第三節 混合動力電動汽車的結構原理

一、混合動力電動汽車概述

1．混合動力電動汽車的基本結構與主要優點

（1）混合動力汽車的基本結構 雙軸并聯混合動力汽車的基本結構包括發動機、電機、動力蓄電池、動力分配裝置、變速器和主減速器等，如圖1-12所示。

（2）混合動力汽車的主要優點

1）混合動力汽車只需采用能夠滿足汽車巡航所需要的比傳統汽車功率較小的發動機，而由電能提供車輛加速與爬坡時所需的附加動力，故可大大提高發動機的負荷率，從而達到節油效果。

2）車輛具有電能輔助系統，故可控制發動機在較高效率與低污染工作范圍內運行。即當發動機功率不足時，可由電能來補充；而發動機功率過剩時，其剩余功率可向電池充電存儲起來。

3）基于同樣的理由，可利用電機與電源系統非常方便地實現制動能量回收。即回收車輛制動與下坡時車輛的部分動能，給電池充電，從而也達到節油效果。

4）當車輛處于交通擁堵的繁華市區，需較長時間低速行駛或怠速運轉與頻繁起動的高油耗與高污染工況下，可關閉發動機，而由電機單獨驅動，從而節約了發動機怠速油耗并實現了“零排放”。

基于上述優點，混合動力電動汽車相對傳統汽車能夠明顯提高燃油經濟性且明顯降低排放，且特別適用于交通擁擠的大中城市。

2．混合動力系統中常用行星排的基本結構與原理

混合動力系統中常用行星排的基本原理詳見圖1-13及其注解。

二、各類混合動力電動汽車的結構原理與優缺點

1．串聯式混合動力汽車

（1）結構原理和工作模式 串聯式混合動力汽車結構原理如圖1-14所示。

1）工作原理如下。

①串聯式混合動力汽車由發動機、發電機、電機控制器、電機與動力蓄電池組成。它主用于城市公交汽車，節油率可達20%。

②發動機不直接驅動車輛的傳動系統，而是先通過發動機將機械能轉變為電能，然后通過電機驅動傳動系統，故發動機、發電機、電機與傳動系統構成“串聯的動力流”。

③系統中同時有兩個電源（發電機與動力蓄電池），兩個電源均通過電機控制器以電方式實現動力耦合，并通過電機控制器串聯于整個動力回路中。

2）工作模式，分為以下六種。

①純電驅動模式：主要用于倒車與低速行駛。此時發動機關閉，全靠電池提供能源。

②純發動機驅動模式：主要用于中、高速行駛工況。此時動力蓄電池既不提供能量，也不接受能量，全靠發動機驅動。

③混合驅動模式：主要用于加速與爬坡行駛工況。此時兩種能源通過電機控制器實現耦合，同時輸送到電機，驅動車輛行駛。

④制動回收模式：在車輛制動與下坡工況時，發動機關閉，電機變成了發電機，將來自車輪的動能部分轉變為電能給電池充電。

⑤發動機單獨驅動并給電池充電模式：主要用于車輛低負荷行駛且電池荷電狀態（state of charge，SOC，又叫剩余電量）偏低的工況。

⑥電池充電模式：主要用于車輛靜止且電池SOC偏低的工況，此時急需發動機充電。

（2）優缺點

1）優點如下。

①發動機與驅動輪無直接機械聯系，故發動機可工作于其轉矩與速度曲線圖中的任意點上。因此可以根據車輛的驅動功率需求，通過特殊設計與控制技術來控制發動機總是工作在其最低油耗區域。

②由于電機本身具有非常適合于汽車牽引需求的“轉矩與速度曲線”，這使得車輛的多檔位變速器成為多余，故可以大為簡化車輛驅動系統的結構。如果進而采用輪轂電機，還可以完全取消機械式差速器，實現兩個后驅動輪的解耦。倘若在四輪驅動的車輛中全部采用輪轂電機驅動，便可完全實現四個車輪的獨立控制，從而大大提高車輛的機動性并改善牽引性能。

