新能源汽车混合动力系统分析

阿特金森循环： 阿特金森循环是一种高压缩比， 长膨胀行程的内燃机工作循环。阿 特金森循环发动机通过推迟进气门 关闭及推迟排气门打开使得燃烧产 生的能量更充分地被利用，是一种 能效比较高的发动机种类。传统阿 特金森循环发动机低速扭矩输出较 弱，较长的做工行程不利于高速运 转。随着四冲程发动机配气机构控 制技术的日益成熟（本田VTEC、 丰田VVT、宝马Valvetronic），使 得阿特金森循环发动机的性能有了 极大的进步。
——系统构成
Voltec混合动力系统是通用汽车的E-Flex插座充电式混合动力驱动系统的最新版 本，采用1台小型的发动机、2台电动机对车辆进行综合驱动的系统。沃蓝达上采用的 是容量为16kWh的360V锂电池组，电池组成T型布置，隐藏于后排座椅下及车身中部 ，纯电动最高行驶里程可达80km。整个Voltec混合动力系统包括汽油发动机、综合 动力分配系统、高容量锂电池以及电力控制单元。
逆变器 电池组 逆变器 电动机 发动机 变速器 发电机 发动机
逆变器 发动机 发电机 电动机
电动机
雪佛兰沃蓝达、宝马 i3、传祺GA5増程版 机械连接 电气连接
本田CR-Z、别克君越 eAssist
丰田普锐斯、丰田凯美瑞 尊瑞、雷克萨斯CT200h、 比亚迪F3DM
混合动力系统的分类
——从混合程度分析混合动力车的分类
丰田THS-II混联式混合动力系统
——系统构成
丰田THS系统是典型的混联式混合动力系统，至今已发展到第四代。THS是 “Toyota Hybrid System”的缩写，最早被用于97年10月发布的第一代普锐斯（Puris ）上。下面我们就以THS-II系统对混联式混合动力系统进行解释。 THS-II系统主要部件有汽油发动机、永磁交流同步电机、发电机、高性能金属氢化
——工作逻辑
IMA系统的工作逻辑包括起步加速、急加速、低速巡航、轻加速和高速巡航、减 速以及停车。
本田IMA并联式混合动力系统
——工作逻辑
起步加速时，发动机以低速配气正时状态运转，同时电机提供辅助动力，以实现 快速加速性能，同时达到节油的目的。
本田IMA并联式混合动力系统
——工作逻辑
急加速时，发动机以高速配气正时状态运转，此时电池给电机供电，电机与发动 机共同驱动车辆，提高整车的加速性能。
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统
——工作逻辑
Voltec混合动力系统一共有5种工作模式，分别为：EV低速模式、EV高速模式、
EREV混合低速模式、EREV混合高速模式以及能量回收模式。
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统
——工作逻辑
处于EV低速模式时，C1吸合，C2、C3松开，发动机停转。齿圈被固定，电动机 推动太阳轮转动，行星架因太阳轮的转动而转动，把动力传输到减速齿轮并传递到车 轮。
混合动力系统的分类
——从混合程度分析混合动力车的分类
弱混合动力（也称微混合动力）：对传统发动机的起动机进行了改造，形成由带传动的发电起动一体式
电机(BSG)。电机功率较小，仅靠电机无法使车辆起步，起步过程仍需要发动机介入。在城市循环工况下节油 率一般为5%~10%。代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统
——工作逻辑
要了解系统的工作逻辑，首先要了解动力分配系统的结构。从Voltec的动力分配 系统的控制方式与THS系统有一定的区别，Voltec系统通过3个离合器来控制动力的 分配。我们把这三个离合器分别命名为C1、C2、C3。C1用于连接行星齿轮齿圈与动 力分配机构壳体（固定）；C2用于连接发电机与行星齿轮齿圈；C3用于连接发动机 与发电机。系统结构简图可参看下图。
丰田THS-II混联式混合动力系统
——部件解析
THS-II系统的关键也是最为复杂的部件就是由两台永磁同步电机及行星齿轮组成的动力分配 系统。 THS-II系统中带有两台电动机——MG1和MG2。MG1主要用于发电，必要时可推动汽车。 MG2主要用于推动汽车。而MG1、MG2以及发动机输出轴被连接到一套行星齿轮机构的太阳轮 、齿圈和行星架上。动力分配就是通过功率控制单元控制MG1和MG2电机，通过行星齿轮机械 机构进行巧妙分配的。由于使用了这种创新的动力分配方式，THS-II系统甚至连变速箱也不需要
