第一节 混合动力电动汽车的概念和类别

如图3-2所示，混合动力电动汽车具有油电混合、气电混合、电电混合等多种不同的形式。即使对应其中的一种混合形式，由于动力传动系统的组成不同，混合动力电动汽车仍存在多种不同的结构。在详细分析各种不同结构的定义、特点和工作原理之前，给出如下几个基本概念。

（1）动力传动系 这是汽车上用于存储、转化和传递能量并使汽车获得运动能力的所有部件的总称，具体包括车载能量源、动力装置、传动系和其他辅助系统四部分。

图3-2 混合动力技术在汽车中的应用

（2）车载能量源 这是在汽车动力传动系中，用于能量存储或进行能量初始转化以向动力装置直接供能的所有部件的总称，由能量直接存储装置或能量存储、调节和转化装置组成。例如，对传统内燃机汽车，车载能量源为油箱（能量直接存储）；对燃料电池电动汽车，车载能量源由氢气罐/储氢金属（能量存储）和燃料电池电堆（能量转化）两部分组成。

（3）动力装置 这是在汽车动力传动系中，用于把其他形式的能量转化为机械动能（旋转动能）的装置，并直接作为传动系的输入，如常规汽车上的内燃机、纯电动汽车上的电机等。

（4）传动系 这是在汽车动力传动系中，用于调节和传递动力装置输出的动力，使之与汽车行驶时驱动轮处要求的理想动力达到较好匹配的所有部件的总称，具有减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能。传动系与动力装置配合工作，能保证汽车在各种工况条件下的正常行驶，并具有良好的动力性和经济性。传动系一般由离合器、变速器、万向传动装置、主减速器、差速器和半轴等组成。

（5）辅助系统 是指在汽车动力传动系中，用于从动力装置中获取动力，区别于直接驱动车辆，主要用于维持汽车良好的操控特性、舒适性等所有部件的总称，如转向助力系统、制动助力系统、空调系统（动力装置直接拖动）、辅助电气系统（12/24V发电机系统）等。

基于上述给出的基本概念，汽车动力传动系可抽象为图3-3所示的简化模型。常规汽车和纯电动汽车中汽车动力传动系的基本组成见表3-1。

图3-3 汽车动力传动系简化模型

表3-1 汽车动力传动系的基本组成

基于图3-3建立的汽车动力传动系的简化模型，对混合动力电动汽车的概念重新定义如下：混合动力汽车是指汽车动力传动系由两个或多个能同时运转的单个动力传动系联合组成的汽车。汽车的行驶功率依据实际的汽车行驶状态由单个动力传动系单独或多个动力传动系共同提供，如图3-4所示。若其中的一个动力传动系统为纯电动汽车动力传动系，则该混合动力汽车为混合动力电动汽车。本章仅针对混合动力电动汽车展开分析。相比常规内燃机汽车和纯电动汽车，图3-4所示的混合动力汽车动力传动系增加了整车能量管理和综合控制系统，其主要作用在于以优化发动机的工作效率为目标，协调发动机和驱动电机之间的动力分配，同时进行动力电池组的电量管理。

图3-4 混合动力汽车动力传动系组成

根据组成混合动力汽车的两个或多个能同时运转的单个动力传动系之间动力联合位置的不同，混合动力汽车还具有串联、并联和混联三种基本的类型。

一、串联混合动力汽车的概念

串联混合动力汽车是混合动力汽车的一种基本结构，其单个动力传动系间的联合是车载能量源环节的联合，即非直接用于驱动汽车的能量的联合，并同时向动力装置供能。典型的串联混合动力汽车动力传动系的组成如图3-5所示。

图3-5 典型的串联混合动力汽车动力传动系的组成

串联混合动力汽车具有如下特点：

①车载能量源环节的混合。

②单一的动力装置。

③车载能量源由两个以上的能量联合组成。

对应图3-5，油箱-发动机-发电机与动力电池组共同组成车载能量源，共同向驱动电机提供电能，驱动电机和传动系组成单一的电驱动系统。

串联混合动力汽车实现了车载能量源的多样化，可充分发挥各种能量源的优势，并通过适当的控制实现它们的最佳组合，满足汽车行驶的各种特殊要求。例如，采用发动机-发电机和动力电池组两种车载能量源的串联混合动力电动汽车既可满足汽车一定的零排放行驶里程，同时通过发动机-发电机的工作为动力电池组进行补充充电，延长了汽车的有效续驶里程，为实现纯电动汽车的实用化提供了解决方案。