③由于串聯方式的發動機與驅動輪之間可以實現完全的機械解耦，故動力總成的控制策略變得十分簡單。

2）缺點如下。

①發動機的動能經過發電與電動兩次能量轉換才到達驅動輪，導致能量損失大、轉換效率低。

②采用發電機本身增加了車輛重量與成本。

③為保證車輛的加速與爬坡性能要求，采用電機直接驅動的方式，需要加大電機自身的體積與重量。

2．并聯式混合動力汽車

（1）結構原理與工作模式 并聯式混合動力汽車的結構原理如圖1-15所示。

（2）優缺點

1）優點：并聯方式應用較廣，其中，采用帶傳動的發電起動一體式電機的節油率可達5%，采用集成起動電機的汽車可達15%，公交汽車可達25%～30%。

①發動機通過變速器直接驅動車輛，無能量轉換，能量轉換效率高。

②電機可以實現“一機兩用”，且可以采用較小功率與體積的電機，成本低。

2）缺點如下。

①因發動機與驅動輪采用機械連接，其工作點不可能總是處于最佳區域，故其效率未能充分發揮。

②必須搭載變速器，且最好是自動變速器，故增加了質量與成本。

③其混合度較低，且不便于采用插電式混合動力。

3．混聯式混合動力汽車

（1）工作結構 混聯式混合動力汽車的結構原理詳見圖1-16及其注解。

（2）優缺點

1）優點：混聯式兼備串聯式和并聯式兩者的優點，故其應用前景越來越好。在阿特金森循環工況下，其節油率可高達40%以上。

2）缺點：結構復雜，成本高。在長距離高速行駛工況下，其節油效果不明顯。

三、豐田普銳斯混合動力汽車的結構與工作模式

首款量產普銳斯混合動力汽車于1997年推向市場，當年銷售約18000輛。至10年后的2007年，累計銷售量突破100萬輛，2011年突破300萬輛。普銳斯最新產品目前已經開發至第五代，其節油率已經達到50%以上。其結構特點與工作模式分述如下。

1．普銳斯混合動力系統的基本特點

普銳斯混聯式混合動力系統的結構及基本特點詳見圖1-17及其注解。

2．普銳斯混合動力系統三代產品的結構性能比較

普銳斯混合動力系統三代產品的結構性能比較詳見圖1-18及其注解。

3．普銳斯Ⅲ混合動力系統主要部件及其功能

普銳斯Ⅲ混合動力系統主要部件及其功能詳見表1-2。

4．普銳斯Ⅲ混聯式混合動力系統結構組成

普銳斯Ⅲ混聯式混合動力系統結構組成詳見圖1-19及其注解。

5．普銳斯混聯式混合動力系統的工作模式

普銳斯混聯式混合動力系統的工作模式詳見圖1-20～圖1-27及其注解。

（1）發動機停車起動模式 詳見圖1-20及其注解。

（2）停車充電模式 詳見圖1-21及其注解。

（3）起步和低負荷模式1（SOC正常）詳見圖1-22及其注解。

（4）起步和低負荷模式2（SOC低）詳見圖1-23及其注解。

（5）巡航模式 詳見圖1-24及其注解。

（6）加速模式 詳見圖1-25及其注解。

（7）制動能量回收模式 詳見圖1-26及其注解。

（8）倒車模式 詳見圖1-27及其注解。

四、本田IMA混合動力汽車的結構與工作原理

本田公司混合動力汽車的基本特點是采取并聯式，且以發動機為主要動力，結構設計簡單，布置緊湊，重量較小。1999年，本田第一代混合動力系統IMA（Integrated Motor Assist）搭載于思鉑睿雙門混合動力汽車在美國首推。第二代IMA搭載于思域于2003年問世。第三代IMA搭載于雅閣上。第四代IMA搭載于思域上。目前本田公司已擁有CR-Z、思域及思鉑睿等多款混合動力車型，其已發展到第五代IMA。

1．本田IMA系統的結構組成

IMA系統組成包括發動機、電機、電池、控制器（PCU）、變速器與驅動輪，如圖1-28所示。

2．本田IMA系統主要總成的結構性能特點

IMA混合動力系統總成包括發動機、智能動力單元（intelligent power unit，IPU）、電機以及無級變速器（continuously variable transmission，CVT）等，下面以第四代IMA系統為例，分別介紹其主要總成的結構性能特點。

（1）發動機的結構性能特點 本田IMA混合動力系統的超低油耗主要靠發動機貢獻。IMA用發動機（圖1-29）主要通過以下三項先進技術來降低油耗：可變氣門正時與升程控制（Intelligent-Variable Valve Timing and Lift Electronic Control，i-VTEC）技術、智能雙火花塞順序點火（intelligent dual sequential ignition，i-DSI）技術以及可變氣缸管理（Variable cylinder management，VCM）技術。1）可變氣門正時與升程控制（i-VTEC）技術是利用進氣凸輪軸上的主凸輪、次凸輪與中間凸輪及其相對應的三套搖臂機構組合控制同一氣缸內的兩個進氣門的升程，并通過液壓執行器來調節凸輪軸的相位，實現可變正時控制（VTC），實時獲得最佳的配氣相位。

