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一、混合动力概述

内燃机从发明到成熟使用已经100多年了，它给人们带来许多便利，但是随之而来也有许多问题。环境的污染，石油的消耗，温室气体的排放，一个个问题接踵而来，即便政府对汽车排放进行了严格要求，但是环境污染问题依然严峻。CO2的排放，不是仅靠着限牌限号能够解决的，还有石油的消耗，世界石油储量预计还有100年就会被开采完。那么没有汽油，那些车辆又将如何工作呢？所以电动车就出现了，但是纯电动车又给人们带来了几大难题：无法长时间续航、大容量电池体积太大及充电时间过长等。于是，混合动力车就成了目前解决问题的最好办法。

混合动力汽车是通过普通发动机与电动机同时运行来驱动汽车的，即热动力源（传统发动机）与电动力源（电池与电动机）的汽车，把电机安装到汽车上，使汽车可以在不同工况下选择不同的动力模式，发动机处于综合性能最好的工况下工作，从而降低油耗与减少汽车尾气排放。

相比纯电动汽车，混合动力汽车有APU（Auxiliary Power Unit）作为辅助动力，APU是串联混合动力汽车的控制核心技术，可以减少电池的数量和重量，续航能力和动力性能可以和传统内燃机汽车差不多。利用APU可以给空调、助力系统等提供电能。相比内燃机，电机排量通常很小，并且在最佳工况点工作，所以排放低且节能，在市区等红灯时可以关闭APU、实现零排放。电动驱动系统还可以充当发电机，回收制动和下坡时产生的能量，进一步实现节能减排。

20世纪90年代以来，大多数汽车公司都开始研究和开发混合动力汽车，无论是高端跑车品牌法拉利还是国产民族品牌比亚迪，都加入到混合动力汽车的研究队伍中。车型包括进口宝马X1、迈凯伦P1、进口奥迪A6、丰田卡罗拉、本田雅阁、雷克萨斯ES及荣威eRX5等。

由于中国经济的快速发展，汽车数量急剧增加，2016年中国石油消耗总量达到 5.56亿吨，全国汽车销量达到2 802.8万辆，位居世界第一，汽车保有量达到1.94亿辆。这么大数量的汽车所带来的污染量也是巨大的。我国的新能源汽车发展目标是，到2020年新能源汽车累计产销量达到500万辆。

混合动力发展前景潜力无穷。首先，从消费者的角度来说，汽车不需要外部充电，发电机和电动机可以互补，不用担心没油或没电。其次，对于环境保护和能源利用来说，混合动力汽车减少了污染物的排放量。与传统汽车相比，因为发动机总是处在最佳工况，油耗非常低。它既有发动机动力性好、反应快和工作时间长的优点，又有电动机无污染和低噪声的好处。

混合动力有3种类型，分别为：串联式、并联式和混联式。

1．串联式混合动力汽车

发电机靠发动机驱动发电，汽车只利用电动机驱动行驶，驱动系统只有电动机。发动机不受汽车行驶工况的影响，始终在最佳工作区稳定运行。发动机动力转化为电能才能为车辆所用，但是转化中会有部分热量损失，所以燃油能量的利用率比较低，适合于市内低速运行，结构如图1所示。串联式的优点是结构简单，发动机不受工况影响，能在高效、低排放的情况下工作，三大动力总成之间没有机械联系，可以独自工作。缺点是因为需要大动力的发电机，所以发电机尺寸大，能量转换时的能量损耗较高，转换率低，需要大容量电池。

2．并联式混合动力汽车

主动力是发动机，辅助动力是电动机，发动机和电动机共同驱动车辆，或各自单独驱动车辆。通过机械传动机构发动机可以直接驱动车辆，燃油利用率较高，发动机受到车辆行驶工况影响，需要安装变速装置和动力复合装置，结构较为复杂，适合在高速公路等稳定路况行驶，结构如图2所示。并联式的优点是只有2个动力总成，体积质量比串联式小，能量转换率比串联式高，发动机在高效、低排状态下工作。缺点是有害气体排放多于串联式，结构复杂，布置和控制困难。

3．混联式混合动力汽车

低速时只有电动机工作；速度提高时发动机和电动机相配合驱动，是串联方式工作；稳定高速时是并联式方式工作。动力复合装置复杂，一般基本框架是行星齿轮机构。结构如图3所示。混联式优点是3个动力总成功率都比较高，所以质量体积比串联式和并联式都小；有多种驱动模式，可以选择最佳节能驱动模式；驱动电动机可以给发动机提供辅助动力，所以发动机可以选择功率较小、燃油经济性高的。缺点是发动机工况受到串联式行驶工况影响，有害气体排放比串联式高，因为有两套驱动系统，所以结构非常复杂，布置也很困难，还需配备一个多能源动力控制总成，成本高。

二、丰田卡罗拉双擎混合动力系统结构组成

丰田卡罗拉混合动力系统主要由混合动力传动桥总成、高压蓄电池组（HV电池）、发动机总成、2台电动发电一体机（MG1、MG2）、带转换器的变频器总成以及辅助电池等组成。各部分组成元件在车上的位置布置如图4所示，整个系统的动力连接关系如图5所示。

1．发动机总成

丰田卡罗拉混动采用的发动机型号是1 NZ-FXE，外观如图6所示，相比正常版的发动机，具有低油耗、高输出的特性，最高转速提升到5 000 r/min，提高了其输出功率。这款发动机采用阿特金森循环，进气门的关闭时间被延迟，因而延迟了实际压缩行程的开始，压缩行程小于膨胀行程，所以热效率更高。

HV ECU向发动机ECU发送信号（发动机目标转速和发动机目标动力），发动机ECU根据HV ECU的要求控制发动机节气门、燃油喷射量、点火正时和喷油正时，实现发动机的启动和正常运转。当HV ECU发出停止信号时，发动机ECU控制其停止工作。当系统出现故障时，发动机ECU通过HV ECU的要求打开检查发动机警告灯，控制原理如图7所示。

注：本文主要阐述混合动力电动部分，所以不对发动机作具体介绍。

2．传动桥总成

传动桥总成由组合齿轮单元（电机减速行星齿轮、动力分配行星齿轮）、MG1、MG2、油泵、主减速器以及差速器等组成（图8）。

（1）组合齿轮单元

组合齿轮单元（图9、图10）由电机减速行星齿轮、动力分配行星齿轮组成。

动力分配行星齿轮（图11）由齿环、小齿轮、太阳齿轮及行星支架组成（图12）。动力分配行星齿轮能高效分配动力，切断和分配来自不同动力输出的速度、旋转方向和扭矩。例如，把发动机的动力分为2个路径，其中一路分配给车轮来驱动车辆，而另一路则分配给MG1发电。行星支架的旋转轴连接着发动机，通过小齿轮带动外围的齿环和内侧的太阳齿轮，小齿轮旋转轴直接和电动机连接，将驱动力传给车轮，太阳齿轮旋转轴直接连接发动机，把发动机的动力转换为电能。

（2）传动桥减振器

传动桥减振器（图13）主要作用是当传输较大动能时能减轻震动。

（3）油泵

油泵有2种类型，一种是机械油泵，一种是电子油泵。卡罗拉用的是机械油泵（图14），发动机通过主轴驱动油泵来润滑齿轮。