2.2　油電混合動(dòng)力汽車構(gòu)型方案與特點(diǎn)

盡管純電動(dòng)汽車是理想的交通工具，但是純電動(dòng)汽車的能量源——電池，具有比質(zhì)量大、比價(jià)格高的缺點(diǎn)。電池的成本、壽命和質(zhì)量限制了電動(dòng)汽車的發(fā)展。車載動(dòng)力電池用量依續(xù)駛里程而定。然而，電池的質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致汽車整車質(zhì)量增加，汽車自重增大又需要增加電池用量，而電池過(guò)重又會(huì)造成電動(dòng)汽車性價(jià)比的惡性循環(huán)，這限制了純電動(dòng)汽車的普及。目前，最為實(shí)用的新能源汽車是混合動(dòng)力汽車。通常所說(shuō)的HEV就是其中最為常見的油電混合動(dòng)力汽車。

日本、美國(guó)、歐洲各大汽車公司自20世紀(jì)90年代就紛紛開始研制混合動(dòng)力汽車。日本豐田公司率先于1997年12月將混合動(dòng)力型轎車Prius投放該國(guó)市場(chǎng)，2000年初又開始在北美市場(chǎng)銷售，并將月產(chǎn)量由1000輛增加到了2000輛，Prius轎車在三年內(nèi)累計(jì)銷售了4.5萬(wàn)輛，產(chǎn)品出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面。豐田公司的這一成功引起了全球汽車廠商的關(guān)注，各大汽車廠商也不甘示弱，紛紛出資研發(fā)混合動(dòng)力汽車。豐田公司董事長(zhǎng)（社長(zhǎng)）奧田宣稱，該公司未來(lái)所有的汽車均將采用混合動(dòng)力技術(shù)，豐田公司的產(chǎn)品專家也稱混合動(dòng)力技術(shù)并非權(quán)宜之計(jì)，其技術(shù)壽命將與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)一樣長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外汽車專家普遍看好混合動(dòng)力技術(shù)的前途，由此可見混合動(dòng)力汽車已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可。在日本，傾心于混合動(dòng)力技術(shù)的不止豐田一家汽車廠商。本田、日產(chǎn)等大公司也都研制了自己的混合動(dòng)力汽車，并取得了驕人的成績(jī)，其中本田公司已投產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車Insight，被美國(guó)環(huán)保總署評(píng)為2001年美國(guó)十大節(jié)能汽車的第一名，第二名則為豐田公司的Prius混合動(dòng)力汽車。

在2014年北京國(guó)際車展上，賓利公司公開了一款混合動(dòng)力概念車Hybrid Concept，該車是賓利公司第一款混合動(dòng)力車型。賓利公司將于2017年推出搭載插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的SUV車型，到2019年底，將有超過(guò)90％的在產(chǎn)車型提供插電式混合動(dòng)力版本。參加2014北京車展的混合動(dòng)力汽車還有比亞迪的“唐”、上汽榮威550、大眾XL1和高爾夫GTE、三菱XR-PHEV和GC-PHEV等。以生產(chǎn)跑車而聞名的保時(shí)捷也顯示出了對(duì)混合動(dòng)力汽車的興趣，保時(shí)捷Panamera S E_Hybrid混合動(dòng)力汽車也已經(jīng)上市。

目前，已有多款國(guó)產(chǎn)混合動(dòng)力汽車研制成功。于2010年3月上市的比亞迪F3DM雙模電動(dòng)汽車，可在純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種模式之間自由切換，輸出功率達(dá)到了125kW，其發(fā)動(dòng)機(jī)排量為998m L。吉利MR7100BH4混合動(dòng)力汽車采用排量為997m L的發(fā)動(dòng)機(jī)，電池總?cè)萘繛?2.5A·h，最高車速達(dá)150km/h。一汽奔騰B70HEV采用發(fā)動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)能裝置和電動(dòng)機(jī)作為混合動(dòng)力源，采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕拱l(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率、低排放區(qū)域，其油耗達(dá)到了6.0L/100km，相比同類傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車節(jié)油42.8％。