①當發動機低速運轉時，主進氣門由主凸輪控制，開度增大且開啟時間長；輔進氣門由次凸輪控制，開度很小且開啟時間短，因而使得燃燒室內產生渦流，從而提高燃燒效率。

②當發動機高速運轉時，主、輔進氣門由中間凸輪共同控制，增大了開度與開啟時間，故能夠獲得足夠的充氣量來提高發動機功率。

2）智能雙火花塞順序點火（i-DSI）技術是在同一氣缸內安裝兩個火花塞，分別設在進氣門側和排氣門側。其縮短了燃燒室內火焰傳播的時間，實現了氣缸全域范圍內的急速燃燒，故使得大幅度提高壓縮比成為可能。本田獨有的雙火花塞連續控制系統是根據發動機轉速與負荷狀況而實時控制的。①當發動機低速運轉時，燃燒室內溫度較低的進氣門側先點火，促進了燃燒并降低了油耗。②當發動機高速運轉時，進氣門側和排氣門側同時點火，因而加快了燃燒速度，提高了功率。

3）可變氣缸管理（VCM）技術，由于電機與發動機曲軸連接，故需要發動機在車輛減速時盡可能降低阻力，使得電機能夠高效率地給電池充電。VCM可實現四氣缸全部停缸，因而大大降低了氣缸活塞運轉時的阻力，使得再生制動系統能提高能量回收效率。VCM還能大大減小發動機起停時的沖擊。

（2）電機的功能和結構特點 詳見圖1-30及其注解。

（3）無級變速器的功能和結構特點 詳見圖1-31及其注解。

（4）智能動力單元的功能和結構特點 詳見圖1-32及其注解。

3．本田IMA系統的工作過程

IMA混合動力系統的工作過程包括起步加速、急加速、低速巡航、輕加速或高速巡航、減速制動以及停車制動等工況。各個工況的具體描述如下。

（1）起步加速工況和急加速工況的基本情況

1）起步加速工況，如圖1-33所示，此時發動機以低速配氣正時運轉，同時電機提供輔助動力，以達到快速加速起步與節油的雙重要求。

2）急加速工況，如圖1-34所示，此時發動機以高速配氣正時運轉，同時電池給電機供電，電機與發動機共同驅動車輛，以提高車輛加速性能。

（2）低速巡航工況和輕加速或高速巡航工況

1）低速巡航工況，如圖1-35所示，此時發動機四個氣缸的進排氣門全部關閉，發動機停止工作。同時電機以純電動方式驅動車輛行駛。

2）輕加速或高速巡航工況，如圖1-36所示，此時發動機以低速配氣正時運轉，其工作效率較高，并單獨驅動車輛（電機不工作）。

（3）減速制動工況和停車制動工況

1）減速制動工況，如圖1-37所示，此時發動機停止工作，控制器控制電機在驅動輪驅動下以發電機方式工作，將車輛動能最大限度地轉換成電能，并存儲到電池包中。車輛制動時，制動踏板傳感器給IPU發出一個信號，IPU控制制動主缸中的伺服單元，協調機械制動與電機能量回收之間的制動力，以達到最大程度的能量回收。

2）停車制動工況，如圖1-38所示，此時發動機自動關閉，以減少燃料消耗與排放污染。而在制動踏板松開時，會自動起動發動機。

五、通用雙?；旌蟿恿ζ嚨慕Y構與工作原理

通用公司混合動力汽車的獨特之處是采用電控自動變速技術（electric variable transmission，EVT）。通用公司20世紀60年代開發出輸入分配式單模式EVT，2003年生產出輸入分配模式加復合分配模式的雙模式EVT，并搭載于公交車和SUV車型。

1．通用雙模混合動力系統的基本特點

通用雙模混合動力系統的示意圖及結構特點詳見圖1-39及其注解。

通用雙?；旌蟿恿ο到y的實物、模型如圖1-40和圖1-41所示。

2．通用雙?；旌蟿恿ο到y的工作過程

通用雙?；旌蟿恿ο到y的工作過程詳見圖1-42及其注解。

六、我國具有獨立知識產權的雙轉子電機混合動力系統

2004年，我國研制出首輛雙轉子電機混合動力汽車樣車，并獲得國家發明專利授權。2010年《深度混合動力客車產業化和動力系統平臺建設》被列入“十二五863計劃重點項目”并實現小批量生產。雙轉子電機混合動力汽車的結構與工作原理分述如下。

1．雙轉子電機混合動力系統基本原理

雙轉子電機（Double Rotor Motor，DRM）是混合動力系統的核心，如圖1-43所示。其功能是用作動力分配與動力耦合結構而形成混聯式混合動力系統。

（1）DRM的基本組成 DRM由內轉子、外轉子和定子組成。內轉子與發動機相連，外轉子與車輛傳動軸相連。DRM的內轉子與外轉子構成一個電機，稱為內電機。外轉子與定子構成另一個電機，稱為外電機。DRM系兩個電機的高度集成。

