（二）混合动力汽车

混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle，HEV）是指同时装备两种动力源——热动力源（传统的汽油机或者柴油机）与电动力源（电池与电机）的汽车。

目前，混合动力汽车大部分采用传统的内燃机和电机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统驱动汽车，如图1-49和图1-50所示。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燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇等。

混合动力汽车的燃油经济性高，而且行驶性能优异，在起步、加速时有电机辅助，可以降低油耗，辅助发动机的电机可以在起动瞬间产生强大转矩。

1. 混合动力汽车的构造

为了充分了解混合动力汽车的结构，下文将对其主要的动力总成元件进行详细的介绍，如图1-51所示。

（1）发动机

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，利用它们各自的优势，可以构成不同特点的混合动力系统。

丰田油电混合动力系统中安装的发动机与以往机型相比，具有低油耗、高输出的特性，如图1-52所示。

（2）电机

混合动力汽车的电机可以选择直流电机（图1-53）、交流异步电机（图1-54）、永磁同步电机（图1-55）和开关磁阻电机（图1-56）等。随着混合动力汽车的发展，直流电机已经很少采用，多数采用了交流异步电机和永磁同步电机，开关磁阻电机的应用也得到重视，还可以采用特种电机作为混合动力汽车的驱动电机，例如轮毂电机就很有前景，如图1-57所示。

奥迪Q5混合动力汽车电机如图1-58所示，奔驰S400混合动力汽车电机如图1-59所示。

（3）动力蓄电池

混合动力汽车常用的动力蓄电池包括超级电容、电化学电池、燃料电池和锌空气电池等如图1-60所示。动力蓄电池一般作为混合动力汽车的辅助能源，只在汽车起动发动机或电机辅助驱动时才使用。

（4）动力分配装置

在并联和混联系统中，机械的动力分配装置是耦合发动机和电机功率的关键部件，如图1-61所示。它不仅具有较高的机械复杂性，还直接影响整车控制策略，因而成为混合动力系统开发的重点和难点。目前采用的动力复合方式有转矩复合、速度复合和双桥动力复合。

2. 混合动力汽车工作原理

插电式混合动力汽车的动力蓄电池容量相对较小，外部充电，可以用纯电模式行驶，动力蓄电池电量耗尽后再以混合动力模式（以内燃机为主）行驶，并适时向动力蓄电池充电。

图1-62所示为插电式混合动力汽车电气原理。插电式混合动力汽车具备发动机智能自动起停功能，判定条件有SOC、转速、气压、车速等。起停切换点不再是一个车速定值，而是一个通过优选算法，由程序计算出的速度区间（一般为20～40km/h），同时二代系统行驶状态下松加速踏板，特定工况下发动机进入停机模式，此时会听到轻微撞击声，并非故障。

3. 混合动力汽车的智能控制系统

发动机和混合动力系统都有各自的ECU和控制软件，将它们集成在混合动力汽车中，利用CAN总线将它们连接起来，实现信息共享和统一指挥，在混合动力系统工作时，发动机按混合动力系统的指令工作。当混合动力系统关闭或有故障时，发动机按加速踏板指令工作，如图1-63所示。

混合动力汽车的控制系统有以下功能：

①使混合动力汽车的动力性能达到或接近现有内燃机汽车的水平。

②最大限度地发挥电机驱动的辅助作用，使混合动力汽车的燃料消耗量尽量降低，实现发动机的节能化。

③实现多能源控制。混合动力汽车关键的控制技术，是对内燃机驱动系统和电机驱动系统实现双重控制。发动机与电机系统应进行最有效的组合和实现最佳的匹配。

④在环保方面，达到“超低污染”的环保标准。

⑤操作装置和操作方法上沿用自内燃机汽车。

在保证车辆动力性能的前提下，使发动机动力性适中，保证电力驱动系统发挥最大效率，既能满足车辆对动力性能的要求，接近内燃机汽车的动力性水平，又能降低燃料消耗并减少排放。因此，必须经过动力匹配计算和优化设计来选择所需的发动机。

4. 混合动力汽车分类及工作过程

随着全球汽车工业的迅猛发展，石油资源供应的日趋紧张，世界各国积极寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量，大力开发新型节能环保汽车。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。本模块将混合动力汽车按照动力混合形式分为以下三类。

（1）完全混合动力驱动

将一台大功率电机与内燃机组合在一起，以纯电动方式来驱动车辆行驶。一旦条件许可，该电机会辅助内燃机工作。

内燃机与电机之间有一个离合器，可以通过它断开这两个系统。内燃机只在需要时才接通工作，如图1-64所示。一部分动能在制动时又可作为电能使用（能量回收）。

（2）中混合动力驱动

中混合动力驱动在技术和部件方面都与完全混合动力驱动一致，只是不能以纯电动方式驱动车辆行驶，如图1-65所示。一部分动能在制动时又可作为电能使用（能量回收）。

（3）微混合动力驱动

使用微混合动力驱动结构，电动部件（起动机/发电机）只用来执行起动-停止功能。一部分动能在制动时又可作为电能使用（能量回收）。这种结构不能以纯电动方式驱动车辆行驶，如图1-66所示。

