第四节 典型混合动力汽车结构

一、微混型混合动力

传统燃油汽车的怠速停起功能有强化起动机起动和强化电动机/发电机（ISG）起动两种方式，但只有强化电动机/发电机起动这种类型才属于微混型。

1．ISG（Integrated Starter & Generator，集成起动/发电）电机

采用36V（也称为42V系统）或更高电压的ISG电机也称BSG（Belt Starter & Generator，带传动起动/发电技术）电机，是一种采用带传动方式进行油电混合，具备怠速停机和起动的弱（微）混合动力技术，如图1-20所示。若此电机有辅助加速功能就称为混合动力，若仅有起动和能量回收功能则不称为微混。

2．ISG电机功能

ISG电机是集成的具有起动机功能的发电机，将ISG电机放在传统汽车发电机的位置，通过ISG电机驱动带来驱动发动机曲轴帮助发动机实现停起或加速助力，也可利用此ISG电机在发动机小负荷时发电，但无法实现纯电驱动。

这种结构通常被称为Belt Alternator Starter或Belt Starter Generator系统，即BAS或BSG混合动力系统，注意只有电机的功率较大时才能称为轻混。

君越BAS混合动力系统结构如图1-21所示，包括起动机/发电机总成（Motor/Generator Unit，MGU）、起动机/发电机功率控制模块（Starter/Generator Control Module，SGCM）（也称逆变器）、36V镍氢蓄电池组（Ni-MH）、12V铅酸蓄电池。

3．工作过程

（1）燃油供给阶段

指发动机正常工作，消耗燃油。

（2）加速电机助力

当驾驶人踩下加速踏板比较深时，通过电机对车辆进行电动助力。

（3）智能充电阶段

指电机由发动机带动旋转，尽可能地在发动机小负荷工作过程中通过发电增加发动机负荷为电池组充电。

（4）减速断油阶段

指当车辆进入滑行阶段或停下来后，发动机燃油供应切断，在某些时候，为了保证转矩的平顺性，电机也将转动。

（5）再生制动阶段

指当车辆减速时，发动机停止供油，变矩器锁止，车辆带动发动机转动，电机此时作为发电机进行发电，相当于车辆的负载，对车辆有制动作用（类似于发动机制动），系统进入再生制动阶段。

二、轻混型混合动力

轻混型混合动力车辆主要功能有怠速停起、再生制动、辅助驱动、发电四种功能。

混合动力控制单元（Hybrid Control Unit，HCU）会根据驾驶人请求（加速踏板踏下深度）、电池箱能量存储单元的状态（能充许放出的电量）、电驱动系统状态（停车、行车）以及整车状态等控制ISG电机的工作模式，自动实现以上四种功能。

1．主要组成及作用

奔驰IGS混合动力系统主要零部件如图1-22所示。由高压锂离子电池模块、电机功率模块、电机组成了电动助力系统；DC/DC变换器为直流电压转换系统；转向系统采用了HEPS液压电动转向系统；功率控制器如电机控制器和DC/DC采用了双电动冷却循环泵的设计；制动系统采用了电动真空泵、真空助力器、ABS控制单元配合电机实现再生制动；空调采用电控电动压缩机。

其动力系统结构如图1-23所示由六缸发动机、电机、七速自动变速器、锂离子电池、功率控制模块、12V交流发电机、DC/DC变换器组成。

2．工作过程

起动过程：高压锂离子电池6—→逆变器5—→电机3—→发动机。

原地充电过程：发动机2—→电机3—→逆变器5—→锂离子电池6；同时双向DC/DC7变换器将高压锂离子电池电压降为14V为12V铅酸蓄电池8充电。

行驶中：发动机2—→变速器输出—→车轮；这个过程中可以有充电过程。

高压应急起动：12V铅酸蓄电池8—→双向DC/DC变换器7—→锂离子电池6—→逆变器5—→电机3—→发动机2。

12V铅酸蓄电池仍保留传统汽车的发电机，目的是增加电气系统的可靠度。

三、串联式混合动力

1．串联式混合动力基本结构

串联式混合动力汽车的化学能、电能、机械能传递示意图如图1-24所示。

2．沃蓝达（Volt）混动系统简介

（1）Volt动力系统结构

美国通用公司的Volt增程式电动汽车于2010年7月在北美上市，是世界上首款量产增程式汽车。增程器由1.4L汽油发动机和永磁直流发电机组成。在Volt中，主驱动电机和发电机与行星齿轮机构集成设计，称之为Voltec系统。

两台电机之间通过行星齿轮机构驱动车辆。与前述基本结构不同的是，Volt还包括两个离合器C₁、C₂和一个制动器B。根据车辆不同的行驶模式，通过控制这些离合器和制动器使得发电机处于不同的工作状态。

（2）工作模式

通用雪佛兰沃蓝达的化学能、电能、机械能传递过程参考图1-25所示。

1）模式1（低速纯电力驱动）。在该模式下，齿圈被制动器B锁止，而离合器C₁与离合器C₂均处于脱开状态。故而发电机与发动机以及行星轮均无接触，两者都不工作。太阳轮通过行星轮减速后将动力传输给行星轮架和输出轴驱动车轮，因而车辆仅由主驱动电机驱动。

