3 混合動(dòng)力汽車的典型結(jié)構(gòu)
    3．1 串聯(lián)式混合動(dòng)力
    串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖21所示，串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)三大部件組成的，發(fā)電機(jī)的作用只是發(fā)電，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過電動(dòng)機(jī)控制器直接輸入到電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩驅(qū)動(dòng)汽車行走，發(fā)電機(jī)發(fā)出的部分電能給蓄電池充電，來延長混合動(dòng)力汽車的行駛里程。另外，電池還可以單獨(dú)給電動(dòng)機(jī)提供電能來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，使混合動(dòng)力汽車在零污染狀態(tài)下行駛。

    下面以通用汽車公司的Series-SHEV汽車和豐田考斯特（Coaster）SHEV客車為例介紹串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)。
    1．通用汽車公司的Series-SHEV汽車
    通用公司研制和開發(fā)的Series-SHEV是一種串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車。
    1）Series-SHEV的組成結(jié)構(gòu)（如圖22所示）

    （1）柴油機(jī)一發(fā)電機(jī)組采用一臺(tái)小型渦輪增壓直噴式柴油機(jī)，功率為40kW。柴油機(jī)保持在高效率狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，向鎳一氫動(dòng)力電池組充電。
    （2）動(dòng)力電池組采用鎳一氫電池作為動(dòng)力電池組，動(dòng)力電池組分別布置在座位下面，在SHEV驅(qū)動(dòng)時(shí)提供電能，在SHEV再生制動(dòng)時(shí)儲(chǔ)存回收的電能。
    （3）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，功率為100kW，通過減速器獨(dú)立地帶動(dòng)汽車前輪行駛。
    2）Series-SHEV的管理系統(tǒng)
    （1）Series-SHEV的多能源動(dòng)力總成管理模塊，對(duì)動(dòng)力電池組的充、放電，動(dòng)力電池組中每個(gè)電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和檢查。鎳氫電池組由中央控制器中的電池管理模塊控制，當(dāng)動(dòng)力電池組的電能下降到40％時(shí)，立即自動(dòng)啟動(dòng)柴油機(jī)。發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，并使動(dòng)力電池組恢復(fù)到50％的充電狀態(tài)。
    （2）發(fā)動(dòng)機(jī)采取啟動(dòng)一關(guān)閉的控制方．式控制柴油機(jī)一發(fā)電機(jī)組發(fā)電，發(fā)動(dòng)機(jī)保持在最佳效率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。
    3）Series-SHEV的特點(diǎn)
    （1）Series-SHEV是以通用汽車公司電動(dòng)汽車EV1為基礎(chǔ)，增加了一臺(tái)先進(jìn)的超節(jié)能的小型渦輪增壓直噴式柴油機(jī)，該柴油機(jī)裝在行李廂的前部，是同類產(chǎn)品中尺寸最小、質(zhì)量最小和最省油的渦輪增壓直噴式柴油機(jī)，由于柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性好，可以保持柴油機(jī)在最佳經(jīng)濟(jì)性和有害氣體最低排放的條件下穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)電，不斷地向電力電池組充電，還可以通過電流轉(zhuǎn)換器直接向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供電能，可以延長Series-SHEV的續(xù)駛里程，實(shí)現(xiàn)“沒有里程限制”的運(yùn)行。
    （2）Series-SHEV是以電動(dòng)汽車EV1為基礎(chǔ)開發(fā)的，將軸距增加了482.6 mm，加大了后座的空間，車速和底盤沒有大的改動(dòng)，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均采用了EV上的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，有較好的通用性和互換性。
    （3）動(dòng)力電池組采用鎳氫電池，驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)時(shí)提供電能和回收電能。
    2．豐田考斯特（Coaster）SHEV客車
    豐田Coaster，又名柯斯達(dá)，豐田汽車公司用Coaster中型客車改裝成Coaster SHEV，已經(jīng)批量生產(chǎn)和投入營運(yùn)。Coaster SHEV可以裝載224名乘客，一次加油的續(xù)駛里程達(dá)到400～500 km，所排放的碳?xì)浠�合物和NOx比汽油機(jī)或柴油機(jī)汽車低90%，CO比汽油機(jī)或柴油機(jī)汽車低66%，Coaster SHEV的技術(shù)性能見表1。

    Coaster SHEV的結(jié)構(gòu)如圖23所示，其發(fā)動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)組裝在汽車的前部，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)之間用一個(gè)增速器互相連接。發(fā)動(dòng)機(jī)采用D-4型1.5L直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)保持在最佳狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速比較低，而且是平穩(wěn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，在排氣系統(tǒng)中采用了三元催化劑，因此，動(dòng)力性能好，有害廢氣排放量大大減少，噪聲也有所降低。

