混合动力车辆驱动装置

混合动力车辆驱动装置（Hybrid vehicle drivetrains）是在混合动力车辆中传送动力使车轮运转的装置。混合动力车辆中会有许多不同种类的动力。混合动力车辆有许多不同的组态。例如混合动力车辆主要以汽油引擎为动力来源，但可以切换到以电动车为动力来源。

结合内燃机以及电动机动力的柴电动力驱动，已有长久的历史，主要用在铁路机车上。柴电动力不符合混合动力驱动的定义，因为其电动机的传输不只是辅助动力来源而已，而是直接取代了机械式的驱动系统。最早陆上的混合动力车辆是美国1935年至1948年在新泽西运行的无轨电车，主要是用电缆线上输送的牵引电流为动力来源，无轨电车中的内燃机不直接提供牵引马达电力，而是直接驱动机械驱动系统。因此在没有电缆线的地区，无轨电车仍可以提供收费营运。自1990年代起，无轨电车已引入小型的电厂，以提供紧急以及维修用的低速运行能力，但不提供收费营运。

汽车的动力总成（powertrain）包括转换能量需要的所有零件。动力总成可以用化学能、太阳能、核能或是动能，以此能源来推动车辆。最早期的例子是蒸汽火车头。近代常见的例子有电动自行车。混合动力电动汽车结合了电动车电池（或双电层电容器）以及内燃机，内燃机的功率可以直接推动车辆，或是帮电池充电。有些混合动力车辆也用飞轮来储存能量。

在许多的混合动力车辆中，混合电动机及内燃机的混合动力车辆已在2016年商品化。其中有一种是电动机及内燃机并联，由两个设备一起提供勋力。另一种是串联式。两个动力来源都可以作主动力来源，另一个则是辅助来源。其他的组合方式可以透过能源管理以及能源再生来有较高的效率，但会有费用、复杂度以及电池限制上的问题。混合内燃机及电动机的车辆，其电池容量会比传统纯内燃机车辆的电池要大很多。前者的电池能源密度较大，但比较贵。传统车辆的电池只需要让车内的电子系统运作，并且供引擎的火星塞点火即可。

并联式混合动力系统有内燃机以及马达，二个都可以独立运转来驱动车辆，也可以一起运转，这是2016年最常见的混合动力系统。

若二个动力来源在轴上并联，二者的转速需相等，所提供的扭力会叠加（大部分的电动脚踏车也是这一型的）。若二个动力来源中只启动一个来源，另一个动力来源也需要以相等速度旋转，不然二个动力来源就要用单向的离合器或Freewheel（英语：Freewheel）来连接。

若二个动力来源是驱动同一个轴（例如油电混合车的马达是和引擎驱动同一个轴），二个动力来源需要以相同速度旋转，用马达来调节输出扭力（本田 Insight的前二代即使用这种系统）

混合动力车辆可以再依二个动力来源的负载分配来分类：以引擎为主（才在有需要时才让马达输出扭力）或以马达为主。

并联式混合动力系统更强调再生制动，而引擎也可做为是辅助充电的发电机。因此在都市stop-and-go的运行条件下格外有效率。其电池包容量会比其他的混合动力系统要小。本田技研工业早期的Insight、Civic（英语：Honda Civic Hybrid）、及Accord（英语：Honda Accord Hybrid）等使用整合马达辅助（英语：Integrated Motor Assist）（IMA）的混合车都是并联式混合动力系统的例子。通用汽车的Parallel Hybrid Truck（英语：Parallel Hybrid Truck）（PHT）、BAS Hybrid（英语：BAS Hybrid）（像是Saturn VUE、Aura Greenline、Chevrolet Malibu hybrids）也使用这种混合架构。

