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混合动力汽车动力系统综述


汽车新动力━━━HEV 综述 戴梦萍 1 纪永秋 2 (1.山东理工大学机械工程学院,255000;2.山东水利技术学院,255000) 摘要:介绍了混合动力电动汽车(HEV)的概念、HEV 动力总成的组成及型式,阐述 了其基本工作原理和驱动模式。 关键词:混合动力电动汽车;串联;并联;混联;驱动模式 随着世界经济的持续增长和世界人口的增加、人民生活水平的提高,人均能源消耗将 会

高速增加,环境污染会变得更加严重。开发新的替代能源、提高热能转换效率和节约能源 被认为是解决或缓解环境污染和保障能源供给的有效办法。 汽车燃油发动机是消耗矿石能源 和制造环境污染的大户, 研发替代燃油发动机的新动力势所必然。 替代燃油发动机汽车的方 案也越来越多,例如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等。但目前最有实用性价值 并巳有商业化运转的模式,只有混合动力电动汽车。 根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议,混合动力电动汽车是指由 两种和两种以上的储能器、 能源或转换器作驱动能源, 其中至少有一种能源提供电能的车辆 称为混合动力电动汽车。本文介绍的仅是既有内燃机又有电动机驱动的混合动力电动汽车。 混合动力电动汽车的关键是混合动力系统, 它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。 经 过十多年的发展, 混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机、 电机和变速 器一体化结构发展,即集成化混合动力总成系统。 1 混合动力电动汽车的组成及种类成 1.1 混合动力总成按照驱动系统能量流和功率流的配置结构关系, 可分为串联式 (Series hybrid system) (两种) 、并联式(Parallel hybrid system)和混联式()等三种。 (如图 1 所示)
车轮

发动机

发电机

蓄电池

电动机

减(变)速器 (a( (a)

车轮

(a)

车轮 蓄电池 发动机 发电机 电动机

减(变)速器

车轮

(b)

车轮 蓄电池 电动机

发动机 减(变)速器 车轮

(c)

蓄电池 车轮 发电机 电动机

发动机

非 常 现 实
减(变)速器 车轮

(d) 图 1 串联时、并联式和混联式混合动力电动汽车组成示意图 (a)串联型式 1; (b)串联型式 2;(c)并联型式; (d)混联型式 1.1.1 串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成,它们之间用串联的 方式组成 SHEV 的动力单元系统,发动机驱动发电机发电,电能通过控制器输送到电池或 电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮,大负荷时 由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处启动、加速、爬坡工况时,发动机-电动机 组和电池组共同向电动机提供电能;当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时,则由电池组 驱动电动机,当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。组成如图 1a、b 所示。 串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况, 可以将发动机调整在最佳工况点附 近稳定运转, 通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。 使发动机避免了怠速和 低速运转的工况,从而提高了发动机的效率,减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转 换,机械效率较低。 1.1.2 并联式系统的发动机和电动机共同驱动汽车,发动机与电动机分属两套系统,可 以分别独立地向汽车传动系提供扭矩, 在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。 当 汽车加速爬坡时, 电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力, 一旦汽车车速达到巡航速 度,汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用,又称 为电动-发电机组。由于没有单独的发电机,发动机可以直接通过传动机构驱动车轮,这种 装置更接近传统的汽车驱动系统,机械效率损耗与普通汽车差不多,得到比较广泛的应用。 组成如图 1c 所示。 1.1.3 混联式系统包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动 机,根据助力装置不同,它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中,发 动机作为主动力源,电机为辅助动力源;以电机为主的形式中,发动机作为辅助动力源,电

机为主动力源。该结构的优点是控制方便,缺点是结构比较复杂。 1.2 按照两种不同的能量的搭配比例不同,混合动力车辆则有四种类型,即: 1.2.1 微混合(micro hybrids) ,有时也叫“起-停混合”,其特点是采用低电压和低功率 的电动机,电动机不驱动车轮,只是使用大功率的起动机,在内燃机起动时,将其曲轴旋转 到较高的转速。内燃机的起动更加轻松可靠;汽车在减速、制动时还可以使内燃机熄火,电 动机则通过再生制动发电给蓄电池充电回收部分能量,这样都可以达到节省燃油的效果。 1.2.2 轻度混合(mild hybrids)动力电动汽车的特点是采用高电压和低功率的电动机, 在汽车加速是,电动机作为辅助动力使用。这样内燃机的排量就可以减小。 1.2.3 全混合(full hybrids)也称强混合(Strong Hybrid) ,特点是可以只使用内燃机或电 动机驱动车辆,也可二者同时驱动。当然,这需要装备较大体积、较高电压的电池。下面要 介绍的丰田 Prius 即属此类。 1.2.4 外电源插座充电混合动力汽车(PHEV) , PHEV 是 Plug-in Hybrid Electric Vehicle 的缩写。PHEV 是指可以使用家用电源插座(例如 220V 电源)对混合动力车电池充电的混 合动力汽车, 同时这种混合动力汽车应能单独依靠电池就能行驶较长距离, 但需要时仍然可 以象通常的全混合动力汽车一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶 50km 的 PHEV,可 利用电池行驶 40km,到旅程终点后,插入电源对电池充电;如果旅程超过 50km,则开始 的 50km 可以用电池来行驶,超过 50km 后则可以以通常的混合动力方式行驶,到了旅程终 点则再插入电源对电池充电。 目前由于电池尺寸、重量以及其他因素使得 PHEV 的成本很高,但是随着电池和混合动力 技术的进步,PHEV 可能会成为未来的一种汽车。 3 混合动力电动汽车动力系统实例—丰田的 Prius 混合动力系统 3.1 系统特点 丰田的 Prius 混合动力系统属于以电机为主的形式。 它的混合动力总成包 括两个动力源,发动机与电动机。还有包含了发电机、电动机、内置动力分离装置的混合动 力专用变速器、镍氢电池组和动力控制总成。丰田 Pruis 混合动力系统有一个特点,就是采 用行星齿轮变速结构,变速器内置动力分离装置,行星齿轮机构巧妙地将减速器、发电机和 电动机等动力部件偶合在一起,同时行星齿轮又起到无级变速器的功能,结构十分紧凑,形 成一个集成化混合动力总成系统(如图 2 所示)

