学习单元1.1 混合动力汽车认知

任务导入

小王是一汽丰田汽车4S店的服务顾问，客户张先生对丰田卡罗拉混合动力汽车特别感兴趣，想让小王介绍一下该款混合动力汽车的结构组成。假如你是小王，你能向张先生介绍丰田卡罗拉混合动力汽车的结构组成吗？

学习目标

1.能叙述混合动力汽车的定义及分类。

2.能叙述丰田混合动力系统的组成及特点。

3.能正确介绍丰田卡罗拉混合动力汽车结构组成。

4.能正确进行丰田卡罗拉混合动力汽车驾驶操作。

理论知识

1.1.1 混合动力汽车的定义

混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指由两种或两种以上不同类型的动力源作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的汽车。通常所说的混合动力汽车指的是油电混合动力汽车，即燃油（汽油、柴油）和电能混合，由电机作为发动机的辅助动力驱动汽车。油电混合动力系统中的能量转换器为发动机和电机，能量储存系统为油箱和动力蓄电池。

1.1.2 混合动力汽车的分类

混合动力汽车有多种分类方式。依据混合方式不同，混合动力汽车可以分为串联式、并联式和混联式三种类型；依据混合度不同，混合动力汽车还可以分为弱混合动力、轻度混合动力、中度混合动力、重度混合动力、插电式混合动力五类。

1.串联式混合动力汽车（Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV）

如图1-1-1所示，串联式混合动力系统由发动机、发电机、电机控制器、电机和动力蓄电池等组成。

串联式混合动力系统主要应用于城市公交车，节油率可以达到20%左右。该系统可以实现以下工作模式：

1）纯电驱动模式：发动机关闭，车辆驱动能量完全来自动力蓄电池，该模式主要用于车辆低速行驶和倒车工况。

2）纯发动机驱动模式：车辆驱动能量来自发动机，经发电机、电机控制器、电机进行能量转换后驱动车辆，动力蓄电池既不提供能量也不接收能量，该模式主要用于车辆中速和高速行驶工况。

3）混合驱动模式：车辆驱动能量同时来自发动机和动力蓄电池，发电机产生的电能和动力蓄电池提供的电能由电机控制器耦合，共同输送给电机，该模式主要用于车辆加速和爬坡行驶工况。

4）发动机驱动和动力蓄电池充电模式：来自发动机的机械能由发电机转化成电能后，由电机控制器分配能量，一部分输送给电机用于驱动车辆，另一部分给动力蓄电池充电，该模式主要用于车辆低负荷行驶且动力蓄电池SOC较低的工况。

5）再生制动模式：发动机关闭，电机以发电机形式工作，把来自车轮的动能转化为电能，通过电机控制器给动力蓄电池充电，该模式主要用于车辆制动和下坡工况。

6）动力蓄电池充电模式：电机不接收能量，由发电机把来自发动机的机械能转化为电能，通过电机控制器给动力蓄电池充电，该模式主要用于车辆静止且动力蓄电池SOC较低的工况。

2.并联式混合动力汽车（Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV）

如图1-1-2所示，并联式混合动力系统由发动机、变速器、电机、电机控制器和动力蓄电池等组成。

并联式混合动力系统在各种车型上都有应用，其中BSG（Belt-driven Starter/Generator带传动起动/发电一体化电机）技术节油率可以达到5%，ISG（Intergrated Starter/Generator集成起动/发电一体化电机）技术节油率为15%，并联式公交车节油率为25%～30%。在串联式中提到的各种工作模式在并联式中都可以实现。

3.混联式混合动力汽车（Combined Hybrid Electric Vehicle，PSHEV）

如图1-1-3所示，混联式混合动力系统由发动机、动力分配机构、发电机、电机控制器、电机和动力蓄电池等组成。发动机的动力经过动力分配机构后分成两部分，一部分直接驱动车辆，形成机械传输通道；另一部分带动发电机发电，所产生的电能通过电机控制器提供给电机驱动车辆，形成电力传输通道。通过调整发电机转速，可以控制机械传输通道和电力传输通道的动力分配比例。这个系统具有双重特征，一是电力传输通道和动力蓄电池之间以电方式实现动力耦合，动力的流向为串联；二是机械传输通道和电机之间以机械方式实现动力耦合，动力的流向为并联，所以称为混联式混合动力系统。

