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（Serieshybridsystem）（两种）、并联式（Parallelhybridsystem）和混联式（）等三种。（如图1所示）（a(（a）减（变）速器车轮车轮发动机发电机蓄电池电动机车轮车轮发动机发电机蓄电池电动机减（变）速器(a)(b)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，电车轮车轮发动机蓄电池电动机减（变）速器车轮车轮发动机蓄电池电动机非常现实减（变）速器发电机（c）(d)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（microhybrids），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（mildhybrids）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（fullhybrids）也称强混合(StrongHybrid），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-inHybridElectricVehicle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1.5LVVT-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。图起步于小负荷时THS的动力传递路线A12345671－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BC12345BCA12345A12345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。Dn12345