化石能源燃烧造成的环境污染，碳排放引发越来越严重的温室效应，再加上能源危机，这些都对车辆的动力模式提出了转型的需求。对于普通家用汽车，最理想的替代方案便是电力驱动。而目前由于电池在能量密度和冬季续航等方面的技术瓶颈，纯电驱动尚不能很好地满足日常的行车需求；另外，与电动汽车配套的基建也是一个不小的挑战。
图1反映了目前几种主流电池类型的能量密度与传统化石燃料的对比，横轴为比能量(Wh/kg)，纵轴为体积能量密度(Wh/L)。可以看到，传统化石能源在能量携带效率方面基本上完全碾压电极材料。另一方面，由于电池是一个完整的氧化还原系统，氧化剂、还原剂都需要由车辆携带；而对于内燃机，化石燃料所需的氧化剂直接来自外界空气。这也就意味着，以目前的电池技术水平，纯电动汽车的续航能力与车辆的轻量化、紧凑性处于不可调和的矛盾。
汽车电动化的道路漫长而艰辛，但是解决环境问题和能源问题却迫在眉睫——混合动力这样的驱动模式应运而生。混合动力的中心思想是让内燃机（Internal Combustion Engine, ICE）和电动机（Electromotor, EM）协同工作，各取所长，综合提高车辆的能量利用率，并兼顾续航能力。
图2 展示了内燃机与电动机的工作特点：内燃机在低转速区间性能不佳，输出扭矩不高。这主要是因为发动机本身的转速、活塞的运动频率会影响到配气的强度和效率。而也是同样的原因，为了维持稳定的进排气，内燃机的正常运行需要保证一个最低转速，也就是怠速转速。内燃机无法实现从静止状态直接开始输出功率；而电动机则不同，电机从零速开始就能以最高水平输出扭矩，扭矩平台可以随着转速的提高一直持续到功率升至峰值，随后功率来到平台，扭矩输出开始下降。但大多数电动机存在的问题是，长时间高转速运行会存在过热的问题，因此不太适合高速巡航工况。
由此，混合动力驱动模式当中，内燃机和电动机优势互补的思路可以初见端倪：把内燃机低效的起步和低速工况交给电机；而把电机不易驾驭的高速工况交给内燃机。借助合理的控制逻辑以及特定的机械结构，两套动力系统适时介入，在各自最合适、最高效的工况下为车辆提供动力。在保障使用需求的前提下，改善整车的能量利用效率。
按照整车的电气化程度，可以分为混合动力（Hybrid Electric Vehicle, HEV）、插电式混合动力（Plug-In Hybrid Electric Vehicle, PHEV）和增程式混合动力（Range-Extender, REx）；按照内燃机和电机驱动的布局方式可以分为串联式、并联式以及功率分流式混联等几类。图3反映了不同类型混动架构的动力来源占比：
从这里不难看出混动的两大思路：从纯电车的角度出发，增加内燃机，以补足纯电的续航缺陷；或者从纯燃油车的角度出发，增加电驱系统，以改善内燃机的工作效率。
混动的核心就是尽量让发动机高效运行——要么是高速巡航的时候直驱；要么是中低速行驶时负责发电。因此，虽然混动系统依然没有彻底摆脱化石能源，但因为发动机只在高效区间运行，却间接实现了省油的效果。
HEV当中按照电机的参与程度不同又可分为三类：Micro Hybrid，Mild Hybrid和Full Hybrid。
Micro Hybrid：
电动机不参与或很少参与到车辆驱动。例如用于实现自动启停功能以及制动时的能量回收。在能量回收时，电动机可以变成机械负载，充当发电机，收集过剩的动能，转化为电能储存在电池里。
Mild Hybrid：
电动机仅能用于帮助车辆启动，但几乎不能实现持续的长距离的纯电里程。
Full Hybrid：
车辆在纯电驱动下可以应对所有工况。电机除了用于启停、能量回收，还能和发动机共同提供输出，应对急加速（Boost）等大功率工况。
