電動車普及的前奏 3種混合動力技術解析

　　【太平洋汽車網 技術頻道】電能作為未來汽車的動力之源，能實現高能效比及零排放，是一種相當理想的能源。但由于目前電池及電機技術的限制，使得純電動車在續航里程及維護成本上都比不上傳統的燃料汽車。再加上純電動車充電設施暫未完善，使得純電動車暫不能普及。汽車生產商為此推出了混合動力汽車。混合動力汽車一方面排放較低，而另一方面在續航里程上和傳統汽車無異。本文將為大家詳細剖析一下三種常見的混合動力技術。

● 混合動力汽車的定義：

　　混合動力汽車內部同時有傳統的燃油發動機和電動機，共同作為汽車的動力源供應。

● 混合動力系統動力總成結構的3種形式：

　　汽車混合動力系統動力總成結構主要有以下3種。

　　1.并聯式：發動機為主，電動機為輔，電動機一般無法單獨驅動汽車。系統輸出動力等于發動機與電動機輸出動力之和。代表車型有：本田CR-Z、別克君越eAssist。

　　2.混聯式：主要靠電機，發動機為輔助的，電動機和發動機都能單獨驅動汽車。由于系統中配置有獨立發電機，因而系統輸出的最大動力等于發動機、電動機以及充當電動機（部分情況）的發電機的輸出動力之和。混聯式系統結構復雜，但動力性能和燃油經濟型都相當出色。代表車型有：豐田普銳斯、豐田凱美瑞尊瑞、雷克薩斯CT200h、比亞迪F3DM。

　　3.串聯式：只靠發電機行駛的電氣汽車，配置的發動機輸出的動力僅用于推動發電機發電。系統輸出動力等于電動機輸出動力。雪佛蘭沃藍達的充電形式正是這種。

● 混合動力系統的另一種分類方法：

　　有時候我們會聽說到“輕型”或“重型”混合動力汽車。這是另一種分類方法，下面我來說明一下。

　　1.輕型混合動力：輕型混合動力汽車無法單獨使用電動機驅動車輛。別克君越eAssist就是采用了輕型混合動力系統，使用并聯式結構，為車輛提供了能量回收、車輛啟停等功能。

　　2.中型混合動力：中型混合動力系統和輕型混合動力系統一樣，由燃油發動機提供動力，電動機只起到輔助作用。但中型混合動力系統在特定情況下（如低速巡航）能夠單獨使用電動機驅動汽車。例如本田的IMA混合動力系統就是采用并聯式結構的中型混合動力系統。

　　3.重型混合動力：重型混合動力系統中的發動機和電動機都能單獨驅動車輛行駛。如豐田的THS混合動力系統就是混聯式結構的重型混合動力系統。使用THS系統的第三代普銳斯Hybrid采用的電動機最大功率達到60kW，最大扭矩達到207Nm，足以推動汽車進行中低速行駛。

● 關于插電式混合動力汽車：

　　插電式混合動力汽車的主要特征是其充電電池可以使用外部電源充電。插電式混合動力汽車一般為重型混合動力汽車，可以使用電動機單獨驅動車輛。豐田最新一代普銳斯就是具備插電功能的混合動力汽車。

● 并聯式混合動力系統解析

1）系統構成

　　本田IMA系統是非常典型的并聯式混合動力系統，至今已發展到第六代并應用在本田最新的CR-Z、思域、飛度等車型上。下面，我們就以IMA系統為例來說明一下并聯式混合動力系統的結構。

　　IMA系統由4個主要部件構成，其中包括：發動機、電機、CVT變速箱以及IPU智能動力單元組成。電動機取代了傳統的飛輪用于保持曲軸的運轉慣性。整套系統的結構非常緊湊，和傳統汽車相比僅是IPU模塊占用了額外的空間。

2）部件解析

　　IMA系統的發動機通過搭載本田的i-VTEC（氣門正時及生成可變技術）、i-DSI（雙火花塞順序點火技術）以及VCM（可變氣缸技術）來實現降低油耗的目的。國內的進口的本田CR-Z采用的是頂置單凸輪軸1.5L的i-VTEC發動機，最大功率83kW，最大扭矩145Nm，實測百公里油耗約5.4L。IMA系統中的發動機和傳統車型中的發動機并沒有太大區別，只是在調校上更偏向于節省燃料。

　　IMA系統的電機安裝在發動機與變速箱之間，由于電機較薄且結構緊湊，行內人俗稱“薄片電機”。國內銷售的CR-Z上采用的薄片電機最大功率10kW，最大扭矩78Nm。顯然，這樣的電機只能起到輔助的作用。而由于IMA系統能夠在特定情況下（如低速巡航）單獨驅動汽車，而被劃分到中型混合動力汽車行列。

