混合动力系统——功率分配、能量回收和控制

0. 本文内容

• 串联、并联和串并联混合动力系统的能量路径。

• 丰田混合动力系统 (THS) 通过行星齿轮进行动力分配的原理和限制。

• SOC 控制、能量回收制动、发动机启动以及热安全限制。

1. 混合动力系统究竟解决了什么问题？

单独的发动机在低负载、低速和起步时热效率较低，而单独的电机则受限于电池每公斤能量的容量，从而限制了续航里程。如何将这两种动力源结合起来，使彼此弥补不足？这正是混合动力系统所解决的问题：它通过多条能量路径协调发动机（将燃料转化为机械能）和电机（将电池电能转化为扭矩），使发动机保持在高效运行区域附近，将多余的动力输送至发电机，并在减速过程中将车辆动能回馈给电池。

2. 三种路径

图 1 — 串联式混合动力系统由发动机发电，仅由电机驱动车轮；并联式混合动力系统通过机械方式连接发动机和电机。功率分流式混合动力系统则将行星齿轮与电路相结合。

3. 架构差异

在串联式布局中，发动机作为发电机，仅由电机驱动车轮。低速控制较为简单，但始终存在机械-电气-机械的转换损耗。并联式布局通过离合器将发动机和电机与车轮连接起来，皮带传动或同轴齿轮传动在巡航时能高效利用机械路径，但需要协调换挡。串并联系统则根据速度和负载的变化切换或混合两种路径。

4. THS 行星齿轮

丰田解释说，THS 动力分配装置持续地在车轮和发电机之间重新分配发动机输出。由太阳轮、环轮和行星架组成的行星齿轮组存在速度限制：

齿数为 N_s,N_r。将发动机、发电机 MG1 和车轮/电机 MG2 分别分配给这些部件，可以使发动机转速与车速解耦。MG1 可以在发动机保持在接近高效点时发电，但仍然存在转换损失和 MG1 的速度限制。

实际设计通常将齿数比 N_r/N_s 设置为 2 左右。如果发动机保持恒定的高效转速，而车速（大致相当于 MG2 的转速）增加，则上述限制表明 MG1 的转速会波动。 MG1 的旋转方向随车速变化，直至超过某个特定速度后反转。在该反转点附近，动力流从“发电”（MG1 将发动机的部分输出转换为电能）切换到“驱动”（MG1 同时作为电机，为 MG2 提供扭矩）——此时，仅需一个行星齿轮组，无需任何机械传动，即可实现连续可变的传动比，其功能类似于通常所说的电动 CVT（无级变速器）。

5. SOC 和能量平衡

车辆荷电状态 (SOC) 可通过电流积分近似计算，公式为：

其中放电电流为正，标称容量为 Q_n，充电效率为 \eta_c。量产车型的估算器会考虑温度、开路电压、内阻和电流传感器偏差。如果 SOC 达到上限，则能量回收将无法进行，发动机的自由度也会降低；因此，控制器会维持一个目标 SOC 区间。

大多数量产混合动力车型会将控制限制在一定范围内。电池组实际容量中段附近存在一个窄带（例如，大约占总容量的 40% 到 80%），因此驾驶员永远不会体验到电池化学成分所能承受的全部充放电。上限的余量用于吸收急刹车时的能量回收；下限的余量则允许电机在发动机无法单独满足急加速需求时弥补能量缺口。该能量回收带的宽度，与电池容量的权衡，决定了每款车型所需的电池容量。

6. 运行模式

• 起步和低速行驶：电机驱动避免发动机启动时的冲击。

• 中等负载：将发动机转速提升至高效点，并将剩余功率用于电池充电。

• 急加速：同时使用发动机和电机，并监控电池电量和逆变器温度。

• 减速：优先使用能量回收，然后在达到 SOC、温度或 ABS 限制时切换到摩擦制动。

• 停车：停止怠速，并使用电池或发动机产生的电力为辅助设备供电。电力。

7. 实际配置对比

8. 恶劣工况和安全性

反复短途行驶会导致发动机和后处理系统尚未达到工作温度。在高速公路上，电池贡献较小，其质量反而成为劣势。低温环境会限制功率输出和能量回收，电池发热会降低燃油经济性。高压隔离、碰撞断开连接、燃油泄漏、排气和启动后扭矩变化需要单独的安全监控器。

9. 实际选择

• 城市和交通状况：优先考虑能量回收频率、低速纯电运行和发动机平稳启动。

• 高速公路：比较整个行驶循环中的发动机热效率、机械路径损耗和电池质量。

• 插电式混合动力汽车：检查充电功率、纯电续航里程、SOC维持模式和长储能电池管理。

• 商用车：评估连续爬坡冷却、可维护性和能量回收/摩擦制动器寿命。

10. 三行总结

混合动力系统通过串联、并联或功率分配路径将发动机和电机结合起来。

THS行星齿轮系统将发动机转速与车速解耦，同时分配MG1发电和MG2驱动。

SOC、能量回收、温度、启动和隔离必须协同控制，才能使理论效率转化为实际燃油效率。经济性。

参考资料

• 丰田混合动力系统公告

• 丰田 THS-II 技术评测

• 丰田 2.0 升 THS II

• NHTSA THS-II 技术文档