5. 普锐斯混合动力系统工作原理

THS-Ⅱ使用发动机和MG2提供的两种动力，并以MG1作为发电机。系统根据各种车辆行驶状态优化组合这两种动力。HEV ECU始终监视SOC状态、蓄电池温度、动力蓄电池冷却液温度和电载荷状况。在READY指示灯点亮，变速器置于P位或车辆倒车时，如果监视项目不满足条件，则HEV ECU发出指令起动发动机驱动MG1，并为HEV蓄电池充电。THS-Ⅱ系统根据图1-67列出的车辆行驶状况综合控制发动机、MG1和MG2驱动车辆。

1）READY灯点亮状态。READY指示灯点亮、变速杆置于P位或者R位时，如果HEV ECU监视的项目满足条件，则混合动力汽车ECU起动MG1从而起动发动机。运行期间，为防止MG1太阳轮的反作用力带动MG2的环齿轮并驱动驱动轮，MG2接通电流以施加制动。这个功能叫作“反作用制动”，如图1-68所示。

在发动机进入正常运转状态时，MG1由发动机起动转变为发电机，为HEV蓄电池充电，如图1-69所示。

2）起动工况。车辆起步后，仅由MG2驱动。此时，发动机保持停止状态，MG1以反方向旋转，不发电，如图1-70所示。

只有MG2工作时，如果需要增加驱动转矩，则MG1起动，进而起动发动机。同样，如果混合动力汽车ECU监视的项目，如SOC状态、蓄电池温度、动力蓄电池冷却液温度和电载荷状态等，与规定值有偏差，则MG1起动，进而起动发动机，如图1-71所示。

在发动机进入正常运转状态时，MGl由发动机起动转变为发电机，为混合动力汽车蓄电池充电。如果需要增加驱动转矩，则发动机将起动作为发电机的MG1，并转变为“发电机微加速”模式，如图1-72所示。

3）发动机微加速时/（C）。如图1-73所示，发动机微加速时，发动机的动力由行星齿轮组分配。其中一部分动力直接输出，剩余动力用于MG1发电。通过变频器，电力输送到MG2，MG2输出动力。

4）发动机低载荷巡航时/（D）。如图1-74所示，车辆以低载荷巡航时，发动机的动力由行星齿轮组分配。其中一部分动力直接输出，剩余动力用于MG1发电。通过变频器，电力输送到MG2，MG2输出动力。

5）节气门全开加速时/（E）。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，增加动力蓄电池的动力，如图1-75所示。

6）发动机减速：

①以D位减速行驶。发动机停止工作，动力为零。这时，车轮驱动MG2作为发电机运行，并为动力蓄电池充电，如图1-76所示。车辆从较高速度开始减速时，发动机以预定速度继续工作，保护行星齿轮组。

②B位减速行驶。如图1-77所示，车辆以B位减速行驶时，车轮驱动MG2，使MG2作为发电机工作，并为动力蓄电池及MG1供电。这样，MG1保持发动机转速并施加发动机制动。此时，发动机燃油供给被切断。

③制动减速时。车辆减速时，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HEV ECU。接收到信号后，HEV ECU在符合所需再生制动力的范围内增加再生制动力。这样，可以控制MG2产生充电电量，如图1-78所示。

7）倒车时/（G）。车辆倒车时，仅由MG2为提供动力。这时，MG2反向旋转，发动机不工作，MG1正向旋转但并不发电，如图1-79所示。

只有MG2驱动车辆时，如果HEV ECU监视的项目，例如SOC状态、动力蓄电池温度、冷却液温度和电载荷状态与规定值有偏差，则MG1起动，进而起动发动机，如图1-80所示。

发动机将起动作为发电机工作的MG1，并为动力蓄电池充电，如图1-81所示。

8）电机驱动模式控制。为减少深夜行车、停车时的噪声和在车库中短时间减少排放，可以手动按下仪表板上的EV模式开关，使车辆只受MG2的驱动，如图1-82所示。

按下EV模式开关后，组合仪表中的EV模式指示灯点亮，如图1-83所示。

选择EV模式时，发动机停止工作，车辆继续在只有MG2工作的状态下行驶，除非车辆发生以下情形：

①EV模式开关关闭。

②SOC下降到规定值以下。

③车速超过规定值。

④加速踏板角度超过规定值。

⑤动力蓄电池温度偏离正常工作范围。

如果动力蓄电池在标准SOC下，车辆在平坦路面上连续行驶1～2km后，EV模式将关闭，如图1-84所示。