（2）DRM的結構與工作原理 在外轉子上布置磁鋼，在內轉子與定子上設置繞組。內轉子繞組通過集電環與外部電路連接。來自發動機的動力經內轉子后分成兩部分：一部分是發動機轉矩通過內電機磁場作用在外轉子上，再由外轉子向傳動軸直接輸出機械動力；另一部分是利用內外轉子的轉速差，由內電機發電，經過電機控制器變頻后送給外電機，再由外電機對其外轉子提供一個附加電磁轉矩，以增加車輛總驅動轉矩。

（3）DRM的主要技術優勢

1）具有無級自動變速功能，即當發動機轉速高于傳動軸轉速時，內電機以發電機方式工作，外電機以電動機方式工作，DRM起到減速增矩的作用；當發動機轉速低于傳動軸轉速時，內電機以電動機方式工作，外電機以發電機方式工作，DRM起到減矩增速的作用。

2）DRM成功實現了發動機與車輪之間的轉速解耦，即解除了發動機與傳動軸之間的機械連接。因而，可以通過控制內電機的轉矩與轉速來達到間接控制發動機轉矩與轉速的目的，使其處于高效率區間運行。

3）DRM具有其他各類混聯動力系統的全部優點：它相當于將串聯動力系統中的發動機的機殼與電機的轉子連成一體而共同運轉，在吸納串聯系統中發動機工作點控制靈活的同時，還可以減小電機的能量轉換比率、提高系統效率，以及大幅度減小電機的功率、質量、體積與成本，并提高比功率。

2．雙轉子電機混合動力系統的結構方案

雙轉子電機混合動力系統的基本結構方案詳見圖1-44及其注解。

3．雙轉子電機混合動力系統的工作過程

雙轉子電機混合動力系統工作過程如圖1-45～圖1-52所示。

（1）發動機停車起動模式與停車充電模式

1）發動機停車起動模式。車輛停車時，DRM外轉子靜止，電池驅動內電機以電動機方式工作，其動力流向如圖1-45所示。要求內電機轉矩大小能夠將發動機拖動到怠速轉速以上，使發動機起動。

2）停車充電模式。停車時，若電池SOC高于設定值，則發動機會關閉；如果SOC低于設定值，則發動機將帶動內電機發電，并對電池充電，其動力流向如圖1-46所示。

（2）起步和低負荷模式（SOC正常）以及起步和低負荷模式（SOC低）

1）起步和低負荷模式（SOC正常）。若電池SOC高于設定值，則發動機關閉，內電機不工作。由電池向外電機提供動力，驅動車輛，其動力流向如圖1-47所示。

2）起步和低負荷模式（SOC低）。若SOC低于設定值，則發動機起動帶動內電機發電，一部分電能給電池充電，另一部分電能經電機控制器變頻后送給外電機也參與驅動車輛。其動力流向如圖1-48所示。

（3）巡航運行模式

1）巡航運行模式1（ω₁＞ω₂）。當發動機轉速高于傳動軸轉速時，內電機一方面向傳動軸傳遞發動機轉矩，一方面處于發電狀態，電能經電機控制器送給外電機，外電機處于用電狀態，同時也對傳動軸施加轉矩，DRM起到減速增矩的作用。其動力流向如圖1-49a所示。

2）巡航運行模式2（ω₁＜ω₂）。當發動機轉速低于傳動軸轉速時，內電機處于用電狀態，以反向電機形式工作（試圖阻止發動機運轉，但同時也驅動外轉子運轉）。外電機處于發電狀態（試圖阻止傳動軸運轉），電能通過電機控制器輸給內電機，DRM起到減矩增速作用。其動力流向如圖1-49b所示。

（4）加速模式和能量回收模式

1）加速模式。車輛加速時，控制系統一方面提高發動機功率，另一方面電池也會對外電機提供額外電能。車輛運行狀態的瞬間變化主要依靠電池供電來完成，而提高發動機功率應緩慢進行，以免造成發動機轉速波動。其動力流向如圖1-50所示。

2）能量回收模式。此時發動機停止運轉，傳動軸反向帶動外電機以發電機形式工作，將車輛的動能轉換為電能，向電池充電，以實現制動回收。其動力流向如圖1-51所示。

（5）倒車模式 若電池SOC高于設定值，則發動機關閉，僅由電池驅動外電機反轉驅動車輛倒車，其動力流向如圖1-52所示。若電池SOC低于設定值，則發動機起動，驅動內電機發電，產生的電力驅動外電機反轉驅動車輛倒車。