5.2.1 串联式混合动力电动汽车
1）基本结构
串联式混合动力系统的结构及驱动方式如图5.1所示。串联式混合动力系统利用发动机动力发电，从而带动电机驱动车轮。其基本结构是由电机、发动机、发电机、动力蓄电池和变压器等组成的。
2）串联式混合动力电动汽车工作模式
①纯电动模式。发动机关闭，车辆仅由蓄电池组供电、驱动。
②纯发动机模式。车辆牵引功率仅来源发动机/发电机组，而蓄电池组既不供电也不从驱动系统吸收任何功率，电设备组用作从发动机到驱动轮的电传动系。
③混合模式。牵引功率由发动机-发电机组和蓄电池组共同提供。
④发动机牵引和蓄电池充电模式。发动机-发电机组向蓄电池组充电和供给驱动车辆所需的功率。
⑤再生制动模式。发动机-发电机组关闭，牵引电动机产生的电功率用于向蓄电池组充电。
图5.1 串联式混合动力系统
①—发动机；②—发电机；③—动力蓄电池；④—变压器；⑤—电机；⑥—驱动轮；⑦—减速器
⑥蓄电池组充电模式。牵引电动机不接收功率，发动机/发电机组向蓄电池组充电。
⑦混合式蓄电池充电模式。发动机-发电机组和运行在发电机状态下牵引电动机共同向蓄电池组充电。
3）串联式混合动力系统的基本控制模式
①第一种是主要利用电池来驱动车辆，仅当电池SOC降低到最小限值时，发动机才启动，发动机在最高效率区以输出恒定功率的方式工作，当SOC回升到最大限值时发动机关机。
②第二种是“负荷跟随”控制模式。保持电池SOC在规定的范围之内，发动机带动发电机工作并尽可能接近车辆行驶所需的电量，电池只起负荷调节装置的作用。
③第三种是上述两种控制模式的一个折中方案。在电池的SOC较高时，主要用纯电动模式；而电池的SOC降低到设定的范围内时，发动机带动发电机工作，考虑发动机的排放和效率，将其输出功率严格限定在一定的变化范围内。
4）串联式混合动力系统的特点
串联式混合动力系统的优点：
①排放污染小。串联式混合动力电动汽车以动力电池组内的电能为基本能源来驱动。串联式混合动力电动汽车采用纯电动驱动时关闭发动机，只有用电池组电力驱动汽车，实现“零排放”行驶。发动机-发电机组所发出的电能向动力电池充电，发动机独立工作在高效率区域用于补充动力电池组的电能或直接供给驱动电动机，增加续驶里程，减少有害气体的排放。
②驱动形式多样。串联式混合动力电动汽车可采用电动机驱动系统或轮毂电动机驱动系统。根据布置的不同，还可以分为前轮驱动、后轮驱动或四轮驱动等多种形式。
③布置方便。串联式混合动力电动汽车只有驱动电动机的电力驱动系统，其特点更加趋近于纯电动车。因为驱动电动机与发电单元没有机械连接，因而布置起来更容易。
串联式混合动力系统的缺点：
①对驱动电动机、发电单元和电池的要求高。在串联式混合动力电动汽车上，驱动电动机的功率需要满足汽车在行驶中的最大功率需求，因此驱动电动机的功率要求较大，使得电动机的体积和质量都较大。由于需求功率的要求，动力电池组的容量要大。需要装置一个叫大功率发动机-发电机组，外型尺寸和质量较大，在中小型串联式混合动力电动汽车中布置有一定的困难，所以在串联式混合动力电动汽车驱动系统较适合在大型客车上采用。
②能量转换效率降低。串联式混合动力驱动系统能量通过热能—电能—机械能转换，能量损失较大。
③对动力电池工作性能要求更高。为了保护电池获得更好的电池性能和寿命，要根据动力电池荷电状态的变化，自动启动或关闭发动机-发电机，以避免动力电池过度放电，发动机-发电机与动力电池之间的搭配要严格。
5.2.2 并联式混合动力电动汽车
1）基本结构
并联式混合动力系统使用电机和发动机两种不同的装置来驱动车轮，动力的流向为并联，所以称为“并联式混合动力系统”。可以采用发动机单独驱动、电机单独驱动或发动机和电机混合驱动三种工作模式，典型的并联式混合动力系统的结构及能量流动路线如图5.2所示。
图5.2 并联式混合动力系统
①—发动机；②—变速器；③—动力蓄电池④—变压器；⑤—电机；⑥—驱动轮；⑦—减速器
2）并联式混合动力系统典型工作模式的功率流
①车辆启动、低速及轻载行驶时，发动机关闭，车辆由电机驱动，为纯电动工况，如图5.3所示。传统车辆起步时发动机效率低，排放差。并联结构由于增加了一套电驱动系统，在电池电量充足的情况下使用纯电动机启动和车辆起步驱动。
图5.3 纯电动工作模式图
②车辆正常行驶、加速及爬坡时，发动机和电机同时工作驱动车辆行驶，如图5.4所示。加速或爬坡工况下车辆需要更大的驱动力，这时两个动力轮输出同时给力，满足动力要求。此时电动机的能量来自电池组。
图5.4 混合动力模式
③在车辆行驶过程中，当车载电池组电量过低时，发动机在驱动车辆行驶的同时向动力蓄电池补充充电，如图5.5所示。当发动机输出功率大于车辆负荷，电池组荷电状态未达到最高限值时，发动机多余能量用来带动发电机给电池组充电。
