第四節 典型混合動力汽車結構

一、微混型混合動力

傳統燃油汽車的怠速停起功能有強化起動機起動和強化電動機/發電機（ISG）起動兩種方式，但只有強化電動機/發電機起動這種類型才屬于微混型。

1．ISG（Integrated Starter & Generator，集成起動/發電）電機

采用36V（也稱為42V系統）或更高電壓的ISG電機也稱BSG（Belt Starter & Generator，帶傳動起動/發電技術）電機，是一種采用帶傳動方式進行油電混合，具備怠速停機和起動的弱（微）混合動力技術，如圖1-20所示。若此電機有輔助加速功能就稱為混合動力，若僅有起動和能量回收功能則不稱為微混。

2．ISG電機功能

ISG電機是集成的具有起動機功能的發電機，將ISG電機放在傳統汽車發電機的位置，通過ISG電機驅動帶來驅動發動機曲軸幫助發動機實現停起或加速助力，也可利用此ISG電機在發動機小負荷時發電，但無法實現純電驅動。

這種結構通常被稱為Belt Alternator Starter或Belt Starter Generator系統，即BAS或BSG混合動力系統，注意只有電機的功率較大時才能稱為輕混。

君越BAS混合動力系統結構如圖1-21所示，包括起動機/發電機總成（Motor/Generator Unit，MGU）、起動機/發電機功率控制模塊（Starter/Generator Control Module，SGCM）（也稱逆變器）、36V鎳氫蓄電池組（Ni-MH）、12V鉛酸蓄電池。

3．工作過程

（1）燃油供給階段

指發動機正常工作，消耗燃油。

（2）加速電機助力

當駕駛人踩下加速踏板比較深時，通過電機對車輛進行電動助力。

（3）智能充電階段

指電機由發動機帶動旋轉，盡可能地在發動機小負荷工作過程中通過發電增加發動機負荷為電池組充電。

（4）減速斷油階段

指當車輛進入滑行階段或停下來后，發動機燃油供應切斷，在某些時候，為了保證轉矩的平順性，電機也將轉動。

（5）再生制動階段

指當車輛減速時，發動機停止供油，變矩器鎖止，車輛帶動發動機轉動，電機此時作為發電機進行發電，相當于車輛的負載，對車輛有制動作用（類似于發動機制動），系統進入再生制動階段。

二、輕混型混合動力

輕混型混合動力車輛主要功能有怠速停起、再生制動、輔助驅動、發電四種功能。

混合動力控制單元（Hybrid Control Unit，HCU）會根據駕駛人請求（加速踏板踏下深度）、電池箱能量存儲單元的狀態（能充許放出的電量）、電驅動系統狀態（停車、行車）以及整車狀態等控制ISG電機的工作模式，自動實現以上四種功能。

1．主要組成及作用

奔馳IGS混合動力系統主要零部件如圖1-22所示。由高壓鋰離子電池模塊、電機功率模塊、電機組成了電動助力系統；DC/DC變換器為直流電壓轉換系統；轉向系統采用了HEPS液壓電動轉向系統；功率控制器如電機控制器和DC/DC采用了雙電動冷卻循環泵的設計；制動系統采用了電動真空泵、真空助力器、ABS控制單元配合電機實現再生制動；空調采用電控電動壓縮機。