PHEV插电式混动，顾名思义，车辆需要定期充电，从电网中获取电能存储到大容量的电池当中，以供行车时使用。而在上述HEV的电动化水平当中，车辆并不携带大容量的蓄电池，电池容量都较小，仅用于行车过程当中实时的电能充放。
但是对于PHEV而言，一旦电量不足，需要完全靠发动机提供动力时，它会立马变成一个油老虎——由于同时装备两套动力系统而带来的显著增重，PHEV烧油会比普通燃油车更凶。因此，在PHEV当中，又有一个重要的技术参数：馈电油耗。
增程式的混合动力布局严格来说属于电动汽车的衍生物，因为内燃机与车辆传动系统没有机械连接。在任何工况下，内燃机都不会直接驱动车辆。换言之，车辆一直是靠电机驱动的，内燃机对轮边只能提供功率而不能提供扭矩。
在增程式的布局当中，内燃机就是充当发电机，以保障续航。不过只需要一台小排量的内燃机作为增程器即可，因此相比传统的用于驱动车辆所装备的内燃机，大大降低了燃料消耗和废气排放。
目前混合动力布局的主流分类有串联式、并联式和功率分流混联式等几类。其中，并联式当中还包含一种被称为“Through the Street”的衍生版本。需要注意的是，这些分类并不绝对。许多厂商会将几种基础形式进行组合，开发出了多种多样、各具特色的混动系统。
图4所示为串联式的混合动力布局示意图。所谓串联式，是指内燃机和电机当中只有一个是直接参与驱动的。内燃机与发电机直接机械连接，内燃机驱动其产生交流电通过逆变器转换为直流电充入电池；电池再为驱动电动机供电，通过传动系统驱动车辆。
从这样的布局可以看到，内燃机与车辆的传动系不存在机械连接，在混合驱动时只用来发电，无法参与到实际的驱动当中；与传动系统有机械连接的动力输出装置只有电机。因此，串联式混动不存在内燃机与电机向传动系统叠加输出扭矩的工作模式，这是它与并联式混动的本质区别。
另一方面也可以看到，前面提到的增程式电动汽车（REx）的原理，本质上也符合这种串联式布局的思路。至于增程式电动汽车与串联式的混动的区别，基本上可以认为增程式≈串联式的PHEV，而串联式的HEV与它们的区别在于纯电里程的量级不同。具体可以查看我之前的一篇回答：
什么是增程式混合动力？他和串联式混合动力汽车有什么关系？增程式混合动力汽车是属于新能源汽车吗？
串联式混动将发动机与传动系完全架空，这样发动机工况调节就获得了最大程度的自由，可以持续停留在高效区间，从而大大改善了燃油经济性。但串联式/增程式的局限性在于，内燃机和电机仅存在电气连接，多个环节的电能转换会导致较大的电能损耗。
串联式的混动布局应用很广，除了普通的民用车辆，铁路机车和工程车辆当中也有应用（图5）
本田的i-MMD系统是目前市面上典型的串联式混动布局之一。当然啦，还有最近的大热门——比亚迪DM-i，其混动架构与本田i-MMD是相同的原理。下面就以i-MMD为例，分析它的几种工作模式（参考自b站 @11磅小老虎 《本田i-MMD混动系统工作原理讲解》[1]）
图6是i-MMD的布局示意图。内燃机输出有两条路线：一条通过多片式离合器传递到主减速器；另一条通过齿轮与发电机连接。而电机直接输出到主减速器。
i-MMD全称为intelligent Multi-Mode Drive，它有多种驱动模式：纯电驱动、混合动力驱动和纯燃油驱动。图7展示了这些驱动模式下的动力流向。
纯电驱动时，电池为电机供电，通过电机输出齿轮直接将动力传递给前轴。
混合驱动时，电机的驱动路线不变，同时内燃机驱动发电机，为电池补电。电池就像一个蓄水池，一边接水一边放水。因此i-MMD的混动模式属于串联式，发动机不会直接对车轮输出扭矩，而是起到增程器的作用。