另一种并联的方式是透过道路（through the road、TTR）并联。此系统中由传统传动系统驱动汽车的一个轴，由马达驱勋另一个轴。此配置曾用在最早的off track无轨电车中，透过道路并联的效果是完整的备用动力系统。而在回升刹车时可以透过马达让电池充电，或是在巡航时让马达出力。这在动力管理上会比较简单。此配置的好处是可以有四轮传动的效果（类似的例子是自行车的前轮用轮毂马达，辅助踏板及后轮的传动）。这一型的车有Audi 100 Duo II（英语：Audi hybrid vehicles）及Subaru VIZIV（英语：Subaru VIZIV）概念车、标致雪铁龙集团的标致3008、标致508、508 RXH、Citroen DS5（英语：Citroen DS5），上述的都用HYbrid4（英语：PSA HYbrid4）系统、Volvo V60 plug-in hybrid（英语：Volvo V60）、BMW 2 Series Active Tourer（英语：BMW 2 Series Active Tourer）、BMW i8及Honda NSX第二代（英语：Honda NSX (second generation)）。

串联式混合动力（Series hybrid）也称为是增程式电动汽车（英语：Range extender (vehicle)）（extended-range electric vehicles，EREV）。（加州空气资源委员会（英语：California Air Resources Board）将有特殊特性的串联式油电混合车分类为增程式电动汽车。）)

自1903年起，电动传动就已是取代机械传动的另一种方式。传统的机械传动有许多的缺点，例如重量、体积、噪音、成本、复杂度，不论是自动换档或是手动换档，换档时都会消耗引擎的动力。马达和引擎不同，用马达作为动力来源不需要变速箱。

在效果上来看，可以将引擎和车轮之间的机械传动系统改为发电机、缆线以及控制线、再加上牵引电动机，好处是引擎不需直接驱勋传动系统。

串联式混合动力系统常见于柴电动力铁路机车及船只（俄罗斯的河船Vandals在1903年问世，是世界上第一个柴油动力及柴电动力船只），斐迪南·保时捷成功的是将串联式混合动力系统用在20世纪初的赛车上，包括Lohner–Porsche Mixte Hybrid（英语：Lohner–Porsche）。保时捷将此系统命名为System Mixte，在两个前轮各安装一个轮毂马达（英语：wheel hub motor），以此赛车创下高速的记录。

若串联式混合动力系统中，在发电机和牵引电动机之间有电池作为能量缓冲的媒介，其灵活性较高、效率较高，废气排放也比较少。此组态中，引擎驱动发电机，不会直接驱动和车轮相连的传动系统。将引擎和动力需求端隔开，让引擎可以在其最佳效率的转速下运转。原动机是由电池作为能源来源，可以使用较小的引擎，其排气量可以比像传统汽车的引擎要小。

串联式混合动力系统的牵引电动机可用电池为动力来源，或以引擎／发电机为动力来源（或两者都使用）。多半牵引电动机只由电池供电，而电池可以由外部电源（例如电网）充电。这可以让有引擎／发电机的车辆，只在电池电力不足，或是需要为电池充电时，才发动引擎。

电动机的效率比引擎要好，可以在宽速度范围有高功率重量比。若引擎是在设计的最佳转速定速行驶，引擎效率会比电动机要好。

引擎若是用来推动发电机，引擎就可以运作在其最佳转速下。串联式混合动力系统没有齿轮换档，因此可以平顺的加速。 串联式混合动力系统包括以下组成及模式：

此外

电动机的能量来源可以完全由电池提供，也可以由引擎推动发电机提供，或者两者同时提供。这种电动车在概念上重现了柴电动力的铁路机车，再加上了电池，让车辆在不驱勋引擎的情形下仍可以行驶，也是在加速以及需要更高速度时的能量缓冲装置。发电机也可能同时供电给电池以及电动机。

当车辆停止时，不会将引擎运转在怠速，会让引擎直接停止，由电池提供车辆不行驶时需要的能源。若车辆在等红绿灯，或是因为交通原因而慢速行驶，这些情形下不会驱动引擎，以降低引擎排放的废气。

串联式混合动力系统也可以配合双电层电容器或飞轮来储存再生制动能量，这可以节省传统刹车系统变成热能损失掉的能量。串联式混合动力系统没有引擎和车轮的直接机构连接，因此引擎可以定速运转，不受实际车速影响，因此可以提高引擎效率（37%，比一般引擎运作的20%平均效率要好）。若在中低速时，整体效率可以提升50%（29%和19%）。

莲花汽车提供一组引擎和发电机的设计，可以在两种速度以下行驶，透过整合电子发电机（integrated electrical generator），若转速是1500rpm，可以提供电气功率15 kW，若转速是3500rpm，可以提供35 kW，此设计已用在Nissan的概念车Infiniti Emerg-e（英语：Infiniti Emerg-e）。

