混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)綜述

1、汽車新動(dòng)力HEV綜述 戴夢(mèng)萍1 紀(jì)永秋2 （1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，255000;2.山東水利技術(shù)學(xué)院，255000） 摘要：介紹了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）的概念、HEV動(dòng)力總成的組成及型式，闡述了其基本工作原理和驅(qū)動(dòng)模式。 關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車；串聯(lián)；并聯(lián)；混聯(lián)；驅(qū)動(dòng)模式 隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和世界人口的增加、人民生活水平的提高，人均能源消耗將會(huì)高速增加，環(huán)境污染會(huì)變得更加嚴(yán)重。開發(fā)新的替代能源、提高熱能轉(zhuǎn)換效率和節(jié)約能源被認(rèn)為是解決或緩解環(huán)境污染和保障能源供給的有效辦法。汽車燃油發(fā)動(dòng)機(jī)是消耗礦石能源和制造環(huán)境污染的大戶，研發(fā)替代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的新動(dòng)力勢(shì)所必然。替代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的

2、方案也越來越多，例如氫能源汽車、燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車等。但目前最有實(shí)用性價(jià)值并巳有商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)的模式，只有混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。 根據(jù)國際機(jī)電委員會(huì)下屬的電力機(jī)動(dòng)車技術(shù)委員會(huì)的建議，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是指由兩種和兩種以上的儲(chǔ)能器、能源或轉(zhuǎn)換器作驅(qū)動(dòng)能源，其中至少有一種能源提供電能的車輛稱為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。本文介紹的僅是既有內(nèi)燃機(jī)又有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵是混合動(dòng)力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動(dòng)力汽車整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動(dòng)力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和變速器一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)。1 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的組成及種類

3、成1.1 混合動(dòng)力總成按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量流和功率流的配置結(jié)構(gòu)關(guān)系，可分為串聯(lián)式（Series hybrid system）（兩種）、并聯(lián)式（Parallel hybrid system）和混聯(lián)式（）等三種。（如圖1所示） 車輪電動(dòng)機(jī)蓄電池發(fā)電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)減（變）速器車輪(a) （a( （a）蓄電池車輪電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 減（變）速器車輪(b)車輪蓄電池電動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī) 減（變）速器車輪 （c）蓄電池車輪發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)非常現(xiàn)實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī) 減（變）速器車輪(d) 圖1 串聯(lián)時(shí)、并聯(lián)式和混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車組成示意圖 （a）串聯(lián)型式1；（b）串聯(lián)型式2；(c）并聯(lián)型式；（d）混聯(lián)型式 1.1.1串聯(lián)式動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)

4、、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)三部分動(dòng)力總成組成，它們之間用串聯(lián)的方式組成SHEV的動(dòng)力單元系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)汽車。小負(fù)荷時(shí)由電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，大負(fù)荷時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。當(dāng)車輛處啟動(dòng)、加速、爬坡工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)組和電池組共同向電動(dòng)機(jī)提供電能；當(dāng)電動(dòng)車處于低速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由電池組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電池組缺電時(shí)則由發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組向電池組充電。組成如圖1a、b所示。 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運(yùn)行工況，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動(dòng)機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動(dòng)機(jī)

5、避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點(diǎn)是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機(jī)械效率較低。 1.1.2并聯(lián)式系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向汽車傳動(dòng)系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)汽車加速爬坡時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，一旦汽車車速達(dá)到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)維持該速度。電動(dòng)機(jī)既可以作電動(dòng)機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用，又稱為電動(dòng)發(fā)電機(jī)組。由于沒有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通汽車差不多，得到比較廣泛的應(yīng)用。組成如圖1

6、c所示。1.1.3混聯(lián)式系統(tǒng)包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，根據(jù)助力裝置不同，它又分為發(fā)動(dòng)機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。以發(fā)動(dòng)機(jī)為主的形式中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源，電機(jī)為輔助動(dòng)力源；以電機(jī)為主的形式中，發(fā)動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力源，電機(jī)為主動(dòng)力源。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。1.2 按照兩種不同的能量的搭配比例不同，混合動(dòng)力車輛則有四種類型，即：1.2.1 微混合（micro hybrids），有時(shí)也叫“起停混合”,其特點(diǎn)是采用低電壓和低功率的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)不驅(qū)動(dòng)車輪，只是使用大功率的起動(dòng)機(jī)，在內(nèi)燃機(jī)起動(dòng)時(shí)，將其曲軸旋轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)更加輕松可靠；汽車