纯燃油引擎直驱，多片式离合器被压合，内燃机输出扭矩直接传递到前轴。值得注意的是，这种模式虽然是内燃机直接驱动，但不需要变速器。因为内燃机只在高速工况介入，基本上相当于普通燃油车最高挡位时的工况。低速工况全部交给了电机去驱动，所以不需要像传统燃油车那样为了覆盖所有车速而借助变速器为发动机拓展输出转速的区间。
这套结构的优点在于结构简单，动力传输的环节少，整体的机械效率高。但缺点是，电动机一直与前轴处于连接状态，只要车辆行走，电机的转子必须转动。在不需要电机的工况下，只能让电机断电空转，这会造成一些额外的机械损耗。
事实上，单从i-MMD的机械结构来看，并联工况也并不是不可以：发动机可以与电机叠加为前轴输出扭矩。但是由于发动机、发电机和驱动电机都与主减速器存在机械连接，三者的转速呈固定的比例。这种因机械互联造成的转速耦合，在发动机参与驱动时，驱动电机的调节并不灵活。因此，i-MMD的并联工况区间其实是非常有限的。 （转自 知乎@王晓鹏 《101汽车工程解读》系列[2]）
图8所示为并联式的混合动力布局示意图。所谓并联式，是指内燃机和电机都与传动系统存在机械连接，它们都有可能直接参与到车辆的驱动当中。根据电机在动力路径所处的位置不同，并联式混动又分为以下几种类型（如图9）：
- P0：电机位于内燃机的前端。P0电机通常被称为BSG (Belt Starter Generator)，实际上就是一个更大功率的启动电机，通过皮带或钢带与发动机连接。这种混动的等级只能属于Micro Hybrid或Mild Hybrid。
- P1：电机位于发动机输出轴之后，离合器之前。
- P2：电机位于变速器输入端。
- P3：电机位于变速器输出端或主减速器输出端。
- P4：电机位于差速器输出端。
由此可以看到，除了P0，其他的四种布置方式里，电机都位于内燃机到轮边之间的动力传递路径上，内燃机与传动系统的机械连接都是间接经过电机的。
而车辆究竟何时由内燃机驱动，何时由电机驱动，是通过车载的功率控制单元PCU（Power Control Unit）根据当前的车速、负荷、电量以及驾驶员的油门、制动踏板输入信号来控制的，同时也受到驾驶模式选择的影响。其基本思路是借助内燃机和电机刚好互补的特性让它们扬长避短：内燃机主要负责高速工况；电机主要负责低速以及启动工况；遇到大负荷的工况（例如爬坡起步、行驶中加速超车等）则两者共同参与驱动。
下面以雪铁龙天逸（C5 AIRCROSS）所搭载的PSA-PHEV系统为例，分析并联式混动的主要几种工作模式（这一部分整理自知乎@王晓鹏 《101汽车工程解读》系列[3]）：
[4]这套PSA-PHEV的结构非常复杂，号称“三擎四驱”：从上面的结构示意图可以看到，“三擎”分别是内燃机、P2电机和P4电机；“四驱”就是四轮驱动。
前轴由内燃机和电机混合驱动，后轴由另一个电机单独驱动。这种前后轴分别搭载独立动力源的结构，非常像我们后面将要提到的“Through the Street”布局。从这个案例也可以看到，混合动力布局形式的分类并不是非此即彼，主流的分类只是提供了一些典型的基础概念，在实际运用时就需要各大厂商去自由发挥脑洞了。在这个案例当中，我们主要关注的是前轴。
前轴的P0电机主要用内燃机的启动：可能是在车辆原地起步，也可能是在车辆行驶过程当中需要发动机介入的时候启动。
前轴的P2电机集成到了8AT变速箱当中。P2所指示的电机位置是变速器输入端。这台集成了电机的8AT变速箱是PSA-PHEV混动的核心：它将传统变速器输入端的液力变矩器替换成了电机和多片式离合器SSC（图12）。SSC控制发动机与车辆动力链的接合与解耦。图13为前轴动力链示意图：