混联式混合动力系统吸收了串联式和并联式的优点，使两者的优势都能够得到发挥，应用前景广阔，在NEDC（欧洲油耗及排放评定标准）循环工况下，节油率可达40%以上。

1.1.3 丰田混合动力系统及车型介绍

1.丰田混合动力系统

丰田混合动力系统（Toyota Hybird System，THS）由汽油发动机和电机组成。丰田普锐斯混合动力汽车首先应用了THS，并被大批量生产销售。现在国内的丰田卡罗拉和雷凌混合动力汽车采用了丰田第二代混合动力系统（THS-Ⅱ），如图1-1-4所示。THS-Ⅱ主要由发动机、混合驱动桥总成、逆变器总成和动力蓄电池等组成，是混联式混合动力系统。

发动机的动力和电机的动力在混合驱动桥耦合，发动机与电机（MG1、MG2）协调工作，实现车辆性能的最优控制。

2.丰田卡罗拉混合动力汽车介绍

丰田卡罗拉混合动力汽车采用丰田第二代混合动力系统，使用两种动力源（发动机和动力蓄电池），以利用各动力源的优势并弥补各自的劣势。丰田卡罗拉混合动力汽车高压部件主要有动力蓄电池、带转换器的逆变器总成、P410混合驱动桥、空调压缩机总成及电源电缆等，如图1-1-5所示。下面对丰田卡罗拉混合动力系统的主要组成部件进行简要介绍。

（1）阿特金森（Atkinson）循环发动机 丰田卡罗拉混合动力汽车采用8ZR-FXE发动机，该发动机是一款直列4缸、1.8L、16气门DOHC发动机，最大输出功率为73kW，最大输出转矩为142N·m。该发动机采用了电动水泵，提高了暖机性能并减少了冷却损失。

发动机工作循环为具有高膨胀比的阿特金森循环，从而提高了发动机效率。阿特金森循环比传统奥托（Otto）循环多了一个回流过程，包括进气、回流、压缩、做功和排气五个过程。在阿特金森循环中，进气门开启的时间延长到压缩行程开始之后，使气缸中一部分混合气在活塞开始上升时被压回到进气管中，也就是延迟了实际压缩行程开始的时间，其结果是提高了膨胀比，提高了发动机的能量转换效率。另外，进气门晚关使实际压缩比降低，所以气缸内燃烧温度降低，有利于改善NOx排放性能。丰田阿特金森循环发动机外观如图1-1-6所示。

（2）P410混合驱动桥 卡罗拉混合动力汽车的动力分配装置为P410混合驱动桥总成，如图1-1-7所示。P410混合驱动桥为电子控制连续可变型变速器，由电机1（MG1）、电机2（MG2）、动力分配行星齿轮机构和电机减速行星齿轮机构等组成。MG1主要用于起动发动机和发电，MG2主要用于驱动车轮和发电（制动和减速时），MG2最大输出功率为53kW。混合驱动桥将发动机和电动机的力矩分配给驱动轮或发电机，通过选择性控制驱动电机和发动机的转速，模拟变速器传动比的连续变化，工作起来像普通的无级变速器一样。

（3）动力蓄电池 动力蓄电池位于行李箱内后排座位下，如图1-1-8所示。动力蓄电池为金属氢化物镍蓄电池，由28个单独的蓄电池模块组成，每个蓄电池模块均由6个单体蓄电池组成，共168个单体蓄电池，每个单体蓄电池标称电压为1.2V，因此，动力蓄电池标称电压为201.6V。在重复的充放电过程中，动力蓄电池会产生热量，为了保证动力蓄电池良好的工作性能，专门为动力蓄电池提供了一套冷却系统——风冷系统。

（4）逆变器总成 卡罗拉混合动力汽车采用将MGECU、逆变器、增压转换器和DC/DC变换器集成于一体的结构紧凑、轻量化的逆变器总成。逆变器总成外观如图1-1-9所示，上层为增压转换器和逆变器，下层为DC/DC变换器。

