混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)簡述

摘 要: 混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)采用了兩種動力裝置，兼?zhèn)淞藘?nèi)燃機(jī)汽車和電動汽車優(yōu)點(diǎn)，既能充分發(fā)揮燃料發(fā)動機(jī)持續(xù)工作時間長、動力性能好，又能發(fā)揮電動機(jī)無污染、低噪聲的好處。

關(guān)鍵詞: 混合動力電動汽車 驅(qū)動系統(tǒng) 性能特點(diǎn)

混合動力汽車表示有多種動力參與汽車驅(qū)動，一般指燃油發(fā)動機(jī)和電機(jī)這兩種動力，又稱混合動力電動汽車。它綜合了傳統(tǒng)汽車引擎驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)，既能充分發(fā)揮燃料發(fā)動機(jī)持續(xù)工作時間長、動力性能好，又能發(fā)揮電動機(jī)無污染、低噪聲的好處。并且，混合動力汽車可以在運(yùn)行過程中維持電量的均衡，不像純電動汽車要配備專用的充電器等配套設(shè)備。

混合動力電動汽車(Hybrd Electric Vehicle，簡稱HEV)的動力系統(tǒng)采用了兩種動力裝置，兼?zhèn)淞藘?nèi)燃機(jī)汽車和電動汽車優(yōu)點(diǎn)，通過儲能裝置(蓄電池等)和控制系統(tǒng)對能量的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最佳的能量分配，達(dá)到整車的低排放、低油耗和高性能。按內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)的連接方法可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。它將內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)與一定容量的儲能器件通過控制系統(tǒng)相結(jié)合，電動機(jī)既可以補(bǔ)充提供車輛起步、加速時所需轉(zhuǎn)矩，又可以存儲吸收內(nèi)燃機(jī)富余功率和車輛制動能量，從而可大幅度降低油耗，減少污染物排放。混合動力汽車雖然沒有實(shí)現(xiàn)零排放，但其動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等綜合指標(biāo)能滿足當(dāng)前苛刻要求，可緩解汽車需求與環(huán)境污染和石油短缺的矛盾。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，它的主要優(yōu)點(diǎn)是采用了高功率的能量儲存裝置(飛輪、超級電容器或蓄電池)向汽車提供瞬時能量，可以提高效率、節(jié)省能源、降低排放，經(jīng)濟(jì)性和排放性明顯改善，技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性較強(qiáng)。較之純電動汽車，其主要優(yōu)點(diǎn):續(xù)使里程和動力性可達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平;空調(diào)、真空助力、轉(zhuǎn)向助力及其它輔助電器，借助原動機(jī)動力，無需消耗電池組有限電能，從而保證了乘坐的舒適性;而且混合動力汽車技術(shù)難度相對較小，成本相對較低。

混合動力電動汽車將原動機(jī)、電動機(jī)、能量儲存裝置 (蓄電池)按某種方式組合在一起，有串聯(lián)式、并聯(lián)式和混合式 三種布置形式。

1.串聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)(Series Schedule，簡稱SHEV)

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，其電能通過電動機(jī)控制器直接輸送到電動機(jī)，由電動機(jī)產(chǎn)生電磁力矩驅(qū)動汽車。在發(fā)動機(jī)與驅(qū)動橋之間通過電實(shí)現(xiàn)動力傳遞，當(dāng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率大于電動機(jī)所需的功率時，控制器控制發(fā)電機(jī)向電池充電;而當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率低于電動機(jī)所需的功率時，電池則向電動機(jī)提供額外的電能。

(2)性能特點(diǎn)。發(fā)動機(jī)功率是以汽車某一速度下穩(wěn)定運(yùn)行工況所需的功率選定的，當(dāng)汽車運(yùn)行工況變化，電動機(jī)所需的驅(qū)動功率與發(fā)動機(jī)輸出功率不一致時，由控制器控制發(fā)電機(jī)向電池充電或使電池向電動機(jī)放電，電池充電和放電電流的大小由控制器根據(jù)電動機(jī)驅(qū)動功率的變化情況進(jìn)行控制。這樣的結(jié)構(gòu)形式和控制方式使串聯(lián)式混合動力電動汽車具有如下性能特點(diǎn):

①發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)不受汽車行駛工況的影響，始終在其最佳的工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，因此，發(fā)動機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和低的排放指標(biāo)。

②由于有電池進(jìn)行驅(qū)動功率“調(diào)峰”，發(fā)動機(jī)的功率只需滿足汽車在某一速度下穩(wěn)定運(yùn)行工況所需的功率，因此可選擇功率較小的發(fā)動機(jī)。

③發(fā)動機(jī)與驅(qū)動橋之間無機(jī)械連接，因此，對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速無任何要求，發(fā)動機(jī)的選擇范圍較大，比如，可選用高速燃?xì)廨啓C(jī)等效率高的原動機(jī)。

④發(fā)動機(jī)與電動機(jī)之間無機(jī)械連接，整車的結(jié)構(gòu)布置自由度較大。

⑤發(fā)動機(jī)的輸出需全部轉(zhuǎn)化為電能再變?yōu)轵?qū)動汽車的機(jī)械能，需要功率足夠大的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)。

