07.09 混合动力的特点结构

混合动力的结构特点

当前混合动力汽车已经不在陌生，各大车企几乎都推出了混动车型，下面就聊聊混动车型的结构特点，各家的利弊。

混合动力轮起来最成熟应该属于丰田车系，丰田旗下的普锐斯1997年开始量产，是第一个大规模量产的混动车型。

今天丰田推出的花冠混动车型就是源自普锐斯的改型混动系统。

丰田的混合动力用一套行星齿轮来分别连接发动机，电机MG1和MG2。其中发动机和行星齿轮组的行星架相连，齿圈连接输出轴和MG2电机，太阳轮连接MG1电机。

整套系统没有离合器，车辆行驶变速完全靠与行星齿轮组相连的3个动力源（发动机，MG1电机，MG2电机）的转速差来实现。

其中太阳轮齿数最少，相当于最小的齿轮，齿圈齿数大于太阳轮齿数，相当于中等齿轮，行星架的齿数约等于太阳轮齿数加齿圈齿数，是最大的齿轮，太阳轮和行星架分别作为输入和制动（转速差也相当于制动），来调节车速，齿圈和输出轴相连，在起步和加速行驶事都是从动输出·。

其中MG2电机功率50KW，最大转速0-1200-1540转，最大输出扭矩400NM，它直接与输出轴和行星齿轮组的齿圈相连，在发动机和MG1电机不动作的情况下可以直接驱动车辆行驶，是该系统低速起步行驶的主要电动机。

稍小一点的MG1电机功率37.8KW，最高转速9500转，最大输出扭矩45NM，他与行星齿轮组的太阳轮相连，它的主要作用是启动发动机以及作为发电机为电池组充电，在汽车需要大功率输出时也可以输出动力协助发动机和MG2电机驱动车辆。

发动机作为常规动力仍然存在，他直接与行星齿轮组的行星架刚性连接，没有离合器。

一套普通的行星齿轮可以有7个速比的变化，丰田就是利用行星齿轮组的这一特性，分别控制MG2电机，MG1电机及发动机的转速，从而实现了电控无极变速，即ECVT。

我们再看看这套系统是怎样实现动力传递的。

第一种状态，起步及低速行驶。此时由高压蓄电池提供电力，MG2电机直接驱动输出轴，发动机和MG1电机都不工作。行星齿轮组只有齿圈旋转行星架不动（发动机没有启动），太阳轮（MG1电机）自由反转。即电动起步行驶时行星齿轮组的状态为：太阳轮自由反转，行星架不转，齿圈正转。

第二种状态，高速行驶。由于MG2电机最高转速在1200-1540转之间，因此很难获得太高车速，一般在40-60KM/h，继续加速时发动机会被启动，车辆瞬间被切换为发动机驱动模式，行星架由原来的不动变成主动，此时车辆处于行驶状态，齿圈被MG2电机驱动，控制模块根据MG2转速或车速、发动机转速，计算所需的MG1电机输出转速及旋转方向。

因为在行星齿轮组中与发动机相连的行星架是最大齿轮，齿圈是中等齿轮，如果MG1驱动的太阳轮转速为零，那么齿圈将以高于行星架的转速旋转，但是此时的车速不高，时速40-60公里仅仅相当于手动挡车辆的3档，还不适合超速档行驶，所以，控制模块驱动MG1电机逆时针旋转，并且转速低于自由状态，通过转速差对行星架的行星齿轮制动，让齿圈获得了动力，当发动机转速不变的时候，通过调节MG1电机的转速就可以改变齿圈的转速，例如当发动机转速2000转不变，当MG1电机驱动太阳轮逆时针1000转时，齿圈输出的车速为40KM/h，当发动机转速不变，MG1电机调节太阳轮逆时针转速500转时，齿圈输出的车速就会提高到60KM/h；同样发动机转速不变，当MG1电机调节太阳轮转速接近零转时，车速继续提高，当MG1调节太阳轮转速为顺时针旋转时，车速进一步提高顺时针转速越高，车速越快。控制模块只要调节MG1电机的旋转方向和转速就可以调节车速。

因此这款车的变速箱又被称为ECVT。在这种情况下MG2在轻负荷时候作为发电机为高压电池充电。

第三种状态，低速加速行驶。此时车辆加速需要最大功率，发动机和电机同时输出动力，油电混合输出。一部分动力有发动机输出，发动机启动，动力由行星齿轮组行星架输入，MG1电机调节太阳轮逆时针转速，行星齿轮组齿圈输出动力。另一部分动力有MG2电机驱动行星齿轮组的齿圈输出动力，这样齿圈就获得了来自发动机的动力和MG2电机的动力的合力，驱动轮获得最大的输出扭矩。

第四种状态，车辆行驶中，且发动机运转时制动减速。混动车辆制动系统与常规动力有所不同，在行驶中制动时，踏板压力传感感器感知驾驶员踩下刹车踏板的速度和力度，当刹车踏板被轻轻踩下时，电脑分析驾驶员的意图是车辆减速，此时制动系统并不工作，而是MG2回收动能发电使车辆减速。

同时MG1利用发动机制动的动力发电。只有驾驶员快速有力的踩下刹车踏板时，制动系统迅速实施制动，使车辆快速停车。

第四种状态，小负荷行驶。车辆小负荷告诉行驶时，发动机驱动车辆，此时车辆仅仅需要很小的扭矩，这时MG2电机根据高压电池的存储电量，选择是否给高压电池低电流充电。

第五种状态，停车时启动发动机。此时车辆停止，行星齿轮组齿圈不动，发动机未启动时行星架也不动，此时MG1电机驱动太阳轮顺时针旋转，由于车辆静止，齿圈被制动，行星架在太阳轮的驱动下顺时针旋转，启动发动机。