混合動(dòng)力汽車所具有的特點(diǎn)可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

①能量轉(zhuǎn)換效率高。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，由于具有多種動(dòng)力源，混合動(dòng)力汽車的能量轉(zhuǎn)換效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)汽車。例如新型的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車Prius在動(dòng)力性上完全能夠和同級(jí)別汽油機(jī)轎車相媲美的情況下，百公里油耗要比同類車低一半。

②噪聲低。由于混合動(dòng)力汽車在某些情況下可以使用儲(chǔ)存的電能作為動(dòng)力來(lái)源，此時(shí)汽車如純電動(dòng)汽車一樣運(yùn)行，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)與部分機(jī)械傳動(dòng)噪聲；汽車運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)小，更加安靜。在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中，通過(guò)合理的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)。

③動(dòng)力源功率要求低。由于混合動(dòng)力汽車具有多個(gè)動(dòng)力源，各動(dòng)力源能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車，所以在同等動(dòng)力性要求下，混合動(dòng)力汽車各動(dòng)力源的功率要求要小于傳統(tǒng)汽車。其明顯優(yōu)勢(shì)就是能夠減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷率。

④有利于減少“熱島效應(yīng)”。“熱島效應(yīng)”是指一個(gè)地區(qū)的氣溫高于周圍地區(qū)的現(xiàn)象。內(nèi)燃機(jī)中燃燒后釋放的氣體溫度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍大氣的溫度，排出廢氣散發(fā)的熱量將使周圍大氣溫度升高，從而加劇了大中城市的“熱島效應(yīng)”；而混合動(dòng)力汽車的熱效率較傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車要高許多，排放少，因此有利于降低城市中的“熱島效應(yīng)”，提高城市環(huán)境質(zhì)量。

⑤有助于環(huán)境保護(hù)。由于混合動(dòng)力汽車有多種動(dòng)力源，在市區(qū)內(nèi)可以僅使用儲(chǔ)存的電能實(shí)現(xiàn)零排放，即便使用汽油或柴油等燃油，其有害物質(zhì)排放也要比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車低。因此，對(duì)環(huán)境保護(hù)起到一定積極作用。

⑥可回收部分制動(dòng)能量。對(duì)混合動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)，可通過(guò)控制策略利用再生工作模式收集汽車在減速、下坡或制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，將其儲(chǔ)存起來(lái)，并在必要時(shí)用來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車，從而增加汽車的續(xù)駛里程、提高經(jīng)濟(jì)性。

⑦有效改善汽車依賴能源的單一性。混合動(dòng)力汽車可以使用兩種或兩種以上的能源，并且可通過(guò)再生制動(dòng)回收汽車的慣性能，改善了能量來(lái)源結(jié)構(gòu)。

混合動(dòng)力汽車有不同的分類方法，按照電能與傳統(tǒng)能量在運(yùn)行過(guò)程中所占比例，可分為弱混合、中混合和重混合動(dòng)力汽車；而從整車動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同進(jìn)行分類，又可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。

2.2.1　串聯(lián)式

串聯(lián)混合方式是混合動(dòng)力汽車的一種基本構(gòu)型，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間是通過(guò)能源聯(lián)合，而非機(jī)械動(dòng)能的聯(lián)合，其特點(diǎn)可描述如下。

①驅(qū)動(dòng)輪只由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間無(wú)直接的機(jī)械連接。

②是一種能源的混合。

③汽車上具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的能量源。

（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)三大主要部件組成。這三個(gè)動(dòng)力源通過(guò)串聯(lián)的方式連接在一起，其結(jié)構(gòu)原理如圖2-11所示。發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并不直接驅(qū)動(dòng)汽車。發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能供給電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)整車行駛或者存儲(chǔ)于動(dòng)力電池中。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中只有一種能量傳輸路線。

發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成一個(gè)能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)需要的電能。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率超過(guò)汽車行駛所需要的功率時(shí)，多余的能量被用來(lái)向動(dòng)力電池充電。必要時(shí)使用動(dòng)力電池向電動(dòng)機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。在串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中，只有電動(dòng)機(jī)直接與驅(qū)動(dòng)軸機(jī)械連接，而發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸之間無(wú)直接的機(jī)械相連，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)是唯一的驅(qū)動(dòng)模式。這就使發(fā)動(dòng)機(jī)從路面負(fù)荷中解耦出來(lái)，能夠在很大程度上減少發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間的變換頻率，使控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)變得相對(duì)容易，發(fā)動(dòng)機(jī)可以經(jīng)常保持在穩(wěn)定、高效、低污染的工作區(qū)間。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，再由電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能用以驅(qū)動(dòng)汽車，經(jīng)過(guò)兩次能量轉(zhuǎn)換，中間伴隨著能量的損失，其能量利用率偏低。