⑥要起到良好的發(fā)電機(jī)輸出功率平衡作用，又要避免電池出現(xiàn)過充電或過放電，就需要較大的電池容量。

⑦發(fā)電機(jī)將機(jī)械能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋㈦妱訖C(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能、電池的充電和放電都有能量損失，因此，發(fā)動機(jī)輸出的能量利用率比較低。串聯(lián)式混合動力電動汽車發(fā)動機(jī)能保持在最佳工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行這一特點(diǎn)的優(yōu)越性主要表現(xiàn)在低速、加速等運(yùn)行工況，而在汽車中、高速行駛時，由于其電傳動效率低，抵消了發(fā)動機(jī)油耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此，串聯(lián)式混合動力電動汽車更適用于在市內(nèi)低速運(yùn)行的工況。在繁華的市區(qū)，汽車在起步和低速時還可以關(guān)閉發(fā)動機(jī)，只利用電池進(jìn)行功率輸出，使汽車達(dá)到零排放的要求。

2.并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)(Parallel Schedule，簡稱PHEV)

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):發(fā)動機(jī)通過機(jī)械傳動裝置與驅(qū)動橋連接，電動機(jī)通過動力復(fù)合裝置也與驅(qū)動橋相連，汽車可由發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動或各自單獨(dú)驅(qū)動。并聯(lián)式混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)形式更像是附加了一個電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的普通內(nèi)燃機(jī)汽車。當(dāng)汽車運(yùn)行工況所需的功率超過了發(fā)動機(jī)的功率時，電動機(jī)從電池取得電能產(chǎn)生電磁力矩，并向驅(qū)動橋提供額外的驅(qū)動功率。有的并聯(lián)式混合動力電動汽車也有發(fā)電機(jī)，但其主要作用是向電池充電，以保持電池的荷電狀態(tài) (SOC)。

(2)性能特點(diǎn):并聯(lián)式混合動力電動汽車其發(fā)動機(jī)功率也是以汽車某一速度下穩(wěn)定行駛工況所需的功率選定的，當(dāng)汽車在低速或變速工況行駛時，需通過加速踏板和變速器來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的功率輸出 ;而在汽車高速行駛，發(fā)動機(jī)的輸出功率低于汽車行駛所需功率時，由控制器控制電動機(jī)協(xié)助驅(qū)動。這樣的結(jié)構(gòu)形式和控制方式，使并聯(lián)式混合動力電動汽車具有如下性能特點(diǎn):

①發(fā)動機(jī)通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動汽車，無機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換損失，因此發(fā)動機(jī)輸出能量的利用率相對較高，當(dāng)汽車的行駛工況使發(fā)動機(jī)在其最佳的工作范圍內(nèi)運(yùn)行時，并聯(lián)式的HEV燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)式的高。

②有電動機(jī)進(jìn)行“調(diào)峰”作用，發(fā)動機(jī)的功率也可適當(dāng)減小。

③當(dāng)電動機(jī)只是作為輔助驅(qū)動系統(tǒng)時，功率可以比較小。

④如果裝備發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的功率也可較小。

⑤由于有發(fā)電機(jī)補(bǔ)充電能，比較小的電池容量即可滿足使用要求。

⑥由于并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況要受汽車行駛工況的影響，因此在汽車行駛工況變化較多、較大時，發(fā)動機(jī)就會比較多地在不良工況下運(yùn)行，因此發(fā)動機(jī)的排污比串聯(lián)式的高。

⑦由于發(fā)動機(jī)與驅(qū)動橋之間直接機(jī)械連接，需要通過變速裝置來適應(yīng)汽車行駛工況的變化。此外，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)并聯(lián)驅(qū)動，還需要動力復(fù)合裝置，因此，并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)其傳動機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)最適合于汽車在中、高速穩(wěn)定行駛的工況。而在其它的行駛工況，由于發(fā)動機(jī)不在其最佳的工作區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，發(fā)動機(jī)的油耗和排污指標(biāo)不如串聯(lián)式。并聯(lián)式混合動力電動汽車也可實(shí)現(xiàn)零排放控制，在繁華的市區(qū)低速行駛時，可通過關(guān)閉發(fā)動機(jī)和使離合器分離，也可以使汽車以純電動方式運(yùn)行。但這樣就需要功率足夠大的電動機(jī)，所需的電池容量也相應(yīng)要大。

3.混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)

混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合，發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率一部分通過機(jī)械傳動輸送給驅(qū)動橋，另一部分則驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能由控制器控制，輸送給電動機(jī)或電池，電動機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩通過動力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動橋。混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略是:在汽車低速行駛時，驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作;當(dāng)汽車高速穩(wěn)定行駛時，則以并聯(lián)工作方式為主。

混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和控制方式充分發(fā)揮了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，能夠使發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)等部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配，從而在結(jié)構(gòu)上保證了在更復(fù)雜的工況下使系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)，因此更容易實(shí)現(xiàn)排放和油耗的控制目標(biāo)。

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