此运作方式也允许较大范围的替代引擎设计，例如燃气涡轮发动机、阿特金森循环或线性内燃机（英语：Linear Combustion Engine）。

若考虑巡航速度下的功率输出，引擎会和电动机有对应的输出。一般而言，引擎的输出功率是假定为瞬时（峰值）输出功率，但实务上无法这样使用。

装在车轮内的电动机（英语：wheel hub motor）可以节省许多传统的机械传动结构：变速箱、传动轴及差速器，有时也可以省去可挠接头（英语：Constant-velocity joint）。

丰田汽车在1997年推出了串联式混合动力车，是在日本第一款贩售的串联式混合车型。澳洲Ashburton的DesignLine公司（英语：DesignLine Corporation）制造了用微型燃气涡轮（英语：Microturbine）和电池为混合动力来源的市区公车。莱特巴士生产了串联式混合动力巴士，例如莱特双子星二型和New Routemaster。AFS Trinity（英语：AFS Trinity）公司也曾在改装的钍星Vue越野车中使用双电层电容器和锂离子电池的电源，若有加装双电层电容器，该公司声称在串联式混合动力的组态下其单位燃料里程数可以到150 mpg。

广为人知的串联式混合动力车包括有宝马i3（加装了增程器）。另一个例子是费司克因果。雪佛兰沃蓝达也算是串联式混合动力，但若时速超过70 mph，会有一个机械连接装置，直接连接引擎和车轮。

串联式混合动力也有用在飞机上。由西门子公司、钻石飞机工业集团及空中客车联合设计的DA36 E-Star是串联式混合动力，其推动器会带动西门子的70 kW（94 hp）电动机运转。因此可以省去功率级的螺旋桨减速器。其目的是为了减少油耗及排气，最多可以减少25%。会用飞机上Austro引擎公司所做，40 hp（30 kW）的汪克尔引擎及发电机来提供电力。

选用汪克尔引擎的原因是其体积小、重量轻、功率重量比高。（汪克尔引擎在2,000 RPM定速下的效率很好，这也是适合发电机运作的转速。汪克尔引擎在汽车应用中有许多的缺点，但因为定速或是小范围频率变化的运作，这些问题就不太会出现了）。

在起飞、爬升时，为了减少噪音，引擎不会运作，电子推进器马达会用电池中的电力作为能量来源。此系列飞机的动力系统比上一代少了100公斤。DA36 E-Star最早是在2013年6月开始营运，是第一架飞行的串联式混合动力飞机。钻石飞机认为此一技术适合可载一百人的飞机。

若电动机都在车体内，就需要可挠接头，但若电动机是在车轮内（英语：wheel hub motor），就可以省去此一机构。轮毂马达的一个缺点是簧下质量增加，悬吊的反应性会降低，不过若轮毂马达是Hi-Pa Drive（英语：Hi-Pa Drive），本身很小也很轻，有非常高的功率重量比，而且轮毂马达本身就可以让车辆刹车，也省去了刹车机构。

个别轮毂马达的好处包括简化了循迹控制系统，若有需要，可以进行全轮驱动，而且底盘可以比较低，适用于巴士及其他特别的车辆（有些重型增程机动战术卡车就会用轮毂马达）柴电动力铁路机车使用此一概念（每一对轮子在轴上用一个电动机驱动）已有70年的时间。

其他对策（例如使用铝车轮）也可以减少车轮组立的簧下质量，车体设计也可以将较重的组件（例如电池）放在底盘，以使重心降低，达到最佳化。典型的公路车辆中，动力传动装置会比传统的机械传动装置更小也更轻，因此空出较多的体积。引擎和发电机只需要接电线到电动机即可，增加主要零件位置规划的灵活度，因此车内的重量分布可以最佳化，也可以让车厢内空间最大化，也可以因为这种灵活性，在车辆设计上可以继续进步。

串并联式混合动力（series-parallel hybrid）也称动力分配式混合动力（Power-split hybrid），是加入动力分配式元件的并联式混合动力，让从引擎到车轮的动力传输可以透过机械达成，也可以透过电子系统达成。

