第三节 混合动力电动汽车的结构原理

一、混合动力电动汽车概述

1．混合动力电动汽车的基本结构与主要优点

（1）混合动力汽车的基本结构 双轴并联混合动力汽车的基本结构包括发动机、电机、动力蓄电池、动力分配装置、变速器和主减速器等，如图1-12所示。

（2）混合动力汽车的主要优点

1）混合动力汽车只需采用能够满足汽车巡航所需要的比传统汽车功率较小的发动机，而由电能提供车辆加速与爬坡时所需的附加动力，故可大大提高发动机的负荷率，从而达到节油效果。

2）车辆具有电能辅助系统，故可控制发动机在较高效率与低污染工作范围内运行。即当发动机功率不足时，可由电能来补充；而发动机功率过剩时，其剩余功率可向电池充电存储起来。

3）基于同样的理由，可利用电机与电源系统非常方便地实现制动能量回收。即回收车辆制动与下坡时车辆的部分动能，给电池充电，从而也达到节油效果。

4）当车辆处于交通拥堵的繁华市区，需较长时间低速行驶或怠速运转与频繁起动的高油耗与高污染工况下，可关闭发动机，而由电机单独驱动，从而节约了发动机怠速油耗并实现了“零排放”。

基于上述优点，混合动力电动汽车相对传统汽车能够明显提高燃油经济性且明显降低排放，且特别适用于交通拥挤的大中城市。

2．混合动力系统中常用行星排的基本结构与原理

混合动力系统中常用行星排的基本原理详见图1-13及其注解。

二、各类混合动力电动汽车的结构原理与优缺点

1．串联式混合动力汽车

（1）结构原理和工作模式 串联式混合动力汽车结构原理如图1-14所示。

1）工作原理如下。

①串联式混合动力汽车由发动机、发电机、电机控制器、电机与动力蓄电池组成。它主用于城市公交汽车，节油率可达20%。

②发动机不直接驱动车辆的传动系统，而是先通过发动机将机械能转变为电能，然后通过电机驱动传动系统，故发动机、发电机、电机与传动系统构成“串联的动力流”。

③系统中同时有两个电源（发电机与动力蓄电池），两个电源均通过电机控制器以电方式实现动力耦合，并通过电机控制器串联于整个动力回路中。

2）工作模式，分为以下六种。

①纯电驱动模式：主要用于倒车与低速行驶。此时发动机关闭，全靠电池提供能源。

②纯发动机驱动模式：主要用于中、高速行驶工况。此时动力蓄电池既不提供能量，也不接受能量，全靠发动机驱动。

③混合驱动模式：主要用于加速与爬坡行驶工况。此时两种能源通过电机控制器实现耦合，同时输送到电机，驱动车辆行驶。

④制动回收模式：在车辆制动与下坡工况时，发动机关闭，电机变成了发电机，将来自车轮的动能部分转变为电能给电池充电。

⑤发动机单独驱动并给电池充电模式：主要用于车辆低负荷行驶且电池荷电状态（state of charge，SOC，又叫剩余电量）偏低的工况。

⑥电池充电模式：主要用于车辆静止且电池SOC偏低的工况，此时急需发动机充电。

（2）优缺点

1）优点如下。

①发动机与驱动轮无直接机械联系，故发动机可工作于其转矩与速度曲线图中的任意点上。因此可以根据车辆的驱动功率需求，通过特殊设计与控制技术来控制发动机总是工作在其最低油耗区域。

②由于电机本身具有非常适合于汽车牵引需求的“转矩与速度曲线”，这使得车辆的多档位变速器成为多余，故可以大为简化车辆驱动系统的结构。如果进而采用轮毂电机，还可以完全取消机械式差速器，实现两个后驱动轮的解耦。倘若在四轮驱动的车辆中全部采用轮毂电机驱动，便可完全实现四个车轮的独立控制，从而大大提高车辆的机动性并改善牵引性能。