图 2 该系统的内燃动力采用 Atkinson 循环 1.5LVVT-i 汽油机,最大输出功率为 57KW。

工作循环为 Atkinson 循环,其热效率高,膨胀比大。Atkinson 循环的汽油机采用延迟进气 门关闭时刻的方法,增大膨胀比。在压缩冲程的起始阶段(当活塞开始上行时) ,部分进入 气缸的空气回流到进气歧管,有效地延迟了压缩起始点,故膨胀比增大,而实际的压缩比并 没有增大。由于用这种方法能增大节气门开度,在部分负荷时可减小进气管负压,从而减小 进气 通过行星齿轮组,三台机器的转速互相配合,就能实现不同的运行模式。Prius 通过复杂 的电子控制,用简单的机械,能够实现类似 CVT 无级变速的效果。 3.2 系统的工作过程 3.2.1 在起步或低速行驶时, 此时发动机效率低下, 所能提供的动力往往不大。 因此 Prius 将发动机关闭,仅由大功率电动机驱动车辆(图 2,箭头 A) 。封闭式 Ni-MH(镍氢)电池可 以提供高达 400N?m,的强大扭矩,帮助 Prius 平稳起步。 3.2.2 在正常行驶时,发动机作为主动力源,由动力分离装置将动力分成两路,一路驱 动发电机进行发电,产生的电力驱动电动机运转(图 3,箭头 B) ,另一路则直接驱动车轮 (图 3,箭头 A) ,系统会自动对两条路径的动力进行最佳分配,以达到效率的最大化。HSD 时刻监视车辆的各种行驶条件、 油门踏板上的踏板力以及电池控制电脑所发送的信息, 它根 据这些信息决定行驶过程中是电动机单独进行驱动, 还是电动机和发动机并用, 使得汽车总 能量的消耗始终保持最低。 3.2.3 当要加速时,电池组会加进来为电动机供电,增强电动机输出功率(图 4) 。 当减速或制动时, 则由车轮的惯性力驱动电动机, 回收制动系统会将电动机激活成 为发电机,从而将车辆的部分动能转化成为电能开储存在电池内、这一能量回收性能,特别 适合因交通拥堵而不得不频繁加减速的城市路况。 3.2.4 在高速行驶过程中,混合动力系统会释放出连续高速响应的驱动力来满足驾驶要 求,而动力的来源便是 1.5L VVT-i 发动机和电动机。逆变器和动力控制单元的高压电路系 统可以先将电池的直流电压增加到 500V,然后再转为交流电来驱动电动机和发电机,这不 仅能使电动机获得极高的输出功率,而且能有效地减轻电池的重量。 3.2.5 而在反复出现低速或停车 /起步行驶中将由具有自动充电功能的电池来进行驱 动。 如果电动机的频繁使用降低了电池的电量,发动机就会驱动发电机来使电池自动充电。 如此一来,Prius 的电池就无需外接电源来直接充电了。电池组电量保持在一个恒定水平。 当系统发现电池组电量下降会启动发动机驱动发电机发电,向电池组充电(图 6,箭头 E 当 Prius 停下时,发动机会自动熄火,从而使车辆不会因怠速运转而造成不必要的油耗 和 CO2 的排放。 2 1 5 3 A 4

6 7 图 起步于小负荷时 THS 的动力传递路线

1-发动机;2-发电机;3-交流-直流变换器;4-蓄电池;5-电动机;6-动力传递;7-电力传递

2 1 C 5 B

3

4

图 正常行驶时 THS 的动力传递路线
1-发动机;2-发电机;3-交流-直流变换器;4-蓄电池;5-电动机

2 1 C

3 A 5

4

B

图 全负荷加速时 THS 的动力传递路线
1-发动机;2-发电机;3-交流-直流变换器;4-蓄电池;5-电动机

2 1 5

3 A

4

图 减速与制动时 THS 的动力传递路线
1-发动机;2-发电机;3-交流-直流变换器;4-蓄电池;5-电动机

2 1 D n 5

3

4

图 蓄电池充电时 THS 的动力传递路线
1-发动机;2-发电机;3-交流-直流变换器;4-蓄电池;5-电动机

四 结束语 内燃机和电动机结合。启动时电动机提供额外的扭矩,协助加速;刹 车或下坡时,电动机能把部分动能反过来转换成电能,存储到电池中。在启动停止频繁的市 内交通里,这样就能节省能源。而且,在电动机的支持下,内燃机可以尽可能多的以省油的 模式以最优化的转速运行。为了节能和环保,替代纯内燃动力的新一代动力系统,与遥不可 及的燃料电池车相比,混合动力是非常现实的选择。


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