P4电机独立驱动后轴，前后轴之间没有传动轴。单从车辆布局来看，前、后轴不存在刚性连接。但实际行驶时，前后轴之间还是通过路面存在工况上的耦合。雪铁龙PSA架构处理P4电机的独到之处在于，在P4到后轴之间设置了离合器。这样一来就解决了电机转速上限拖累整车速度上限的弊端。当车辆逼近极速时，就可以解开后轴的离合器，断开P4的机械连接。
这种并联式的驱动模式比较复杂，这里列出一个表格，帮助理解。在了解车辆驱动状态之前，先要了解电机的三种状态：1）输出正扭矩，也就是驱动状态；2）扭矩为零，也就是空转状态，只会因为转子的转动惯量消耗少量的能量；3）输出负扭矩，也就是发电机状态，将外部的机械能转化为电能。
A）纯电驱动：发动机不工作，因此SSC离合器断开，解开发动机与前轴的机械连接，用于发动机启动的P0电机也不工作；P2电机工作，变速器内置离合器接通，将P2电机连接到前轴上。这种模式适用于平稳起步的工况。
B）纯内燃驱动：发动机工作，SSC离合器接通；P2电机定子空转，其转子只充当一个机械传动的环节。P2的定子并不励磁，不对转子产生任何扭矩；变速器内置离合器接通，动力由发动机一路传递到前轴。这种模式适用于高速巡航的工况。
C）混合驱动：在上述纯内燃驱动的基础上，P2电机的定子励磁，转子电枢通电，转子产生正的扭矩，叠加到在内燃机的动力链当中，一起输送到前轴。混合驱动模式基本上是功率最大的状态，适用于急加速、爬坡以及超车等激烈工况（Boost）。
D）内燃机驱动+充电：内燃机、SSC离合器等同样在工作，只是P2电机的定子刚接于动力链当中，随前轴一同转动，只是此时P2充当一个机械负载，是一个发电机。P2的定子励磁，但是转子电枢不供电，电枢在定子的磁场中做切割磁感线的运动，产生感应电流，输送到电池。这种模式下，内燃机作为增程器，一边驱动车辆，一边为电池充电。
E）动能回收：内燃机不工作，SSC离合器断开；AT内置离合器接通，P2与前轴刚接；P2处于发电机模式，产生负扭矩对前轴制动的同时，也将机械能转化为电能储存到电池。这种模式用于制动以及长下坡等工况。
F）内燃机启动：车辆静止时需要发动机介入，例如起步急加速，SSC离合器接合，发动机由P2电机启动（P2电机约80kW，峰值扭矩约300Nm），但此时AT内置离合器会脱开，使P2电机与前轴解耦，P2仅用于发动机启动；而当车辆在行驶当中需要发动机介入，例如需要进入增程模式充电，或者行驶中加速超车时需要大功率的混合驱动，此时发动机由P0电机启动。
综上，前驱共有纯电、纯油、混合和增程4种；后驱只有P4电驱1种；四驱的模式就有4×1=4种；能量回收有P2回收、P4回收和P2+P4共同回收3种（具体的回收方式取决于驾驶员踩制动踏板的强度、当前车速以及当时所选的驾驶模式）。所以加起来，整车总共有12种驱动模式。当然，前驱的几种模式是其中最为核心的。
最后再提一下后轴P4电机的离合器。由于P4与后轴之间是通过主减速器的定传动比连接，主减速器的传动比主要是为起步工况减速增扭的需求设定的，所以来到高速工况之后，这个减速比导致电机转速上限制约车速。因此在高速时将其断开，可以打破这一限制（相反，比亚迪唐DM的最高车速就是被P4电机制约）；另一方面，在高速工况断开P4也利于节约能源，因为高速工况电机的贡献并不会很大，而即使接入动力链保持空转，也会因为转动惯量消耗一部分内燃机的能量。所以既然不用，不如干脆把它断开，提高整体的机械效率。但P4离合器的加入也导致整车的控制难度上升，一定程度上会提高成本。