③由于串联方式的发动机与驱动轮之间可以实现完全的机械解耦，故动力总成的控制策略变得十分简单。

2）缺点如下。

①发动机的动能经过发电与电动两次能量转换才到达驱动轮，导致能量损失大、转换效率低。

②采用发电机本身增加了车辆重量与成本。

③为保证车辆的加速与爬坡性能要求，采用电机直接驱动的方式，需要加大电机自身的体积与重量。

2．并联式混合动力汽车

（1）结构原理与工作模式 并联式混合动力汽车的结构原理如图1-15所示。

（2）优缺点

1）优点：并联方式应用较广，其中，采用带传动的发电起动一体式电机的节油率可达5%，采用集成起动电机的汽车可达15%，公交汽车可达25%～30%。

①发动机通过变速器直接驱动车辆，无能量转换，能量转换效率高。

②电机可以实现“一机两用”，且可以采用较小功率与体积的电机，成本低。

2）缺点如下。

①因发动机与驱动轮采用机械连接，其工作点不可能总是处于最佳区域，故其效率未能充分发挥。

②必须搭载变速器，且最好是自动变速器，故增加了质量与成本。

③其混合度较低，且不便于采用插电式混合动力。

3．混联式混合动力汽车

（1）工作结构 混联式混合动力汽车的结构原理详见图1-16及其注解。

（2）优缺点

1）优点：混联式兼备串联式和并联式两者的优点，故其应用前景越来越好。在阿特金森循环工况下，其节油率可高达40%以上。

2）缺点：结构复杂，成本高。在长距离高速行驶工况下，其节油效果不明显。

三、丰田普锐斯混合动力汽车的结构与工作模式

首款量产普锐斯混合动力汽车于1997年推向市场，当年销售约18000辆。至10年后的2007年，累计销售量突破100万辆，2011年突破300万辆。普锐斯最新产品目前已经开发至第五代，其节油率已经达到50%以上。其结构特点与工作模式分述如下。

1．普锐斯混合动力系统的基本特点

普锐斯混联式混合动力系统的结构及基本特点详见图1-17及其注解。

2．普锐斯混合动力系统三代产品的结构性能比较

普锐斯混合动力系统三代产品的结构性能比较详见图1-18及其注解。

3．普锐斯Ⅲ混合动力系统主要部件及其功能

普锐斯Ⅲ混合动力系统主要部件及其功能详见表1-2。

4．普锐斯Ⅲ混联式混合动力系统结构组成

普锐斯Ⅲ混联式混合动力系统结构组成详见图1-19及其注解。

5．普锐斯混联式混合动力系统的工作模式

普锐斯混联式混合动力系统的工作模式详见图1-20～图1-27及其注解。

（1）发动机停车起动模式 详见图1-20及其注解。

（2）停车充电模式 详见图1-21及其注解。

（3）起步和低负荷模式1（SOC正常）详见图1-22及其注解。

（4）起步和低负荷模式2（SOC低）详见图1-23及其注解。

（5）巡航模式 详见图1-24及其注解。

（6）加速模式 详见图1-25及其注解。

（7）制动能量回收模式 详见图1-26及其注解。

（8）倒车模式 详见图1-27及其注解。

四、本田IMA混合动力汽车的结构与工作原理

本田公司混合动力汽车的基本特点是采取并联式，且以发动机为主要动力，结构设计简单，布置紧凑，重量较小。1999年，本田第一代混合动力系统IMA（Integrated Motor Assist）搭载于思铂睿双门混合动力汽车在美国首推。第二代IMA搭载于思域于2003年问世。第三代IMA搭载于雅阁上。第四代IMA搭载于思域上。目前本田公司已拥有CR-Z、思域及思铂睿等多款混合动力车型，其已发展到第五代IMA。

1．本田IMA系统的结构组成

IMA系统组成包括发动机、电机、电池、控制器（PCU）、变速器与驱动轮，如图1-28所示。

2．本田IMA系统主要总成的结构性能特点

IMA混合动力系统总成包括发动机、智能动力单元（intelligent power unit，IPU）、电机以及无级变速器（continuously variable transmission，CVT）等，下面以第四代IMA系统为例，分别介绍其主要总成的结构性能特点。

（1）发动机的结构性能特点 本田IMA混合动力系统的超低油耗主要靠发动机贡献。IMA用发动机（图1-29）主要通过以下三项先进技术来降低油耗：可变气门正时与升程控制（Intelligent-Variable Valve Timing and Lift Electronic Control，i-VTEC）技术、智能双火花塞顺序点火（intelligent dual sequential ignition，i-DSI）技术以及可变气缸管理（Variable cylinder management，VCM）技术。1）可变气门正时与升程控制（i-VTEC）技术是利用进气凸轮轴上的主凸轮、次凸轮与中间凸轮及其相对应的三套摇臂机构组合控制同一气缸内的两个进气门的升程，并通过液压执行器来调节凸轮轴的相位，实现可变正时控制（VTC），实时获得最佳的配气相位。