引擎在低转速下的扭力最小，传统的汽车为了起步时加速度旳需求，会加大引擎尺寸以符合市场规格。引擎越大，在巡航模式下其输出功率能力会比巡航需要的功率要多许多。马达在静止时可以输出全扭力，可以补充在引擎低转速时扭力不足的问题。在串并联式混合动力车辆中，可以使用较小、较有效率、灵活度较高的引擎。传统奥图循环的引擎功率密度较高、低转速下的扭力较大，但效率较差，可以更换为功率密度较低、低转速下的扭力较小，但效率较高的阿特金森循环或米勒循环引擎。引擎越小，使用的循环效率较高，运作在BSFC（英语：brake specific fuel consumption）图中较理想的位置，因此可以显著提升车辆的整体效率。串并联式混合动力车辆在中高速时，会直接用引擎配合机械传动来驱动车轮，避免能量转换过程中的损失。

轻度混合动力（Micro Hybrid）同时拥有内燃机及电动机两种动力来源，不过只用内燃机驱动车辆行走，电动机则用作帮助内燃机启动及在内燃机停止运作时提供电力供应车内电器，又称怠速熄火系统（Start-stop system）。严格来说，轻度混合动力不算是真正的混合动力车辆，因为没有用两种不同种类的动力来源，只是比较节省燃料的作法。

在怠速熄火系统中，马达也在内燃机起动前的一刻将内燃机驱动至较高转速，避免让内燃机在低效率的低转数情况下运作，从而减少起动时的耗油量及机械损耗。电脑也设定在减速或刹车时自动关闭内燃机，减少内燃机空转的时间以进一步达节省燃油的效果。怠速熄火系统通常配有启动开关，可依驾驶的需求选择是否启用。怠速熄火系统优点就是开发成本低；缺点就是节能效率极有限（仍不到10%）及熄火时冷气会关闭（在气温高时会减低舒适度、其温差容易造成感冒，不过少数的车种仍可以在熄火时开启冷气）。因为开发成本极低故目前已被多家厂商使用，例如奔驰、雪铁龙、马自达、标致汽车和Smart。

同属奔驰集团的奔驰与Smart开发的微型油电混合系统名叫mhd（micro hybrid drive之缩写），就是很典型的怠速熄火系统，该系统的核心是一个由皮带驱动的启动发电机，取代了一般传统的发动机与发电机。这具启动发电机供应了汽车的电力系统，同时还能快速启动车辆的汽油引擎。目前mhd已套用在Smart Fortwo mhd上贩售，未来将扩展于更多的车款如SLK。

同属PSA集团的雪铁龙和标致也有名为e-HDi的怠速熄火系统，它配合一具1.6升柴油涡轮增压引擎，以STOP & START怠速熄火系统并加上刹车动能回收系统，其优势是在熄火时冷气仍可运转一小段时间，可在市区拥挤的交通状况下，节省燃油损耗达到15%的效果，目前搭载在C4、308、3008和5008上。

马自达的Skyactiv节能技术里也有一套i-Stop怠速熄火系统，它同时还配合Skyactiv系列引擎以及i-ELOOP动能回收系统。Skyactiv系列引擎包含了Skyactiv-G汽油引擎与Skyactiv-D柴油引擎，i-Eloop动能回收系统则是一套改以轻量化的电容代替电池作蓄电装置的系统。Skyactiv节能技术配合新的“魂动”设计语言，于2012年开始一一植入马自达旗下的新发表车款。

中度混合动力车辆是加装混合动力硬件的传统车辆，其混合动力的能力有限。一般来说，中度混合动力会是并联式混合动力，有怠速熄火系统机能，也有一些引擎辅助或是再生刹车机能。中度混合动力车辆多半没有全电动行驶的能力。

像2004年至2007年通用汽车的Parallel Hybrid Truck以及本田汽车的Eco-Assist hybrid，是搭配了放在离合器罩内的三相马达，连接引擎和变速箱，让车辆在滑行、刹车或停止时可以关闭引擎，也可以快速启动引擎使车辆行驶。若引擎关闭时，仍有电源提供给车辆的附加设备，而且可以透过再生刹车将能量回送到电池。在油料注入引擎之前，会先由马达使引擎以运行速度旋转。