物电池盒以及功率控制单元。第三代普锐斯和凯美瑞尊瑞采用的就是THS-II混合动力系
统。
丰田THS-II混联式混合动力系统
——部件解析
采用THS-II系统的第三代普锐斯使用的发动机是1.8L的5ZR-FXE发动机，而2012 款凯美瑞尊瑞采用的是2.5L的4AR-FXE发动机。上面提到的这两款发动机均采用了能 效相对较高的阿特金森循环。
混合动力系统分析
目录
●混合动力系统的分类
☞从系统构成分析
☞从混合程度分析
●混合动力系统经典案例
☞雪佛兰Voltec串联式混合动力系统 ☞本田IMA并联式混合动力系统 ☞丰田THS-II混联式混合动力系统
混合动力系统的分类
——从系统构成分析混合动力车的分类
串联式混合动力
电池组
并联式混合动力
电池组
混联式混合动力
混合动力系统的分类
——从混合程度分析混合动力车的分类
在混合动力系统中，根据电动机的输出功率在整个系统输出功率中所占比重，分 为五类：弱混合、轻型混合、中型混合、重型混合和插电式混合。 混合度H是指电系统功率Pelec占动力源总功率Ptotal的百分比，由下式计算：
H= Pelec / Ptotal *100%
国内销售的CR-Z上采用的变速箱是模拟7速CVT变速
箱，以获得平顺的换挡体验及较高的换挡效率。
本田IMA并联式混合动力系统
——部件解析
IMA系统的IPU智能动力单元是由PCU动力控制单元和电池组成。其中PCU又包 括BCM电池监控模块、MCM电机控制模块以及MDM电机驱动模块组成。
本田IMA并联式混合动力系统
丰田THS-II混联式混合动力系统
——工作逻辑
车辆起步时，如需要更多动力（驾驶员深踩油门或检测到负载过大），MG1转动 启动发动机。
本田IMA并联式混合动力系统
——工作逻辑
低速巡航时，发动机的四个气缸的进排气阀全部关闭，发动机停止工作，车辆以 纯电动方式驱动车辆。
本田IMA并联式混合动力系统
——工作逻辑
轻加速和高速巡航时，发动机以低速配气正时状态运转，此时发动机工作效率较 高，单独驱动车辆，电动机不工作。
本田IMA并联式混合动力系统
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统
——部件剖析
沃蓝达的动力系统由2台电动机（最大功率分别为111kW和55kW）和1台发动机
（最大功率为63kW）组成，发动机仅用于发电。其中功率较大的电动机主要用于驱 动车辆，而功率较小的电动机主要用于发电。
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统Hale Waihona Puke Baidu
——部件剖析
2台电动机和1台发动机通过1个行星齿轮机构以及3个离合器组成了动力产生/回收 /分配系统。和丰田THS系统一样，Voltec系统同样使用行星齿轮组巧妙地实现了动力 的综合分配。所不同的是，在Voltec系统中，太阳轮连接到电动机，行星架连接到减 速机构直接输出动力到车轮，而齿圈则根据实际情况连接到动力分配系统的壳体（固 定）或者连接到发电机和发动机。
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统
——工作逻辑
处于EREV低速模式时，C1、C3吸合，C2松开，发动机运转。此时，发动机推 动发电机发电，并为电池充电；同时电池为电动机供电推动太阳轮转动，由于齿圈固 定，行星架跟随太阳轮转动，从而把动力传到车轮。
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统
——工作逻辑
——工作逻辑
减速或制动时，发动机关闭，电机此时以发电机方式工作，将机械能最大限度地 转化为电能，储存到电池包中。车辆制动时，制动踏板传感器给IPU一个信号，计算 机控制制动系统，使机械制动和电机能量回馈之间制动力协调，以得到最大程度的能 量回馈。
本田IMA并联式混合动力系统
——工作逻辑
车辆停止时，发动机自动关闭，减少燃料损失和排放。当制动踏板松开时，发动 机自动启动。