7、在減速、制動(dòng)時(shí)還可以使內(nèi)燃機(jī)熄火，電動(dòng)機(jī)則通過再生制動(dòng)發(fā)電給蓄電池充電回收部分能量，這樣都可以達(dá)到節(jié)省燃油的效果。1.2.2 輕度混合（mild hybrids）動(dòng)力電動(dòng)汽車的特點(diǎn)是采用高電壓和低功率的電動(dòng)機(jī)，在汽車加速是，電動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力使用。這樣內(nèi)燃機(jī)的排量就可以減小。1.2.3全混合（full hybrids）也稱強(qiáng)混合(Strong Hybrid），特點(diǎn)是可以只使用內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，也可二者同時(shí)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)然，這需要裝備較大體積、較高電壓的電池。下面要介紹的豐田Prius即屬此類。1.2.4 外電源插座充電混合動(dòng)力汽車(PHEV) ，PHEV是Plug-in Hybrid Elec

8、tric Vehicle的縮寫。PHEV是指可以使用家用電源插座（例如220V電源）對(duì)混合動(dòng)力車電池充電的混合動(dòng)力汽車，同時(shí)這種混合動(dòng)力汽車應(yīng)能單獨(dú)依靠電池就能行駛較長(zhǎng)距離，但需要時(shí)仍然可以象通常的全混合動(dòng)力汽車一樣工作。例如有一輛可以單獨(dú)靠電池行駛50km的PHEV，可利用電池行駛40km，到旅程終點(diǎn)后，插入電源對(duì)電池充電；如果旅程超過50km，則開始的50km可以用電池來行駛，超過50km后則可以以通常的混合動(dòng)力方式行駛，到了旅程終點(diǎn)則再插入電源對(duì)電池充電。目前由于電池尺寸、重量以及其他因素使得PHEV的成本很高，但是隨著電池和混合動(dòng)力技術(shù)的進(jìn)步，PHEV可能會(huì)成為未來的一種汽車。3 混合

9、動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)例豐田的Prius混合動(dòng)力系統(tǒng)3.1 系統(tǒng)特點(diǎn) 豐田的Prius混合動(dòng)力系統(tǒng)屬于以電機(jī)為主的形式。它的混合動(dòng)力總成包括兩個(gè)動(dòng)力源，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)。還有包含了發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、內(nèi)置動(dòng)力分離裝置的混合動(dòng)力專用變速器、鎳氫電池組和動(dòng)力控制總成。豐田Pruis混合動(dòng)力系統(tǒng)有一個(gè)特點(diǎn)，就是采用行星齒輪變速結(jié)構(gòu)，變速器內(nèi)置動(dòng)力分離裝置，行星齒輪機(jī)構(gòu)巧妙地將減速器、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力部件偶合在一起，同時(shí)行星齒輪又起到無級(jí)變速器的功能，結(jié)構(gòu)十分緊湊，形成一個(gè)集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)（如圖2所示） 圖 2 該系統(tǒng)的內(nèi)燃動(dòng)力采用Atkinson循環(huán)1.5LVVT-i汽油機(jī)，最大輸出功率為57K

10、W。工作循環(huán)為Atkinson循環(huán)，其熱效率高，膨脹比大。Atkinson循環(huán)的汽油機(jī)采用延遲進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻的方法，增大膨脹比。在壓縮沖程的起始階段（當(dāng)活塞開始上行時(shí)），部分進(jìn)入氣缸的空氣回流到進(jìn)氣歧管，有效地延遲了壓縮起始點(diǎn)，故膨脹比增大，而實(shí)際的壓縮比并沒有增大。由于用這種方法能增大節(jié)氣門開度，在部分負(fù)荷時(shí)可減小進(jìn)氣管負(fù)壓，從而減小進(jìn)氣 通過行星齒輪組，三臺(tái)機(jī)器的轉(zhuǎn)速互相配合，就能實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行模式。Prius通過復(fù)雜的電子控制，用簡(jiǎn)單的機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)類似CVT無級(jí)變速的效果。3.2 系統(tǒng)的工作過程 3.2.1在起步或低速行駛時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)效率低下，所能提供的動(dòng)力往往不大。因此Prius將