由于斷開了主動(dòng)力源與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械連接，主動(dòng)力源的工作狀態(tài)與整車的速度和加速度之間已無(wú)直接的關(guān)系。這帶來(lái)的結(jié)果：首先，熱機(jī)不再僅僅局限采用傳統(tǒng)的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，在這里可以選擇燃?xì)廨啓C(jī)或斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)（熱氣機(jī)）等；其次，熱機(jī)的工作范圍可以自由選定，而不再需要考慮提供寬廣的工作區(qū)。串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車適用于市內(nèi)常見的頻繁起步、加速、怠速和低速運(yùn)行工況。但它的三個(gè)動(dòng)力總成（發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)）會(huì)使系統(tǒng)總布置困難并令成本增加。因此，一般只有在兩種情況下才會(huì)選用串聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置方案：用于驅(qū)動(dòng)汽車的能量絕大部分來(lái)源于動(dòng)力電池，發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于增加電動(dòng)車輛的續(xù)駛里程；發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的綜合效率達(dá)到或超過(guò)傳統(tǒng)車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的水平。

串聯(lián)式系統(tǒng)各動(dòng)力源的功率較大、外形大、質(zhì)量也很大，不適合在中小型汽車上使用，主要用于城市大客車。

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了此種構(gòu)型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下幾種驅(qū)動(dòng)模式。

①純電動(dòng)模式　這里所說(shuō)的純電動(dòng)模式是指發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)。在車輛負(fù)荷較小、電池電量充足的情況下，動(dòng)力電池單獨(dú)向電動(dòng)機(jī)供電以驅(qū)動(dòng)車輛行駛，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了零排放。其能量流動(dòng)如圖2-12所示。

②串聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式　車輛負(fù)荷較大，但是車輛所需的驅(qū)動(dòng)功率又不超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率時(shí)，此時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將電能提供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。由于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能直接流向電動(dòng)機(jī)，所以這一傳遞路徑的效率要高于經(jīng)過(guò)電池再輸入到電動(dòng)機(jī)的效率。這一工作模式下的能量流動(dòng)如圖2-13所示。

③聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式　車輛在加速、爬坡、大負(fù)荷運(yùn)行等工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能直接流向電動(dòng)機(jī)，不經(jīng)動(dòng)力電池，同時(shí)動(dòng)力電池也向電動(dòng)機(jī)供電。此時(shí)，混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性達(dá)到最大。其能量流動(dòng)如圖2-14所示。

④制動(dòng)能量回收模式　當(dāng)汽車以較低車速減速或者制動(dòng)時(shí)，汽車工作于制動(dòng)能量回收模式。此時(shí)電動(dòng)機(jī)工作于發(fā)電機(jī)模式，將汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，以在必要時(shí)釋放出來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。此種工作模式下的能量流動(dòng)如圖2-15所示。

（2）應(yīng)用實(shí)例

串聯(lián)式混合動(dòng)力客車的特點(diǎn)在于發(fā)動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定地工作在某一理想?yún)^(qū)域，在動(dòng)力性上與傳統(tǒng)汽車相當(dāng)，但在燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能方面則具有明顯改善。2006年，由福田汽車公司與美國(guó)伊頓公司合作開發(fā)的串聯(lián)混合動(dòng)力客車產(chǎn)品，在北京城市車輛展示會(huì)上亮相，該車能夠滿足歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，獲得了“混合動(dòng)力推薦車型獎(jiǎng)”。由天津清源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司研發(fā)的混合動(dòng)力客車，采用串聯(lián)全混合驅(qū)動(dòng)方式，系統(tǒng)中的輔助動(dòng)力單元采用了雙變量可控主動(dòng)控制負(fù)荷輸出方式，有效避免了系統(tǒng)動(dòng)力部件啟動(dòng)和負(fù)載變化過(guò)程中的動(dòng)力沖擊。圖2-16所示為中通客車公司研發(fā)的串聯(lián)混合動(dòng)力客車，該車是“十五”期間國(guó)家“863”計(jì)劃取得的成果，比常規(guī)車型節(jié)能30％，排放指標(biāo)達(dá)到歐Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，在純電動(dòng)行駛的情況下，能達(dá)到零排放。

