2.2 混合動力汽車的結構原理

2.2.1 串聯式混合動力汽車

串聯式混合動力汽車中有兩個能源向單個動力機械（電動機）供電。串聯式混合動力系統結構如圖2-2-1所示，主要由發動機、發電機、電動機三大動力總成和蓄電池組等部件組成。

發動機、發電機和驅動電動機采用串聯的方式組成驅動系統。發動機僅用于發電，發電機輸出的電能通過電動機控制器直接輸送到電動機，由電動機產生的電磁力矩驅動汽車行駛。發電機輸出的部分電能向蓄電池充電，以延長汽車的行駛里程。發動機的運行獨立于車速和道路情況，適合市內常見的頻繁起步、加速和低速運行工況。發動機在最佳工況點附近穩定運轉，避免了怠速和低速工況，從而提高了效率和排放性能。但是在機械能與電能的轉化過程中有能量損失，因此油耗并沒有降低。此外，蓄電池還可單獨向電動機提供電能以驅動汽車，使混合動力汽車在零污染狀態下行駛。

圖2-2-1 串聯式混合動力系統結構

在串聯式混合動力汽車上，由發動機驅動發電機產生的電能和蓄電池輸出的電能，共同輸出給電動機以驅動汽車行駛，電力驅動是唯一的驅動模式。

串聯式混合動力汽車的動力流程如圖2-2-2所示。電動機直接與驅動橋相連，發動機與發電機直接連接產生電能，以驅動電動機或給蓄電池充電，汽車行駛時的驅動力由電動機輸出，將存儲在蓄電池中的電能轉化為車輪轉動的機械能。

當蓄電池的荷電狀態（SOC）降到一個預定值時，發動機開始對蓄電池充電。發動機與驅動系統并沒有機械連接，這種方式可在很大程度上減少發動機所受的車輛瞬態響應。瞬態響應的減少可使發動機進行最優的噴油和點火控制，使其在最佳工況點附近工作。

串聯式混合動力汽車的發動機能經常保持在穩定、高效、低污染的運轉狀態，將有害排放氣體控制在最低范圍。串聯式混合動力汽車的總體結構比較簡單，易于控制，只有電動機的電力驅動系統，其性能特點更趨近于純電動汽車。

圖2-2-2 串聯式混合動力汽車動力流程

發動機、發電機、電動機三大總成在汽車上布置起來有較大的自由度，但各自的功率較大，外形較大，質量也較大，在中小型汽車上布置有一定困難。另外，在發動機—發電機—電動機驅動系統中的熱能—電能—機械能的能量轉換過程中，能量損失較大。從發動機輸出的能量以機械能的形式從曲軸輸出，并立即被發電機轉變為電能，受發電機的內阻和渦流影響，會產生能量損失（效率為90%～95%）。電能隨后又被電動機轉變為機械能，在電動機和控制器中能量又進一步損失，平均效率為80%～85%。能量轉換的效率比內燃機汽車低，串聯式混合動力驅動系統適合在大型客車上使用。