二、并联混合动力汽车的概念

并联混合动力汽车是混合动力汽车的一种基本结构，其单个动力传动系间的联合是汽车动力或传动系环节的联合，通过对不同动力装置输出的驱动动能的联合或耦合，并经过相应的传动系输出到驱动轮，满足汽车的行驶要求。典型的并联混合动力汽车动力传动系如图3-6所示。

图3-6 典型的并联混合动力汽车动力传动系

并联混合动力汽车具有如下特点：

①机械动能的混合。

②具有两个或多个动力装置。

③每一个动力装置都有自己单独的车载能量源。

对应图3-6，发动机和电机驱动系统输出的机械动能经过动力耦合后输出到传动系驱动汽车行驶，发动机具有自己独立的车载能量源——油箱，电机驱动系统具有自己独立的车载能量源——动力电池组。

图3-7 并联混合动力汽车动力传动系的三种基本类型

a）单轴联合式 b）双轴联合式 c）驱动力联合式

依据动力耦合方式的不同，并联混合动力汽车具有单轴联合式、双轴联合式和驱动力联合式三种布置方案，具体如图3-7所示。单轴联合式机械动力的耦合是在动力装置输出轴处完成的，传动系的输入为单轴。其结构示意如图3-7a所示，实际应用如图3-8所示。发动机的输出轴通过离合器与电机的转子轴直接相连，而动力电池组通过控制器的调节作用于电机定子，实现了发动机与电机输出转矩的叠加。单轴联合式实现了把不同动力装置的机械动力输出一体化，结构紧凑，但电机要经过特殊设计。

图3-8 单轴联合式并联混合动力汽车实际应用举例

双轴联合式机械动力的耦合是在传动系的某个环节中完成的，通常称位于传动系中的这种耦合部件为动力耦合装置，它具有两个或多个输入轴，而输出轴仅有一根并直接与驱动轴相连，其结构示意如图3-7b所示。双轴联合式只是把不同动力装置的输出进行动力合成，因此系统元件可选用已有的现成产品，开发成本较低。

驱动力联合式机械动力的混合是在汽车驱动轮处通过路面实现的，其结构示意如图3-7c所示。因为具有两套独立的动力传动系直接驱动汽车，所以在充分利用地面附着力方面具有优势。通过合理的控制，可大大改善汽车的动力性能，但系统组成比较庞大，控制复杂。

三、混联式混合动力汽车的概念

为优化动力传动系的综合效率，充分发挥汽车的节能、低排放潜力，在实际应用中，混合动力电动汽车动力传动系并非单纯是简单的串联式结构或并联式结构，而是由串联式结构和并联式结构复合组成的串并联综合式结构，即所谓的混联式结构。典型的混联式混合动力电动汽车动力传动系如图3-9所示。

在图3-9中，混联式混合动力电动汽车动力传动系中具有两个电机系统，即发电机和电机驱动系统，兼备了串联混合动力车载能量源的混合以及并联混合动力机械动能的混合。在实际应用中主要有两种方案：开关式和功率分流式，分别如图3-10和图3-11所示。

图3-9 典型的混联式混合动力电动汽车动力传动系

在图3-10中，离合器起到了串联结构和并联结构的切换作用。若离合器打开，则该混合动力传动系即为简单的串联式结构；若离合器接合且发电机不工作，则该混合动力传动系即为简单的并联式结构；若离合器接合且发电机工作于发电模式，则该混合动力传动系即为复杂的混联式结构。

在图3-11中，巧妙地利用了行星轮系功率分流以及3个自由度的特点，发动机、发电机以及驱动轴分别与行星轮系的3个轴相连。在正常工作时，发动机的输出动力自动分流为两部分：一部分直接输出到驱动轴，与电机驱动系统输出的动力联合组成并联式结构；一部分输出到发电机，发电机发出的电能与动力电池组组成串联式结构。

图3-10 开关式混联式混合动力汽车

图3-11 功率分流式混联式混合动力汽车