由于城市私家車數(shù)量太多，造成了交通擁堵并且排放的尾氣嚴(yán)重污染大氣，所以人們普遍提倡公交車，倡導(dǎo)綠色出行。而大型客車、公交車排量較大，排放的尾氣較多，會(huì)嚴(yán)重污染城市空氣，世界各國(guó)政府都致力于嚴(yán)格限制客車排放，努力發(fā)展新型客車。國(guó)外對(duì)混合動(dòng)力公交客車的研究已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間，國(guó)外眾多汽車廠商已經(jīng)積累了很多成功經(jīng)驗(yàn)。由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、鎳氫電池組和交流感應(yīng)電機(jī)組成的串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)，是目前串聯(lián)混合動(dòng)力城市客車普遍采取的方案。最為典型的是在紐約投入示范運(yùn)行的Orion BusⅥ客車、Nova Bus客車和AVSHybrid BUS客車。

圖2-17所示為L(zhǎng)MCS（Lockheed Martin Control Systems）公司和Orion Bus Industry公司聯(lián)合開發(fā)的Orion-LMCSBusⅥ型低地板混合動(dòng)力客車，該樣車已在紐約地區(qū)完成示范運(yùn)行。圖2-17中，A為控制系統(tǒng)（PCS），采集駕駛員輸入和混合動(dòng)力部件的數(shù)據(jù)，控制各部件的功率輸出；B為發(fā)動(dòng)機(jī)，在PCS控制下以幾乎恒定的轉(zhuǎn)速工作，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)；C為發(fā)電機(jī)，在PCS控制下對(duì)電池組和電動(dòng)機(jī)提供電能。D為電池組，在PCS控制下接收儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的以及再生制動(dòng)回收的電能，并在加速或爬坡時(shí)將電能供給電動(dòng)機(jī)；E為電動(dòng)機(jī)，在PCS控制下輸出轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)車輛行駛，再生制動(dòng)時(shí)作為發(fā)電機(jī)回收減速能量并對(duì)電池組進(jìn)行充電。

2.2.2　并聯(lián)式

并聯(lián)式也是混合動(dòng)力汽車的一種基本結(jié)構(gòu)。與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車不同的是，串聯(lián)式是基于能量源的聯(lián)合，而并聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是基于汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的聯(lián)合，即動(dòng)力源之間通過(guò)機(jī)械方式聯(lián)合，可以使用單一或者同時(shí)使用各動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)汽車行駛。這一構(gòu)型具有以下特點(diǎn)。

①是基于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的混合。

②整車可以由兩個(gè)或者更多的動(dòng)力源共同驅(qū)動(dòng)。

③每個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)必須至少有一個(gè)動(dòng)力源，并可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。

（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力耦合裝置同時(shí)與驅(qū)動(dòng)軸連接，按照動(dòng)力源之間的連接關(guān)系不同分類，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車構(gòu)型可以分為驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式、單軸轉(zhuǎn)矩結(jié)合式、雙軸轉(zhuǎn)矩結(jié)合式和轉(zhuǎn)速結(jié)合式等幾種，這幾種構(gòu)型的結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)相互獨(dú)立，車輛既可以單獨(dú)由一種動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)行駛，也可以由兩者共同驅(qū)動(dòng)行駛。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)用來(lái)平衡發(fā)動(dòng)機(jī)所受載荷，以使其工作于高效率區(qū)間，系統(tǒng)中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的功率一般較小。當(dāng)汽車需求的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，如低速低負(fù)荷行駛，此時(shí)如果啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，其負(fù)荷率較低，燃油經(jīng)濟(jì)性會(huì)比較差，此時(shí)即可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，只使用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。或者電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效率區(qū)間，同時(shí)給動(dòng)力電池充電以備后用。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)直接與驅(qū)動(dòng)軸相連，能量利用效率較高。但是，當(dāng)汽車行駛工況復(fù)雜時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)較多地運(yùn)行在不良工況下，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能便會(huì)下降。