图5.5 向动力蓄电池充电
④车辆减速及制动时，电机以发电机模式工作，回收车辆制动能量向动力蓄电池充电，如图5.6所示。车辆减速制动时电动机作为发电机使用，提供制动力矩，同时回收电能给电池组充电。
图5.6 制动能量回收
3）并联式混合动力系统的基本控制模式
①发动机辅助混合动力模式
这种模式主要利用电池-电机系统来驱动车辆，仅当较高的巡航速度行驶、爬坡和急加速时才使发动机启动。这种控制模式的优点是大多数情况下车辆都是用电池的电能来工作，车辆的排放和燃油消耗较少，同时可以利用车辆运动的惯性力来启动发动机，从而可以取消起动机。这种模式的缺点是，由于发动机每次停止运转期间，发动机和催化转化装置的温度降低而导致它们的效率降低，增加了尾气排放。
②电机辅助混合动力模式
这种模式主要利用发动机来驱动车辆，电机只在两种状态下使用：一是用于瞬间加速和爬坡需要峰值功率时，可使发动机工作在较高效率区间，以降低排放和减少燃油消耗；二是车辆减速制动时电机被用来回收车辆的制动动能对电池进行充电。这种模式的主要缺点是车辆不具备纯电动模式，在行驶过程中若经常加速，电池的电能消耗到最低限度，则会失去电机辅助能力，驾驶人会感到车辆动力性能有所降低。
4）并联式混合动力系统的特点
并联式混合动力系统的优点：
①两条驱动路径并联增加驱动功率。并联式混合动力电动汽车具有发动机/发电机（或驱动电动机）两套动力系统，增强了混合动力电动汽车的动力性。
②能量转化效率高。并联式混合动力电动汽车从发动机到车轮之间的动力传递过程中，除摩擦损耗外，没有机械能—电能—机械能的转换过程，总的能量转换综合效率要比串联式混合动力电动汽车高。
③动力元件比串联式混合动力驱动系统更小。由于在车辆需要较大输出功率时，电动机/发电机可给发动机提供额外的辅助动力，可以选择功率较小的发动机，燃料经济性比串联式混合动力电动汽车要高，比串联式混合动力电动汽车的三个动力总成的功率、质量和体积要小很多。(www.xing528.com)
④储能元件容量要求减小。电动机/发动机的功率根据多能源动力总成匹配的要求，可以选择较小功率的发动机。与此相对应，电动机/发动机的质量和体积较小，与它们配套的动力电池的容积也较小，使整车设备质量大大降低。
⑤电动机/发动机根据工况灵活工作。电动机/发动机同时起到起动机和飞轮的作用，可以带动发动机启动。在发动机运转时起飞轮平衡作用，调节发动机动态变化和输出功率，使发动机基本稳定在高效率、低排放的状态下运转。发动机带动电动机/发电机发电，所发出的电能向动力电池组充电，用于补充动力电池的电能，可增加续航里程。
并联式混合动力系统的缺点：
①发动机工作状态受路面行驶工况影响。发动机驱动模式是并联式混合动力电动汽车的基本驱动模式，发动机的工况会受到冰帘式混合动力电动汽车行驶工况的影响，无法一直运行在高效区域，因此发动机排放性能劣于串联式混合动力电动汽车。
②相比串联式混合动力电动汽车结构和布置更复杂。并联式混合动力电动汽车发动机驱动路径需要配备与内燃机汽车相同的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴、主减速器和差速器等传动总成，另外还由电动机/发电机、动力电池组，以及动力耦合器等装置，因此并联式混合动力电动汽车的多能源动力系统结构复杂，布置和控制困难。
5.2.3 混联式混合动力电动汽车
1）基本结构
混联式混合动力系统的结构和形式如图5.7所示，既可以在串联混合动力模式下工作，也可以在并联混合动力模式下工作，即在结构上综合了串联式和并联式的特点。这就要求有两台电动机，一个比较复杂的传动系统和一个智能化控制系统。
图5.7 混联式混合动力系统
①—发动机；②—动力分离装置；③—发电机；④—动力蓄电池；⑤—变压器；⑥—电机；⑦—驱动轮；⑧—减速器
2）并联式混合动力系统典型工作模式的功率流
混联式混合动力系统具有低油耗和低排放的效果。根据行驶工况的不同，以不同的模式工作，最大限度地适应车辆的行驶工况，使系统达到最高的燃油经济性和最低的排放。
（1）启动时
利用电机启动时的低速大转矩特性，汽车启动时，混合动力系统仅使用由动力蓄电池提供能量的电机的动力启动，这时发动机并不运转，如图5.8所示。
图5.8 启动时
（2）低速—中速行驶时
低速—中速行驶时，由高效利用能量的电机驱动行驶。对于发动机而言，在低速—中速带的效率并不理想，而另一方面，电机在低速—中速带性能优越。因此，在用低速—中速行驶时，油电混合系统使用动力蓄电池的电力，驱动电机行驶，如图5.9所示。动力蓄电池电量少时，利用发动机来带动发电机发电，为电机提供动力。
图5.9 低速—中速行驶时
（3）一般行驶时