比亚迪唐DM（Dual Mode）也采用了与雪铁龙天逸类似的布局，只是前轴电机为P3电机（位于变速器输出端），后轴的P4电机与轴之间没有离合器。（b站 @11磅小老虎 《比亚迪DM双模混动系统工作原理讲解》[5]）
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在这种布局当中，前、后轴由分别由内燃机和电机单独驱动。仅从车辆布局来看，内燃机和电机之间没有任何的连接。但事实上，车轮-路面的接触充当了内燃机和电机之间的机械连接，前、后轴之间通过路面形成工况耦合，这也正是“Through the Street”这一名称的由来。这种布局似乎很受运动型跑车的青睐，宝马i8、本田/讴歌新一代NSX和保时捷918等都采用了这样的布局。
[6][7][8]
功率分流式混动的典型就是丰田普锐斯（Toyota Puris）。诞生于上世纪末的普锐斯可以算是现代混合动力汽车的鼻祖，如今已经历了二十多年的迭代进化。而其混合动力系统的核心部件：用于执行功率分流的行星齿轮组“ECVT”目前也发展到了第三代。
图20为功率分流式混合动力的布局示意图。整车搭载一台内燃机和两台电机，三者通过一个行星齿轮组机械连接。这个行星齿轮组是功率分流的关键，它的名字有很多：最直接的称呼就是“功率分配器”，Power Split Device（PSD）；但在厂商的宣传当中有时也被称为ECVT（Electro Continuously Variable Transmission），字面意思是“电子无级变速器”；有时也被称为DHT（Dedicated Hybrid Transmission，混合动力专用变速器）。但事实上它的职能与传统变速器并不相同：传统变速器用于匹配发动机转速和车速，而ECVT则根据工况协调内燃机、1号电机和2号电机三者之间的转速以及控制其启停。
为了进一步展示前轴的具体结构，我重新画了前轴的示意图（参考自b站@11磅小老虎 的作品《丰田 THS-II 混动系统工作原理》）[9]
PCU（Power Control Unit）是动力分配的决策中心，它依据当前的车辆工况决定电能的流向与分配比例：何时需要电池为两台电机供电，何时又需要MG1为电池充电。这些决策信号输送给其中的电力电子模块，去控制三套动力系统的工况。
行星齿轮组的外圈通过其外齿圈与2号电机MG2以及前桥主减速器啮合；行星架经由一个单向离合器与发动机输出轴连接；太阳轮与1号电机MG1相连。
相比我们前面见过的串联式、并联式混动，功率分流的复杂之处就在于三个动力源之间的这种转速耦合：它们都拥有一定的可调空间，但彼此的调节结果并不互相独立。理解这套机制还需要对行星齿轮有一定的了解（也是这篇文章一鸽再鸽的原因…T_T）。发动机、MG1和MG2。调节其中一个的转速，必然会有另一个转速跟随着发生同向或反向的变化，因此可以用杠杆原理解释这种耦合关系。b站的一个视频就借助杠杆原理直观地展示了三个转速之间的关系（@果冻啊果冻啊果冻）[10]：
从图23中可以看到，MG2直接与车速关联。而在结构上MG2确实与主减速器直接相连，所以MG2到轮边的确是一个固定的传动比。这也是丰田这套混动系统的局限所在：只要车辆在行走，MG2必须处于运转。这不像其他的一些混动布局（例如本田的IMMD），可以在某些工况断开电机与动力链的连接。
固定MG2转速，车速就不会变。发动机转速变化只会影响到MG1的转速，改变它们两者的动力输出比例；另一方面，MG2转速固定，MG1转速变化也可以反过来改变发动机转速，因此MG1可以用作发动机的启动电机。