如图1-1-10所示，带转换器的逆变器总成内的增压转换器将动力蓄电池的201.6V直流电升高至650V送给逆变器，逆变器将650V高压直流电转为三相交流电驱动电机工作；或者逆变器将电机发出的三相交流电转为650V直流电送给增压转换器，增压转换器将650V高压直流电降压至201.6V给动力蓄电池充电。DC/DC变换器将动力蓄电池的201.6V直流电转换为直流14V，给辅助蓄电池充电。MGECU与混合动力车辆ECU等控制单元通信，控制增压转换器、逆变器以及MG1和MG2的工作。

带转换器的逆变器总成采用了独立于发动机冷却系统的水冷系统，对逆变器和混合驱动桥进行冷却，如图1-1-11所示。

（5）混合动力车辆ECU 混合动力车辆ECU总成对混合动力系统进行综合控制。它接收来自各种传感器和ECU（发动机控制模块、MGECU、蓄电池控制单元和防滑控制ECU）的信息，并据此计算所需转矩及输出功率，然后将计算结果传输至发动机控制模块（ECM）、MGECU和防滑控制ECU。

（6）电子换档系统 电子换档系统使用线控技术，根据各种传感器、开关和ECU提供的信息判断车辆状态，并根据驾驶人对变速器地板式换档总成和P位置开关（变速器换档主开关）的操作激活适当的换档控制。结构紧凑的变速器地板式换档总成如图1-1-12所示，此总成为瞬时换档型，换档后驾驶人的手松开变速杆时，变速杆会返回原始位置，用指尖就可以换档。

变速器地板式换档总成中的变速杆位置传感器检测变速杆位置（R、N、D或S）并发送信号至混合动力车辆ECU总成。混合动力车辆ECU总成控制发动机、MG1和MG2的运转，以产生最佳传动比。在S位时，也可以操作转向柱上的换档拨片进行换档。驾驶人按下P位置开关时，混合动力车辆ECU控制混合驱动桥总成内的换档控制执行器总成以机械锁止驻车档齿轮。

（7）电子控制制动系统 卡罗拉混合动力汽车的制动系统与常规制动系统不同，它由液压制动助力器、制动执行器和制动助力泵组成，如图1-1-13所示。正常制动期间，液压制动助力器产生的液压并不直接驱动轮缸，而是用作液压信号，通过调节制动助力泵总成的液压获得实际控制压力，从而驱动轮缸。防滑控制ECU检测到系统有故障时，通过液压制动助力器增压施加制动，确保制动力。

该制动系统配备了带电子制动力分配（EBD）的防抱死制动系统（ABS）、制动辅助系统（BAS）、牵引力控制（TRC）系统、车辆稳定性控制（VSC）系统和上坡辅助控制（HAC）系统，防滑控制ECU与混合动力车辆ECU和动力转向系统ECU实时通信，采用再生制动协同控制，提高再生制动系统的效率，将车辆制动时的能量回收。

（8）电动压缩机 传统空调系统的压缩机由发动机通过传动带驱动，而卡罗拉混合动力汽车的空调压缩机由电动机驱动，如图1-1-14所示。

（9）组合仪表 卡罗拉混合动力汽车的组合仪表如图1-1-15所示，组合仪表内置ECU和蜂鸣器，主要包括混合动力系统指示仪、变速杆位置指示器、多信息显示屏、车速表、燃油存量表以及READY指示灯、主警告灯等。其中，READY指示灯点亮，表示车辆已准备就绪，可以驾驶。当混合动力控制系统出现故障时，主警告灯点亮。系统正常情况下，打开电源开关，车辆自检完成后，主警告灯应自动熄灭。

混合动力系统指示仪显示混合动力系统的输出功率，混合动力系统的输出功率是动力蓄电池和发动机输出功率的总和。混合动力系统指示仪的表盘分为三个区域，分别是充电区域、经济区域（包括混合动力经济区域）、动力区域，如图1-1-16所示。指针在充电区时，表示车辆正在回收能量；指针在混合动力经济区时，表示车辆仅以提高电动机工作频率的方式行驶；指针在经济区时，表示车辆正在以经济方式行驶；指针在动力区时，表示车辆在以动力方式行驶。

