因为通常发动机工作在满负荷（中等转速）下燃油经济性最好。在较小的路面载荷下工作时，内燃机汽车的发动机燃油经济性较差，而并联式混合动力汽车的发动机此时可关闭，只用电机来驱动，或增加发动机的负荷使电机作为发电机，给蓄电池充电（即一边驱动汽车，一边充电）。

并联式混合动力汽车在稳定高速行驶状态下，其发动机具有较高的效率，因此它在高速公路上行驶时具有较好的燃油经济性。

并联式驱动系统有两条能量传输路线，可同时使用电机和发动机作为动力源来驱动汽车，这种设计方式可使其以纯电动或低排放状态运行，但是此时不能提供全部动力。

并联式驱动系统的主要部件为动力合成装置，由于动力合成的实现方法具有多样性，相应的动力传动系统结构也多种多样，通常可归类为驱动力合成式、转矩合成式和转速合成式。

图2-2-4 并联式混合动力汽车动力流程

（1）驱动力合成式

驱动力合成式并联混合动力汽车的驱动方式如图2-2-5a所示。它采用一个小功率发动机，单独驱动汽车前轮，电机驱动系统则单独驱动汽车后轮，可在汽车起动、爬坡或加速时增加混合动力汽车的驱动力。两套驱动系统可独立驱动汽车，也可联合驱动汽车，使汽车在四轮驱动模式和两轮驱动模式间切换。

图2-2-5 并联式混合动力汽车的驱动方式 E—发动机 M—电机 B—蓄电池

（2）转矩合成式（双轴式和单轴式）

转矩合成式并联混合动力汽车的驱动方式如图2-2-5b、图2-2-5c所示。发动机通过传动系统直接驱动汽车，并直接（单轴式）或间接（双轴式）驱动电机向蓄电池充电。蓄电池也可向电机提供电能，此时电机处于电动机模式，可用于起动发动机或驱动汽车。

（3）转速合成式

转速合成式并联混合动力汽车的驱动方式如图2-2-5d所示。发动机通过离合器和一个“动力组合器”来驱动汽车，电机也通过“动力组合器”来驱动汽车。可利用普通内燃机汽车的大部分传动系统总成，电机只需通过“动力组合器”与传动系统连接，结构简单、改装容易、维修方便。

“动力组合器”通常是一个行星齿轮机构，它可使发动机或电机之间的转速灵活分配，同时使它们的转矩固定在汽车行驶时的转矩上，通过调节发动机节气门的开度来与电机的转速相互配合，获得最佳传动效果，这导致控制装置十分复杂。

2.2.3 混联式混合动力汽车

混联式驱动系统是串联式与并联式的综合系统，其系统结构如图2-2-6所示，它主要由发动机、发电机、电动机、行星齿轮机构和蓄电池组等部件组成。发动机发出的功率一部分通过机械传动装置输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机输出的电能输送给电动机或蓄电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。

图2-2-6 混联式混合动力汽车系统机构

混联式驱动系统的控制策略：汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作，汽车高速稳定行驶时，驱动系统主要以并联方式工作。它的综合性能优于串联式（电耦合）和并联式（单一转矩或转速耦合）混合动力驱动系统。就转矩和转速的约束条件而言，在这一驱动系统中，转矩和转速耦合从驱动轮处解脱了发动机，使瞬时的发动机转矩和转速不受车辆负载转矩和车速制约。因此，发动机能以类似于串联式（电耦合）混合动力驱动系统的方式，运行在高效率区。此外，部分发动机功率直接传递到驱动轮，未经多形式转换，这与并联式（转矩或转速耦合）混合动力驱动系统相似。

目前，混联式混合动力结构一般采用行星齿轮机构作为动力分配装置。有一种最佳的混联式结构是将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来，动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到传动轴，同时，发电机也可通过向电动机供电来驱动传动轴。这种机构有两个自由度，可自由地控制两个不同的速度。此时车辆并不是串联式或并联式，而是两种驱动形式同时存在，充分利用两种驱动形式的优点，其动力流程如图2-2-7所示。

图2-2-7 混联式混合动力汽车动力流程图

混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式驱动系统的优点，能使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统在最优状态下工作，因此更容易实现排放和油耗的控制目标，是最具影响力的混合动力驱动系统。

与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。

通过控制离合器、锁定器、发动机和可逆电机，该混联式混合动力电驱动系可满足的运行模式如下。

（1）转速耦合模式

在该模式中，可逆电机1断开，因而存在单发动机牵引、单可逆电机2牵引、配置转速耦合的发动机和可逆电机2牵引三种子模式。

（2）转矩耦合模式

当可逆电机1通电激励时，其转矩即添加到齿圈的输出转矩上，组成转矩耦合模式。相应于（1）中的三种模式，当控制可逆电机1运行在电机驱动和发电机发电状态时，可组成六种基本的运行模式。

1）在单发动机牵引模式中外加可逆电机1的驱动（电机模式）。这一模式与一般的并联式混合牵引模式相同。

2）在单发动机牵引模式中外加可逆电机1的发电（发电模式）。这一模式与一般的混合动力电驱动系中峰值电源由发动机充电的模式相同。

3）在单可逆电机2驱动模式中外加可逆电机1的驱动。这一模式类似于模式1）但发动机由可逆电机2予以替代。

4）在单可逆电机2模式中外加可逆电机1的发电。这一模式类似于模式2），但发动机由可逆电机2予以替代。由于部分的可逆电机2能量经由可逆电机2和可逆电机1，循环于自峰值电源起始并最终返回峰值电源的流程之中，故此模式可能是绝对不会采用的。

5）在转速耦合牵引模式中外加可逆电机1的驱动。这一模式利用了转速和转矩耦合的全功能。有可逆电机2两种运行状态：驱动和发电。可逆电机2的驱动运行状态可应用于高车速场合，此时发动机转速可限定在稍低于其中转速的范围，以免过高的发动机转速导致其低运行效率；而可逆电机2则向驱动系提供其转速，以承载高车速需求。类似地，发电运行状态可应用于低车速场合，此时发动机可运行在稍低于其中转速的范围，以免过低的发动机转速导致其低运行效率，而可逆电机2则吸收部分发动机转速。

6）在转速耦合牵引模式中外加可逆电机1的发电。类似于模式5），发动机和可逆电机2运行于转速耦合模式，但可逆电机1运行在发电模式。

（3）再生制动

当车辆经历制动时，可逆电机1、可逆电机2或两者同时都能产生制动转矩，并回收部分制动能量向峰值电源充电。此时，随着离合器的分离，发动机关闭。