一、混合動力概述
內燃機從發明到成熟使用已經100多年了，它給人們帶來許多便利，但是隨之而來也有許多問題。環境的汙染，石油的消耗，溫室氣體的排放，一個個問題接踵而來，即便政府對汽車排放進行了嚴格要求，但是環境汙染問題依然嚴峻。CO2的排放，不是僅靠著限牌限號能夠解決的，還有石油的消耗，世界石油儲量預計還有100年就會被開採完。那麼沒有汽油，那些車輛又將如何工作呢？所以電動車就出現了，但是純電動車又給人們帶來了幾大難題：無法長時間續航、大容量電池體積太大及充電時間過長等。於是，混合動力車就成了目前解決問題的最好辦法。
混合動力汽車是透過普通發動機與電動機同時執行來驅動汽車的，即熱動力源（傳統發動機）與電動力源（電池與電動機）的汽車，把電機安裝到汽車上，使汽車可以在不同工況下選擇不同的動力模式，發動機處於綜合性能最好的工況下工作，從而降低油耗與減少汽車尾氣排放。
相比純電動汽車，混合動力汽車有APU（Auxiliary Power Unit）作為輔助動力，APU是串聯混合動力汽車的控制核心技術，可以減少電池的數量和重量，續航能力和動力效能可以和傳統內燃機汽車差不多。利用APU可以給空調、助力系統等提供電能。相比內燃機，電機排量通常很小，並且在最佳工況點工作，所以排放低且節能，在市區等紅燈時可以關閉APU、實現零排放。電動驅動系統還可以充當發電機，回收制動和下坡時產生的能量，進一步實現節能減排。
20世紀90年代以來，大多數汽車公司都開始研究和開發混合動力汽車，無論是高階跑車品牌法拉利還是國產民族品牌比亞迪，都加入到混合動力汽車的研究隊伍中。車型包括進口寶馬X1、邁凱倫P1、進口奧迪A6、豐田卡羅拉、本田雅閣、雷克薩斯ES及榮威eRX5等。
由於中國經濟的快速發展，汽車數量急劇增加，2016年中國石油消耗總量達到 5。56億噸，全國汽車銷量達到2 802。8萬輛，位居世界第一，汽車保有量達到1。94億輛。這麼大數量的汽車所帶來的汙染量也是巨大的。我國的新能源汽車發展目標是，到2020年新能源汽車累計產銷量達到500萬輛。
混合動力發展前景潛力無窮。首先，從消費者的角度來說，汽車不需要外部充電，發電機和電動機可以互補，不用擔心沒油或沒電。其次，對於環境保護和能源利用來說，混合動力汽車減少了汙染物的排放量。與傳統汽車相比，因為發動機總是處在最佳工況，油耗非常低。它既有發動機動力性好、反應快和工作時間長的優點，又有電動機無汙染和低噪聲的好處。
混合動力有3種類型，分別為：串聯式、並聯式和混聯式。
1．串聯式混合動力汽車
發電機靠發動機驅動發電，汽車只利用電動機驅動行駛，驅動系統只有電動機。發動機不受汽車行駛工況的影響，始終在最佳工作區穩定執行。發動機動力轉化為電能才能為車輛所用，但是轉化中會有部分熱量損失，所以燃油能量的利用率比較低，適合於市內低速執行，結構如圖1所示。串聯式的優點是結構簡單，發動機不受工況影響，能在高效、低排放的情況下工作，三大動力總成之間沒有機械聯絡，可以獨自工作。缺點是因為需要大動力的發電機，所以發電機尺寸大，能量轉換時的能量損耗較高，轉換率低，需要大容量電池。
2．並聯式混合動力汽車
主動力是發動機，輔助動力是電動機，發動機和電動機共同驅動車輛，或各自單獨驅動車輛。透過機械傳動機構發動機可以直接驅動車輛，燃油利用率較高，發動機受到車輛行駛工況影響，需要安裝變速裝置和動力複合裝置，結構較為複雜，適合在高速公路等穩定路況行駛，結構如圖2所示。並聯式的優點是隻有2個動力總成，體積質量比串聯式小，能量轉換率比串聯式高，發動機在高效、低排狀態下工作。缺點是有害氣體排放多於串聯式，結構複雜，佈置和控制困難。
3．混聯式混合動力汽車
低速時只有電動機工作；速度提高時發動機和電動機相配合驅動，是串聯方式工作；穩定高速時是並聯式方式工作。動力複合裝置複雜，一般基本框架是行星齒輪機構。結構如圖3所示。混聯式優點是3個動力總成功率都比較高，所以質量體積比串聯式和並聯式都小；有多種驅動模式，可以選擇最佳節能驅動模式；驅動電動機可以給發動機提供輔助動力，所以發動機可以選擇功率較小、燃油經濟性高的。缺點是發動機工況受到串聯式行駛工況影響，有害氣體排放比串聯式高，因為有兩套驅動系統，所以結構非常複雜，佈置也很困難，還需配備一個多能源動力控制總成，成本高。
二、豐田卡羅拉雙擎混合動力系統結構組成
豐田卡羅拉混合動力系統主要由混合動力傳動橋總成、高壓蓄電池組（HV電池）、發動機總成、2臺電動發電一體機（MG1、MG2）、帶轉換器的變頻器總成以及輔助電池等組成。各部分組成元件在車上的位置佈置如圖4所示，整個系統的動力連線關係如圖5所示。
1．發動機總成
豐田卡羅拉混動採用的發動機型號是1 NZ-FXE，外觀如圖6所示，相比正常版的發動機，具有低油耗、高輸出的特性，最高轉速提升到5 000 r/min，提高了其輸出功率。這款發動機採用阿特金森迴圈，進氣門的關閉時間被延遲，因而延遲了實際壓縮行程的開始，壓縮行程小於膨脹行程，所以熱效率更高。
HV ECU向發動機ECU傳送訊號（發動機目標轉速和發動機目標動力），發動機ECU根據HV ECU的要求控制發動機節氣門、燃油噴射量、點火正時和噴油正時，實現發動機的啟動和正常運轉。當HV ECU發出停止訊號時，發動機ECU控制其停止工作。當系統出現故障時，發動機ECU透過HV ECU的要求開啟檢查發動機警告燈，控制原理如圖7所示。
注：本文主要闡述混合動力電動部分，所以不對發動機作具體介紹。
2．傳動橋總成
傳動橋總成由組合齒輪單元（電機減速行星齒輪、動力分配行星齒輪）、MG1、MG2、油泵、主減速器以及差速器等組成（圖8）。
（1）組合齒輪單元
組合齒輪單元（圖9、圖10）由電機減速行星齒輪、動力分配行星齒輪組成。
動力分配行星齒輪（圖11）由齒環、小齒輪、太陽齒輪及行星支架組成（圖12）。動力分配行星齒輪能高效分配動力，切斷和分配來自不同動力輸出的速度、旋轉方向和扭矩。例如，把發動機的動力分為2個路徑，其中一路分配給車輪來驅動車輛，而另一路則分配給MG1發電。行星支架的旋轉軸連線著發動機，透過小齒輪帶動外圍的齒環和內側的太陽齒輪，小齒輪旋轉軸直接和電動機連線，將驅動力傳給車輪，太陽齒輪旋轉軸直接連線發動機，把發動機的動力轉換為電能。
（2）傳動橋減振器
傳動橋減振器（圖13）主要作用是當傳輸較大動能時能減輕震動。
（3）油泵
油泵有2種類型，一種是機械油泵，一種是電子油泵。卡羅拉用的是機械油泵（圖14），發動機透過主軸驅動油泵來潤滑齒輪。
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