①当发动机低速运转时，主进气门由主凸轮控制，开度增大且开启时间长；辅进气门由次凸轮控制，开度很小且开启时间短，因而使得燃烧室内产生涡流，从而提高燃烧效率。

②当发动机高速运转时，主、辅进气门由中间凸轮共同控制，增大了开度与开启时间，故能够获得足够的充气量来提高发动机功率。

2）智能双火花塞顺序点火（i-DSI）技术是在同一气缸内安装两个火花塞，分别设在进气门侧和排气门侧。其缩短了燃烧室内火焰传播的时间，实现了气缸全域范围内的急速燃烧，故使得大幅度提高压缩比成为可能。本田独有的双火花塞连续控制系统是根据发动机转速与负荷状况而实时控制的。①当发动机低速运转时，燃烧室内温度较低的进气门侧先点火，促进了燃烧并降低了油耗。②当发动机高速运转时，进气门侧和排气门侧同时点火，因而加快了燃烧速度，提高了功率。

3）可变气缸管理（VCM）技术，由于电机与发动机曲轴连接，故需要发动机在车辆减速时尽可能降低阻力，使得电机能够高效率地给电池充电。VCM可实现四气缸全部停缸，因而大大降低了气缸活塞运转时的阻力，使得再生制动系统能提高能量回收效率。VCM还能大大减小发动机起停时的冲击。

（2）电机的功能和结构特点 详见图1-30及其注解。

（3）无级变速器的功能和结构特点 详见图1-31及其注解。

（4）智能动力单元的功能和结构特点 详见图1-32及其注解。

3．本田IMA系统的工作过程

IMA混合动力系统的工作过程包括起步加速、急加速、低速巡航、轻加速或高速巡航、减速制动以及停车制动等工况。各个工况的具体描述如下。

（1）起步加速工况和急加速工况的基本情况

1）起步加速工况，如图1-33所示，此时发动机以低速配气正时运转，同时电机提供辅助动力，以达到快速加速起步与节油的双重要求。

2）急加速工况，如图1-34所示，此时发动机以高速配气正时运转，同时电池给电机供电，电机与发动机共同驱动车辆，以提高车辆加速性能。

（2）低速巡航工况和轻加速或高速巡航工况

1）低速巡航工况，如图1-35所示，此时发动机四个气缸的进排气门全部关闭，发动机停止工作。同时电机以纯电动方式驱动车辆行驶。

2）轻加速或高速巡航工况，如图1-36所示，此时发动机以低速配气正时运转，其工作效率较高，并单独驱动车辆（电机不工作）。

（3）减速制动工况和停车制动工况

1）减速制动工况，如图1-37所示，此时发动机停止工作，控制器控制电机在驱动轮驱动下以发电机方式工作，将车辆动能最大限度地转换成电能，并存储到电池包中。车辆制动时，制动踏板传感器给IPU发出一个信号，IPU控制制动主缸中的伺服单元，协调机械制动与电机能量回收之间的制动力，以达到最大程度的能量回收。

2）停车制动工况，如图1-38所示，此时发动机自动关闭，以减少燃料消耗与排放污染。而在制动踏板松开时，会自动起动发动机。

五、通用双模混合动力汽车的结构与工作原理

通用公司混合动力汽车的独特之处是采用电控自动变速技术（electric variable transmission，EVT）。通用公司20世纪60年代开发出输入分配式单模式EVT，2003年生产出输入分配模式加复合分配模式的双模式EVT，并搭载于公交车和SUV车型。

1．通用双模混合动力系统的基本特点

通用双模混合动力系统的示意图及结构特点详见图1-39及其注解。

通用双模混合动力系统的实物、模型如图1-40和图1-41所示。

2．通用双模混合动力系统的工作过程

通用双模混合动力系统的工作过程详见图1-42及其注解。

六、我国具有独立知识产权的双转子电机混合动力系统

2004年，我国研制出首辆双转子电机混合动力汽车样车，并获得国家发明专利授权。2010年《深度混合动力客车产业化和动力系统平台建设》被列入“十二五863计划重点项目”并实现小批量生产。双转子电机混合动力汽车的结构与工作原理分述如下。

1．双转子电机混合动力系统基本原理

双转子电机（Double Rotor Motor，DRM）是混合动力系统的核心，如图1-43所示。其功能是用作动力分配与动力耦合结构而形成混联式混合动力系统。

（1）DRM的基本组成 DRM由内转子、外转子和定子组成。内转子与发动机相连，外转子与车辆传动轴相连。DRM的内转子与外转子构成一个电机，称为内电机。外转子与定子构成另一个电机，称为外电机。DRM系两个电机的高度集成。

