电能虽理想但纯电汽车受限，解析混合动力技术

电能作为未来汽车的动力源，可以实现高能效、零排放，成为理想的能源。但由于目前电池和电机技术的限制，纯电动汽车在行驶里程和维护成本方面均逊色于传统燃油汽车。另外，纯电动汽车的充电设施尚不完善，这使得纯电动汽车暂时无法普及。为此，汽车制造商推出了混合动力汽车。一方面，混合动力汽车的排放较低，但另一方面，它们的续驶里程与传统汽车相同。本文将为您详细分析三种常见的混合技术。

● 混合动力汽车的定义：

混合动力汽车内部既有传统的燃油发动机，又有电动机，共同作为车辆的动力源。

● 混合动力系统动力总成结构的三种形式：

1、并联式：发动机为主，电动机为辅。电动机一般不能单独驱动汽车。系统输出功率等于发动机和电动机输出功率之和。代表车型有：本田CR-Z、别克君越。

2、混合动力型：以电动机为主，发动机为辅助。电动机和发动机都可以独立驱动汽车。由于系统配备了独立的发电机，因此系统的最大功率输出等于发动机、电动机以及充当电动机的发电机（在某些情况下）的输出功率之和。混合动力系统结构复杂，但其动力性能和燃油经济性相当出色。代表车型有：丰田普锐斯、丰田凯美瑞尊锐、雷克萨斯、比亚迪F3DM等。

3、串联式：仅依靠发电机运行的电动汽车，配置的发动机输出的动力仅用于推动发电机发电。系统输出功率等于电机输出功率。这正是雪佛兰 Volt 的充电方式。

● 混合动力系统的另一种分类方法：

有时我们听说“轻型”或“重型”混合动力汽车。这是另一种分类方法，下面我会解释。

1、轻度混合动力：轻度混合动力汽车不能单独使用电动机来驱动车辆。别克君越采用轻度混合动力系统，采用并联结构为车辆提供能量回收、车辆启停等功能。

2、中度混合动力：中度混合动力系统与轻混系统一样，都是由燃油发动机提供动力，电动机仅起辅助作用。但中档混合动力系统能够在某些情况下单独使用电动机来驱动汽车，例如低速巡航。例如，本田的IMA混合动力系统是采用并联结构的中型混合动力系统。

3、重型混合动力：重型混合动力系统中的发动机和电动机都可以独立驱动车辆。例如，丰田的THS混合动力系统就是混合动力结构的重型混合动力系统。采用THS系统的第三代普锐斯采用的电动机最大功率为60kW雪佛兰混合动力汽车，最大扭矩为207Nm，足以在中低速时推动汽车。

● 关于插电式混合动力汽车：

插电式混合动力汽车的主要特点是其可充电电池可以使用外部电源充电。插电式混合动力汽车通常是使用电动机单独驱动车辆的重型混合动力汽车。丰田最新一代普锐斯是一款具有插电式功能的混合动力汽车。

● 并联混合动力系统分析

1）系统组成

本田的IMA系统是一个非常典型的并联混合系统。现已发展到第六代，应用于本田最新的CR-Z、思域、飞度等车型。接下来我们以IMA系统为例来讲解并联混合系统的结构。

IMA系统由四个主要部件组成，包括：发动机、电机、CVT变速箱和IPU智能动力单元。电动机取代了传统的飞轮，以保持曲轴的运转惯性。整个系统的结构非常紧凑。与传统汽车相比，仅IPU模块占用了额外的空间。

2）成分分析

IMA系统发动机配备本田的i-VTEC（可变气门正时和发电技术）、i-DSI（双火花塞顺序点火技术）和VCM（可变缸技术），以达到降低油耗的目的。国产本田CR-Z采用1.5L顶置单凸轮轴i-VTEC发动机，最大功率83kW，最大扭矩145Nm。实测百公里油耗约为5.4L。 IMA系统中的发动机与传统车型中的发动机没有太大区别，但更注重节省燃油。

IMA系统的电机安装在发动机和变速箱之间。由于该电机薄而紧凑，业内人士俗称其为“片状电机”。国产CR-Z采用的晶圆电机最大功率10kW，最大扭矩78Nm。显然，这样的电机只能起到辅助作用。由于IMA系统可以在特定情况下（例如低速巡航）单独驱动汽车，因此被归入中型混合动力汽车的行列。