2004年至2007年的雪佛兰Silverado（英语：Chevrolet Silverado）PHT是全尺寸的皮卡车。此车辆依动力需求关闭及重启引擎，也有再生刹车系统，可以让效率提高10%。其电能只用在动力方向盘之类的车辆附加设备。GM PHT的电源是42V系统，透过三颗12 V的铅酸蓄电池串联（36V）来提供启动马达以及其他附加设备的电源。

后来通用汽车推出了BAS Hybrid（英语：BAS Hybrid），是在2007年Saturn Vue上开始使用的中度混合动力系统。其关闭及重启引擎的机能类似Silverado，不过是用皮带连接到马达／发电机单元。

中度混合动力有时也会称为是辅助混合动力（power-assist hybrids），因为以引擎为主动力来源，在传统汽车的动力总成中加入马达来提升力矩。马达会加在引擎和变速箱之间。其本质是大的启动马达，当需要带动引擎运转时启动，若驾驶踩油门，需要额外动力时也会启动。启动马达也可以重启引擎，在汽车不行驶时关闭引擎，由电池系统提供车辆附加设备电力。GM推出的别克君越和别克君威，其中度混合动力系统称为Eassist.

本田汽车在2015年之前的混合动力车辆（包括Insight）都使用上述的设计，也配合公司在小型高效率汽油引擎上的经验。其系统称为整合动力辅助系统（英语：Integrated Motor Assist）（IMA）。IMA混合动力车辆无法只靠电力来使汽车行进。不过因为其电能需求少很多，系统尺寸也因此而缩小。

重度混合动力（full hybrid）也称为强混合动力（strong hybrid），是指汽车的动力来源可以是引擎、马达，或两者同时启动。丰田普锐斯、丰田Camry Hybrid、福特Escape Hybrid/Mercury Mariner Hybrid、福特Fusion Hybrid/林肯MKZ Hybrid/Mercury Milan Hybrid、福特C-Max Hybrid、起亚Optima Hybrid和通用汽车2-mode hybrid（英语：2-mode hybrid）卡车和休旅车都是重度混合动力，其特点是可以只靠电池驱动马达，使车辆行驶。因此需要大型，高容量的电池。这类的车辆在动力总成中会有较大的可变性，可以让机械能和电能互相转换。为了平衡各部分的力，车辆会在引擎和马达之间加入类似差速器的连杆，连接到变速箱。

丰田汽车将其公司的重度混合动力技术命名为丰田混合动力系统（Hybrid Synergy Drive），用在普锐斯、丰田Highlander运动型多用途车及丰田凯美瑞。其中有电脑监控系统运作，决定整合其动力来源的方式。

有许多方式可以达到马达－内燃机引擎（ICE）的混合动力，可以依马达驱动系统和内燃机驱动系统的连接方式、各系统运作的时机，以及提供动力的比例来分类。主要可以分为串联式混合动力（series hybrids）及并联式混合动力（parallel hybrids），以并联式混合动力比较常见。

在这些混合动力系统中，多半都会使用再生制动机能，在车辆减速时让马达变成发电机，以此方式来回收能量。

许多的混合动力系统也会在引擎不需要运行时关闭引擎，以节省能源。此一概念其实不是混合动力车才有的作法：速霸陆汽车在1980年代就在内燃机引擎汽车中导入此一技术、Volkswagen Lupo 3L也是在车辆非行驶时会关闭引擎的传统汽车。不过需考虑汽车配件的供电，例如在非行驶时的空气调节系统（行驶时是由引擎所驱动）。而且，内燃机引擎的润滑系统在刚启动后的效果是最差的，大部分的机械磨损都是出现在这个阶段，因此频繁的将引擎启动及熄火，会对引擎寿命有相当的影响。频繁的将引擎启动及熄火也会让引擎无法在最佳温度下运行，因此会降低效率。

以燃料电池为动力来源的车称为燃料电池车，燃料电池车常会加上电池或是超级电容器，以在加速时提供峰值的功率，并且减少燃料电池的体积以及所需的功率（以及成本），此作法在效果上类似串联式混合动力。

