2.2　油电混合动力汽车构型方案与特点

尽管纯电动汽车是理想的交通工具，但是纯电动汽车的能量源——电池，具有比质量大、比价格高的缺点。电池的成本、寿命和质量限制了电动汽车的发展。车载动力电池用量依续驶里程而定。然而，电池的质量会导致汽车整车质量增加，汽车自重增大又需要增加电池用量，而电池过重又会造成电动汽车性价比的恶性循环，这限制了纯电动汽车的普及。目前，最为实用的新能源汽车是混合动力汽车。通常所说的HEV就是其中最为常见的油电混合动力汽车。

日本、美国、欧洲各大汽车公司自20世纪90年代就纷纷开始研制混合动力汽车。日本丰田公司率先于1997年12月将混合动力型轿车Prius投放该国市场，2000年初又开始在北美市场销售，并将月产量由1000辆增加到了2000辆，Prius轿车在三年内累计销售了4.5万辆，产品出现了供不应求的局面。丰田公司的这一成功引起了全球汽车厂商的关注，各大汽车厂商也不甘示弱，纷纷出资研发混合动力汽车。丰田公司董事长（社长）奥田宣称，该公司未来所有的汽车均将采用混合动力技术，丰田公司的产品专家也称混合动力技术并非权宜之计，其技术寿命将与传统内燃机一样长。国内外汽车专家普遍看好混合动力技术的前途，由此可见混合动力汽车已经得到了广泛认可。在日本，倾心于混合动力技术的不止丰田一家汽车厂商。本田、日产等大公司也都研制了自己的混合动力汽车，并取得了骄人的成绩，其中本田公司已投产的混合动力汽车Insight，被美国环保总署评为2001年美国十大节能汽车的第一名，第二名则为丰田公司的Prius混合动力汽车。

在2014年北京国际车展上，宾利公司公开了一款混合动力概念车Hybrid Concept，该车是宾利公司第一款混合动力车型。宾利公司将于2017年推出搭载插电式混合动力系统的SUV车型，到2019年底，将有超过90％的在产车型提供插电式混合动力版本。参加2014北京车展的混合动力汽车还有比亚迪的“唐”、上汽荣威550、大众XL1和高尔夫GTE、三菱XR-PHEV和GC-PHEV等。以生产跑车而闻名的保时捷也显示出了对混合动力汽车的兴趣，保时捷Panamera S E_Hybrid混合动力汽车也已经上市。

目前，已有多款国产混合动力汽车研制成功。于2010年3月上市的比亚迪F3DM双模电动汽车，可在纯电动和混合动力两种模式之间自由切换，输出功率达到了125kW，其发动机排量为998m L。吉利MR7100BH4混合动力汽车采用排量为997m L的发动机，电池总容量为52.5A·h，最高车速达150km/h。一汽奔腾B70HEV采用发动机、储能装置和电动机作为混合动力源，采取适当的控制策略，使发动机工作在高效率、低排放区域，其油耗达到了6.0L/100km，相比同类传统内燃机汽车节油42.8％。

混合动力汽车所具有的特点可以总结为以下几点。

①能量转换效率高。与传统内燃机汽车相比，由于具有多种动力源，混合动力汽车的能量转换效率明显优于传统汽车。例如新型的混合动力电动汽车Prius在动力性上完全能够和同级别汽油机轿车相媲美的情况下，百公里油耗要比同类车低一半。

②噪声低。由于混合动力汽车在某些情况下可以使用储存的电能作为动力来源，此时汽车如纯电动汽车一样运行，避免了发动机与部分机械传动噪声；汽车运行平稳，振动小，更加安静。在启动发动机的过程中，通过合理的控制策略能够实现发动机的平稳启动。

③动力源功率要求低。由于混合动力汽车具有多个动力源，各动力源能够同时驱动汽车，所以在同等动力性要求下，混合动力汽车各动力源的功率要求要小于传统汽车。其明显优势就是能够减小发动机尺寸、提高发动机运行时的负荷率。

④有利于减少“热岛效应”。“热岛效应”是指一个地区的气温高于周围地区的现象。内燃机中燃烧后释放的气体温度要远远高于周围大气的温度，排出废气散发的热量将使周围大气温度升高，从而加剧了大中城市的“热岛效应”；而混合动力汽车的热效率较传统内燃机车要高许多，排放少，因此有利于降低城市中的“热岛效应”，提高城市环境质量。

