電動車普及的前奏 3種混合動力技術(shù)解析

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】電能作為未來汽車的動力之源，能實現(xiàn)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(shù)的限制，使得純電動車在續(xù)航里程及維護成本上都比不上傳統(tǒng)的燃料汽車。再加上純電動車充電設(shè)施暫未完善，使得純電動車暫不能普及。汽車生產(chǎn)商為此推出了混合動力汽車�；旌蟿恿ζ�車一方面排放較低，而另一方面在續(xù)航里程上和傳統(tǒng)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(shù)。

● 混合動力汽車的定義：

　　混合動力汽車內(nèi)部同時有傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機和電動機，共同作為汽車的動力源供應。

● 混合動力系統(tǒng)動力總成結(jié)構(gòu)的3種形式：

　　汽車混合動力系統(tǒng)動力總成結(jié)構(gòu)主要有以下3種。

　　1.并聯(lián)式：發(fā)動機為主，電動機為輔，電動機一般無法單獨驅(qū)動汽車。系統(tǒng)輸出動力等于發(fā)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(lián)式：主要靠電機，發(fā)動機為輔助的，電動機和發(fā)動機都能單獨驅(qū)動汽車。由于系統(tǒng)中配置有獨立發(fā)電機，因而系統(tǒng)輸出的最大動力等于發(fā)動機、電動機以及充當電動機（部分情況）的發(fā)電機的輸出動力之和�；炻�(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，但動力性能和燃油經(jīng)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(lián)式：只靠發(fā)電機行駛的電氣汽車，配置的發(fā)動機輸出的動力僅用于推動發(fā)電機發(fā)電。系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)動車輛。別克君越eAssist就是采用了輕型混合動力系統(tǒng)，使用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，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(tǒng)和輕型混合動力系統(tǒng)一樣，由燃油發(fā)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(tǒng)在特定情況下（如低速巡航）能夠單獨使用電動機驅(qū)動汽車。例如本田的IMA混合動力系統(tǒng)就是采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的中型混合動力系統(tǒng)。

　　3.重型混合動力：重型混合動力系統(tǒng)中的發(fā)動機和電動機都能單獨驅(qū)動車輛行駛。如豐田的THS混合動力系統(tǒng)就是混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的重型混合動力系統(tǒng)。使用THS系統(tǒng)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(guān)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(qū)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(lián)式混合動力系統(tǒng)解析

1）系統(tǒng)構(gòu)成

　　本田IMA系統(tǒng)是非常典型的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，至今已發(fā)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(tǒng)為例來說明一下并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

　　IMA系統(tǒng)由4個主要部件構(gòu)成，其中包括：發(fā)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(tǒng)的飛輪用于保持曲軸的運轉(zhuǎn)慣性。整套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊，和傳統(tǒng)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(tǒng)的發(fā)動機通過搭載本田的i-VTEC（氣門正時及生成可變技術(shù)）、i-DSI（雙火花塞順序點火技術(shù)）以及VCM（可變氣缸技術(shù)）來實現(xiàn)降低油耗的目的。國內(nèi)的進口的本田CR-Z采用的是頂置單凸輪軸1.5L的i-VTEC發(fā)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(tǒng)中的發(fā)動機和傳統(tǒng)車型中的發(fā)動機并沒有太大區(qū)別，只是在調(diào)校上更偏向于節(jié)省燃料。

　　IMA系統(tǒng)的電機安裝在發(fā)動機與變速箱之間，由于電機較薄且結(jié)構(gòu)緊湊，行內(nèi)人俗稱“薄片電機”。國內(nèi)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(tǒng)能夠在特定情況下（如低速巡航）單獨驅(qū)動汽車，而被劃分到中型混合動力汽車行列。

　　IMA系統(tǒng)的變速箱采用的是普通CVT變速箱。在國內(nèi)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(tǒng)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(jiān)控模塊、MCM電機控制模塊以及MDM電機驅(qū)動模塊組成。

