第一章 混合动力汽车基本结构与工作原理

第一节 混合动力汽车的基本原理

一、混合动力汽车的概念

从广义上说，混合动力汽车是指拥有至少两种动力源，使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部动力的车辆，也叫复合动力汽车。但是，在现今的实际生活中，混合动力汽车多半是指采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套动力系统的汽车。使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，因此可以使用传统汽油或者柴油，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。使用的电力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。图1-1所示是混合动力电驱动系统的概念示意图，以及可能的各种动力流的通路。

图1-1 混合动力电驱动系统的概念示意图

混合动力电驱动系统通过被采用的动力系统向载荷供应其动力。在由汽油（柴油）机（发动机动力系统1）和蓄电池-电动机（电力系统2）混合集成的情况下，与载荷需求相配合的由两动力系统运作的有效模式共有九种，分别如下：

模式①，发动机动力系统1单独向载荷提供动力

这一模式是单发动机驱动模式，可应用于蓄电池组近乎完全放电而发动机没有剩余功率给蓄电池组充电的情况，或可应用于蓄电池组已完全充电而发动机能供应足够的动力去满足车辆动力需求的情况。

模式②，电力系统2单独向载荷提供动力

这一模式是纯粹的电驱动模式，其中发动机是关闭的。这一模式可应用于发动机不能有效地运行的场合，如极低速状态，或在严禁排放的区域内行驶的场合。

模式③，发动机动力系统1和电力系统2两者都向载荷提供动力

这一模式是混合牵引模式，可应用于需要大量动力供给的情况，如当急剧加速或爬陡坡之际。

模式④，电力系统2由载荷获得功率（再生制动）

这一模式是再生制动模式，由此借助于电动机运行在发电机状态，车辆的动能或位能得以回收。回收的能量储存于蓄电池组，并在以后重复利用。

模式⑤，电力系统2从发动机动力系统1中获得功率

这一模式是发动机向蓄电池组充电的模式，这时车辆处于停止、惯性滑行或小坡度下坡运行状态，没有动力应用于载荷或来自载荷。

模式⑥，电力系统2从发动机动力系统1和载荷中同时获得功率

这一模式是同时存在再生制动和内燃机向蓄电池组充电的模式。

模式⑦，发动机动力系统1同时向载荷和电力系统2提供动力

这一模式是发动机驱动车辆和同时向蓄电池组充电的模式。

模式⑧，发动机动力系统1向电力系统2提供功率，同时电力系统2向载荷提供动力

这一模式是发动机向蓄电池组充电，同时蓄电池组向载荷供应功率的模式。

模式⑨，发动机动力系统1向载荷提供动力，同时载荷向电力系统2提供功率

这一模式是借助于车辆的质量，来自于热机的动力流进入蓄电池组的模式。

在混合动力汽车中，稳定的功率可由内燃机、斯特林发动机或燃料电池等提供。因为动态功率取自动态功率源，故所采用的内燃机或燃料电池比单动力系统设计中的内燃机或燃料电池要小得多，于是便能令其稳定地运行在最佳效率区。动态功率可由配置蓄电池组的电动机、超级电容器组或飞轮组（机械蓄电池组）提供，或可由它们组合配置提供。

二、混合动力系统的主要部件

1.发动机

内燃机是现今应用于汽车最主要的动力装置。在可预见的将来，它将仍是主要的汽车动力装置。在混合动力汽车中，内燃机也将是主要电源的第一选择。然而，混合动力汽车的工作与传统汽车有所不同，混合动力汽车中的发动机需较长时间以高功率运转，而不需频繁改变功率输出。到目前为止，专为混合动力汽车设计和控制的发动机系统还没有得到充分的开发。

混合动力汽车可以广泛地采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。一般转子发动机和燃气轮机的燃烧效率比较高，排放也比较洁净，采用不同的发动机就可以组成不同的混合动力汽车。