其動力系統結構如圖1-23所示由六缸發動機、電機、七速自動變速器、鋰離子電池、功率控制模塊、12V交流發電機、DC/DC變換器組成。

2．工作過程

起動過程：高壓鋰離子電池6—→逆變器5—→電機3—→發動機。

原地充電過程：發動機2—→電機3—→逆變器5—→鋰離子電池6；同時雙向DC/DC7變換器將高壓鋰離子電池電壓降為14V為12V鉛酸蓄電池8充電。

行駛中：發動機2—→變速器輸出—→車輪；這個過程中可以有充電過程。

高壓應急起動：12V鉛酸蓄電池8—→雙向DC/DC變換器7—→鋰離子電池6—→逆變器5—→電機3—→發動機2。

12V鉛酸蓄電池仍保留傳統汽車的發電機，目的是增加電氣系統的可靠度。

三、串聯式混合動力

1．串聯式混合動力基本結構

串聯式混合動力汽車的化學能、電能、機械能傳遞示意圖如圖1-24所示。

2．沃藍達（Volt）混動系統簡介

（1）Volt動力系統結構

美國通用公司的Volt增程式電動汽車于2010年7月在北美上市，是世界上首款量產增程式汽車。增程器由1.4L汽油發動機和永磁直流發電機組成。在Volt中，主驅動電機和發電機與行星齒輪機構集成設計，稱之為Voltec系統。

兩臺電機之間通過行星齒輪機構驅動車輛。與前述基本結構不同的是，Volt還包括兩個離合器C₁、C₂和一個制動器B。根據車輛不同的行駛模式，通過控制這些離合器和制動器使得發電機處于不同的工作狀態。

（2）工作模式

通用雪佛蘭沃藍達的化學能、電能、機械能傳遞過程參考圖1-25所示。

1）模式1（低速純電力驅動）。在該模式下，齒圈被制動器B鎖止，而離合器C₁與離合器C₂均處于脫開狀態。故而發電機與發動機以及行星輪均無接觸，兩者都不工作。太陽輪通過行星輪減速后將動力傳輸給行星輪架和輸出軸驅動車輪，因而車輛僅由主驅動電機驅動。

2）模式2（高速純電力驅動）。隨著車速提升，主驅動電機的轉速也隨之加快。考慮到保護主驅動電機MG₂，為降低轉速，就不再適合僅僅由單電機驅動。因此，這一模式被設計成離合器C₁分離，離合器C₂接合，發電機與齒圈連接，電機MG₁和電機MG₂合力驅動車輛。此時發電機MG₁從動力電池中獲取能量以輸出動力。而雙電機驅動，使得電機轉速從6500r/min降低至3250r/min。但是，請注意，內燃機沒有參與到提供動力的進程中來。

3）模式3（低速增程）。當Volt的電池組達到其設定的電量剩余臨界點時，第三種模式將啟動。離合器C₁和制動器B工作，此時內燃機就會直接去驅動電機MG₁進行發電，而由于齒圈固定不轉，車輛仍然是由主驅動電機MG₂驅動。主驅動電機從電池以及由發動機帶動發電機產生的電力組合中獲取電能，從而驅動車輛。

4）模式4（高速增程）。與模式2一樣，雙電機驅動模式將再次啟用。制動器B脫開，離合器C₁、C₂同時接合。車輛的驅動力來自電機和發動機的動力耦合。

四、豐田普銳斯

1．概述

豐田普銳斯是史上第一款量產的混合動力汽車，1997年量產上市，不過中國區域普銳斯是在2001年上市第一代，到2004年推出第二代，2009年4月第三代普銳斯上市。豐田普銳斯是史上第一款銷售量超100萬輛的混合動力汽車，自1997年量產上市以來，10年時間在全球40多個國家的銷售數量接近120萬輛，其中美國、日本分別超過70萬輛、30萬輛，美國市場的月銷量接近于1.5萬輛，占美國同期混合動力汽車市場半壁江山。普銳斯也是豐田混合動力汽車的主力車型，為豐田集團貢獻7成以上的混合動力汽車銷量，而豐田系的凱美瑞、漢蘭達，雷克薩斯RX400h、LS600hl、GS450h五個混合動力車型的總銷量也不及普銳斯的一半。

2．基本組成特點

（1）HV蓄電池

第二代普銳斯的HV蓄電池有168個電池單體（1.2V×6單體×28組），額定電壓為DC201.6V。通過內部改進，蓄電池具有緊湊、重量輕的特點。電池和電池間為雙點連接，這樣的改進使蓄電池的內部電阻得以降低。逆變器總成中配有增壓變換器。它可以將HV蓄電池輸出的額定電壓DC 201.6V，增壓到最大值DC 500V。MG1、MG2橋電路和信號處理器/保護功能處理器集成在集成動力模塊（IPM）中以提高車輛性能。集成在逆變器總成中的空調逆變器為空調系統的電動變頻壓縮機提供電能。將逆變器散熱器和發動機散熱器整合為一，更加合理地利用了空間資源。