组合仪表上的多信息显示屏可以显示行车信息，主要有瞬间油耗、续驶里程、平均车速、能量监视器等；还可以显示故障信息；也可以进入设定菜单完成相应设置。能量监视器显示界面如图1-1-17所示，当前界面显示为发动机工作，既驱动车辆行驶，又给动力蓄电池充电。

（10）驾驶模式选择 卡罗拉混合动力汽车有三种驾驶模式可以选择，分别是纯电驱动（EV）模式、经济（ECO）模式、动力（PWR）模式，如图1-1-18所示。

按下纯电驱动模式选择按钮，如果满足规定条件，则系统进入纯电驱动模式，组合仪表多信息显示屏上显示EVMODE；按下经济模式选择按钮，系统进入经济模式，混合动力车辆ECU减少对加速踏板操作的反应以支持经济型驱动，同时组合仪表多信息显示屏上显示ECOMODE；按下动力模式选择按钮，系统进入动力模式，混合动力车辆ECU优化控制驱动转矩，获得与驾驶人操作加速踏板相匹配的动力，同时组合仪表多信息显示屏上显示PWRMODE。

拓展阅读

1.1.4 混合动力汽车按混合度分类

根据电动机的输出功率在整个系统输出功率中所占比重，混合动力系统可以分为以下五类：微混合动力（也称弱混合动力）、轻度混合动力、中度混合动力、重度混合动力（也称全混合动力、强混合动力）、插电式混合动力（Plug-in Hybrid）。混合度不同，功能要求也有差别，见表1-1-1。混合度指的是电系统功率Pelec占动力源总功率Ptotal的百分比，即

1.微混合动力系统

这种混合动力系统对传统发动机的起动机进行了改造，形成由带传动的发电起动一体式电机（Belt driven Starter Generator，BSG）。该电机用来控制发动机快速起停，因此可以取消发动机的怠速过程，降低了油耗和排放。微混合动力系统搭载的电机功率比较小，仅靠电机无法使车辆起步，起步过程仍需要发动机介入，是一种初级的混合动力系统。在微混合动力系统中，电机的电压通常有两种：12V和42V，其中42V主要用于柴油混合动力系统。在城市循环工况下节油率一般在5%～10%。

2.轻度混合动力系统

该混合动力系统采用了集成起动电机（Integrated Starter Generator，ISG）。与微混合动力系统相比，轻度混合动力系统除了能够实现用电机控制发动机的起停外，还能够在车辆制动和下坡工况下，对部分能量进行回收；在行驶过程中，发动机的动力可以在车轮的驱动需求和发电机发电需求之间进行调节。轻度混合动力系统的混合度一般在20%以下，代表车型是通用的混合动力皮卡车。

3.中度混合动力系统

该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统的不同之处在于，中度混合动力系统采用的是高压电机，在汽车加速或者大负荷工况时，电机能够辅助发动机驱动车辆，补充发动机本身动力输出的不足，提高整车性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30%左右，在城市循环工况下节油率可以达到20%～30%，目前技术比较成熟，应用广泛。本田旗下的Insight、Accord和Civic混合动力汽车都属于这类系统。

4.重度混合动力系统

重度混合动力系统采用了272～650V的高压电机，混合度可以达到50%以上，在城市循环工况下节油率可以达到30%～50%。其特点是动力系统以发动机为基础动力源，动力蓄电池为辅助动力源。采用的电机功率更大，完全可以满足车辆在起步和低速时的动力要求。因此重度混合动力汽车无论是在起步还是低速行驶状态下都不需要起动发动机，可以完全依靠电机行驶，在低速时就像一款纯电动汽车。在急加速和爬坡运行工况下车辆需要较大的驱动力时，电机和发动机同时对车辆提供动力。随着电机、电池技术的进步，重度混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。