⑤有助于环境保护。由于混合动力汽车有多种动力源，在市区内可以仅使用储存的电能实现零排放，即便使用汽油或柴油等燃油，其有害物质排放也要比传统内燃机汽车低。因此，对环境保护起到一定积极作用。

⑥可回收部分制动能量。对混合动力汽车来说，可通过控制策略利用再生工作模式收集汽车在减速、下坡或制动时的动能，将其储存起来，并在必要时用来驱动汽车，从而增加汽车的续驶里程、提高经济性。

⑦有效改善汽车依赖能源的单一性。混合动力汽车可以使用两种或两种以上的能源，并且可通过再生制动回收汽车的惯性能，改善了能量来源结构。

混合动力汽车有不同的分类方法，按照电能与传统能量在运行过程中所占比例，可分为弱混合、中混合和重混合动力汽车；而从整车动力系统的结构不同进行分类，又可分为串联式、并联式、混联式混合动力汽车。

2.2.1　串联式

串联混合方式是混合动力汽车的一种基本构型，其驱动系统之间是通过能源联合，而非机械动能的联合，其特点可描述如下。

①驱动轮只由电动机驱动，发动机与驱动轮之间无直接的机械连接。

②是一种能源的混合。

③汽车上具有两个或两个以上的能量源。

（1）结构特点

串联式混合动力汽车由发动机、发电机和电动机三大主要部件组成。这三个动力源通过串联的方式连接在一起，其结构原理如图2-11所示。发动机仅用于驱动发电机发电，并不直接驱动汽车。发电机所发出的电能供给电动机来驱动整车行驶或者存储于动力电池中。驱动系统中只有一种能量传输路线。

发动机和发电机组成一个能量转化系统，将化学能转化为电动机需要的电能。当发动机输出的功率超过汽车行驶所需要的功率时，多余的能量被用来向动力电池充电。必要时使用动力电池向电动机供电，驱动汽车行驶。在串联式混合动力汽车中，只有电动机直接与驱动轴机械连接，而发动机与驱动轴之间无直接的机械相连，电动机直接驱动是唯一的驱动模式。这就使发动机从路面负荷中解耦出来，能够在很大程度上减少发动机工作区间的变换频率，使控制发动机的工作状态变得相对容易，发动机可以经常保持在稳定、高效、低污染的工作区间。但是，发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，经过两次能量转换，中间伴随着能量的损失，其能量利用率偏低。

由于断开了主动力源与驱动系统的机械连接，主动力源的工作状态与整车的速度和加速度之间已无直接的关系。这带来的结果：首先，热机不再仅仅局限采用传统的往复活塞式内燃机，在这里可以选择燃气轮机或斯特林发动机（热气机）等；其次，热机的工作范围可以自由选定，而不再需要考虑提供宽广的工作区。串联式混合动力汽车适用于市内常见的频繁起步、加速、怠速和低速运行工况。但它的三个动力总成（发动机、发电机、电动机）会使系统总布置困难并令成本增加。因此，一般只有在两种情况下才会选用串联式混合动力传动系统布置方案：用于驱动汽车的能量绝大部分来源于动力电池，发动机仅用于增加电动车辆的续驶里程；发电机和电动机的综合效率达到或超过传统车辆动力传动系统的水平。

串联式系统各动力源的功率较大、外形大、质量也很大，不适合在中小型汽车上使用，主要用于城市大客车。

串联式混合动力汽车的结构特点，决定了此种构型驱动系统具有以下几种驱动模式。

①纯电动模式　这里所说的纯电动模式是指发动机不启动。在车辆负荷较小、电池电量充足的情况下，动力电池单独向电动机供电以驱动车辆行驶，此时实现了零排放。其能量流动如图2-12所示。

②串联驱动模式　车辆负荷较大，但是车辆所需的驱动功率又不超过发动机的最大功率时，此时由发动机带动发电机发电，将电能提供给电动机驱动车辆。由于发电机产生的电能直接流向电动机，所以这一传递路径的效率要高于经过电池再输入到电动机的效率。这一工作模式下的能量流动如图2-13所示。

