第一節 混合動力電動汽車的概念和類別

如圖3-2所示，混合動力電動汽車具有油電混合、氣電混合、電電混合等多種不同的形式。即使對應其中的一種混合形式，由于動力傳動系統的組成不同，混合動力電動汽車仍存在多種不同的結構。在詳細分析各種不同結構的定義、特點和工作原理之前，給出如下幾個基本概念。

（1）動力傳動系 這是汽車上用于存儲、轉化和傳遞能量并使汽車獲得運動能力的所有部件的總稱，具體包括車載能量源、動力裝置、傳動系和其他輔助系統四部分。

圖3-2 混合動力技術在汽車中的應用

（2）車載能量源 這是在汽車動力傳動系中，用于能量存儲或進行能量初始轉化以向動力裝置直接供能的所有部件的總稱，由能量直接存儲裝置或能量存儲、調節和轉化裝置組成。例如，對傳統內燃機汽車，車載能量源為油箱（能量直接存儲）；對燃料電池電動汽車，車載能量源由氫氣罐/儲氫金屬（能量存儲）和燃料電池電堆（能量轉化）兩部分組成。

（3）動力裝置 這是在汽車動力傳動系中，用于把其他形式的能量轉化為機械動能（旋轉動能）的裝置，并直接作為傳動系的輸入，如常規汽車上的內燃機、純電動汽車上的電機等。

（4）傳動系 這是在汽車動力傳動系中，用于調節和傳遞動力裝置輸出的動力，使之與汽車行駛時驅動輪處要求的理想動力達到較好匹配的所有部件的總稱，具有減速、變速、倒車、中斷動力、輪間差速和軸間差速等功能。傳動系與動力裝置配合工作，能保證汽車在各種工況條件下的正常行駛，并具有良好的動力性和經濟性。傳動系一般由離合器、變速器、萬向傳動裝置、主減速器、差速器和半軸等組成。

（5）輔助系統 是指在汽車動力傳動系中，用于從動力裝置中獲取動力，區別于直接驅動車輛，主要用于維持汽車良好的操控特性、舒適性等所有部件的總稱，如轉向助力系統、制動助力系統、空調系統（動力裝置直接拖動）、輔助電氣系統（12/24V發電機系統）等。

基于上述給出的基本概念，汽車動力傳動系可抽象為圖3-3所示的簡化模型。常規汽車和純電動汽車中汽車動力傳動系的基本組成見表3-1。

圖3-3 汽車動力傳動系簡化模型

表3-1 汽車動力傳動系的基本組成

基于圖3-3建立的汽車動力傳動系的簡化模型，對混合動力電動汽車的概念重新定義如下：混合動力汽車是指汽車動力傳動系由兩個或多個能同時運轉的單個動力傳動系聯合組成的汽車。汽車的行駛功率依據實際的汽車行駛狀態由單個動力傳動系單獨或多個動力傳動系共同提供，如圖3-4所示。若其中的一個動力傳動系統為純電動汽車動力傳動系，則該混合動力汽車為混合動力電動汽車。本章僅針對混合動力電動汽車展開分析。相比常規內燃機汽車和純電動汽車，圖3-4所示的混合動力汽車動力傳動系增加了整車能量管理和綜合控制系統，其主要作用在于以優化發動機的工作效率為目標，協調發動機和驅動電機之間的動力分配，同時進行動力電池組的電量管理。

圖3-4 混合動力汽車動力傳動系組成

根據組成混合動力汽車的兩個或多個能同時運轉的單個動力傳動系之間動力聯合位置的不同，混合動力汽車還具有串聯、并聯和混聯三種基本的類型。

一、串聯混合動力汽車的概念

串聯混合動力汽車是混合動力汽車的一種基本結構，其單個動力傳動系間的聯合是車載能量源環節的聯合，即非直接用于驅動汽車的能量的聯合，并同時向動力裝置供能。典型的串聯混合動力汽車動力傳動系的組成如圖3-5所示。

圖3-5 典型的串聯混合動力汽車動力傳動系的組成

串聯混合動力汽車具有如下特點：

①車載能量源環節的混合。

②單一的動力裝置。

③車載能量源由兩個以上的能量聯合組成。

對應圖3-5，油箱-發動機-發電機與動力電池組共同組成車載能量源，共同向驅動電機提供電能，驅動電機和傳動系組成單一的電驅動系統。

串聯混合動力汽車實現了車載能量源的多樣化，可充分發揮各種能量源的優勢，并通過適當的控制實現它們的最佳組合，滿足汽車行駛的各種特殊要求。例如，采用發動機-發電機和動力電池組兩種車載能量源的串聯混合動力電動汽車既可滿足汽車一定的零排放行駛里程，同時通過發動機-發電機的工作為動力電池組進行補充充電，延長了汽車的有效續駛里程，為實現純電動汽車的實用化提供了解決方案。