3）工作邏輯

　　IMA系統(tǒng)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(fā)動機以低速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn)，同時電機提供輔助動力，以實現(xiàn)快速加速性能，同時達到節(jié)油的目的。

　　急加速時，發(fā)動機以高速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn)，此時電池給電機供電，電機與發(fā)動機共同驅(qū)動車輛，提高整車的加速性能。

　　低速巡航時，發(fā)動機的四個氣缸的進排氣閥全部關(guān)閉，發(fā)動機停止工作，車輛以純電動方式驅(qū)動車輛。

　　輕加速和高速巡航時，發(fā)動機以低速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn)，此時發(fā)動機工作效率較高，單獨驅(qū)動車輛，電動機不工作。

　　減速或制動時，發(fā)動機關(guān)閉，電機此時以發(fā)電機方式工作，將機械能最大限度地轉(zhuǎn)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(tǒng)，使機械制動和電機能量回饋之間制動力協(xié)調(diào)，以得到最大程度的能量回饋。

　　車輛停止時，發(fā)動機自動關(guān)閉，減少燃料損失和排放。當制動踏板松開時，發(fā)動機自動啟動。

● 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)解析

1）系統(tǒng)構(gòu)成

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

　　THS-II系統(tǒng)主要部件有汽油發(fā)動機、永磁交流同步電機、發(fā)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(tǒng)。

2）部件解析

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

阿特金森循環(huán)：

　　阿特金森循環(huán)是一種高壓縮比，長膨脹行程的內(nèi)燃機工作循環(huán)。阿特金森循環(huán)發(fā)動機通過推遲進氣門關(guān)閉及推遲排氣門打開使得燃燒產(chǎn)生的能量更充分地被利用，是一種能效比較高的發(fā)動機種類。傳統(tǒng)阿特金森循環(huán)發(fā)動機低速扭矩輸出較弱，較長的做工行程不利于高速運轉(zhuǎn)。隨著四沖程發(fā)動機配氣機構(gòu)控制技術(shù)的日益成熟（本田VTEC、豐田VVT、寶馬Valvetronic），使得阿特金森循環(huán)發(fā)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(huán)發(fā)動機能效較高的優(yōu)勢便凸顯出來了。

　　THS-II系統(tǒng)的關(guān)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(tǒng)。

　　THS-II系統(tǒng)中帶有兩臺電動機——MG1和MG2。MG1主要用于發(fā)電，必要時可推動汽車。MG2主要用于推動汽車。而MG1、MG2以及發(fā)動機輸出軸被連接到一套行星齒輪機構(gòu)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(gòu)進行巧妙分配的。由于使用了這種創(chuàng)新的動力分配方式，THS-II系統(tǒng)甚至連變速箱也不需要了，發(fā)動機輸出經(jīng)過固定減速機構(gòu)減速后直接驅(qū)動車輪。

　　很明顯，豐田THS-II系統(tǒng)的復雜度要比上面提到的本田IMA系統(tǒng)高出許多。雖然控制系統(tǒng)復雜，但其結(jié)構(gòu)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(jīng)濟性有相當大的幫助。

3）工作邏輯

　　為了解THS-II系統(tǒng)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(tǒng)的工作原理。在下面解析中，發(fā)電機MG1我們簡稱為MG1，電動機MG2我們簡稱為MG2。

　　發(fā)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(zhuǎn)動太陽輪，太陽輪帶動行星架轉(zhuǎn)動，與行星架連接的發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動，發(fā)動機啟動。

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

　　車輛起步時，發(fā)動機停轉(zhuǎn)，行星架被固定。MG2驅(qū)動行星齒輪齒圈，推動車輛前進。此時，MG1處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。

　　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(zhuǎn)動啟動發(fā)動機。

　　車輛起步時，發(fā)動機驅(qū)動MG1發(fā)電并供給推動MG2運轉(zhuǎn)的電能。

　　在輕負荷下加速時，發(fā)動機驅(qū)動MG1發(fā)電并供給推動MG2運轉(zhuǎn)的電能，MG2提供附加的驅(qū)動力用以補充發(fā)動機動力。