IMA系统的变速箱采用普通CVT变速箱。国内销售的CR-Z所采用的变速箱为模拟7速CVT变速箱，以获得平顺的换挡体验和较高的换挡效率。

IMA系统的IPU智能功率单元由PCU功率控制单元和电池组成。 PCU包括BCM电池监控模块、MCM电机控制模块和MDM电机驱动模块。

3）工作逻辑

IMA系统的工作逻辑包括起步加速、急加速、低速巡航、轻加速和高速巡航、减速和停车。

起步加速时，发动机工作在低速配气正时状态，同时电机提供辅助动力，实现快速加速性能，实现节油。

急加速时，发动机运行在高速气门正时状态。此时电池给电机供电，电机和发动机共同驱动车辆，提高了整车的加速性能。

低速巡航时，发动机四个气缸的进排气门全部关闭，发动机停止工作，车辆采用纯电动驱动。

在轻加速和高速巡航时，发动机工作在低速气门正时状态。此时发动机效率高，车辆单独驱动雪佛兰混合动力汽车，电动机不工作。

当减速或制动时，发动机关闭，此时电机作为发电机工作，最大限度地将机械能转化为电能并储存在电池组中。当车辆制动时，制动踏板传感器向IPU发送信号，计算机控制制动系统协调机械制动和电机能量反馈之间的制动力，以获得最大的能量反馈。

当车辆停止时，发动机自动关闭，减少燃油损失和排放。当松开制动踏板时，发动机自动启动。

● 混合动力混合动力系统分析

1）系统组成

丰田的THS系统是典型的混合动力系统，目前已发展到第二代。 THS是“ ”的缩写，首次使用在1997年10月发布的第一代普锐斯上。下面我们将介绍采用最新THS-II系统的混合动力系统。

THS-II系统的主要部件包括汽油发动机、永磁交流同步电机、发电机、高性能金属氢化物电池箱和动力控制单元。最新的第三代普锐斯和凯美瑞尊锐均采用THS-II混合动力系统。

2）成分分析

采用THS-II系统的第三代普锐斯采用1.8L 5ZR-FXE发动机，而2012款凯美瑞尊锐则采用2.5L 4AR-FXE发动机。上面提到的两款发动机都采用阿特金森循环，相对节能。

阿特金森循环：

阿特金森循环是一种高压缩比、长膨胀冲程的内燃机工作循环。阿特金森循环发动机延迟进气门的关闭和排气门的打开，使燃烧产生的能量得到更充分的利用。是一种能效比较高的发动机。传统的阿特金森循环发动机低速扭矩输出较弱，工作行程较长，不利于高速运转。随着四冲程发动机配气机构控制技术（本田VTEC、丰田VVT、宝马）的日益成熟，阿特金森循环发动机的性能得到了很大的提高。在我们面临燃油危机的今天，能源效率更高的阿特金森循环发动机的优势就凸显出来了。

THS-II系统最关键、最复杂的组成部分是由两台永磁同步电机和行星齿轮组成的动力分配系统。

THS-II 系统有两个电动机 - MG1 和 MG2。 MG1主要用于发电并在必要时推动汽车。 MG2主要用于驱动汽车。 MG1、MG2与发动机输出轴连接有一组行星齿轮机构的太阳轮、齿圈和行星架。动力分配由动力控制单元和MG1、MG2电机控制，通过行星齿轮机构巧妙分配。由于采用了这种创新的动力分配方法，THS-II系统甚至不需要变速箱。发动机输出经固定减速机构减速后直接驱动车轮。

显然，丰田THS-II系统的复杂度远高于上述本田IMA系统。控制系统虽然复杂，但结构却相当紧凑，省去了巨大的变速箱，减轻了车身重量，对车辆的燃油经济性有很大帮助。