（2）DRM的结构与工作原理 在外转子上布置磁钢，在内转子与定子上设置绕组。内转子绕组通过集电环与外部电路连接。来自发动机的动力经内转子后分成两部分：一部分是发动机转矩通过内电机磁场作用在外转子上，再由外转子向传动轴直接输出机械动力；另一部分是利用内外转子的转速差，由内电机发电，经过电机控制器变频后送给外电机，再由外电机对其外转子提供一个附加电磁转矩，以增加车辆总驱动转矩。

（3）DRM的主要技术优势

1）具有无级自动变速功能，即当发动机转速高于传动轴转速时，内电机以发电机方式工作，外电机以电动机方式工作，DRM起到减速增矩的作用；当发动机转速低于传动轴转速时，内电机以电动机方式工作，外电机以发电机方式工作，DRM起到减矩增速的作用。

2）DRM成功实现了发动机与车轮之间的转速解耦，即解除了发动机与传动轴之间的机械连接。因而，可以通过控制内电机的转矩与转速来达到间接控制发动机转矩与转速的目的，使其处于高效率区间运行。

3）DRM具有其他各类混联动力系统的全部优点：它相当于将串联动力系统中的发动机的机壳与电机的转子连成一体而共同运转，在吸纳串联系统中发动机工作点控制灵活的同时，还可以减小电机的能量转换比率、提高系统效率，以及大幅度减小电机的功率、质量、体积与成本，并提高比功率。

2．双转子电机混合动力系统的结构方案

双转子电机混合动力系统的基本结构方案详见图1-44及其注解。

3．双转子电机混合动力系统的工作过程

双转子电机混合动力系统工作过程如图1-45～图1-52所示。

（1）发动机停车起动模式与停车充电模式

1）发动机停车起动模式。车辆停车时，DRM外转子静止，电池驱动内电机以电动机方式工作，其动力流向如图1-45所示。要求内电机转矩大小能够将发动机拖动到怠速转速以上，使发动机起动。

2）停车充电模式。停车时，若电池SOC高于设定值，则发动机会关闭；如果SOC低于设定值，则发动机将带动内电机发电，并对电池充电，其动力流向如图1-46所示。

（2）起步和低负荷模式（SOC正常）以及起步和低负荷模式（SOC低）

1）起步和低负荷模式（SOC正常）。若电池SOC高于设定值，则发动机关闭，内电机不工作。由电池向外电机提供动力，驱动车辆，其动力流向如图1-47所示。

2）起步和低负荷模式（SOC低）。若SOC低于设定值，则发动机起动带动内电机发电，一部分电能给电池充电，另一部分电能经电机控制器变频后送给外电机也参与驱动车辆。其动力流向如图1-48所示。

（3）巡航运行模式

1）巡航运行模式1（ω₁＞ω₂）。当发动机转速高于传动轴转速时，内电机一方面向传动轴传递发动机转矩，一方面处于发电状态，电能经电机控制器送给外电机，外电机处于用电状态，同时也对传动轴施加转矩，DRM起到减速增矩的作用。其动力流向如图1-49a所示。

2）巡航运行模式2（ω₁＜ω₂）。当发动机转速低于传动轴转速时，内电机处于用电状态，以反向电机形式工作（试图阻止发动机运转，但同时也驱动外转子运转）。外电机处于发电状态（试图阻止传动轴运转），电能通过电机控制器输给内电机，DRM起到减矩增速作用。其动力流向如图1-49b所示。

（4）加速模式和能量回收模式

1）加速模式。车辆加速时，控制系统一方面提高发动机功率，另一方面电池也会对外电机提供额外电能。车辆运行状态的瞬间变化主要依靠电池供电来完成，而提高发动机功率应缓慢进行，以免造成发动机转速波动。其动力流向如图1-50所示。

2）能量回收模式。此时发动机停止运转，传动轴反向带动外电机以发电机形式工作，将车辆的动能转换为电能，向电池充电，以实现制动回收。其动力流向如图1-51所示。

（5）倒车模式 若电池SOC高于设定值，则发动机关闭，仅由电池驱动外电机反转驱动车辆倒车，其动力流向如图1-52所示。若电池SOC低于设定值，则发动机起动，驱动内电机发电，产生的电力驱动外电机反转驱动车辆倒车。