11、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，僅由大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛（圖2，箭頭A）。封閉式Ni-MH(鎳氫)電池可以提供高達(dá)400Nm，的強(qiáng)大扭矩，幫助Prius平穩(wěn)起步。3.2.2在正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源，由動(dòng)力分離裝置將動(dòng)力分成兩路，一路驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)（圖3，箭頭B），另一路則直接驅(qū)動(dòng)車輪（圖3，箭頭A），系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)兩條路徑的動(dòng)力進(jìn)行最佳分配，以達(dá)到效率的最大化。HSD時(shí)刻監(jiān)視車輛的各種行駛條件、油門踏板上的踏板力以及電池控制電腦所發(fā)送的信息，它根據(jù)這些信息決定行駛過程中是電動(dòng)機(jī)單獨(dú)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，還是電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)并用，使得汽車總能量的消耗始終保持最低。 3.2.3 當(dāng)要加速時(shí)，電池

12、組會(huì)加進(jìn)來為電動(dòng)機(jī)供電，增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)輸出功率（圖4）。 當(dāng)減速或制動(dòng)時(shí)，則由車輪的慣性力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，回收制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)將電動(dòng)機(jī)激活成為發(fā)電機(jī)，從而將車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成為電能開儲(chǔ)存在電池內(nèi)、這一能量回收性能，特別適合因交通擁堵而不得不頻繁加減速的城市路況。 3.2.4 在高速行駛過程中，混合動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)釋放出連續(xù)高速響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力來滿足駕駛要求，而動(dòng)力的來源便是1.5L VVT-i發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)。逆變器和動(dòng)力控制單元的高壓電路系統(tǒng)可以先將電池的直流電壓增加到 500V，然后再轉(zhuǎn)為交流電來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，這不僅能使電動(dòng)機(jī)獲得極高的輸出功率，而且能有效地減輕電池的重量。3.2.5 而在反復(fù)出現(xiàn)低速或停車

13、/起步行駛中將由具有自動(dòng)充電功能的電池來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 如果電動(dòng)機(jī)的頻繁使用降低了電池的電量，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來使電池自動(dòng)充電。如此一來，Prius的電池就無需外接電源來直接充電了。電池組電量保持在一個(gè)恒定水平。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電池組電量下降會(huì)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，向電池組充電（圖6，箭頭E當(dāng)Prius停下時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)自動(dòng)熄火，從而使車輛不會(huì)因怠速運(yùn)轉(zhuǎn)而造成不必要的油耗和CO2的排放。24 3A1 56 7 圖 起步于小負(fù)荷時(shí)THS的動(dòng)力傳遞路線 1發(fā)動(dòng)機(jī)；2發(fā)電機(jī)；3交流直流變換器；4蓄電池；5電動(dòng)機(jī)；6動(dòng)力傳遞；7電力傳遞24 3C1 5B 圖 正常行駛時(shí)THS的動(dòng)力傳遞路線1發(fā)動(dòng)機(jī)；2發(fā)電機(jī)；3交流直流變換器；4蓄電池；5電動(dòng)機(jī) 4 23CA1 5B 圖 全負(fù)荷加速時(shí)THS的動(dòng)力傳遞路線 1發(fā)動(dòng)機(jī)；2發(fā)電機(jī)；3交流直流變換器；4蓄電池；5電動(dòng)機(jī) 4 23A1 5 圖 減速與制動(dòng)時(shí)THS的動(dòng)力傳遞路線1發(fā)動(dòng)機(jī)；2發(fā)電機(jī)；3交流直流變換器；4蓄電池；5電動(dòng)機(jī) 4 23Dn1 5 圖 蓄電池充電時(shí)THS的