（2）電機

通過提高MG1轉子的強度，使其最大可輸出轉速為10000r/min，從而提高了充電能力。MG2轉子內的永磁鐵變為V形結構，使轉矩和輸出功率增大。

在MG2的中速范圍內引入了新研制的過調控制系統。

（3）控制系統

HV ECU中的CPU和發動機ECU中的CPU均由16位變為32位，提高了處理信號的速度。蓄電池ECU優化結構后，更加緊湊。蓄電池ECU中的CPU和制動防滑控制ECU中的CPU均由16位變為32位，提高了處理信號的速度。與THSII控制系統相連的主要ECU（HV ECU、蓄電池ECU、發動機ECU和制動防滑控制ECU）間采用了CAN（控制器局域網）通信網絡。

（4）發動機

第二代豐田普銳斯采用1.5L小型發動機，集合了各式混合動力系統的優勢，發動機和電機可根據行駛狀況共同驅動或分開單獨使用；停駛時自動停止發動機，以減少能量浪費；更有效地控制發動機和電機，加速反應快。

3．電力無級變速驅動橋結構

混合動力變速驅動橋由發電機MG1、驅動電機MG2和行星齒輪機構組成。普銳斯混聯混合動力系統結構如圖1-26所示。混聯式是串并聯相結合的系統，這種混合動力系統由點燃式發動機和兩臺采用永久磁鐵的三相交流異步電機組成。三相交流異步電機也可以作為發電機運行（電動機/發電機MG1和MG2）。內燃機與兩臺電機通過行星齒輪機構相互連接。MG2和驅動輪的差速器通過傳動鏈條和齒輪連接在一起。通過行星齒輪組傳輸的發動機輸出功率分為兩部分：太陽輪→MG1、環齒輪→MG2、行星輪架→發動機輸出軸。

變速驅動橋主要包括變速驅動橋阻尼器（帶扭轉減振器的飛輪）MG1、MG2和減速裝置（包括鏈、中間軸主動齒輪、中間軸從動齒輪、主減速器小齒輪和主減速器環齒輪，行星齒輪組）。MG1、MG2、變速驅動橋阻尼器和主動鏈輪都安裝在同心軸上，動力從主動鏈輪傳輸到減速裝置。

4．工作模式

動力系統工作切換過程如下：

（1）MG1作為電動機時的發動機起動和MG1的發電工況

HV ECU起動MG1從而起動發動機。運行期間，為了防止環齒輪轉動并驅動車輪，MG2處于電動機狀態以施加制動，這個功能叫作“反作用控制”或“起動控制”。起動控制時行星齒輪機構中太陽輪、內齒圈、行星架三者的速度關系如圖1-27所示，三者的速度關系永遠滿足n₁+αn₂=（1+α）n₃，α=z₂/z₁，n₁為太陽輪轉速，n₂為行星架轉速，n₃為內齒圈轉速，z₂/z₁為內齒圈齒數和太陽輪的齒數比，通常用α表示，是一個大于1的數。

圖1-28所示為發動機拖動MG1發電時的行星齒輪機構速度圖示。在行駛中發動機轉動，帶動太陽輪轉動，此時MG1作為發電機為HV蓄電池充電。

（2）MG2電動時的純電工況起動

圖1-29所示為純電動工況起動時的行星齒輪機構速度圖。MG2驅動車輛起步后，車輛僅由MG2驅動。這時發動機保持停止狀態，MG1以反方向旋轉而不發電。

（3）純電動轉混合動力時的發動機起動控制

圖1-30所示為純電動轉混合動力時的發動機起動控制行星齒輪機構速度圖。純電動工況只有MG2工作時，如果增加所需驅動轉矩，MG1將被起動，此時MG1和MG2共同拖動發動機起動。在純電動工況不需增加轉矩時，如果HV ECU監視的項目如SOC狀態、蓄電池溫度、冷卻液溫度和電載荷狀態與規定值有偏差，MG1也將被起動，進而起動發動機。