2）模式2（高速纯电力驱动）。随着车速提升，主驱动电机的转速也随之加快。考虑到保护主驱动电机MG₂，为降低转速，就不再适合仅仅由单电机驱动。因此，这一模式被设计成离合器C₁分离，离合器C₂接合，发电机与齿圈连接，电机MG₁和电机MG₂合力驱动车辆。此时发电机MG₁从动力电池中获取能量以输出动力。而双电机驱动，使得电机转速从6500r/min降低至3250r/min。但是，请注意，内燃机没有参与到提供动力的进程中来。

3）模式3（低速增程）。当Volt的电池组达到其设定的电量剩余临界点时，第三种模式将启动。离合器C₁和制动器B工作，此时内燃机就会直接去驱动电机MG₁进行发电，而由于齿圈固定不转，车辆仍然是由主驱动电机MG₂驱动。主驱动电机从电池以及由发动机带动发电机产生的电力组合中获取电能，从而驱动车辆。

4）模式4（高速增程）。与模式2一样，双电机驱动模式将再次启用。制动器B脱开，离合器C₁、C₂同时接合。车辆的驱动力来自电机和发动机的动力耦合。

四、丰田普锐斯

1．概述

丰田普锐斯是史上第一款量产的混合动力汽车，1997年量产上市，不过中国区域普锐斯是在2001年上市第一代，到2004年推出第二代，2009年4月第三代普锐斯上市。丰田普锐斯是史上第一款销售量超100万辆的混合动力汽车，自1997年量产上市以来，10年时间在全球40多个国家的销售数量接近120万辆，其中美国、日本分别超过70万辆、30万辆，美国市场的月销量接近于1.5万辆，占美国同期混合动力汽车市场半壁江山。普锐斯也是丰田混合动力汽车的主力车型，为丰田集团贡献7成以上的混合动力汽车销量，而丰田系的凯美瑞、汉兰达，雷克萨斯RX400h、LS600hl、GS450h五个混合动力车型的总销量也不及普锐斯的一半。

2．基本组成特点

（1）HV蓄电池

第二代普锐斯的HV蓄电池有168个电池单体（1.2V×6单体×28组），额定电压为DC201.6V。通过内部改进，蓄电池具有紧凑、重量轻的特点。电池和电池间为双点连接，这样的改进使蓄电池的内部电阻得以降低。逆变器总成中配有增压变换器。它可以将HV蓄电池输出的额定电压DC 201.6V，增压到最大值DC 500V。MG1、MG2桥电路和信号处理器/保护功能处理器集成在集成动力模块（IPM）中以提高车辆性能。集成在逆变器总成中的空调逆变器为空调系统的电动变频压缩机提供电能。将逆变器散热器和发动机散热器整合为一，更加合理地利用了空间资源。

（2）电机

通过提高MG1转子的强度，使其最大可输出转速为10000r/min，从而提高了充电能力。MG2转子内的永磁铁变为V形结构，使转矩和输出功率增大。

在MG2的中速范围内引入了新研制的过调控制系统。

（3）控制系统

HV ECU中的CPU和发动机ECU中的CPU均由16位变为32位，提高了处理信号的速度。蓄电池ECU优化结构后，更加紧凑。蓄电池ECU中的CPU和制动防滑控制ECU中的CPU均由16位变为32位，提高了处理信号的速度。与THSII控制系统相连的主要ECU（HV ECU、蓄电池ECU、发动机ECU和制动防滑控制ECU）间采用了CAN（控制器局域网）通信网络。

（4）发动机

第二代丰田普锐斯采用1.5L小型发动机，集合了各式混合动力系统的优势，发动机和电机可根据行驶状况共同驱动或分开单独使用；停驶时自动停止发动机，以减少能量浪费；更有效地控制发动机和电机，加速反应快。

3．电力无级变速驱动桥结构

混合动力变速驱动桥由发电机MG1、驱动电机MG2和行星齿轮机构组成。普锐斯混联混合动力系统结构如图1-26所示。混联式是串并联相结合的系统，这种混合动力系统由点燃式发动机和两台采用永久磁铁的三相交流异步电机组成。三相交流异步电机也可以作为发电机运行（电动机/发电机MG1和MG2）。内燃机与两台电机通过行星齿轮机构相互连接。MG2和驱动轮的差速器通过传动链条和齿轮连接在一起。通过行星齿轮组传输的发动机输出功率分为两部分：太阳轮→MG1、环齿轮→MG2、行星轮架→发动机输出轴。

变速驱动桥主要包括变速驱动桥阻尼器（带扭转减振器的飞轮）MG1、MG2和减速装置（包括链、中间轴主动齿轮、中间轴从动齿轮、主减速器小齿轮和主减速器环齿轮，行星齿轮组）。MG1、MG2、变速驱动桥阻尼器和主动链轮都安装在同心轴上，动力从主动链轮传输到减速装置。