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)。

①電池組容量相對(duì)較低，動(dòng)力電池的質(zhì)量和成本也就相應(yīng)比較低。

②通過(guò)優(yōu)化控制策略，可使內(nèi)燃機(jī)以機(jī)械方式直接驅(qū)動(dòng)車輛，這一傳遞路徑減少了能量多次轉(zhuǎn)換所造成的損失，使整車效率得到提高。

③當(dāng)車輛所需功率較大，內(nèi)燃機(jī)工作狀況惡化時(shí)，由動(dòng)力電池及電動(dòng)機(jī)通過(guò)向車輛提供瞬時(shí)大功率來(lái)避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)域的大幅變化，使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作于經(jīng)濟(jì)區(qū)域。

與串聯(lián)式相比，在并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化較大，所以并聯(lián)式的排放較串聯(lián)式要差。與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車不同，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車具有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩者既可以分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，又可以聯(lián)合驅(qū)動(dòng)車輛。車輛由不同的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，具有不同的工作效率區(qū)間。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的工作模式及能量流動(dòng)有多種不同形式，其工作模式可以分為以下幾種。

①純電動(dòng)模式　當(dāng)車輛起步或者低速行駛時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)用動(dòng)態(tài)特性好的電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)避開低效、高排放量的工作區(qū)，因而可使整車燃油經(jīng)濟(jì)性得到提高并降低排放量。純電動(dòng)工作模式下能量流如圖2-19所示。

②發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式　當(dāng)車輛以高速平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，或者行駛在城市郊區(qū)等排放要求不高的地方，可由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作驅(qū)動(dòng)車輛。在這種工作模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)，燃油經(jīng)濟(jì)性好，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)汽車行駛，傳動(dòng)效率高。此時(shí)的能量流如圖2-20所示。

③聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式　車輛急加速或者爬坡時(shí)對(duì)動(dòng)力性要求較高，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)均處于工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力源協(xié)助發(fā)動(dòng)機(jī)，提供車輛急加速或者爬坡時(shí)所需的功率。這種情況下，汽車的動(dòng)力性處于最佳狀態(tài)。此時(shí)的能量流如圖2-21所示。

④制動(dòng)能量回收模式　當(dāng)汽車減速或者制動(dòng)時(shí)，利用電動(dòng)機(jī)反拖作用不僅可以有效地輔助制動(dòng)，又可以使電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)模式工作發(fā)電，然后給動(dòng)力電池充電，將回收的制動(dòng)能量存儲(chǔ)在動(dòng)力電池中，在必要時(shí)釋放出驅(qū)動(dòng)汽車行駛，使能量利用率提高，提高整車燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放。此種工作模式下的能量流如圖2-22所示。

（2）應(yīng)用實(shí)例

由國(guó)家“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)資助，聯(lián)合吉林大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及春蘭研究所等單位的一汽集團(tuán)項(xiàng)目“解放牌混合動(dòng)力城市客車研究開發(fā)”完成了混合動(dòng)力客車CA6110HEV的研發(fā)。其結(jié)構(gòu)如圖2-23所示，這是一種比較典型的雙軸并聯(lián)類型，其結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是只有一個(gè)位于發(fā)動(dòng)機(jī)之后的離合器，電機(jī)位于變速器之前。這種結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點(diǎn)是各總成集成難度較小，適合于早期的混合動(dòng)力汽車研發(fā)。

清華汽車工程開發(fā)研究院在沈陽(yáng)金杯客車制造有限公司原SY6480客車的基礎(chǔ)上開發(fā)研制了SY6480并聯(lián)混合動(dòng)力客車，如圖2-24所示。該混合動(dòng)力汽車采用的是并聯(lián)式單軸結(jié)構(gòu)，即在原車的基礎(chǔ)上，加上一套電氣設(shè)備。該電氣設(shè)備包括一個(gè)電機(jī)和動(dòng)力電池。SY6480并聯(lián)混合動(dòng)力客車的百公里排放等價(jià)物達(dá)到歐Ⅱ標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)量限制要求，在保證整車動(dòng)力性能指標(biāo)不低于原SY6480客車水平的情況下，該并聯(lián)混合動(dòng)力客車在城市工況下的油耗比改裝前的原SY6480客車降低30％，在城際工況下降低15％，在排放方面也取得了良好效果。