    Coaster SHEV采用了密封式鉛酸電池組，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率為70 kW，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器來驅(qū)動(dòng)SHEV的后輪行駛。
    Coaster SHEV的動(dòng)力電池組的電能可以經(jīng)過變換器輸送供應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)組所發(fā)出的電能可以經(jīng)過變頻器輸送到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，也可以輸送到動(dòng)力電池組中。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過機(jī)械式整體后橋來驅(qū)動(dòng)車輛行駛，在市郊行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)組發(fā)電，并向動(dòng)力電池組充電，增加車輛的續(xù)駛里程。在城市行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)組停止工作，依靠動(dòng)力電池組的電能驅(qū)動(dòng)，實(shí)行“無污染”的行駛。Coaster SHEV在制動(dòng)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)回收能量。
    Coaster SHEV充分利用現(xiàn)成的Coaster汽油車的車身和底盤來改裝，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在總布置上與原來的汽油車基本相同，保留了原車的大部分總成，但取消了變速器、傳動(dòng)軸等總成，這樣有利于實(shí)現(xiàn)通用化和系列化，并且可以大大降低成本。

    3.2并聯(lián)式混合動(dòng)力
    并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分別為內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
    （1）發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
    （2）以發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力，其作用是讓發(fā)動(dòng)機(jī)盡量靠近最有效率狀態(tài)，從而達(dá)到節(jié)油的效果。工作時(shí)共同驅(qū)動(dòng)或各自單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。
（3）保留了常規(guī)汽車的動(dòng)力傳遞方式，發(fā)動(dòng)機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以直接驅(qū)動(dòng)車輛，燃油能量利用效率較高。
    （4）適合高速公路等穩(wěn)定行駛路況。
    1．單軸式并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)
    單軸式并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖24所示，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的輸出軸采用了同一根傳動(dòng)軸，這種結(jié)構(gòu)有利于電動(dòng)機(jī)和變速箱結(jié)構(gòu)的一體化模塊設(shè)計(jì)，便于批量生產(chǎn)中的模塊化供貨和整車裝配，單軸并聯(lián)結(jié)構(gòu)的合成方式為轉(zhuǎn)矩合成。其缺點(diǎn)是：這種結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩者任何時(shí)刻的轉(zhuǎn)速值均為同一值，限制了電動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域。

    下面介紹兩種典型的單軸并聯(lián)混合動(dòng)力車型。
    1）福特Prodigy混合動(dòng)力汽車
    福特汽車公司的Prodigy轎車是一種“低儲(chǔ)能（LSR）”型并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，采用4A·h小而輕的鎳氫電池來儲(chǔ)存電能，使整車的質(zhì)量降低，整車的整備質(zhì)量為1083 kg，比同類型的家庭型轎車輕約450 kg。
    (1) Prodigy LSR轎車的技術(shù)性能見表2。