液压混合动力（英语：hydraulic hybrid）车辆使用液压和机械元件代替电力。由可变排量泵（英语：variable displacement pump）代替马达和发电机。用 液压储压器（英语：hydraulic accumulator）储存能量。容器中会有预充填加压氮气的柔性气囊。泵流的液压流体被气囊中的压缩氮气所加压。有些作法不会用加压的气囊，会改为液压缸和活塞。液压储压器比电池要便宜的多，而且更加耐用。液压混合动力的技术最早是由德国在1930年代推出。Volvo Flygmotor自从1960年代早期就已将液压混合动力实验性的使用在公车上。

一开始的概念是用大的飞轮（可参考Gyrobus（英语：Gyrobus））来储存能量，再透过静液压的传送方式。此系统是由伊顿和许多其他的公司开发，主要用在大型车辆上，例如卡车、公车以及军车。其中一个例子是福特在2002年推出的F-350 Mighty Tonka概念卡车。其中有伊顿的系统，可以让卡车可以加速到高速公路的车速。

系统元件很贵，因此不太能安装在小型的卡车以及汽车上。该系统的缺点是动力马达在非全载时的效率不佳。研发焦点开始转向小型车辆。有一家英国公司导入了电子控制的液压马达/泵浦，在任何速度和负载下效率都很高，因此小型车也可以使用液压混合动力。该公司修改一部BMW的车以验证可行性。这部BMW 530i在市区的MPG是标准车款的二倍。用的是标准的3,000引擎。内燃机引擎－液压混合动力让引擎的规格可以缩小，引擎只需要输出平均功率即可，超过的功率则用由液压储压器提供。

动能刹车的能量恢复率比较高，因此此系统比2013年的混合动力电动车要省电，在EPA测试中效率增加了60%到 70%。在EPA测试中，液压混合动力的福特Expedition车，在车区驾驶中的结果是32 mi/US gal（7.4 L/100 km），高速公路则是22 mi/US gal（11 L/100 km）。

有一家公司的目标是要开创新型的设计，整合液压混合动力的零件。其中大型笨重的液压零件都整合到底盘内。其中一个设计使用大型的液压储压器，同时也是结构底盘内，声称测试时可以到130mpg。液压驱动马达也整合到轮毂内内，在刹车时也可以回收刹车能量。其目的是在平均驾驶条件下可以到170 mpg。避震器以及动能刹车吸收的能量，一般来说可能会耗散掉，在该车辆中可以将其能量储存在液压储压器内。内燃机的功率是对应车辆的平均功率，提供液压储压器能量。充饱的载液压储压器可以让车辆行驶15分钟。

克莱斯勒在2011年1月和EPA合作设计，要开发适合客车的液压混合动力系统。克莱斯勒修改量产的minivan车款，加入液压混合动力系统。

汽车也可以用压缩空气作为动力来源。法国的Motor Development International正在开发空气动力车。加利福尼亚大学洛杉矶分校机械和航太系曹子晴（Tsu-Chin Tsao）教授的团队和福特的工程师合作在开发气压混合动力技术。系统类似混合电动车，储存刹车时的能量，作为启动时的辅助动力来源。

许多陆上车辆或是水中载具会用人力（英语：Human power）配合其他动力来源。常见的作法是并联式混合动力，例如有桨的帆船、摩托化自行车或人力－电动混合动力车（英语：human-electric hybrid vehicle）（例如Twike（英语：Twike））。也有串联式混合动力，也有些是三联混合动力车，例如有太阳能电池、可插电充电的电池、以及踏板的车辆。

混合动力车辆可以运作在不同的模式，以下是一些典型的运作模式。

在零部件市场（车后市场）中也有针对车辆改装为混合动力的零组件。

车后市场的方案是指客户将电动车改装配件（英语：Electric vehicle conversion）、混合动力动力源（马达和引擎）或是纯电动力源（只有马达）提供给车厂组装，再由车厂交付已组装好的车辆。也可以靠售后安装厂商在车架上加入电动或是混合动力的驱动装置。

中佛罗里达大学的设计团队On the Green在2013年发展用螺栓固定的混合动力转换配件，将旧型的车辆转换为气电混合车。

有加州的工程师将1966年野马汽车的动力系统改为交流发电机（alternator）以及12 kW（峰值功率30 kW peak）的无刷马达。在燃油里程和动力上都有提升。