串聯式混合動力汽車一般有以下運行模式：

1）純粹的電模式。發動機關閉，車輛僅由蓄電池組供電、驅動。

2）純粹的發動機模式。車輛驅動功率僅源于發動機-發電機組，而蓄電池組既不供電，也不從驅動系統中獲取任何功率。電設備組用作從發動機到驅動輪的電傳動系統。

3）混合模式。驅動功率由發動機-發電機組和蓄電池組兩者提供。

4）發動機驅動和蓄電池組充電模式。發動機-發電機組提供給向蓄電池組充電和驅動車輛所需的功率。

5）再生制動模式。發動機-發電機組關閉，而驅動電動機以發電機模式運轉，所產生的電功率用于向蓄電池組充電。

6）蓄電池組充電模式。驅動電動機不接收功率，發動機-發電機組向蓄電池組充電。

7）混合式蓄電池充電模式。發動機-發電機組合運行在發電機狀態下的驅動電動機，兩者都向蓄電池組充電。

串聯式混合動力驅動系統的優點如下：

1）發動機與驅動輪脫開連接時，能運行在轉速-轉矩特性圖上的任何運行工作點，且可能完全運行在最大效率區。在這一狹小區域內的優化可使發動機性能獲得顯著提高。

2）因電動機具有近乎理想的轉矩-轉速特性，不需要多檔的傳動設置，因此其結構大為簡化，且成本下降。

3）由電傳動系統提供的機械上的解耦，可應用簡單的控制策略。

串聯式混合動力驅動系統的缺點如下：

1）由于發動機的能量被兩次轉換（在發電機中，由機械能轉變為電能，在驅動電動機中，由電能轉變為機械能），發動機和電動機的低效率相加，損耗顯著。

2）發動機附加了額外的重量和成本。

3）因為驅動電動機是唯一的驅動車輛的動力機械，所以必須按滿足最大運行性能需求定制。

2.2.2 并聯式混合動力汽車

并聯式混合動力汽車的驅動系統由發動機、電動/發電機或驅動電動機兩大動力總成組成。發動機、電動/發電機或驅動電動機采用并聯的方式組成驅動系統。

并聯式混合動力系統結構如圖2-2-3所示，它主要由發動機、電動/發電機（以下稱電機）和蓄電池等部件組成。并聯式混合動力汽車系統有多種組合形式，可以根據使用要求選用。并聯式混合動力系統采用發動機和電機兩套獨立的驅動系統驅動車輪。發動機和電機通常通過不同的離合器來驅動車輪，可以采用發動機單獨驅動、電機單獨驅動或發動機和電機混合驅動三種工作模式。當發動機提供的功率大于車輛所需驅動功率或車輛制動時，電機工作于發電機狀態，給蓄電池充電。發動機和電機的功率可互相疊加，發動機功率和電機功率約為汽車所需最大驅動功率的0.5～1倍。

因此，可采用小功率發動機與電機，使整個動力系統的裝配尺寸、質量都較小，造價也更低，續駛里程也可比串聯式混合動力汽車長一些，其性能更趨近于內燃機汽車。并聯式混合動力驅動系統通常應用在小型混合動力汽車上。

圖2-2-3 并聯式混合動力系統結構

并聯式驅動系統的動力流程如圖2-2-4所示。發動機和電機通過某種變速裝置同時與驅動橋直接連接。電機可用來平衡發動機所受的載荷，使其能在高效率區工作，因為通常發動機工作在滿負荷（中等轉速）下燃油經濟性最好。在較小的路面載荷下工作時，內燃機汽車的發動機燃油經濟性較差，而并聯式混合動力汽車的發動機此時可關閉，只用電機來驅動，或增加發動機的負荷使電機作為發電機，給蓄電池充電（即一邊驅動汽車，一邊充電）。

并聯式混合動力汽車在穩定高速行駛狀態下，其發動機具有較高的效率，因此它在高速公路上行駛時具有較好的燃油經濟性。

并聯式驅動系統有兩條能量傳輸路線，可同時使用電機和發動機作為動力源來驅動汽車，這種設計方式可使其以純電動或低排放狀態運行，但是此時不能提供全部動力。

并聯式驅動系統的主要部件為動力合成裝置，由于動力合成的實現方法具有多樣性，相應的動力傳動系統結構也多種多樣，通常可歸類為驅動力合成式、轉矩合成式和轉速合成式。

圖2-2-4 并聯式混合動力汽車動力流程

（1）驅動力合成式

驅動力合成式并聯混合動力汽車的驅動方式如圖2-2-5a所示。它采用一個小功率發動機，單獨驅動汽車前輪，電機驅動系統則單獨驅動汽車后輪，可在汽車起動、爬坡或加速時增加混合動力汽車的驅動力。兩套驅動系統可獨立驅動汽車，也可聯合驅動汽車，使汽車在四輪驅動模式和兩輪驅動模式間切換。

圖2-2-5 并聯式混合動力汽車的驅動方式 E—發動機 M—電機 B—蓄電池

（2）轉矩合成式（雙軸式和單軸式）

轉矩合成式并聯混合動力汽車的驅動方式如圖2-2-5b、圖2-2-5c所示。發動機通過傳動系統直接驅動汽車，并直接（單軸式）或間接（雙軸式）驅動電機向蓄電池充電。蓄電池也可向電機提供電能，此時電機處于電動機模式，可用于起動發動機或驅動汽車。

（3）轉速合成式

轉速合成式并聯混合動力汽車的驅動方式如圖2-2-5d所示。發動機通過離合器和一個“動力組合器”來驅動汽車，電機也通過“動力組合器”來驅動汽車。可利用普通內燃機汽車的大部分傳動系統總成，電機只需通過“動力組合器”與傳動系統連接，結構簡單、改裝容易、維修方便。

“動力組合器”通常是一個行星齒輪機構，它可使發動機或電機之間的轉速靈活分配，同時使它們的轉矩固定在汽車行駛時的轉矩上，通過調節發動機節氣門的開度來與電機的轉速相互配合，獲得最佳傳動效果，這導致控制裝置十分復雜。

2.2.3 混聯式混合動力汽車

混聯式驅動系統是串聯式與并聯式的綜合系統，其系統結構如圖2-2-6所示，它主要由發動機、發電機、電動機、行星齒輪機構和蓄電池組等部件組成。發動機發出的功率一部分通過機械傳動裝置輸送給驅動橋，另一部分則驅動發電機發電。發電機輸出的電能輸送給電動機或蓄電池，電動機產生的驅動力矩通過動力復合裝置傳送給驅動橋。