③联合驱动模式　车辆在加速、爬坡、大负荷运行等工况下，发动机带动发电机产生的电能直接流向电动机，不经动力电池，同时动力电池也向电动机供电。此时，混合动力汽车的动力性达到最大。其能量流动如图2-14所示。

④制动能量回收模式　当汽车以较低车速减速或者制动时，汽车工作于制动能量回收模式。此时电动机工作于发电机模式，将汽车的动能转化为电能存储在动力电池中，以在必要时释放出来驱动汽车行驶。此种工作模式下的能量流动如图2-15所示。

（2）应用实例

串联式混合动力客车的特点在于发动机可以稳定地工作在某一理想区域，在动力性上与传统汽车相当，但在燃油经济性和排放性能方面则具有明显改善。2006年，由福田汽车公司与美国伊顿公司合作开发的串联混合动力客车产品，在北京城市车辆展示会上亮相，该车能够满足欧Ⅴ排放标准，获得了“混合动力推荐车型奖”。由天津清源电动车辆有限责任公司研发的混合动力客车，采用串联全混合驱动方式，系统中的辅助动力单元采用了双变量可控主动控制负荷输出方式，有效避免了系统动力部件启动和负载变化过程中的动力冲击。图2-16所示为中通客车公司研发的串联混合动力客车，该车是“十五”期间国家“863”计划取得的成果，比常规车型节能30％，排放指标达到欧Ⅳ排放标准，在纯电动行驶的情况下，能达到零排放。

由于城市私家车数量太多，造成了交通拥堵并且排放的尾气严重污染大气，所以人们普遍提倡公交车，倡导绿色出行。而大型客车、公交车排量较大，排放的尾气较多，会严重污染城市空气，世界各国政府都致力于严格限制客车排放，努力发展新型客车。国外对混合动力公交客车的研究已经有很长的时间，国外众多汽车厂商已经积累了很多成功经验。由柴油发动机、发电机、镍氢电池组和交流感应电机组成的串联混合动力系统，是目前串联混合动力城市客车普遍采取的方案。最为典型的是在纽约投入示范运行的Orion BusⅥ客车、Nova Bus客车和AVSHybrid BUS客车。

图2-17所示为LMCS（Lockheed Martin Control Systems）公司和Orion Bus Industry公司联合开发的Orion-LMCSBusⅥ型低地板混合动力客车，该样车已在纽约地区完成示范运行。图2-17中，A为控制系统（PCS），采集驾驶员输入和混合动力部件的数据，控制各部件的功率输出；B为发动机，在PCS控制下以几乎恒定的转速工作，驱动发电机；C为发电机，在PCS控制下对电池组和电动机提供电能。D为电池组，在PCS控制下接收储存发电机产生的以及再生制动回收的电能，并在加速或爬坡时将电能供给电动机；E为电动机，在PCS控制下输出转矩驱动车辆行驶，再生制动时作为发电机回收减速能量并对电池组进行充电。

2.2.2　并联式

并联式也是混合动力汽车的一种基本结构。与串联式混合动力汽车不同的是，串联式是基于能量源的联合，而并联驱动系统是基于汽车传动系统的联合，即动力源之间通过机械方式联合，可以使用单一或者同时使用各动力源驱动汽车行驶。这一构型具有以下特点。

①是基于动力传动系统的混合。

②整车可以由两个或者更多的动力源共同驱动。

③每个传动系统必须至少有一个动力源，并可以单独驱动汽车行驶。

（1）结构特点

并联式混合动力驱动系统中，发动机和电动机通过动力耦合装置同时与驱动轴连接，按照动力源之间的连接关系不同分类，并联式混合动力汽车构型可以分为驱动力结合式、单轴转矩结合式、双轴转矩结合式和转速结合式等几种，这几种构型的结构如图2-18所示。发动机与电动机相互独立，车辆既可以单独由一种动力源驱动行驶，也可以由两者共同驱动行驶。并联式混合动力系统中的电动机用来平衡发动机所受载荷，以使其工作于高效率区间，系统中采用的发动机和电动机的功率一般较小。当汽车需求的驱动转矩较小时，如低速低负荷行驶，此时如果启动发动机，其负荷率较低，燃油经济性会比较差，此时即可以关闭发动机，只使用电动机来驱动汽车行驶。或者电动机作为发电机工作，以提高发动机负荷率，使发动机工作在高效率区间，同时给动力电池充电以备后用。并联式混合动力汽车的发动机直接与驱动轴相连，能量利用效率较高。但是，当汽车行驶工况复杂时，发动机就会较多地运行在不良工况下，燃油经济性和排放性能便会下降。