2.2.3　混聯(lián)式

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車可以在不同的負(fù)荷條件下以串聯(lián)式、并聯(lián)式或者兩者相結(jié)合的形式工作，它可以同時(shí)利用這兩種驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)點(diǎn)。混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車由于具備最大限度地提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性的潛能，而成為目前的研究熱點(diǎn)，本小節(jié)將首先介紹混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后以最為成功的豐田Prius車型為代表介紹其構(gòu)型演變，使讀者對(duì)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車綜合了串聯(lián)式與并聯(lián)式兩種驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)點(diǎn)，其三個(gè)動(dòng)力源之間具有更多的動(dòng)力匹配方式，車輛具有多種工作模式，從而保證了混合動(dòng)力系統(tǒng)在復(fù)雜工況下仍能實(shí)現(xiàn)最佳動(dòng)力匹配，進(jìn)而達(dá)到最大限度節(jié)能減排的目的。混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車一般是通過(guò)行星齒輪組結(jié)構(gòu)進(jìn)行多動(dòng)力源耦合，其結(jié)構(gòu)如圖2-25所示。三個(gè)動(dòng)力源分別連接在行星齒輪組的太陽(yáng)輪、行星架和齒圈上。這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制難度較大，但是這一構(gòu)型可以充分發(fā)揮各動(dòng)力源的長(zhǎng)處，揚(yáng)長(zhǎng)避短，從而達(dá)到比較好的控制效果，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)構(gòu)型。

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車同時(shí)具有串聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)工作平穩(wěn)和并聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)各動(dòng)力源功率需求小的優(yōu)點(diǎn)。與串聯(lián)式相比，混聯(lián)式增加了機(jī)械路徑的傳遞路線；與并聯(lián)式相比，它增加了電能的傳遞路徑。混聯(lián)式混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)利用行星齒輪組作為動(dòng)力耦合結(jié)構(gòu)，對(duì)控制策略的要求比較苛刻，解決此難題后，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車將比其他兩種動(dòng)力耦合形式更有實(shí)用價(jià)值。

近年來(lái)，各大汽車公司推出的混合動(dòng)力汽車也以混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車為主。當(dāng)前公認(rèn)的最為成功的就是豐田Prius。豐田公司的第一代Prius汽車在1997年12月開始銷售，2003年豐田公司又推出了第二代Prius汽車，2005年推出了第三代Prius。在這不斷更新的過(guò)程中，主要的改動(dòng)集中在發(fā)動(dòng)機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其動(dòng)力耦合系統(tǒng)則仍采用經(jīng)典的THS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（2）應(yīng)用實(shí)例

豐田公司于2000年10月17日獲得了發(fā)明專利《Power output apparatus and method of controlling the same》的授權(quán)，公開了第一、第二代的Prius所使用的THS的構(gòu)型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-26所示。豐田公司于1999年發(fā)表了題為《HYBRID VEHICLE DRIVE SYSTEM HAVING TWO MOTOR/GENERATOR UNITS AND ENGINE STARTING MEANS》的專利，提出了THS結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2-27所示。此構(gòu)型是Prius第三代的構(gòu)型，與第一、第二代的不同之處在于齒圈和驅(qū)動(dòng)橋的連接方式。第一代和第二代Prius的傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是四軸結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)、扭轉(zhuǎn)減振器、動(dòng)力分流裝置、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG1和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2布置在第1軸上，第1、第2軸之間通過(guò)傳動(dòng)鏈連接，第2、第3軸之間為中間齒輪，第3、第4軸之間為主減速器齒輪。動(dòng)力分流裝置為行星齒輪機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)與行星架相連，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG1與太陽(yáng)輪相連，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2與齒圈相連。動(dòng)力分流裝置將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分配給MG1和MG2。MG2通過(guò)傳動(dòng)鏈、中間齒輪和主減速器齒輪減速之后驅(qū)動(dòng)車輪。第三代Prius的傳動(dòng)系統(tǒng)采用了三軸結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)MG2小型輕量化和使系統(tǒng)更加緊湊，三軸結(jié)構(gòu)采用行星齒輪機(jī)構(gòu)作為MG2的減速機(jī)構(gòu)，取代了原結(jié)構(gòu)中的傳動(dòng)鏈和中間齒輪，提升了電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2的轉(zhuǎn)矩輸出能力。