 （2）Prodigy LSR轎車的結(jié)構(gòu)如圖25所示。

    ①發(fā)動(dòng)機(jī)。Prodigy LSR配置直列4缸1.2L、四氣門直噴式DLATA發(fā)動(dòng)機(jī)。DLATA發(fā)動(dòng)機(jī)是一種高性能和高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率為54.4 kW，轉(zhuǎn)矩為153 N·m。發(fā)動(dòng)機(jī)裝在汽車的前部，通過自動(dòng)離合器、MTX-75型5擋變速器、主減速齒輪和差速器齒輪，帶動(dòng)汽車前軸行駛，在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車基本相同。Prodigy LSR燃料消耗量降低到3.3 L／100krn。
    ②電動(dòng)／發(fā)電機(jī)。Prodigy LSR的發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸上裝有電動(dòng)／發(fā)電機(jī)（S/A），電動(dòng)／發(fā)電機(jī)是一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)，用交流變頻器控制，最大輸出功率僅為8 kW，它代替發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪和發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)快速啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將所發(fā)出的電能儲(chǔ)存到動(dòng)力電池組中。在汽車加速或爬坡時(shí)，電動(dòng)／發(fā)電機(jī)還可以轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工作，提供功率為8 kW的輔助動(dòng)力。
    ③動(dòng)力電池組。Prodigy LSR的VARTA動(dòng)力電池組，是由多個(gè)12V的單體鎳一氫電池組組成，只有4A·h的容量，總功率為22 kW，能量為1.1 kW·h。
    （3）Prodigy LSR的管理系統(tǒng)。
    ①操縱裝置。Prodigy LSR裝有自動(dòng)換擋的手動(dòng)變速器（Automatic Shifted ManualTransmission）。發(fā)電機(jī)通過自動(dòng)離合器、5擋變速器和驅(qū)動(dòng)橋，驅(qū)動(dòng)汽車前軸行駛。
    這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車基本相同，動(dòng)力系統(tǒng)總質(zhì)量為455 kg，自動(dòng)換擋的手動(dòng)變速器操作十分方便，既具有手動(dòng)變速器的效率，又比類似的自動(dòng)變速器效率高20%，駕駛員可以采用自動(dòng)換擋模式或選擇換擋模式來操縱車輛行駛。
    ②多能源動(dòng)力總成管理系統(tǒng)。Prodigy LSR采用中央控制器和多個(gè)控制模塊對(duì)電動(dòng)／發(fā)電機(jī)（S/A）、發(fā)動(dòng)機(jī)和自動(dòng)換擋的手動(dòng)變速器進(jìn)行自動(dòng)控制，主要有以下幾方面。
    ·福特汽車公司在Prodigy LSR上采用了福特汽車公司首創(chuàng)DLATA質(zhì)量很小的鋁合金制造的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊用啟動(dòng)、關(guān)閉的方式控制發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在低油耗、高效率的最佳工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，這些措施使得Prodigy LSR燃料消耗量降低到3.3 L/ 100 km。
     ·Prodigy LSR的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上裝配的電動(dòng)／發(fā)電機(jī)，最大輸出功率僅為8kW，電動(dòng)／發(fā)電機(jī)的質(zhì)量非常小，僅在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)和汽車在加速或爬坡時(shí)，才輸出動(dòng)力輔
助發(fā)動(dòng)機(jī)工作。
      ·Prodigy LSR的電動(dòng)／發(fā)電機(jī)可以迅速達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間由250 ms降低到100 ms，發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)在車輛減速或停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)熄火，車輛一起步發(fā)動(dòng)機(jī)立即重新啟動(dòng)，駕駛員甚至察覺不到發(fā)動(dòng)機(jī)曾經(jīng)熄火。
    ③驅(qū)動(dòng)模式。
      ·發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。Prodigy LSR主要是以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式來驅(qū)動(dòng)前輪行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)是依靠電動(dòng)／發(fā)電機(jī)來帶動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)不需要啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
      ·混合驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)車輛在加速或爬坡時(shí)，需要最大的動(dòng)力時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開最大時(shí)，電動(dòng)／發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)，形成發(fā)動(dòng)機(jī)一電動(dòng)／發(fā)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的混合驅(qū)動(dòng)模式，混合動(dòng)力在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上組合后，共同通過變速器、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車輪行駛。用電動(dòng)／發(fā)電機(jī)的控制模塊，動(dòng)力電池組在受控狀態(tài)下輸出的電流比較平穩(wěn)，可以保護(hù)電池組并延長電池組的壽命。采用燃料電池后，Prodigy LSR的節(jié)能性能還將進(jìn)一步提高。
     ·再生制動(dòng)能量回收。Prodigy LSR在制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)／發(fā)電機(jī)能夠回收再生制動(dòng)時(shí)的能量，轉(zhuǎn)換為電能，儲(chǔ)存到動(dòng)力電池組中，在制動(dòng)過程中，自動(dòng)離合器會(huì)自動(dòng)分離。
    2）本田Insight和Civic混合動(dòng)力汽車
    本田把它的混合動(dòng)力系統(tǒng)稱為IMA （Integrated Motor Assist）. 1997年，本田公司開發(fā)出第一代IMA系統(tǒng)，而1999年12月，搭載第一代IMA系統(tǒng)的Insight（如圖2-26所示）已經(jīng)在美國正式上市，本田成為第一個(gè)在北美銷售混合動(dòng)力汽車的公司。2003年，當(dāng)IMA系統(tǒng)發(fā)展到第二代的時(shí)候，本田終于把它裝備在旗下最重要的車型上面—四門轎車 Civic. CivicHybrid馬上受到歡迎，它們均為并聯(lián)式混合動(dòng)力車，成為本田銷量最好的混合動(dòng)力車型，到2005年4月，本田混合動(dòng)力汽車全球銷量突破了10萬臺(tái)。隨后，本田雅閣混合動(dòng)力汽車Accord Hybrid裝備了第三代IMA系統(tǒng)，也成為世界上第一款混合動(dòng)力中型轎車。

    （1）混合動(dòng)力系統(tǒng)和工作過程。最新一代Civic Hybrid裝備了第四代IMA系統(tǒng)，主要部件包括一個(gè)1.3L.VTEC4缸汽油機(jī)，一個(gè)高功率的超薄永磁同步電動(dòng)機(jī)，一個(gè)無級(jí)變速器（CVT）和一個(gè)智能動(dòng)力單元（Intelligent Control Unit PCU），一組高性能鎳一氫電池和一個(gè)空調(diào)控制單元。汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)布置在車的前部，智能動(dòng)力單元布置在車的后部，布置形式如圖27所示，IMA系統(tǒng)工作過程如下。

    ①啟動(dòng)加速。發(fā)動(dòng)機(jī)以低速配氣正時(shí)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)提供輔助能量。
    ②急加速狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)以高速配氣正時(shí)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)電池會(huì)提供額外的功率給電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛，改善整車的加速性能。
    ③低速巡航狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)的4個(gè)氣缸閥門全部關(guān)閉，燃燒停止，動(dòng)力系統(tǒng)以純電動(dòng)狀態(tài)驅(qū)動(dòng)車輛。
    ④一般加速或高速巡航。發(fā)動(dòng)機(jī)以低速配氣正時(shí)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。
    ⑤減速狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電動(dòng)機(jī)此時(shí)作為一個(gè)發(fā)電機(jī)，在電動(dòng)機(jī)控制傳輸系統(tǒng)的幫助下將機(jī)械能最大限度地轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)到電池組中。
    ⑥停車狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，減少燃料損失和排放。

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