第三章 混合动力汽车的电动机与汽车储能装置
第一节 混合动力汽车的电动机分类及性能要求
一、混合动力技术的基本原理
Hybrid这个词来源于拉丁语hybrida，意思是杂交或者混合的意思。在技术层面，Hy-brid这个词指一种系统，该系统将两种不同的技术组合在一起来使用。结合驱动理念，混合动力技术这个概念用于两个方向——双燃料动力和驱动混合动力技术。
1.双燃料动力
双燃料动力的车，是指其发动机（内燃机）能够燃烧不同类型的燃料，去产生驱动能量。因此，使用矿物燃料和可再生燃料（柴油/生物柴油）或者使用液态和气态燃料（汽油/天然气/液化石油气）的系统越来越为人所知，市场上也越来越常见了。
2.驱动混合动力
驱动混合动力技术是指将两种不同的动力装置组合在一起来使用，且这两种动力装置的工作原理是不同的。就目前来讲，混合动力技术是指将内燃机与电机组合在一起，这种形式如图3-1所示。该技术可用作发电机从动能中回收电能（能量回收）、用作发动机来驱动车辆以及用作内燃机的启动机。根据基本结构情况，混合动力驱动分为三种形式，即完全混合动力驱动、中混合动力驱动、微混合动力驱动。
图3-1 内燃机与电动机组合形式
（1）完全混合动力驱动 将一台大功率电机（E-Maschine）与内燃机组合在一起，可以以纯电动方式来驱动车辆行驶。一旦条件许可，该电机会辅助内燃机来工作。车辆缓慢行驶时，是纯粹通过电动方式来提供动力的。可以实现启动-停止功能。还有能量回收功能，用以给高压蓄电池充电。内燃机和电机之间有一个离合器，通过它可以断开这两个系统，如图3-2所示。内燃机只在需要时才接通工作。
图3-2 完全混合动力驱动
（2）中混合动力驱动 中混合动力驱动在技术上和部件方面都与完全混合动力驱动是一样的，只是它不能以纯电动方式驱动车辆来行驶。它也有能量回收、启动-停止以及助力（Boost）功能。
（3）微混合动力驱动 使用这种驱动结构，电动部件（启动机/发电机）只是用来执行启动-停止功能。一部分动能在制动时又可作为电能使用（能量回收），不能以纯电动方式驱动车辆来行驶。
12V蓄电池的特性针对频繁启动发动机这个特点做了匹配（用在很多奥迪车型上，比如AudiA1）。
3.完全混合动力驱动
（1）并联式混合动力系统 并联式结构的特点是简单。如要对现有车辆进行“混合动力改造”，就使用这种结构。内燃机、电机和变速器装在同一根轴上，如图3-3所示。内燃机和电机各自的功率加起来，就是总功率。这种机构设计可以充分利用原车上的件（就是很多件可直接拿来用）。对于四轮驱动车辆来说，并联式混合动力结构可以将动力分配到四个车轮上。
图3-3 并联式混合动力系统
（2）分支式并联混合动力系统 分支式并联混合动力系统除有内燃机外，还有一个电机，两者都安装在前桥上。内燃机和电机所发出的动力经一个行星齿轮机构到达汽车变速器，如图3-4所示。但与并联式混合动力系统不同的是，本系统不能将内燃机和电机各自的功率加起来传递到车轮上。所产生的功率，一部分用于驱动车辆；另一部分作为电能存储在高压蓄电池内。
图3-4 分支式并联混合动力系统
（3）串联式混合动力系统 车辆只通过电动机来驱动，内燃机与驱动轴是没有机械连接的。内燃机带动一个发电机，该发电机在车辆行驶时为电机供电或者给高压蓄电池充电，如图3-5所示。
图3-5 串联式混合动力系统
（4）分支式串联混合动力系统 分支式串联混合动力系统，就是把分支式混合动力系统和串联混合动力系统综合在一起了。该系统有一个内燃机和两个电动机。内燃机和电动机1装在前桥上，电动机2装在后桥上，如图3-6所示。这种结构用于四轮驱动车。内燃机和电动机1可以通过行星齿轮机构来驱动车辆变速器。要注意的是，在这里也是不能将内燃机和电动机各自的功率加起来传递到车轮上。后桥上的电动机2在需要时才会工作。因结构原因，高压蓄电池布置在前、后桥之间。
图3-6 分支式串联混合动力系统
二、其他概念
1.Plug-in-Hybrid（插电式混合动力）
这个名词指车上使用了混合动力装置，而其高压蓄电池还可以通过外接电源（充电站或者家用插座）来充电。
这就相当于纯混合动力车与电动车的混合体，插电式混合动力车将内燃机车和电瓶车的优点集中在一起了。
2.能量回收
能量回收（英语Recuperation，源于拉丁语recuperate，就是重新获得的意思），一般就是指在车辆减速时利用其动能。也就是说，在车辆制动阶段或者在超速减速（反拖）阶段，回收这种“免费的”能量并将其暂时存储到车辆蓄电池上。注意，能量回收功能是电能管理不可分割的一部分。
3.高压部件之间的能量流
（1）靠电能驱动来行车 这个过程就是高压蓄电池放电过程，在靠电能驱动来行车时，由高压蓄电池来供电。12V的车载电网由高压蓄电池来供电。