第六种状态，倒车。倒车时只需要MG2电机反转即可驱动车辆倒车。

由此可见丰田的混合动力利用了行星齿轮组的特性，分别通过发动机、MG1电机和齿圈输出就可以实现无级变速，MG2电机作为独立的低速行驶电机实现纯电动行驶和倒车。三者之间互不干涉，各自独立，又取消了离合器，结构简单有效，互相切换时毫无感觉既感觉。成就了混合动力的经典之作！

再说说GM新研发的Voltec混合动力系统。

应该说GM借鉴了分丰田的思路，又巧妙的避开了分丰田的专利限制。通用汽车也运用一套行星齿轮机构，太阳轮与MG2电机相连，MG1电机与齿圈之间有一个离合器C2，发动机与MG1电机之间有离合器C3，行星架直接与输出轴连接。

还有一个C1离合器用于锁止齿圈与壳体。MG1电机55KW，主要用于发电及纯电动模式低速行驶；MG2电机111KW，主要用于驱动车辆起步及纯电动模式行驶。

低速纯电动模式：发动机停止，离合器C1结合，将齿圈与变速箱壳体锁止，MG2电机驱动太阳轮顺时针旋转，此时齿圈被C1离合器锁止不动，行星架减速输出动力，驱动车辆起步低速行驶。

高速纯电动模式：离合器C1释放，离合器C2结合，MG2电机继续输出，MG1电机顺时针旋转，为行星架增速，此时MG2电机和MG1电机配合，行星架输出动力，MG2电机和MG1电机转速相同时，太阳轮，齿圈和行星架同速旋转，实现纯电动高速行驶。

发动机工作增程模式：发动机启动，C3离合器接合，MG1电机发电，为电池充电，电池驱动MG2电机驱动太阳轮，C1离合器接合，车辆有MG2电机驱动行驶。发动机仅仅是为电瓶充电，不参与动力输出。

混合动力输出：C1离合器释放，C2离合器和C3离合器接合，发动机与MG1电机转子同速旋转，驱动齿圈，MG2电机驱动太阳轮，此时车辆由发动机和MG2电机同时驱动，MG1电机发电。车辆高速行驶。

能量回收模式：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瓶充电。

通用Voltec混合动力系统由于在发动机和电机，发电机和电动机之间都有离合器，这种结构发动机，发电机，电动机都可以独立运行，在高压电瓶电量足够的情况下，车辆可以以纯电动模式续航较大里程，这款Voltec最大纯电续航里程80公里，可作为插电式强混设计。

本田雅阁也推出了i-MMD混动款车型，这款插电式混动车型同样采用了双电机设计，驱动电机是这款车的亮点，电机功率124KW，最大输出扭矩307NM，最大转速12584转，最高电圧700V，这一数据是这三款车中最好的，虽然比丰田的电机输出扭矩逊色，但是其宽泛的转速范围领跑三款车之首！

再看他的混动结构，驱动电机直接通过斜齿直接与输出轴啮合，可以直接驱动车轮向前或向后行驶，输出轴的齿轮位于中间，另一端通过离合器和发动机相连，结构相较于丰田和通用的行星齿轮结构更简单。

混动模式：这种模式下是在高压电池电量不足的时候自动切换，发电/起动机启动发动机，发动机运行后，发电/起动机转换为发电模式，发动机通过发电机为高压电池充电，高压电池驱动电机行驶。发动机是作为高压电瓶备用充电存在，这种状态为增程模式。

发动机驱动模式：这款车在静止起步时无法使用发动机驱动模式，从机构上看，发动机与驱动轮之间只有一个离合器，并没有其他的变速装置，因此发动机驱动模式必须在车辆行驶过程中才能切换，并且只能出现在高速模式。在混动模式下，发动机启动，车辆通过电机行驶到一定车速，电脑监测车速和发动机转速，当两者转速相近或相同时离合器接合，车辆切换为发动机驱动模式，车辆改由发动机驱动行驶，或者发动机和电动机共同驱动，发电机则根据车辆负荷调节发电机的发电量，这种设计可以让发动工作时处于更好的状态，以获得更优良的燃油经济性。

能量回收是每一款混动车型的必备功能，同样根据驾驶员的减速意图，选择电机回收动能或对制动系统施加制动。

综合来讲，这三款车型的混动模式各有特点，丰田的结构简单直接，控制更加灵活方便，行驶中几乎感觉不到任何的动力切换带来的车速变化，通用的三离合器模式再切换时对控制要求较高，否则会导致动力切换时车速的波动。

本田插电式混合动力在大部分时间可以在EV纯电动模式行驶，即使电量告急，发动机也是以增程模式给电瓶充电，只有高速行驶时才会切换发动机驱动模式。这种混合动力与奔驰混动相比，变速器的结构更简单，成本更低，控制也简单有效。奔驰等车系混合动力车型电机和飞轮组合，在飞轮与曲轴之间加一个离合器，可以在发动机不启动的时候纯电动行驶，但是因为飞轮之后仍然是常规动力的变速箱，成本没有降低，反而又增加了电瓶、电机以及控制器等原件，成本增加很多。电机是唯一一个，即是起动机，还是发电机，又是电动机，在发动机与变速箱之间空间有限，限制了高性能电机的运用，还是有所不足。

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