并联式结构具有以下明显优点。

①电池组容量相对较低，动力电池的质量和成本也就相应比较低。

②通过优化控制策略，可使内燃机以机械方式直接驱动车辆，这一传递路径减少了能量多次转换所造成的损失，使整车效率得到提高。

③当车辆所需功率较大，内燃机工作状况恶化时，由动力电池及电动机通过向车辆提供瞬时大功率来避免发动机工作区域的大幅变化，使发动机稳定工作于经济区域。

与串联式相比，在并联式结构中发动机的工况变化较大，所以并联式的排放较串联式要差。与串联式混合动力汽车不同，并联式混合动力汽车具有两套驱动系统，两者既可以分别单独驱动车辆，又可以联合驱动车辆。车辆由不同的系统驱动时，具有不同的工作效率区间。并联式混合动力汽车的工作模式及能量流动有多种不同形式，其工作模式可以分为以下几种。

①纯电动模式　当车辆起步或者低速行驶时关闭发动机，此时用动态特性好的电动机单独驱动汽车，能够使发动机避开低效、高排放量的工作区，因而可使整车燃油经济性得到提高并降低排放量。纯电动工作模式下能量流如图2-19所示。

②发动机单独驱动模式　当车辆以高速平稳运行时，或者行驶在城市郊区等排放要求不高的地方，可由发动机单独工作驱动车辆。在这种工作模式下，发动机工作在高效区，燃油经济性好，发动机直接驱动汽车行驶，传动效率高。此时的能量流如图2-20所示。

③联合驱动模式　车辆急加速或者爬坡时对动力性要求较高，此时发动机和电动机均处于工作状态，电动机作为辅助动力源协助发动机，提供车辆急加速或者爬坡时所需的功率。这种情况下，汽车的动力性处于最佳状态。此时的能量流如图2-21所示。

④制动能量回收模式　当汽车减速或者制动时，利用电动机反拖作用不仅可以有效地辅助制动，又可以使电动机以发电机模式工作发电，然后给动力电池充电，将回收的制动能量存储在动力电池中，在必要时释放出驱动汽车行驶，使能量利用率提高，提高整车燃油经济性，降低排放。此种工作模式下的能量流如图2-22所示。

（2）应用实例

由国家“863”计划电动汽车重大专项资助，联合吉林大学、哈尔滨工业大学以及春兰研究所等单位的一汽集团项目“解放牌混合动力城市客车研究开发”完成了混合动力客车CA6110HEV的研发。其结构如图2-23所示，这是一种比较典型的双轴并联类型，其结构的主要特点是只有一个位于发动机之后的离合器，电机位于变速器之前。这种结构方案的优点是各总成集成难度较小，适合于早期的混合动力汽车研发。

清华汽车工程开发研究院在沈阳金杯客车制造有限公司原SY6480客车的基础上开发研制了SY6480并联混合动力客车，如图2-24所示。该混合动力汽车采用的是并联式单轴结构，即在原车的基础上，加上一套电气设备。该电气设备包括一个电机和动力电池。SY6480并联混合动力客车的百公里排放等价物达到欧Ⅱ标准的当量限制要求，在保证整车动力性能指标不低于原SY6480客车水平的情况下，该并联混合动力客车在城市工况下的油耗比改装前的原SY6480客车降低30％，在城际工况下降低15％，在排放方面也取得了良好效果。

2.2.3　混联式

混联式混合动力汽车可以在不同的负荷条件下以串联式、并联式或者两者相结合的形式工作，它可以同时利用这两种驱动形式的优点。混联式混合动力汽车由于具备最大限度地提高汽车的燃油经济性的潜能，而成为目前的研究热点，本小节将首先介绍混联式混合动力汽车的结构特点，然后以最为成功的丰田Prius车型为代表介绍其构型演变，使读者对混联式混合动力汽车有进一步的认识。