2.电动机

混合动力汽车的电动机作为辅助动力来降低燃料的消耗和实现低污染，或在纯电动驱动模式时实现“零污染”。混合动力汽车上电动机的工作条件及其工作模式与传统电动机相比有着很大的区别，这些区别使得工业电动机不适合在汽车上使用。混合动力汽车可以采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。随着混合动力汽车的发展，直流电动机已经很少采用，多数采用了感应电动机和永磁电动机，开关磁阻电动机的应用也得到重视，还可以采用特种电动机为混合动力汽车的驱动电动机，采用不同的电动机就可以组成不同的混合动力汽车。

3.电池

混合动力汽车具有两个蓄电池系统：一个是12V直流蓄电池系统，它主要是为车上常规的用电器提供电压；另一个是电压更高的直流蓄电池系统，它经过DC-DC转换器将直流转换后给电机提供交流电能，同时它还将存储电机发电所产生并经DC-DC转换器转换后的直流电。高压直流蓄电池系统储电量和电压随混合动力系统的要求而变化。混合动力汽车的高压直流蓄电池从36V到600V以上不等，所有混合动力设计采用串联连接的蓄电池均是为了获取所需的直流电源电压。

4.混合动力控制系统

在混合动力汽车上普遍地采用以计算机为核心的现代计算机技术和自动控制技术，各种智能控制系统包括自适应控制技术、模糊控制技术（Fuzzy）、专家控制系统（Expert System）、神经网络控制系统（Neural Networks）等，它逐渐应用到混合动力汽车上，使混合动力汽车更加安全、节能、环保和舒适。

（1）混合动力汽车控制系统的功能

①使混合动力汽车的动力性能能够达到或接近现代内燃机汽车的水平，逐步实现混合动力汽车的实用化。

②最大程度地发挥了电动机驱动的辅助作用，使混合动力汽车的燃油消耗量尽量降低，实现发动机的节能化。目前混合动力汽车已达到3L/100km左右的水平。

③在环保方面，实现“超低污染”的环保标准。

④在混合动力汽车上实现对发动机驱动系统和对电动机驱动系统的双重控制。发动机与电动机的动力系统应进行最有效的组合，实现最佳匹配和高效利用，能够回收再生制动能量，延长车辆的行驶里程，改进混合动力汽车的环保性能。

⑤在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要的操纵装置和操纵方法，适应驾驶人的操作习惯，使操作简单化和规范化。

⑥在整车控制系统中，采用全自动、机电一体化控制系统，达到安全、可靠、节能、环保和控制灵活的目的。

混合动力汽车一般是传统内燃机汽车的替代和延伸，继承和沿用了很大部分内燃机汽车的传动系统，保留了内燃机汽车的操纵装置，包括发动机控制装置加速踏板、制动踏板、离合器、自动离合器、变速器的操纵装置等。由这些操纵装置发出控制信号，通过中央控制器和各种控制模块，向内燃机的驱动系统或电动机驱动系统发出单独驱动指令或混合驱动指令，来获得不同的驱动模式，按照驾驶人的意图，实现混合动力汽车的起动、行驶、加速、爬坡、减速和制动时驱动模式转换的控制。

（2）混合动力汽车控制系统的组成部分

①控制系统，由操纵装置、中央控制器和各种控制模块共同组成。

②发动机及其驱动系统，以及发动机和发动机驱动系统的控制系统。

③电动机及其驱动系统，以及电动机和电动机驱动系统的控制系统。

④信号反馈及检测装置，包括各电信号检测装置、显示装置和自诊断系统等。

三、混合动力汽车的优缺点

1.混合动力汽车的优点

①混合动力汽车按平均需用的功率来确定发动机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率但发动机功率不足时，由蓄电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给蓄电池充电，由于发动机可持续工作，蓄电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。

②因为有了蓄电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。

③在繁华市区，可关闭发动机，由蓄电池单独驱动，实现“零”排放。

④发动机可以十分方便地解决空调、取暖、除霜耗能大等纯电动汽车遇到的难题。

⑤可以利用现有的加油站加油，不必再投资。

⑥可让蓄电池保持在良好的工作状态，不发生过充电及过放电，延长其使用寿命，降低成本。

2.混合动力汽车的缺点

混合动力汽车有两套动力，各自有各自的管理控制系统，结构更复杂，技术更难，成本更高。