3.4.2 混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)形式

混合動(dòng)力汽車因其低油耗、低排放、高效率和長續(xù)駛里程的特點(diǎn)，成為近年來比較熱門的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展技術(shù)路線。混合動(dòng)力汽車是指攜帶不同動(dòng)力源，可根據(jù)行駛需要同時(shí)或單獨(dú)使用不同動(dòng)力源的汽車，一般至少擁有兩個(gè)動(dòng)力裝置和兩個(gè)能量儲存系統(tǒng)。

混合動(dòng)力汽車根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為串聯(lián)（Series）、并聯(lián)（Parallel）、混聯(lián)（Combined, Series-Parallel, Power-split）三種結(jié)構(gòu)形式；按混合度劃分有微混、輕混、中混、重混四種類型；按充電方式劃分有可外接充電和不可外接充電兩類。不同類型的混合動(dòng)力系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，方案的選擇取決于應(yīng)用環(huán)境、駕駛工況、成本等多種因素。

3.4.2.1 串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式

串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖3-8所示，由兩個(gè)能源向單個(gè)動(dòng)力機(jī)械（電機(jī)）提供動(dòng)力，以推進(jìn)車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器直接輸送到動(dòng)力蓄電池或電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩驅(qū)動(dòng)汽車，或工作在發(fā)電模式下將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量的機(jī)械-電-機(jī)械轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪間的完全機(jī)械解耦。

在電量高于一定閾值，車輛低速行駛時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入純電動(dòng)模式，其工作原理如圖3-9所示：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電機(jī)所需的能量完全由蓄電池提供，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況工作帶來的燃料消耗。

在電量低于一定閾值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組（APU）向外發(fā)電，電機(jī)消耗電能驅(qū)動(dòng)車輛行駛，驅(qū)動(dòng)功率由APU和蓄電池提供，其工作示意如圖3-10所示。

車輛制動(dòng)時(shí)，電機(jī)向車輪提供電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲于動(dòng)力蓄電池中。車輛制動(dòng)過程中動(dòng)能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)能量回收，其工作示意如圖3-11所示。

當(dāng)車輛處于原地靜止?fàn)顟B(tài)，動(dòng)力蓄電池電量過低時(shí)，APU發(fā)電為蓄電池充電，系統(tǒng)工作在停車充電模式，以補(bǔ)充動(dòng)力蓄電池電能，其工作示意如圖3-12所示。

3.4.2.2 并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式

并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式有兩個(gè)及兩個(gè)以上能量轉(zhuǎn)換裝置可同時(shí)向車輛提供驅(qū)動(dòng)力。該系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、蓄電池和傳動(dòng)裝置構(gòu)成。電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)通過機(jī)械耦合方式驅(qū)動(dòng)車輛行駛。根據(jù)電機(jī)在傳動(dòng)系統(tǒng)中的位置，并聯(lián)結(jié)構(gòu)形式可分為P1、P2、P3、P4等形式，其示意圖如圖3-13所示。

以P2形式為例，如圖3-14所示，電動(dòng)模式下離合器分離，當(dāng)汽車起步、蠕行、低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，蓄電池放電，僅電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。

混合工作模式如圖3-15所示，離合器處于接合狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)聯(lián)合工作。當(dāng)車輛需求功率較大時(shí)，蓄電池放電，電機(jī)提供助力；當(dāng)車輛處于中低速或蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的一部分轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔転樾铍姵爻潆姟?/p>

當(dāng)車輛減速制動(dòng)時(shí)，可進(jìn)行制動(dòng)能量回收，其工作原理如圖3-16所示，電機(jī)工作在發(fā)電模式，機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能為蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)能量回收。發(fā)動(dòng)機(jī)和混合點(diǎn)間有離合器的結(jié)構(gòu)形式可通過分離離合器使發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，減小因倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)造成的摩擦損失，以回收更多能量。

3.4.2.3 混聯(lián)結(jié)構(gòu)形式

混聯(lián)結(jié)構(gòu)形式如圖3-17所示，該系統(tǒng)至少包含兩個(gè)電機(jī)，且同時(shí)具備并聯(lián)和串聯(lián)混合的特征。通過兩個(gè)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)間的耦合，系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)方式工作，也可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式工作。發(fā)動(dòng)機(jī)通過動(dòng)力分配裝置（如行星輪）將一部分動(dòng)力傳送至一個(gè)電機(jī)，此電機(jī)常作為發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，另一個(gè)電機(jī)則將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量串聯(lián)混合。發(fā)動(dòng)機(jī)的另一部分動(dòng)力直接輸出至車輪，以并聯(lián)方式進(jìn)行混合，與電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛行駛。圖3-17所示為兩種典型的混聯(lián)結(jié)構(gòu)形式：P13和PS（行星輪）混聯(lián)構(gòu)型。

下面以P13結(jié)構(gòu)形式工作模式為例進(jìn)行說明。圖3-18所示是電動(dòng)模式，當(dāng)汽車起步蠕行、低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，離合器分離，蓄電池放電，車輛由電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛。

混合工作模式如圖3-19所示，在蓄電池電量較高、車速為中低速時(shí)，為電動(dòng)模式；在整車功率需求較大且車速較高時(shí)，離合器處于接合狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)一部分動(dòng)力直接輸出至車輪，另一部分動(dòng)力可通過發(fā)電機(jī)-電機(jī)輸出至車輪，進(jìn)入并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式；當(dāng)電量較低且整車功率需求較大時(shí)，如爬坡加速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)不介入直接驅(qū)動(dòng)，電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

制動(dòng)能量回收模式如圖3-20所示，當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，電機(jī)將車輛機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，儲存在蓄電池中。

停車充電模式如圖3-21所示，此工作模式下，離合器分離，能量通過發(fā)動(dòng)機(jī)到電機(jī)進(jìn)入蓄電池中。