豐田公司于2000年又發(fā)明了專利CN1336879A，提出了一種帶離合器單行星排的動(dòng)力輸出裝置，其構(gòu)型如圖2-28所示。其中發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG1、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2和驅(qū)動(dòng)橋分別連接于行星排的行星架、太陽(yáng)輪和齒圈，在行星排與電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)MG2之間設(shè)置一個(gè)離合器，以便兩者可以分離和結(jié)合。設(shè)置一個(gè)制動(dòng)器，以便當(dāng)離合器分離時(shí)鎖止齒圈，借此當(dāng)離合器結(jié)合時(shí)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)混合車輛的模式，而當(dāng)離合器分離而齒圈被制動(dòng)器固定時(shí)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)混合車輛的模式，而且根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)來(lái)切換這些模式，可以發(fā)揮每種模式的優(yōu)點(diǎn)行駛。該種構(gòu)型和上一個(gè)構(gòu)型非常類似，都是單行星排雙電機(jī)結(jié)構(gòu)，區(qū)別之處只是該構(gòu)型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和行星排之間增加了一個(gè)離合器，這樣就可以實(shí)現(xiàn)兩種模式，比上一種構(gòu)型多了一個(gè)模式。

2001年豐田公司在THS的基礎(chǔ)上又推出THS-C系統(tǒng)，THS-C就是將豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)（THS）與無(wú)級(jí)變速器（CVT）組合而成的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。其構(gòu)型簡(jiǎn)圖如圖2-29所示。

此處的THS-C構(gòu)型方式已與Prius里的THS構(gòu)型有所不同，發(fā)動(dòng)機(jī)是與太陽(yáng)輪相連，發(fā)電機(jī)與行星架相連，齒圈處接有一個(gè)制動(dòng)器，齒圈和行星架分別通過(guò)離合器C2、C1與CVT相連，CVT將動(dòng)力輸出給驅(qū)動(dòng)橋。并且，此處的行星輪為復(fù)合式的，它們共用一個(gè)行星架。

THS-C系統(tǒng)主要應(yīng)用于Estima（大霸王）和Alphard（埃爾法）這兩款輕型車上，其中Estima已于2001年6月下線，2003年秋豐田公司又在Estima基礎(chǔ)上推出了Alpard。兩者的動(dòng)力總成基本相同，主要改進(jìn)之處體現(xiàn)在控制和安全系統(tǒng)上。在Estima和Alphard車上，THS-C系統(tǒng)應(yīng)用于前驅(qū)動(dòng)單元，后驅(qū)動(dòng)單元由一個(gè)單獨(dú)的后電機(jī)來(lái)提供動(dòng)力。其動(dòng)力系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖2-30所示。

但是，THS-C系統(tǒng)存在諸多缺陷。一方面，該系統(tǒng)多數(shù)時(shí)候相當(dāng)于并聯(lián)構(gòu)型，由前軸的THS-C系統(tǒng)與后軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車輛，這樣很難保證動(dòng)力電池的SOC平衡，存在動(dòng)力電池充電不足時(shí)便無(wú)法使用后電機(jī)驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題。另一方面，THS-C系統(tǒng)既有THS系統(tǒng)又有CVT，機(jī)構(gòu)十分復(fù)雜，成本高昂，這是限制其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。另外，CVT的加入導(dǎo)致系統(tǒng)中需要一個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)CVT的液壓泵，這些因素都導(dǎo)致了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分繁雜。因此，THS-C的整體效果并不非常理想，在2006年1月，Estima混合動(dòng)力版重新改型，不再采用THS-C系統(tǒng)，而是直接采用THS Ⅱ結(jié)構(gòu)。在THS Ⅱ中，由于電機(jī)與發(fā)電機(jī)各自獨(dú)立，因此在行駛過(guò)程中隨時(shí)可以使用電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，如果動(dòng)力電池電力不足，發(fā)電機(jī)可立即進(jìn)行充電，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。實(shí)驗(yàn)表明，采用THS Ⅱ結(jié)構(gòu)的Estima在10-15 （日本標(biāo)準(zhǔn)）工況下的油耗為5L/100km，而采用THS-C系統(tǒng)的Estima的油耗為5.38L/100km，新版油耗降低了7.6％。