另一方面，图24反映出，发动机的启/停状态会限制车速。当车速到达42英里/小时，相应的MG2转速以发动机零速为支点，投射出的MG1转速到达极限。因此，想要继续提高车速，不论是什么驱动模式，发动机必须开始运转。也就是说，只要车速高于某个特定值，发动机的曲轴必须处于运转——只不过也可以是空转：当车速高于42MPH，又不需要发动机出力时，ECU会切断燃油系统喷油，曲轴连接行星架而处于被动空转。而当车辆需要发动机介入时，直接开始喷油就可以。
以上就是从视频当中节选出的关于ECVT转速匹配的主要内容。有需要的话可以多看几遍原视频去理解。下面继续回到这套混动系统，再次参考b站 @11磅小老虎 的视频，分析它的主要几种工作模式：
事实上，现在经常流传的“停止生产燃油车”的说法，意在停止生产“纯燃油车”，而并非很多人所理解的内燃机要灭绝了。内燃机的技术也在持续革新，在未来相当长的时间里将仍然存在。比如年初比亚迪发布的DM-i和“插混专用”发动机骁云也一度成为热点话题。
在不同的国家，新能源汽车的推广还要看具体国情。在我国，油价相对较高，但是电价非常便宜，新能源汽车具有非常好的市场条件。但是在德国、日本等国家，电价较高，对于消费者来说，电动汽车的使用成本可能并不是那么友好。特别是欧洲，居民电价几乎是国内的三到四倍。德国的居民电价达到2.31元/千瓦时，几乎是全球电价的最高水平（来这边读书深有体会T_T），而我国的电价却只有0.54元/千瓦时。
所以，虽然电动汽车的出发点是环保，但落实到实际的市场与营销，成本也是不可忽视的重要因素。另一方面，单从环保的角度来看，也不能只关注车辆本身的能量利用率或者碳排放，还需要考虑从能源生产的源头到最终的用户端这整个环节的碳排放（Well to Wheel CO2 Emission）。如果电力来源主要是火力发电，那么使用电动汽车也只是将碳排放从汽车转移到了电厂。以下图为例，如果某个地区全靠褐煤发电，那么电动汽车每公里的Well to Wheel碳排放当量甚至会高于传统的燃油车。
电动汽车或者混合动力只是削减了车辆本身的碳排放，但是如果发电本身就非常低效，或者一些国家或地区发电的产能有限，那么对于他们而言，电动汽车或许并不是最优解，至少在目前不是。前一段时间比较火的话题就是丰田章男炮轰“电动汽车并不环保”，他的观点就是，在日本，如果电动汽车比例过高，在夏季可能会发生电力短缺的情况[11]。
近几年各大车企都在加紧推出各种混动车型。从前面提到的案例我们也可以看到，一些超级跑车也都采用了混动架构以及插电混动的电气化水平。一些人认为混动车两头不沾，只是一个过渡，繁荣不了几年。但事实上，这种过渡不仅仅是车辆技术电气化的过渡，更是各个国家整体的能源结构与之适应的一种过渡。
总之，纯电驱动是一个终极目标，车辆电气化将是一个漫长的过程，绝非几年、十几年就可以一蹴而就的。在这个过程当中，技术突破、厂商效益、政府法规、能源结构等等因素都需要时时兼顾。
最初开始写这篇文章是因为这学期的一门课“车辆动力系统技术”讲到了混合动力的架构，另外两门课“电动汽车导论”以及“电池储能技术”分别比较深入地讲解了电动/混动汽车的三电系统以及电池技术。以此为出发点，我在b站、知乎上也开始持续关注混合动力方面的内容，利用平时摸鱼的时间攒成了这篇文章。
这个学期以来对汽车技术前沿的关注再一次唤醒了我童年的汽车梦，也更加坚定了我在车辆工程这条道路上继续走下去的决心。从我大三暑假开始着手准备留德，到毕业之后gap一年学习德语，经历了两年多的时间终于重返校园，如愿以偿地入学慕尼黑工大，开始了Automotive Engineering的硕士学业。希望自己可以快一点找到喜欢的研究方向，深挖下去。
