1.2　混合动力汽车的工作过程

1.2.1　混合动力工作模式

混合动力工作模式如图1-11所示，有些混合动力车辆（HEV）可只通过电能以有限的速度（最高20～30mile /h）行驶或行驶有限的距离。

1.2.2　混合动力模式的工作过程

双模式混合动力推动技术的使用如图1-12所示，它表明在标准行驶过程中各种推动技术的使用情况。

（1）电力驱动　有些混合动力设计可以只通过电能驱动汽车，且在汽车达到一定速度或一定动力要求前混合动力发动机保持关闭状态。由于电动机在转速为零时可100%传输额定转矩，在汽车初始加速过程中电动机可以提供比内燃机更好的性能。

内燃机必须达到每分钟几千转方可达到最大转矩，与内燃机相比，电动机启动模式的排气量更小。除了纯电能启动，一些混合动力设计还能够结合电动机/发电机和内燃机的能量在高速或高负载时驱动汽车。虽然这并未提高燃料燃烧的效率，但混合动力汽车的内燃机功率可以设计得更小，并能够保持或超过传统汽车的加速能力，功率更小的内燃机会比非混合动力汽车消耗更少的燃料，所以提高了混合动力汽车的整体燃料燃烧效率。

（2）发动机自动启动　传统汽车发动机具有低电压启动电动机，驱动发动机从停止状态达到约200r/min的转速，启动时间仅需2～3s，如图1-13所示，在发动机启动转速较低时，发动机发动需要额外燃料并造成废气排量增加。因为混合动力汽车的电动机/发电机比传统上安装在发动机内的启动器更为强大，能够驱动内燃机在300ms（0.3s）之内达到标准怠速（约600r/min），如图1-14所示，在启动速度如此高的情况下，无需额外燃料，也减少了废气排量。对于汽车的驾驶员而言，混合动力汽车发动机的启动可瞬间完成。

（3）转矩平滑　内燃机的曲轴并不是在发动机的所有转速上均可以平滑地转动。燃烧过程的脉冲会导致曲轴速度每秒变化多次，这些振动在发动机转速高的时候一般被掩盖住了，所以，非混合动力汽车的高发动机转速被校准入变速箱换挡速度以及变矩器离合器操作。

另外，汽车的动力传动系统在以一定速度及负载转动时也会传递振动，转矩平滑是指去除这些发动机和传动系统造成的振动的过程。

在传统行驶条件下，混合动力电动汽车使用转矩平滑和传动系统缓冲可以比非混合动力汽车校准更低的发动机转速，从而提高燃料燃烧效率并降低排气量，这些条件包括：更低的发动机转速变速箱换挡点；提早的变矩器离合器（TCC）闭锁（第二齿轮）；智能燃料管理系统的扩展。

混合动力电动汽车可以通过电子机械方式减小这些较低发动机转速所带来的振动，并可主动或被动执行。

发动机/发电机在发动机操作与发电机操作间每秒循环多次，以进行智能转矩平滑，其情形包括发电机负载减小曲轴速度、发动机帮助增加曲轴速度、平均效果平滑曲轴振动。

电动机从零开始采用100%的额定转矩来达到其最大额定速度，当曲轴速度因为燃烧循环开始变慢，即使发动机速度也变慢，发动机转矩也将保持稳定，这表示其具有比较“平滑”的转矩曲线。电动机在电动机辅助系统和发电机之间的稳定转矩减少曲轴速度的变化，所以发动机辅助系统或发电机负载帮助平滑曲轴的振动。飞轮式发电机启动器混合动力技术和GM双模式混合动力技术应用了智能转矩平滑，带传动发电机启动器混合动力技术应用了被动转矩平滑，发动机/发电机平滑的相同过程可应用在混合动力汽车传动系统以减缓底盘的振动。