（4）MG1發電和微加速模式

圖1-31所示為MG1在小負荷作為發電機使用時的行星齒輪機構速度圖。小負荷時已經起動的發動機將使MG1作為發電機為HV蓄電池充電，并向MG2供電。但需要增加驅動轉矩時，作為發電機工作的MG1將轉變為電動機，這種工況也叫“發動機微加速”模式。

圖1-32所示為MG1在微加速模式時作為電動機使用的行星齒輪機構速度圖。發動機微加速時，發動機的動力由行星齒輪機構分配。其中一部分動力直接輸出，剩余動力用于MG1發電。通過逆變器的電動傳輸，電力輸送到MG2作為MG2的輸出動力。

（5）低載荷巡航時

圖1-33所示為MG1在低載荷巡航時的行星齒輪機構速度圖。車輛以低載荷巡航時，發動機的動力由行星齒輪機構分配。其中一部分動力直接輸出，剩余動力用于MG1發電。通過逆變器的電動傳輸，電力輸送到MG2作為MG2的輸出動力。

（6）節氣門全開加速時

圖1-34所示為加速工況時的行星齒輪機構速度圖。車輛從低載荷巡航轉換為節氣門全開加速模式時，系統將在保持MG2動力的基礎上，增加HV蓄電池的電動力，此時發動機、MG1、MG2全部給汽車加力以產生加速轉矩。

（7）減速行駛時

圖1-35所示為D位減速時行星齒輪機構速度圖。這種情況分為“D”位減速和“B”位減速行駛兩種情況。車輛以D位較低車速減速行駛時，發動機停止工作，動力為零。這時，車輪驅動MG2，使MG2作為發電機運行并為HV蓄電池充電，太陽輪反轉，MG1不進行發電控制，從而不發電。另外當車輛從較高速度開始減速時，發動機以預定速度繼續工作以保護行星齒輪組，防止行星輪轉速過高燒毀行星輪軸承。

圖1-36所示為B位減速時行星齒輪機構速度圖。車輛以B位減速行駛時，車輪能量一部分驅動MG2，使MG2作為發電機工作并為HV蓄電池充電，為MG1供電，同時MG1處于電動機狀態帶動太陽輪正轉，齒圈轉動能量的另一部分用于發動機制動。這時，發動機燃油供給被切斷。

如果駕駛人踩下制動踏板，制動防滑控制ECU計算所需的再生制動力并發送信號到HV ECU，HV ECU接收到信號后在符合所需再生制動力的范圍內增加再生制動力（詳細內容參考摩擦制動和電機回饋能量制動的混合制動控制）。這樣就可以控制MG2產生充足的電量。

（8）倒車工況

車輛倒車時，僅MG2為車輛提供動力。這時MG2反向旋轉，發動機不工作，MG1正向旋轉但并不發電。若MG2驅動車輛倒車時需要起動發動機，如果HV ECU監視到如SOC狀態、蓄電池溫度、冷卻液溫度和電載荷狀態與規定值有偏差，MG1將作為電動機使用進而起動發動機。倒車時，發動機帶動MG1作為發電機工作為HV蓄電池充電。

復習題

1．純電動汽車和油電混合動力汽車各是如何定義的？

2．油電混合動力汽車按串并聯分類分為幾類？畫出每類的構型圖。

3．油電混合動力汽車按混合度分為幾類？每類的特點是什么？

4．油電混合動力汽車按是否充電分為幾類？每類的特點是什么？

5．畫出微混型混合動力汽車的構型。

6．畫出輕混并聯型混合動力汽車的構型。

7．畫出中混并聯型混合動力汽車的構型。

8．畫出重混混聯型混合動力汽車的構型。

9．說出重混混聯型豐田普銳斯混合動力汽車的工作過程。