　　IMA系統的變速箱采用的是普通CVT變速箱。在國內銷售的CR-Z上采用的變速箱是模擬7速CVT變速箱，以獲得平順的換擋體驗及較高的換擋效率。

　　IMA系統的IPU智能動力單元是由PCU動力控制單元和電池組成。其中PCU又包括BCM電池監控模塊、MCM電機控制模塊以及MDM電機驅動模塊組成。

3）工作邏輯

　　IMA系統的工作邏輯包括起步加速、急加速、低速巡航、輕加速和高速巡航、減速以及停車。

　　起步加速時，發動機以低速配氣正時狀態運轉，同時電機提供輔助動力，以實現快速加速性能，同時達到節油的目的。

　　急加速時，發動機以高速配氣正時狀態運轉，此時電池給電機供電，電機與發動機共同驅動車輛，提高整車的加速性能。

　　低速巡航時，發動機的四個氣缸的進排氣閥全部關閉，發動機停止工作，車輛以純電動方式驅動車輛。

　　輕加速和高速巡航時，發動機以低速配氣正時狀態運轉，此時發動機工作效率較高，單獨驅動車輛，電動機不工作。

　　減速或制動時，發動機關閉，電機此時以發電機方式工作，將機械能最大限度地轉化為電能，儲存到電池包中。車輛制動時，制動踏板傳感器給IPU一個信號，計算機控制制動系統，使機械制動和電機能量回饋之間制動力協調，以得到最大程度的能量回饋。

　　車輛停止時，發動機自動關閉，減少燃料損失和排放。當制動踏板松開時，發動機自動啟動。

● 混聯式混合動力系統解析

1）系統構成

　　豐田THS系統是典型的混聯式混合動力系統，至今已發展到第二代。THS是“Toyota Hybrid System”的縮寫，最早被用于97年10月發布的第一代普銳斯（Puris）上。下面我們就以最新的THS-II系統對混聯式混合動力系統進行解釋。

　　THS-II系統主要部件有汽油發動機、永磁交流同步電機、發電機、高性能金屬氫化物電池盒以及功率控制單元。最新的第三代普銳斯和凱美瑞尊瑞采用的就是THS-II混合動力系統。

2）部件解析

　　采用THS-II系統的第三代普銳斯使用的發動機是1.8L的5ZR-FXE發動機，而2012款凱美瑞尊瑞采用的是2.5L的4AR-FXE發動機。上面提到的這兩款發動機均采用了能效相對較高的阿特金森循環。

阿特金森循環：

　　阿特金森循環是一種高壓縮比，長膨脹行程的內燃機工作循環。阿特金森循環發動機通過推遲進氣門關閉及推遲排氣門打開使得燃燒產生的能量更充分地被利用，是一種能效比較高的發動機種類。傳統阿特金森循環發動機低速扭矩輸出較弱，較長的做工行程不利于高速運轉。隨著四沖程發動機配氣機構控制技術的日益成熟（本田VTEC、豐田VVT、寶馬Valvetronic），使得阿特金森循環發動機的性能有了極大的進步。在面臨燃油危急的今天，阿特金森循環發動機能效較高的優勢便凸顯出來了。

　　THS-II系統的關鍵也是最為復雜的部件就是由兩臺永磁同步電機及行星齒輪組成的動力分配系統。

　　THS-II系統中帶有兩臺電動機——MG1和MG2。MG1主要用于發電，必要時可推動汽車。MG2主要用于推動汽車。而MG1、MG2以及發動機輸出軸被連接到一套行星齒輪機構的太陽輪、齒圈和行星架上。動力分配就是通過功率控制單元控制MG1和MG2電機，通過行星齒輪機械機構進行巧妙分配的。由于使用了這種創新的動力分配方式，THS-II系統甚至連變速箱也不需要了，發動機輸出經過固定減速機構減速后直接驅動車輪。

　　很明顯，豐田THS-II系統的復雜度要比上面提到的本田IMA系統高出許多。雖然控制系統復雜，但其結構尚算緊湊，省去了龐大的變速箱降低了車身重量，對于車輛的燃油經濟性有相當大的幫助。