（4）混合动力发动机关闭（自动停止）　混合动力汽车的内燃机在汽车停止状态下是不需要怠速运转的，这是由于混合动力系统的强大电动机/发电机能够快速地自动启动内燃机，如图1-15所示。混合动力控制系统一般仅在汽车初始启动或内燃机低于正常工作温度时允许内燃机怠速，当内燃机处于正常工作温度时，只要油门没有被踩下，内燃机均可以被关闭，如图1-16所示。取决于具体行驶情况，内燃机能够完全停止转动或继续转动，但是所有燃料喷射口都会关闭。因为行驶性能的原因，一般内燃机仅能在汽车处于较低速度或停止状态时可以停止转动。混合动力发动机关闭（自动停止）模式能够在某些情况下禁用，如当混合动力蓄电池亏电需要充电辅助或仅有在内燃机工作时才能达到车内制冷供暖要求，汽车工作在自动停止模式可能需要对汽车其他系统做出改良。

（5）再生制动　制动作为汽车的三大基本功能（行驶、转向和制动）之一，直接影响汽车的安全性。在混合动力汽车的研究与开发中，再生制动是一种降低能耗、减小排放、增加续驶里程的重要手段。以一辆自重1500kg的轿车为例，当它以70km/h的速度行驶时开始制动，起始动能可达300kJ，若这些能量可以全部回收并用于整车行驶，能够驱动车辆行驶1.8km。但在传统汽车中无再生制动系统，这些能量大部分以热能的形式消耗掉了。我国西部大部分地区道路起伏变化显著，常有数百米的坡道，在下坡时将车辆的制动减速能量回收储存起来，需要时再释放出来使用，不仅可以节省能源，还可减少制动系统的磨损。在城市交通中，因为汽车保有量的急剧增加导致道路拥堵等问题日益严重，频繁的加速和减速更需要再生制动系统回收能量。所以，对有量产的混合动力汽车再生制动系统的研究具有重要意义，技术成熟后将产生巨大的经济价值和社会效益。

再生制动也称反馈制动，是一种多应用在汽车或铁路列车上的制动技术，是在汽车行驶时获取可以使用但是在传统汽车制动时浪费掉的能量的过程。非混合动力汽车在制动时，制动系统将汽车的动量转化为热能，所以在制动时，汽车在运动时“储存”在汽车内的动能被浪费掉了。在混合动力设计中，这些在制动时浪费掉的汽车能量的一部分可以通过电动机转化为电能，电动机将作为发电机工作，在使汽车制动的同时形成电能并且向混合动力蓄电池充电，如图1-17所示。

产生电能的负载和标准液压制动系统一起使汽车减速。当驾驶员踩下制动踏板后，电动泵使制动液增压产生所需的制动力，制动控制和电动机控制协同工作，确定电动汽车上的再生制动力矩与前后轮上的液压制动力。再生制动时，再生制动控制回收再生制动能量，并反充到动力电池中。与传统燃油车相同，电动汽车上的ABS及其控制阀的作用是产生最大的制动力。

系统使用更多时间结合再生制动与液压制动系统，所以对于汽车驾驶员而言，制动时间较为理想。取得之前浪费的能量也是使混合动力电动汽车比非混合动力汽车更节省能源的优势之一。在制动中得到的能量越多，则内燃机向混合动力蓄电池充电所需时间就越短。除了增加燃料燃烧效率，因为制动无需全部承担降低车速的工作，所以汽车的制动间隔也得到提高。

（6）发动机空转关闭操作的系统　需在传统非混合动力汽车中，动力制动、动力转向、暖风与制冷（HVAC）、自动变速箱等系统由发动机直接驱动，如图1-18所示，所有以上系统的工作都依赖于内燃机曲轴的转动。若内燃机的曲轴停止旋转，这些系统均将无法工作。

为了节约燃料并降低排放，HEV需要时常启动混合动力发动机关闭（自动关闭）模式，相对于传统的非混合动力汽车而言，这些系统必须重新设计，以最大限度地延长混合动力汽车发动机关闭后能工作的时间，并且要确保控制性能、驾驶员的舒适程度及人员和汽车的安全性。