5.插电式混合动力系统

插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）是可以利用电网对动力蓄电池充电的混合动力汽车，可以使用纯电模式驱动车辆行驶，且纯电动行驶里程较长；电能不足时，车辆仍然可以重度混合模式行驶。一般插电式混合动力轿车都有车载充电机，可以使用家用电源为动力蓄电池充电；而插电式混合动力公交车由于行驶路线固定，通常利用外接充电机充电。插电式混合动力系统的电机功率比纯电动汽车用的电机稍小，动力蓄电池的容量介于重度混合动力汽车和纯电动汽车之间。由于具有能利用夜间用电低谷对动力蓄电池充电、降低排放等优势，插电式混合动力汽车已成为主流发展方向之一。

实践技能

1.1.5 卡罗拉混合动力汽车结构认知

下面以丰田卡罗拉混合动力汽车为例，认知混合动力汽车主要结构部件。

1.车辆准备

准备卡罗拉混合动力汽车一辆，如图1-1-19所示。这是一款油电混合动力汽车，采用丰田第二代混合动力系统。这款混合动力汽车使用两种动力源，一种是发动机，一种是动力蓄电池。

2.实践操作

（1）找到车辆铭牌 车辆铭牌在右侧B柱下面，如图1-1-20所示。

（2）找到发动机 发动机安装在发动机室左侧，如图1-1-21所示。这是一款直列4缸、1.8L、16气门的双顶置凸轮轴发动机。该发动机配备了电动水泵以提高暖机性能并减少冷却损失。

（3）找到带转换器的逆变器总成 带转换器的逆变器总成和逆变器冷却液储液罐布置在发动机室右侧，如图1-1-22所示。

逆变器与动力蓄电池、电动压缩机、MG1、MG2连接的高压插接器及线束如图1-1-23所示。

DC/DC变换器输出14V正极线束如图1-1-24所示，经端子盒内125A的熔体后，通过AMD端子连接到辅助蓄电池正极，给辅助蓄电池充电，同时也给车辆用电器供电。

（4）找到动力蓄电池和辅助蓄电池 卡罗拉混合动力汽车有两个蓄电池，这两个蓄电池都在车辆后部的行李箱内，一个是为车辆低压电气部件供电的辅助蓄电池，一个是存储电能来驱动车辆的动力蓄电池，如图1-1-25所示。

发动机室内的跨接起动端子正极、端子负极如图1-1-26所示。

（5）找到P410混合驱动桥P410混合驱动桥安装在发动机室右侧下部，如图1-1-27所示。

（6）找到电动压缩机 卡罗拉混合动力汽车采用电动压缩机，安装位置在发动机室左侧下部，如图1-1-27所示。

（7）找到制动系统部件 卡罗拉混合动力汽车采用电子控制制动系统，没有常规的制动助力器部分，而是由液压制动助力器、制动执行器和制动助力泵组成。其中，制动主缸储液罐、制动助力泵总成、带主缸的制动助力器总成（主要包括制动执行器和防滑控制ECU）如图1-1-28所示。

（8）找到组合仪表 卡罗拉混合动力汽车的组合仪表主要包括混合动力系统指示仪、车速表、多信息显示屏、故障灯、警告灯及指示灯等，如图1-1-29所示。

（9）找到电源开关、变速杆、驾驶模式选择按钮及P位置开关 卡罗拉混合动力汽车配备一键起动系统、电子换档系统，并提供三种驾驶模式，电源开关、变速杆、驾驶模式选择按钮及P位置开关如图1-1-30所示。

单元小结

1.混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指由两种或两种以上不同类型的动力源作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的汽车。

2.插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）是可以利用电网对动力蓄电池充电的混合动力汽车，可以使用纯电模式驱动车辆行驶，且纯电动行驶里程较长；电能不足时，车辆仍然可以重度混合模式行驶。

3.丰田卡罗拉混合动力汽车高压部件主要有动力蓄电池、带转换器的逆变器总成、P410混合驱动桥、电动空调压缩机及高压线束等。

4.P410混合驱动桥由MG1、MG2、动力分配行星齿轮机构和电机减速行星齿轮机构等组成，MG1主要用于起动发动机和发电，MG2主要用于发电和驱动车轮。