二、并聯混合動力汽車的概念

并聯混合動力汽車是混合動力汽車的一種基本結構，其單個動力傳動系間的聯合是汽車動力或傳動系環節的聯合，通過對不同動力裝置輸出的驅動動能的聯合或耦合，并經過相應的傳動系輸出到驅動輪，滿足汽車的行駛要求。典型的并聯混合動力汽車動力傳動系如圖3-6所示。

圖3-6 典型的并聯混合動力汽車動力傳動系

并聯混合動力汽車具有如下特點：

①機械動能的混合。

②具有兩個或多個動力裝置。

③每一個動力裝置都有自己單獨的車載能量源。

對應圖3-6，發動機和電機驅動系統輸出的機械動能經過動力耦合后輸出到傳動系驅動汽車行駛，發動機具有自己獨立的車載能量源——油箱，電機驅動系統具有自己獨立的車載能量源——動力電池組。

圖3-7 并聯混合動力汽車動力傳動系的三種基本類型

a）單軸聯合式 b）雙軸聯合式 c）驅動力聯合式

依據動力耦合方式的不同，并聯混合動力汽車具有單軸聯合式、雙軸聯合式和驅動力聯合式三種布置方案，具體如圖3-7所示。單軸聯合式機械動力的耦合是在動力裝置輸出軸處完成的，傳動系的輸入為單軸。其結構示意如圖3-7a所示，實際應用如圖3-8所示。發動機的輸出軸通過離合器與電機的轉子軸直接相連，而動力電池組通過控制器的調節作用于電機定子，實現了發動機與電機輸出轉矩的疊加。單軸聯合式實現了把不同動力裝置的機械動力輸出一體化，結構緊湊，但電機要經過特殊設計。

圖3-8 單軸聯合式并聯混合動力汽車實際應用舉例

雙軸聯合式機械動力的耦合是在傳動系的某個環節中完成的，通常稱位于傳動系中的這種耦合部件為動力耦合裝置，它具有兩個或多個輸入軸，而輸出軸僅有一根并直接與驅動軸相連，其結構示意如圖3-7b所示。雙軸聯合式只是把不同動力裝置的輸出進行動力合成，因此系統元件可選用已有的現成產品，開發成本較低。

驅動力聯合式機械動力的混合是在汽車驅動輪處通過路面實現的，其結構示意如圖3-7c所示。因為具有兩套獨立的動力傳動系直接驅動汽車，所以在充分利用地面附著力方面具有優勢。通過合理的控制，可大大改善汽車的動力性能，但系統組成比較龐大，控制復雜。

三、混聯式混合動力汽車的概念

為優化動力傳動系的綜合效率，充分發揮汽車的節能、低排放潛力，在實際應用中，混合動力電動汽車動力傳動系并非單純是簡單的串聯式結構或并聯式結構，而是由串聯式結構和并聯式結構復合組成的串并聯綜合式結構，即所謂的混聯式結構。典型的混聯式混合動力電動汽車動力傳動系如圖3-9所示。

在圖3-9中，混聯式混合動力電動汽車動力傳動系中具有兩個電機系統，即發電機和電機驅動系統，兼備了串聯混合動力車載能量源的混合以及并聯混合動力機械動能的混合。在實際應用中主要有兩種方案：開關式和功率分流式，分別如圖3-10和圖3-11所示。

圖3-9 典型的混聯式混合動力電動汽車動力傳動系

在圖3-10中，離合器起到了串聯結構和并聯結構的切換作用。若離合器打開，則該混合動力傳動系即為簡單的串聯式結構；若離合器接合且發電機不工作，則該混合動力傳動系即為簡單的并聯式結構；若離合器接合且發電機工作于發電模式，則該混合動力傳動系即為復雜的混聯式結構。

在圖3-11中，巧妙地利用了行星輪系功率分流以及3個自由度的特點，發動機、發電機以及驅動軸分別與行星輪系的3個軸相連。在正常工作時，發動機的輸出動力自動分流為兩部分：一部分直接輸出到驅動軸，與電機驅動系統輸出的動力聯合組成并聯式結構；一部分輸出到發電機，發電機發出的電能與動力電池組組成串聯式結構。

圖3-10 開關式混聯式混合動力汽車

圖3-11 功率分流式混聯式混合動力汽車