3）工作邏輯

　　為了解THS-II系統的工作邏輯，我們通過視頻先來學習一下行星齒輪運作的基本原理。

　　下面我們來看看THS-II的核心部件——動力分配系統的工作原理。在下面解析中，發電機MG1我們簡稱為MG1，電動機MG2我們簡稱為MG2。

　　發動機啟動時，電流流進MG2通過電磁力固定行星齒輪的齒圈，MG1作為啟動機轉動太陽輪，太陽輪帶動行星架轉動，與行星架連接的發動機曲軸轉動，發動機啟動。

　　怠速時，電流流進MG2固定行星齒輪的齒圈，發動機帶動行星架轉動，行星架帶動太陽輪轉動，與太陽輪連接的MG1發電給電池充電。

　　車輛起步時，發動機停轉，行星架被固定。MG2驅動行星齒輪齒圈，推動車輛前進。此時，MG1處于空轉狀態。

　　車輛起步時，如需要更多動力（駕駛員深踩油門或檢測到負載過大），MG1轉動啟動發動機。

　　車輛起步時，發動機驅動MG1發電并供給推動MG2運轉的電能。

　　在輕負荷下加速時，發動機驅動MG1發電并供給推動MG2運轉的電能，MG2提供附加的驅動力用以補充發動機動力。

　　在重負載下加速時，發動機驅動MG1發電并供給推動MG2運轉的電能。MG2提供附加的驅動力用以補充發動機動力。電池會根據加速程度給MG2提供電流。

　　降擋（D擋）時，發動機停轉，MG1空轉，MG2被車輪驅動發電給電池充電。

　　減速（B擋）時，MG2產生的電能供給MG1，MG1驅動發動機。此時發動機斷油空轉。MG1輸出的動力成為發動機制動力。

　　倒車時，只使用MG2作為倒車動力。

● 串聯式混合動力系統解析

　　沃藍達內置了1.4L汽油發動機、主電動機（最大功率111kW，最大扭矩368Nm）以及輔助電動機/發電機。其汽油發動機僅用于對電池充電，并不直接驅動車輛。而由于沃藍達可以僅使用電池供電推動車輛行駛80公里，從某種意義上已屬于純電動車范疇。

1）系統構成

　　Voltec混合動力系統是通用汽車的E-Flex插座充電式混合動力驅動系統的最新版本，采用1臺小型的發動機、2臺電動機對車輛進行綜合驅動的系統。沃藍達上采用的是容量為16kWh的360V鋰電池組，電池組成T型布置，隱藏于后排座椅下及車身中部，純電動最高行駛里程可達80km。整個Voltec混合動力系統包括汽油發動機、綜合動力分配系統、高容量鋰電池以及電力控制單元。

2）部件解析

　　沃藍達的動力系統由2臺電動機（最大功率分別為111kW和55kW）和1臺發動機（最大功率為63kW）組成，發動機僅用于發電。其中功率較大的電動機主要用于驅動車輛，而功率較小的電動機主要用于發電。

　　2臺電動機和1臺發動機通過1個行星齒輪機構以及3個離合器組成了動力產生/回收/分配系統。和上文提到的豐田THS系統一樣，Voltec系統同樣使用行星齒輪組巧妙地實現了動力的綜合分配。所不同的是，在Voltec系統中，太陽輪連接到電動機，行星架連接到減速機構直接輸出動力到車輪，而齒圈則根據實際情況連接到動力分配系統的殼體（固定）或者連接到發電機和發動機。

3）工作邏輯

　　要了解系統的工作邏輯，首先要了解動力分配系統的結構。從Voltec的動力分配系統的控制方式與THS系統有一定的區別，Voltec系統通過3個離合器來控制動力的分配。我們把這三個離合器分別命名為C1、C2、C3。C1用于連接行星齒輪齒圈與動力分配機構殼體（固定）；C2用于連接發電機與行星齒輪齒圈；C3用于連接發動機與發電機。系統結構簡圖可參看下圖。

　　Voltec混合動力系統一共有5種工作模式，分別為：EV低速模式、EV高速模式、EREV混合低速模式、EREV混合高速模式以及能量回收模式。

　　處于EV低速模式時，C1吸合，C2、C3松開，發動機停轉。齒圈被固定，電動機推動太陽輪轉動，行星架因太陽輪的轉動而轉動，把動力傳輸到減速齒輪并傳遞到車輪。

　　處于EV高速模式時，C2吸合，C1、C3松開，發動機停轉。發電機此時充當電動機工作，推動齒圈轉動。同時，功率較大的另一個電動機推動太陽輪轉動。齒圈和太陽輪同時轉動，帶動行星架轉動，從而把動力傳到車輪。發電機充當電動機推動齒圈轉動，降低了與太陽輪連接的另一電動機的轉速，提高了其能源使用率。

　　處于EREV低速模式時，C1、C3吸合，C2松開，發動機運轉。此時，發動機推動發電機發電，并為電池充電；同時電池為電動機供電推動太陽輪轉動，由于齒圈固定，行星架跟隨太陽輪轉動，從而把動力傳到車輪。

　　處于EREV高速模式時，C2、C3吸合，C1松開，發動機運轉。此時，發動機與發電機轉子連接后推動齒圈轉動同時發電，電動機推動太陽輪轉動。齒圈和太陽輪同時轉動，帶動行星架轉動，從而把動力傳到車輪。發動機推動齒圈轉動，降低了與太陽輪連接的另一電動機的轉速，提高了其能源使用率。

　　處于能量回收模式時，C1吸合，C2、C3松開，發動機停轉。車輪帶動行星架轉動，由于齒圈固定，太陽輪隨著行星架轉動。此時，功率較大的電動機作為發電機對電池充電。

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