　　在重負載下加速時，發(fā)動機驅(qū)動MG1發(fā)電并供給推動MG2運轉(zhuǎn)的電能。MG2提供附加的驅(qū)動力用以補充發(fā)動機動力。電池會根據(jù)加速程度給MG2提供電流。

　　降擋（D擋）時，發(fā)動機停轉(zhuǎn)，MG1空轉(zhuǎn)，MG2被車輪驅(qū)動發(fā)電給電池充電。

　　減速（B擋）時，MG2產(chǎn)生的電能供給MG1，MG1驅(qū)動發(fā)動機。此時發(fā)動機斷油空轉(zhuǎn)。MG1輸出的動力成為發(fā)動機制動力。

　　倒車時，只使用MG2作為倒車動力。

● 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)解析

　　沃藍達內(nèi)置了1.4L汽油發(fā)動機、主電動機（最大功率111kW，最大扭矩368Nm）以及輔助電動機/發(fā)電機。其汽油發(fā)動機僅用于對電池充電，并不直接驅(qū)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(tǒng)構(gòu)成

　　Voltec混合動力系統(tǒng)是通用汽車的E-Flex插座充電式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的最新版本，采用1臺小型的發(fā)動機、2臺電動機對車輛進行綜合驅(qū)動的系統(tǒng)。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(tǒng)包括汽油發(fā)動機、綜合動力分配系統(tǒng)、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(tǒng)由2臺電動機（最大功率分別為111kW和55kW）和1臺發(fā)動機（最大功率為63kW）組成，發(fā)動機僅用于發(fā)電。其中功率較大的電動機主要用于驅(qū)動車輛，而功率較小的電動機主要用于發(fā)電。

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

3）工作邏輯

　　要了解系統(tǒng)的工作邏輯，首先要了解動力分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從Voltec的動力分配系統(tǒng)的控制方式與THS系統(tǒng)有一定的區(qū)別，Voltec系統(tǒng)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(gòu)殼體（固定）；C2用于連接發(fā)電機與行星齒輪齒圈；C3用于連接發(fā)動機與發(fā)電機。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖可參看下圖。

　　Voltec混合動力系統(tǒng)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(fā)動機停轉(zhuǎn)。齒圈被固定，電動機推動太陽輪轉(zhuǎn)動，行星架因太陽輪的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，把動力傳輸?shù)綔p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(fā)動機停轉(zhuǎn)。發(fā)電機此時充當電動機工作，推動齒圈轉(zhuǎn)動。同時，功率較大的另一個電動機推動太陽輪轉(zhuǎn)動。齒圈和太陽輪同時轉(zhuǎn)動，帶動行星架轉(zhuǎn)動，從而把動力傳到車輪。發(fā)電機充當電動機推動齒圈轉(zhuǎn)動，降低了與太陽輪連接的另一電動機的轉(zhuǎn)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(fā)動機運轉(zhuǎn)。此時，發(fā)動機推動發(fā)電機發(fā)電，并為電池充電；同時電池為電動機供電推動太陽輪轉(zhuǎn)動，由于齒圈固定，行星架跟隨太陽輪轉(zhuǎn)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(fā)動機運轉(zhuǎn)。此時，發(fā)動機與發(fā)電機轉(zhuǎn)子連接后推動齒圈轉(zhuǎn)動同時發(fā)電，電動機推動太陽輪轉(zhuǎn)動。齒圈和太陽輪同時轉(zhuǎn)動，帶動行星架轉(zhuǎn)動，從而把動力傳到車輪。發(fā)動機推動齒圈轉(zhuǎn)動，降低了與太陽輪連接的另一電動機的轉(zhuǎn)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(fā)動機停轉(zhuǎn)。車輪帶動行星架轉(zhuǎn)動，由于齒圈固定，太陽輪隨著行星架轉(zhuǎn)動。此時，功率較大的電動機作為發(fā)電機對電池充電。

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