4．工作模式

动力系统工作切换过程如下：

（1）MG1作为电动机时的发动机起动和MG1的发电工况

HV ECU起动MG1从而起动发动机。运行期间，为了防止环齿轮转动并驱动车轮，MG2处于电动机状态以施加制动，这个功能叫作“反作用控制”或“起动控制”。起动控制时行星齿轮机构中太阳轮、内齿圈、行星架三者的速度关系如图1-27所示，三者的速度关系永远满足n₁+αn₂=（1+α）n₃，α=z₂/z₁，n₁为太阳轮转速，n₂为行星架转速，n₃为内齿圈转速，z₂/z₁为内齿圈齿数和太阳轮的齿数比，通常用α表示，是一个大于1的数。

图1-28所示为发动机拖动MG1发电时的行星齿轮机构速度图示。在行驶中发动机转动，带动太阳轮转动，此时MG1作为发电机为HV蓄电池充电。

（2）MG2电动时的纯电工况起动

图1-29所示为纯电动工况起动时的行星齿轮机构速度图。MG2驱动车辆起步后，车辆仅由MG2驱动。这时发动机保持停止状态，MG1以反方向旋转而不发电。

（3）纯电动转混合动力时的发动机起动控制

图1-30所示为纯电动转混合动力时的发动机起动控制行星齿轮机构速度图。纯电动工况只有MG2工作时，如果增加所需驱动转矩，MG1将被起动，此时MG1和MG2共同拖动发动机起动。在纯电动工况不需增加转矩时，如果HV ECU监视的项目如SOC状态、蓄电池温度、冷却液温度和电载荷状态与规定值有偏差，MG1也将被起动，进而起动发动机。

（4）MG1发电和微加速模式

图1-31所示为MG1在小负荷作为发电机使用时的行星齿轮机构速度图。小负荷时已经起动的发动机将使MG1作为发电机为HV蓄电池充电，并向MG2供电。但需要增加驱动转矩时，作为发电机工作的MG1将转变为电动机，这种工况也叫“发动机微加速”模式。

图1-32所示为MG1在微加速模式时作为电动机使用的行星齿轮机构速度图。发动机微加速时，发动机的动力由行星齿轮机构分配。其中一部分动力直接输出，剩余动力用于MG1发电。通过逆变器的电动传输，电力输送到MG2作为MG2的输出动力。

（5）低载荷巡航时

图1-33所示为MG1在低载荷巡航时的行星齿轮机构速度图。车辆以低载荷巡航时，发动机的动力由行星齿轮机构分配。其中一部分动力直接输出，剩余动力用于MG1发电。通过逆变器的电动传输，电力输送到MG2作为MG2的输出动力。

（6）节气门全开加速时

图1-34所示为加速工况时的行星齿轮机构速度图。车辆从低载荷巡航转换为节气门全开加速模式时，系统将在保持MG2动力的基础上，增加HV蓄电池的电动力，此时发动机、MG1、MG2全部给汽车加力以产生加速转矩。

（7）减速行驶时

图1-35所示为D位减速时行星齿轮机构速度图。这种情况分为“D”位减速和“B”位减速行驶两种情况。车辆以D位较低车速减速行驶时，发动机停止工作，动力为零。这时，车轮驱动MG2，使MG2作为发电机运行并为HV蓄电池充电，太阳轮反转，MG1不进行发电控制，从而不发电。另外当车辆从较高速度开始减速时，发动机以预定速度继续工作以保护行星齿轮组，防止行星轮转速过高烧毁行星轮轴承。

图1-36所示为B位减速时行星齿轮机构速度图。车辆以B位减速行驶时，车轮能量一部分驱动MG2，使MG2作为发电机工作并为HV蓄电池充电，为MG1供电，同时MG1处于电动机状态带动太阳轮正转，齿圈转动能量的另一部分用于发动机制动。这时，发动机燃油供给被切断。

如果驾驶人踩下制动踏板，制动防滑控制ECU计算所需的再生制动力并发送信号到HV ECU，HV ECU接收到信号后在符合所需再生制动力的范围内增加再生制动力（详细内容参考摩擦制动和电机回馈能量制动的混合制动控制）。这样就可以控制MG2产生充足的电量。

（8）倒车工况

车辆倒车时，仅MG2为车辆提供动力。这时MG2反向旋转，发动机不工作，MG1正向旋转但并不发电。若MG2驱动车辆倒车时需要起动发动机，如果HV ECU监视到如SOC状态、蓄电池温度、冷却液温度和电载荷状态与规定值有偏差，MG1将作为电动机使用进而起动发动机。倒车时，发动机带动MG1作为发电机工作为HV蓄电池充电。

复习题

1．纯电动汽车和油电混合动力汽车各是如何定义的？

2．油电混合动力汽车按串并联分类分为几类？画出每类的构型图。

3．油电混合动力汽车按混合度分为几类？每类的特点是什么？

4．油电混合动力汽车按是否充电分为几类？每类的特点是什么？

5．画出微混型混合动力汽车的构型。

6．画出轻混并联型混合动力汽车的构型。

7．画出中混并联型混合动力汽车的构型。

8．画出重混混联型混合动力汽车的构型。

9．说出重混混联型丰田普锐斯混合动力汽车的工作过程。