——工作逻辑
处于能量回收模式时，C1吸合，C2、C3松开，发动机停转。车轮带动行星架转 动，由于齿圈固定，太阳轮随着行星架转动。此时，功率较大的电动机作为发电机对 电池充电。
本田IMA并联式混合动力系统
——系统构成
本田IMA系统是非常典型的并联式混合动力系统，至今已发展到第六代并应用在 本田最新的CR-Z、思域、飞度等车型上。下面，我们就以IMA系统为例来说明一下并 联式混合动力系统的结构。 IMA系统由4个主要部件构成，其中包括：发动机、电机、CVT变速箱以及IPU智 能动力单元组成。电动机取代了传统的飞轮用于保持曲轴的运转惯性。整套系统的结 构非常紧凑，和传统汽车相比仅是IPU模块占用了额外的空间。
处于EREV高速模式时，C2、C3吸合，C1松开，发动机运转。此时，发动机与 发电机转子连接后推动齿圈转动同时发电，电动机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同 时转动，带动行星架转动，从而把动力传到车轮。发动机推动齿圈转动，降低了与太 阳轮连接的另一电动机的转速，提高了其能源使用率。
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统
——工作逻辑
处于EV高速模式时，C2吸合，C1、C3松开，发动机停转。发电机此时充当电动 机工作，推动齿圈转动。同时，功率较大的另一个电动机推动太阳轮转动。齿圈和太 阳轮同时转动，带动行星架转动，从而把动力传到车轮。发电机充当电动机推动齿圈 转动，降低了与太阳轮连接的另一电动机的转速，提高了其能源使用率。
况下节油率达到20%~30%，技术成熟，应用广泛。例如本田的IMA混合动力系统就是采用并联式结构的中型混
合动力系统。
重型混合动力（也称全混合动力，强混合动力）：采用了272~650V的高压电机，混合度可以达到
50%以上，在城市循环工况下节油率可以达到30%~50%。随着电机、电池技术的进步，重型混合动力系统逐
渐成为混合动力技术的主要发展方向。如丰田的THS混合动力系统就是混联式结构的重型混合动力系统。
插电式混合动力(Plug in Hybrid)：可以利用电网，对动力电池充电，一般插电式混合动力轿车都有车
载充电机，可以使用家用电源为电池充电，比亚迪秦、唐都是具备插电功能的混合动力汽车。
雪佛兰Voltec串联式混合动力系统
轻型混合动力：采用了集成起动电机(ISG)。除了能够实现用电机控制发动机的起停外，还能够在电动汽车制
动和下坡工况下，实现对部分能量进行回收；混合度一般在20% 以下，别克君越eAssist就是采用了轻型混合 动力系统，使用并联式结构，为车辆提供了能量回收、车辆启停等功能。
中型混合动力：采用ISG系统。与轻型混合动力系统不同，采用了高压电机，混合度可以达到30%。在城市工
了，发动机输出经过固定减速机构减速后直接驱动车轮。
丰田THS-II混联式混合动力系统
——工作逻辑
发动机启动时，电流流进MG2通过电磁力固定行星齿轮的齿圈，MG1作为启动机 转动太阳轮，太阳轮带动行星架转动，与行星架连接的发动机曲轴转动，发动机启动。
丰田THS-II混联式混合动力系统
——工作逻辑
怠速时，电流流进MG2固定行星齿轮的齿圈，发动机带动行星架转动，行星架带 动太阳轮转动，与太阳轮连接的MG1发电给电池充电。
本田IMA并联式混合动力系统
——部件解析
IMA系统的发动机通过搭载本田的i-VTEC（气门正时及升程可变技术）、i-DSI（双火花塞顺序点 火技术）以及VCM（可变气缸技术）来实现降低油耗的目的。国内的进口的本田CR-Z采用的是顶置单 凸轮轴1.5L的i-VTEC发动机，最大功率83kW，最大扭矩145Nm，实测百公里油耗约5.4L。IMA系统中 的发动机和传统车型中的发动机并没有太大区别，只是在调校上更偏向于节省燃料。 IMA系统的电机安装在发动机与变速箱之间，由于电机较薄且结构紧凑，行内人俗称“薄片电机” 。国内销售的CR-Z上采用的薄片电机最大功率10kW，最大扭矩78Nm。显然，这样的电机只能起到辅 助的作用。而由于IMA系统能够在特定情况下（如低速巡航）单独驱动汽车，而被划分到中型混合动力 汽车行列。 IMA系统的变速箱采用的是普通CVT变速箱。在