一般行驶时，低油耗的驾驶，使用发动机作为主要动力源。低速区间，大功率驱动工况，如连续爬坡等，此时依照工作状况设定，由电动机驱动，将会消耗大量的电，需要发动机为电池补充电量。汽车以串联驱动模式行驶时，发动机工作在经济区且输出恒定功率，如图5.10所示。动力蓄电池的电量少时，发动机输出功率会被提高以加大发电量，来给动力蓄电池充电。
图5.10 一般行驶时
（4）一般行驶时/剩余能量充电
在中速行驶时，一般工作在发动机中速区域，且此时的发动机动力负荷偏低，效率低，发动机会产生多余的能量。通过这种模式来提高发动机的工作负荷，从而提高发动机的工作效率为电池补充电能，如图5.11所示。
图5.11 一般行驶时/剩余能量充电
（5）全速开进（行驶）时/利用双动力来获得更高一级的加速
在需要强劲加速（如爬陡坡及超车）时，动力蓄电池也提供电力来加大电机的驱动力。通过发动机和电动机同时工作，能提供较大的动力输出，因此这种模式通常适合于工作在中低速加速和高速区，如图5.12所示。
图5.12 全速开进（行驶）时
（6）减速/能量再生时
汽车制动时，车轮提供反向扭矩，带动驱动电动机来作为发电机发电，以此回收能量。通过回收制动能量，混合动力车能很好地控制油耗和排放。这种模式工作在中高速滑行和制动的工况下，如图5.13所示。
图5.13 减速/能量再生时
（7）停车时
在停车时，发动机、电机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费能量，如图5.14所示。当动力蓄电池的充电量较低时，发动机将继续运转，以给动力蓄电池充电。另外，有时因与空调开关连动，发动机会仍保持运转。
图5.14 停车时
3）混联式混合动力系统的基本控制模式
混联式混合动力系统其工作原理如下：发动机发出的功率一部分通过功率分流装置（功率分配器），经机械传动系统传至驱动轮，另一部分则驱动发电机发电，发出的电能输送给电动机或蓄电池，电动机的力矩同样也可通过传动系统传送给驱动轮。混联式驱动系统的一般控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联式为主。
混联式混合动力驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机等部件进行更优化的匹配，在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制目标。与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此在机械结构和控制方面对动力复合装置提出了更多的要求。
4）混联式混合动力系统的特点
混联式混合动力系统的优点：
①与串联式混合动力电动汽车相比动力系统更小、成本降低。混联式混合动力电动汽车是在并联式混合动力电动汽车的基础上，再增加电动机/发电机或驱动电动机，因此混联式混合动力电动汽车由三个动力总成组成，三个动力总成以50%～100%的功率驱动车辆，但比串联式混合动力电动汽车动力总成的功率、质量和体积要小。
②多种工作模式获得更好的性能。混联式混合动力电动汽车有多种驱动模式可供选择，包括串联驱动和并联驱动，使发动机的工作状态在多变的工况中都可以选择最优的模式。
③发动机参与驱动减少能量转换损失。发动机驱动模式是混联式混合动力电动汽车的基本驱动模式之一，在发动机到车轮之间动力传递过程中，除摩擦损耗外，没有机械能—电能—机械能的转换过程，能量转换的综合效率要比内燃机汽车高。
④纯电行驶降低排放。纯电动机驱动模式也是混联式混合动力电动汽车的基本驱动模式之一，可以独立驱动车辆行驶，在车辆启动与起步时，发挥电动机低速大转矩的特征，带动车辆起步，实现“零污染”行驶。
混联式混合动力系统的缺点：
①发动机参与驱动在特殊工况下排放劣于串联式混合动力电动汽车，混联式混合动力电动汽车性能更接近内燃机汽车。发动机的工况会受行驶工况的影响，发动机的有害气体的排放高于串联式混合动力电动汽车。
②结构复杂布置困难。混联式混合动力电动汽车需要配备两套驱动系统，发动机传动系统需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动轮等传动总成。另外，还有电动机/发动机、驱动电动机、减速器、动力电池组，以及多能源的动力组合或协调发动机驱动与驱动电动机驱动力的专用装置，因此混联式混合动力电动汽车的多能源动力系统结构复杂，总布置也更加困难。
③整车多能源控制系统要求更高、更复杂。多能源动力的匹配和组合有不同的组合形式，需要装配一个复杂的多能源动力总成控制系统，才能达到高的经济性和“超低污染”的控制目标。
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