豐田公司于2005年發(fā)明了專利CN1819934A，描述了一種混合動(dòng)力車輛用動(dòng)力輸出裝置，該裝置是一種雙行星排的構(gòu)型，其構(gòu)型如圖2-31所示。其后行星排行星架鎖止，驅(qū)動(dòng)電機(jī)同后行星排太陽(yáng)輪連接，后行星排在此提供一個(gè)減速比。

豐田公司于2007年推出的Lexus GS450h車型，其動(dòng)力耦合機(jī)構(gòu)使用了一種特殊的雙行星排構(gòu)型，屬于豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)的第二代THSⅡ系統(tǒng)，又稱為輸入分配增扭型結(jié)構(gòu)，其構(gòu)型簡(jiǎn)圖如圖2-32所示。

從圖2-32中可以看出，該構(gòu)型前排是一個(gè)普通的行星排機(jī)構(gòu)，而后排采用了拉維娜氏的行星排機(jī)構(gòu)。這種行星齒輪機(jī)構(gòu)又稱為復(fù)合式行星齒輪機(jī)構(gòu)，它可視為由兩個(gè)普通的行星齒輪結(jié)合作為單排式的動(dòng)力耦合裝置。該行星排中包含兩個(gè)太陽(yáng)輪，即前太陽(yáng)輪和后太陽(yáng)輪，還包含一個(gè)公共的復(fù)合行星架，此復(fù)合行星架由兩個(gè)半徑不同的行星架組合而成，這兩組行星架上的行星輪都能夠繞行星架獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，但只有一個(gè)固定速比，小行星架的內(nèi)行星輪與前太陽(yáng)輪相嚙合，也只有一個(gè)固定速比。齒圈也同樣與大行星架的外行星齒輪相嚙合。顯然，這種復(fù)合式的行星齒輪機(jī)構(gòu)，能夠看成共用一個(gè)行星架和一個(gè)齒圈的雙行星齒輪。

2.2.4　小結(jié)

本節(jié)介紹了油電混合動(dòng)力汽車的幾種構(gòu)型及其特點(diǎn)和應(yīng)用實(shí)例，具體包括串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式油電混合動(dòng)力汽車。每種構(gòu)型都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，也都有其適宜的應(yīng)用范圍，但不可避免地有這樣或那樣的缺點(diǎn)。較傳統(tǒng)汽車，這幾種油電混合動(dòng)力汽車都能夠在不同程度上實(shí)現(xiàn)能量的高效利用，并同時(shí)對(duì)降低排放有著積極貢獻(xiàn)。油電混合動(dòng)力汽車憑借其綜合優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛認(rèn)可，是一種實(shí)用的新能源汽車。

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車雖具有整車底盤布置的自由度較大、動(dòng)力總成控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中因存在能量二次轉(zhuǎn)換導(dǎo)致總體效率較低。所以，在乘用型轎車中比較少見。并聯(lián)式混合動(dòng)力車型與串聯(lián)式混合動(dòng)力車型相比，具有能量利用率較高的優(yōu)點(diǎn)，適合于行駛在城市間公路和高速公路等工況。但因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)與車輪之間仍為機(jī)械連接，所以在車輛低速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率受到了一定的限制。混聯(lián)式混合動(dòng)力車型雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、能量管理和系統(tǒng)控制提出了較高的要求，但可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的雙解耦，可將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在最優(yōu)工作區(qū)域內(nèi)。隨著電子控制等相關(guān)技術(shù)水平的不斷提高，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車以其最佳的綜合性能，終將成為混合動(dòng)力汽車發(fā)展的方向。