（2）靠回收能量来充电 这个过程就是给高压蓄电池充电过程，与牵引阶段不同，在减速阶段通过牵引电机以电动方式来实施制动，从而再为高压蓄电池充电。驾驶人刚一松开油门踏板，一部分能量就得到了回收。
在制动过程中，回收的能量也会相应增多，如图3-7所示。12V的车载电网由牵引电机来供电。
图3-7 高压部件之间的能量流
AX1—混合动力蓄电池单元；JX1—电驱动装置的功率和控制电子装置；V141—电驱动装置牵引电动机；J623—发动机控制单元；J840—蓄电池调节控制单元；J841—电驱动装置控制单元
4.电机
此处的电机（或称E-Machine）替代了车上的发电机、电动机和启动机，如图3-8所示。其实每个电动机都可以作发电机来使用，只要在外部来驱动电机轴，那么电机就会像发电机那样输出电能了。但如果是向电机输送电能，那么它就是个驱动电机。注意，电动式混合动力上的电机，就取代了内燃机上传统的启动机和发电机。
图3-8 电机
5.电动加速
混合动力驱动有一个电动加速（E-Boost）功能，这与内燃机的强制降挡功能（可提供最大发动机功率供使用）类似，如图3-9所示。如果执行了这个电动加速功能，那么电机和内燃机就会发出最大功率（合计总功率很大）。这两种驱动方式各自功率合在一起，就是传动系统的总功率了。
图3-9 电动加速
从技术上来讲，电机内部是有功率损耗的，因此发电机输出功率要小于其驱动功率。Audi Q5 hybrid quattro车的内燃机功率是155kW，电机作为发电机时是31kW，电机作为电动机时是40kW。总体算来，内燃机和电机作为电动机时共计可产生180kW的功率。
6.滑行
滑行是指内燃机不提供驱动力，电机也不提供驱动力的状态，滑行时，车辆处在无动力的滚动状态，这时内燃机就关闭，电机通过能量回收来为12V的车载电网供电，不消耗高压蓄电池的电能。
三、混合动力汽车驱动电动机分类
高功率密度、高效率、宽调速的车辆牵引电动机及其控制系统既是混合动力汽车的心脏，又是混合动力汽车研制的关键技术之一。
混合动力汽车在不同的历史时期采用不同的电动机，最早是采用控制性能好和成本较低的直流电动机。随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的发展，交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性能，这些电动机在逐步取代直流电动机，图3-10所示为现代混合动力汽车所采用的各种电动机，表3-1为现代混合动力汽车所采用的各种电动机的基本性能比较。
图3-10 现代混合动力汽车采用的各种电动机
表3-1 混合动力汽车所采用的各种电动机的基本性能比较
四、混合动力汽车对电动机性能的基本要求
混合动力汽车的驱动电动机的主要参数为电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、质量参数、可靠性和成本等。另外，为电动机所配置的电子控制系统和驱动系统，也会影响驱动电动机的性能。
①在允许的范围内，尽可能采用高电压，这样可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。
②高转速。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8000～12000r/min，高转速电动机的体积较小，质量较小，有利于降低混合动力汽车的整车装备质量。
③质量小。电动机采用铝合金外壳，以降低电动机的质量，各种控制装置的质量和冷却系统的质量也要求尽可能小。另外，还要求电动机和控制装置在运转时的噪声要低。
④电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，使混合动力汽车有良好的启动性能和加速性能，以获得所需要的启动、加速、行驶、减速、制动等的功率与转矩。电动机具有自动调速功能，因此，可以减轻驾驶人的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。
⑤混合动力汽车应有最优化的能量利用，电动机应高效率、低损耗，并在车辆减速时，实现再生制动能量的回收，再生制动回收的能量一般可达到总能量的10％～15％，这在内燃机汽车上是不能实现的。
⑥各种动力电池组和电动机的工作电压可以达到300V以上，其电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制安全性能的标准和规定，装置高压保护设备。
另外，电动机还要求可靠性好，耐温和耐潮性能强，运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长时期工作，结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等。