（1）结构特点

混联式混合动力汽车综合了串联式与并联式两种驱动形式的优点，其三个动力源之间具有更多的动力匹配方式，车辆具有多种工作模式，从而保证了混合动力系统在复杂工况下仍能实现最佳动力匹配，进而达到最大限度节能减排的目的。混联式混合动力汽车一般是通过行星齿轮组结构进行多动力源耦合，其结构如图2-25所示。三个动力源分别连接在行星齿轮组的太阳轮、行星架和齿圈上。这种结构比较复杂，控制难度较大，但是这一构型可以充分发挥各动力源的长处，扬长避短，从而达到比较好的控制效果，是当前研究的热点构型。

混联式混合动力汽车同时具有串联式混合动力结构工作平稳和并联式混合动力结构各动力源功率需求小的优点。与串联式相比，混联式增加了机械路径的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传递路径。混联式混合动力总成结构利用行星齿轮组作为动力耦合结构，对控制策略的要求比较苛刻，解决此难题后，混联式混合动力汽车将比其他两种动力耦合形式更有实用价值。

近年来，各大汽车公司推出的混合动力汽车也以混联式混合动力汽车为主。当前公认的最为成功的就是丰田Prius。丰田公司的第一代Prius汽车在1997年12月开始销售，2003年丰田公司又推出了第二代Prius汽车，2005年推出了第三代Prius。在这不断更新的过程中，主要的改动集中在发动机和电力驱动系统，其动力耦合系统则仍采用经典的THS系统结构。

（2）应用实例

丰田公司于2000年10月17日获得了发明专利《Power output apparatus and method of controlling the same》的授权，公开了第一、第二代的Prius所使用的THS的构型，其结构简图如图2-26所示。丰田公司于1999年发表了题为《HYBRID VEHICLE DRIVE SYSTEM HAVING TWO MOTOR/GENERATOR UNITS AND ENGINE STARTING MEANS》的专利，提出了THS结构，其结构如图2-27所示。此构型是Prius第三代的构型，与第一、第二代的不同之处在于齿圈和驱动桥的连接方式。第一代和第二代Prius的传动系统采用的是四轴结构，发动机、扭转减振器、动力分流装置、电动机/发电机MG1和电动机/发电机MG2布置在第1轴上，第1、第2轴之间通过传动链连接，第2、第3轴之间为中间齿轮，第3、第4轴之间为主减速器齿轮。动力分流装置为行星齿轮机构。发动机与行星架相连，电动机/发电机MG1与太阳轮相连，电动机/发电机MG2与齿圈相连。动力分流装置将发动机的动力分配给MG1和MG2。MG2通过传动链、中间齿轮和主减速器齿轮减速之后驱动车轮。第三代Prius的传动系统采用了三轴结构。为实现MG2小型轻量化和使系统更加紧凑，三轴结构采用行星齿轮机构作为MG2的减速机构，取代了原结构中的传动链和中间齿轮，提升了电动机/发电机MG2的转矩输出能力。

丰田公司于2000年又发明了专利CN1336879A，提出了一种带离合器单行星排的动力输出装置，其构型如图2-28所示。其中发动机、电动机/发电机MG1、电动机/发电机MG2和驱动桥分别连接于行星排的行星架、太阳轮和齿圈，在行星排与电动机/发电机MG2之间设置一个离合器，以便两者可以分离和结合。设置一个制动器，以便当离合器分离时锁止齿圈，借此当离合器结合时实现并联混合车辆的模式，而当离合器分离而齿圈被制动器固定时实现串联混合车辆的模式，而且根据车辆的行驶状态来切换这些模式，可以发挥每种模式的优点行驶。该种构型和上一个构型非常类似，都是单行星排双电机结构，区别之处只是该构型的驱动电机和行星排之间增加了一个离合器，这样就可以实现两种模式，比上一种构型多了一个模式。

2001年丰田公司在THS的基础上又推出THS-C系统，THS-C就是将丰田混合动力系统（THS）与无级变速器（CVT）组合而成的混合动力驱动系统。其构型简图如图2-29所示。

此处的THS-C构型方式已与Prius里的THS构型有所不同，发动机是与太阳轮相连，发电机与行星架相连，齿圈处接有一个制动器，齿圈和行星架分别通过离合器C2、C1与CVT相连，CVT将动力输出给驱动桥。并且，此处的行星轮为复合式的，它们共用一个行星架。