3）工作逻辑

为了了解THS-II系统的工作逻辑，我们首先通过视频学习行星齿轮运行的基本原理。

我们先来看看THS-II的核心部件——配电系统的工作原理。在下面的分析中，将发电机MG1称为MG1，将电动机MG2称为MG2。

当发动机启动时，电流流入MG2，通过电磁力固定行星齿轮的齿圈。 MG1 充当启动器来旋转太阳轮。太阳轮带动行星架旋转。连接到行星架的发动机曲轴旋转，发动机启动。

怠速时，电流流入MG2固定行星齿轮的齿圈，发动机带动行星架旋转，行星架带动太阳轮旋转，连接太阳轮的MG1发电给电池充电。

当车辆启动时，发动机停止，行星架固定。 MG2驱动行星齿圈推动车辆前进。此时MG1处于怠速状态。

车辆启动时，如果需要更多动力（驾驶员深踩油门或检测到负载过大），MG1转动启动发动机。

车辆启动时，发动机驱动MG1发电，并提供电能推动MG2。

轻载加速时，发动机驱动MG1发电，并提供电能推动MG2。 MG2提供额外的驱动力来补充发动机功率。

重载加速时，发动机带动MG1发电，提供电能推动MG2。 MG2提供额外的驱动动力来补充发动机动力。电池会根据加速程度向MG2提供电流。

降档（D档）时，发动机停止，MG1怠速，MG2由车轮驱动，发电给电池充电。

减速时（B档），MG2产生的电能供给MG1，MG1驱动发动机。此时发动机处于无油空转状态。 MG1输出的动力成为发动机制动力。

倒车时，仅使用MG2作为倒车动力。

● 串联混合动力系统分析

内置1.4L汽油发动机、主电机（最大功率111kW、最大扭矩368Nm）和辅助电机/发电机。其汽油发动机仅用于给电池充电，并不直接驱动车辆。而且由于Volt仅使用电池电力即可驱动车辆行驶80公里，因此从某种意义上属于纯电动汽车的范畴。

1）系统组成

该混合动力系统是通用汽车E-Flex插电式混合动力驱动系统的最新版本。它采用一台小型发动机和两台电动机来综合驱动车辆。 采用360V锂电池组，容量为16kWh。电池呈T字形排列，隐藏在后排座椅下方和车身中部。纯电动最大续驶里程可达80km。整个混合动力系统包括汽油发动机、综合配电系统、大容量锂电池和动力控制单元。

2）成分分析

沃兰达的动力系统由2台电动机（最大功率分别为111kW和55kW）和1台发动机（最大功率为63kW）组成。发动机仅用于发电。其中，较大功率的电机主要用于驱动车辆，而较小功率的电机主要用于发电。

两台电动机和一台发动机通过行星齿轮机构和三个离合器组成发电/回收/分配系统。与前面提到的丰田THS系统一样，该系统也采用了行星齿轮组，巧妙地实现了综合动力分配。不同的是，在系统中，太阳轮与电动机连接，行星架与减速机构连接，直接向车轮输出动力，齿圈与动力外壳（固定）连接根据实际情况，配电系统或连接至发电机。和发动机。

3）工作逻辑

要了解系统的工作逻辑，首先要了解配电系统的结构。配电系统的控制方法与THS系统的控制方法有些不同。该系统通过三个离合器控制动力分配。我们将这三个离合器分别命名为C1、C2和C3。 C1用于连接行星齿轮齿圈与动力分配机构壳体（固定）； C2用于连接发电机与行星齿轮齿圈； C3用于连接发动机和发电机。系统结构图如下图所示。

混合动力系统共有5种工作模式，分别是：EV低速模式、EV高速模式、EREV混合低速模式、EREV混合高速模式和能量回收模式。

当处于EV低速模式时，C1接合，C2和C3释放，发动机停止。齿圈固定，电动机带动太阳轮旋转，行星架因太阳轮的旋转而旋转，将动力传递给减速齿轮和车轮。

当处于EV高速模式时，C2接合，C1和C3释放，发动机停止。此时发电机充当电动机，推动齿圈旋转。与此同时，另一个更强大的电机驱动太阳轮旋转。齿圈和太阳轮同时旋转，带动行星架旋转，从而将动力传递给车轮。发电机充当电动机，推动齿圈旋转，降低与太阳轮连接的另一台电动机的速度，提高其能源利用率。

当处于EREV低速模式时，C1和C3接合，C2释放，发动机运转。此时发动机带动发电机发电，给蓄电池充电；同时，电池为电机供电，驱动太阳轮旋转。由于齿圈固定，行星架随太阳轮旋转，从而将动力传递至车轮。

当处于EREV高速模式时，C2和C3接合，C1释放，发动机运转。此时，发动机与发电机转子连接，在发电的同时带动齿圈旋转，电动机带动太阳轮旋转。齿圈和太阳轮同时旋转，带动行星架旋转，从而将动力传递给车轮。发动机驱动环形齿轮旋转，降低与太阳轮连接的另一台电动机的速度，提高其能源利用率。

当处于能量回收模式时，C1 接合，C2 和 C3 释放，发动机停止。轮子带动行星架旋转。由于齿圈固定，太阳轮随行星架旋转。此时，功率更大的电动机充当发电机为电池充电。