圖2-2-6 混聯式混合動力汽車系統機構

混聯式驅動系統的控制策略：汽車低速行駛時，驅動系統主要以串聯方式工作，汽車高速穩定行駛時，驅動系統主要以并聯方式工作。它的綜合性能優于串聯式（電耦合）和并聯式（單一轉矩或轉速耦合）混合動力驅動系統。就轉矩和轉速的約束條件而言，在這一驅動系統中，轉矩和轉速耦合從驅動輪處解脫了發動機，使瞬時的發動機轉矩和轉速不受車輛負載轉矩和車速制約。因此，發動機能以類似于串聯式（電耦合）混合動力驅動系統的方式，運行在高效率區。此外，部分發動機功率直接傳遞到驅動輪，未經多形式轉換，這與并聯式（轉矩或轉速耦合）混合動力驅動系統相似。

目前，混聯式混合動力結構一般采用行星齒輪機構作為動力分配裝置。有一種最佳的混聯式結構是將發動機、發電機和電動機通過一個行星齒輪裝置連接起來，動力從發動機輸出到與其相連的行星架，行星架將一部分轉矩傳送到發電機，另一部分傳送到傳動軸，同時，發電機也可通過向電動機供電來驅動傳動軸。這種機構有兩個自由度，可自由地控制兩個不同的速度。此時車輛并不是串聯式或并聯式，而是兩種驅動形式同時存在，充分利用兩種驅動形式的優點，其動力流程如圖2-2-7所示。

圖2-2-7 混聯式混合動力汽車動力流程圖

混聯式驅動系統充分發揮了串聯式和并聯式驅動系統的優點，能使發動機、發電機、電動機等部件進行更多的優化匹配，從而在結構上保證了在更復雜的工況下使系統在最優狀態下工作，因此更容易實現排放和油耗的控制目標，是最具影響力的混合動力驅動系統。

與并聯式相比，混聯式的動力復合形式更復雜，因此對動力復合裝置的要求更高。目前的混聯式結構一般以行星齒輪作為動力復合裝置的基本構架。

通過控制離合器、鎖定器、發動機和可逆電機，該混聯式混合動力電驅動系可滿足的運行模式如下。

（1）轉速耦合模式

在該模式中，可逆電機1斷開，因而存在單發動機牽引、單可逆電機2牽引、配置轉速耦合的發動機和可逆電機2牽引三種子模式。

（2）轉矩耦合模式

當可逆電機1通電激勵時，其轉矩即添加到齒圈的輸出轉矩上，組成轉矩耦合模式。相應于（1）中的三種模式，當控制可逆電機1運行在電機驅動和發電機發電狀態時，可組成六種基本的運行模式。

1）在單發動機牽引模式中外加可逆電機1的驅動（電機模式）。這一模式與一般的并聯式混合牽引模式相同。

2）在單發動機牽引模式中外加可逆電機1的發電（發電模式）。這一模式與一般的混合動力電驅動系中峰值電源由發動機充電的模式相同。

3）在單可逆電機2驅動模式中外加可逆電機1的驅動。這一模式類似于模式1）但發動機由可逆電機2予以替代。

4）在單可逆電機2模式中外加可逆電機1的發電。這一模式類似于模式2），但發動機由可逆電機2予以替代。由于部分的可逆電機2能量經由可逆電機2和可逆電機1，循環于自峰值電源起始并最終返回峰值電源的流程之中，故此模式可能是絕對不會采用的。

5）在轉速耦合牽引模式中外加可逆電機1的驅動。這一模式利用了轉速和轉矩耦合的全功能。有可逆電機2兩種運行狀態：驅動和發電。可逆電機2的驅動運行狀態可應用于高車速場合，此時發動機轉速可限定在稍低于其中轉速的范圍，以免過高的發動機轉速導致其低運行效率；而可逆電機2則向驅動系提供其轉速，以承載高車速需求。類似地，發電運行狀態可應用于低車速場合，此時發動機可運行在稍低于其中轉速的范圍，以免過低的發動機轉速導致其低運行效率，而可逆電機2則吸收部分發動機轉速。

6）在轉速耦合牽引模式中外加可逆電機1的發電。類似于模式5），發動機和可逆電機2運行于轉速耦合模式，但可逆電機1運行在發電模式。

（3）再生制動

當車輛經歷制動時，可逆電機1、可逆電機2或兩者同時都能產生制動轉矩，并回收部分制動能量向峰值電源充電。此時，隨著離合器的分離，發動機關閉。