THS-C系统主要应用于Estima（大霸王）和Alphard（埃尔法）这两款轻型车上，其中Estima已于2001年6月下线，2003年秋丰田公司又在Estima基础上推出了Alpard。两者的动力总成基本相同，主要改进之处体现在控制和安全系统上。在Estima和Alphard车上，THS-C系统应用于前驱动单元，后驱动单元由一个单独的后电机来提供动力。其动力系统的总体构成如图2-30所示。

但是，THS-C系统存在诸多缺陷。一方面，该系统多数时候相当于并联构型，由前轴的THS-C系统与后轴的驱动电机一起驱动车辆，这样很难保证动力电池的SOC平衡，存在动力电池充电不足时便无法使用后电机驱动的问题。另一方面，THS-C系统既有THS系统又有CVT，机构十分复杂，成本高昂，这是限制其广泛应用的关键因素。另外，CVT的加入导致系统中需要一个电机来驱动CVT的液压泵，这些因素都导致了系统结构十分繁杂。因此，THS-C的整体效果并不非常理想，在2006年1月，Estima混合动力版重新改型，不再采用THS-C系统，而是直接采用THS Ⅱ结构。在THS Ⅱ中，由于电机与发电机各自独立，因此在行驶过程中随时可以使用电机提供驱动力，如果动力电池电力不足，发电机可立即进行充电，提高了燃油经济性。实验表明，采用THS Ⅱ结构的Estima在10-15 （日本标准）工况下的油耗为5L/100km，而采用THS-C系统的Estima的油耗为5.38L/100km，新版油耗降低了7.6％。

丰田公司于2005年发明了专利CN1819934A，描述了一种混合动力车辆用动力输出装置，该装置是一种双行星排的构型，其构型如图2-31所示。其后行星排行星架锁止，驱动电机同后行星排太阳轮连接，后行星排在此提供一个减速比。

丰田公司于2007年推出的Lexus GS450h车型，其动力耦合机构使用了一种特殊的双行星排构型，属于丰田混合动力系统的第二代THSⅡ系统，又称为输入分配增扭型结构，其构型简图如图2-32所示。

从图2-32中可以看出，该构型前排是一个普通的行星排机构，而后排采用了拉维娜氏的行星排机构。这种行星齿轮机构又称为复合式行星齿轮机构，它可视为由两个普通的行星齿轮结合作为单排式的动力耦合装置。该行星排中包含两个太阳轮，即前太阳轮和后太阳轮，还包含一个公共的复合行星架，此复合行星架由两个半径不同的行星架组合而成，这两组行星架上的行星轮都能够绕行星架独立旋转，但只有一个固定速比，小行星架的内行星轮与前太阳轮相啮合，也只有一个固定速比。齿圈也同样与大行星架的外行星齿轮相啮合。显然，这种复合式的行星齿轮机构，能够看成共用一个行星架和一个齿圈的双行星齿轮。

2.2.4　小结

本节介绍了油电混合动力汽车的几种构型及其特点和应用实例，具体包括串联式、并联式和混联式油电混合动力汽车。每种构型都有其独特的优势，也都有其适宜的应用范围，但不可避免地有这样或那样的缺点。较传统汽车，这几种油电混合动力汽车都能够在不同程度上实现能量的高效利用，并同时对降低排放有着积极贡献。油电混合动力汽车凭借其综合优势而得到了广泛认可，是一种实用的新能源汽车。

串联式混合动力汽车虽具有整车底盘布置的自由度较大、动力总成控制简单等优点，但驱动系统中因存在能量二次转换导致总体效率较低。所以，在乘用型轿车中比较少见。并联式混合动力车型与串联式混合动力车型相比，具有能量利用率较高的优点，适合于行驶在城市间公路和高速公路等工况。但因为发动机与车轮之间仍为机械连接，所以在车辆低速工况下，发动机的工作效率受到了一定的限制。混联式混合动力车型虽然结构相对复杂，对整车结构设计、能量管理和系统控制提出了较高的要求，但可实现发动机转速与转矩的双解耦，可将发动机控制在最优工作区域内。随着电子控制等相关技术水平的不断提高，混联式混合动力汽车以其最佳的综合性能，终将成为混合动力汽车发展的方向。