混合動力汽車動力系統布置方案分析

徐東

（無錫商業職業技術學院機電工程學院，江蘇 無錫 214153）

隨著全球能源和環境問題的日益突出，開發低油耗、低排放的新型汽車成為當今汽車工業發展的首要任務。現代汽車必須采用低油耗的設計，以便能盡可能地延長石油資源的使用時間，與此同時降低汽車的尾氣排放量。目前，已經開發出了一些汽車節能環保措施，但是，僅僅單一地采用某些降耗措施，例如柴油取代汽油、發動機改造等等，并不足以達到上述目的。因此，現代汽車必須將各種不同的降耗措施巧妙地結合為一體，而混合動力汽車則為組合不同的降耗措施提供了一個理想的技術平臺。目前，混合動力電動汽車由于其高能量效率和低排放性能向傳統汽車提出了極大挑戰，發展勢態迅猛，市場化進程很快［1］。

1 混合動力系統的分類和功能

根據混合動力汽車的電功率等級，混合動力系統可分為輕混合、中混合和強混合3類。

輕混合技術中，電功率足以在內燃機停機后自動重新起動，但是只能很小程度地回收制動 （減速）能量。如果要同時實現制動能量回收，則電功率必須在10～15kW的范圍內 （中混合）。這個功率范圍可覆蓋常見的減速區域，并且能回收大部分減速能量。中混合技術還達不到電力驅動，而只能對內燃機提供支持。但從降低油耗的角度來看，中混合可達成以下目標：停止／起動功能節約油耗大約5%，制動能量回收節約油耗大約10%。因此，如果不要求純電力驅動或對內燃機進行大功率支持，中混合技術已經足夠了。如果在低功率運行模式下關閉內燃機，并對車輛實現電力驅動，則可繼續降低油耗4%。但是，電功率等級需要達到30～50 kW，附加成本也會相應提高。此外強混合技術也可以用來實現縮小內燃機尺寸。這樣的驅動方案包含一臺需要大功率電動機提供永久動力支持的內燃機來實現其全功率。

2 動力系統布置方案

上述3種混合技術的劃分只給出了一個功能指標，但并沒有解釋在動力系統中如何布置電動機。下面以電動機在動力系統中的布置和轉矩流作為區分指標，分析動力系統的布置方案。車輛動力系統總成簡圖如圖1所示。

2.1 ISG

ISG（Integrated starter／generator，起動／發電一體機）采用電動機／發電機一體化技術，電機取代發動機原有飛輪，直接與發動機曲軸相連，通過電機實現汽車的自動起停、功率補償和制動能量回收功能［2］。曲軸驅動起動機如圖2所示。

ISG能實現低噪音、快速、平穩的停止／起動，但是由于內燃機不能與起動機徹底分離，只能在非常有限的范圍內實現能量回收和電力驅動。通過在電機與發動機之間增加一個自動離合器，并采用較大功率的電機，可以實現輕度混合動力系統所不具有的電機單獨驅動功能，且能有效提高再生制動的能量回收率，進一步提高整車的燃油經濟性，改善排放［3］。

目前，已有多家公司推出了應用ISG技術的混合動力汽車，如日本本田公司搭載ISG系統的家用混合動力轎車，韓國現代伊蘭特-ISG混合動力車型，國產奇瑞A3 ISG混合動力車型等。

2.2 B-ISG

B-ISG（Belt-driven Integrated Started Generator，皮帶驅動起動／發電一體機）是采用皮帶驅動一體化起動／發電機技術的一種輕度混合方案，能夠有效降低油耗和改善排放。此方案可與現有所有的動力總成組合，傳統的發電機被設計成起動電機。

B-ISG技術在發動機前端用皮帶傳動機構將一體化起動／發電機與發動機連接，取代了發動機原有的發電機，從而實現了混合動力系統的一體化。皮帶驅動起動發電機如圖3所示。該混合動力系統保留了傳統轎車上的12V起動機，以保證電池電量過低時發動機能正常起動。

采用此方案的轎車有4種基本工作模式。

1）起動時，起動／發電機在短時間內將發動機加速至怠速轉速以上，然后汽油機才開始工作。

2）停車工況下，控制系統自動切斷汽油機供油，發動機處于關閉狀態。

3）減速工況下，駕駛員踩下制動踏板，向起動／發電機傳送信號，使其將車輛的動能轉化為電能并存儲起來。

4）正常行駛工況下，發動機正常工作。

由法雷奧 （Valeo）公司、英國交通部、福特汽車、里卡多 （Ricardo）聯合有限公司和蓋茨（Gates）公司共同合作研發的HyTrans是歐洲第一輛采用B-ISG的柴油輕度混合動力城市運貨車。除了福特的HyTrans之外，奇瑞集團成立的國家節能環保汽車工程技術研究中心，自主開發了奇瑞BSG混合動力汽車，也采用了類似B-ISG的模式。通用汽車公司也推出了以皮帶傳動起動／發電機的輕度混合動力汽車，并稱之為BAS（Belt Alternator Starter，帶交流發電機起動機）。

2.3 2個離合器之間設置起動機

如果需要使用能量回收和電力驅動裝置，必須要能夠切斷內燃機和電動機以及內燃機和動力系統其他部分的聯系。采用在2個離合器之間設置起動機的方案，可以使內燃機被停機并與動力系統斷開，制動能量可以完全回收到起動機中。2個離合器之間設置起動機的動力總成如圖4所示。

根據其電功率等級，此方案可實現為中或強混合驅動裝置。當電動機功率小于12 kW時，只能實現停止／起動和能量回收功能。當功率達到20kW或更高時，就可以實現電力驅動。

目前，奧迪公司和大眾公司都推出了采用此方案的混合動力車型。

2.4 2臺電動機之間設置離合器的串聯混合

串聯式混合動力電動汽車的動力系統斷開了發動機和驅動系統的機械連接，動力可通過純電力方式傳遞，這是串聯式驅動系統的最顯著特點［5］。

在此方案中，2臺電動機以串聯方式布置，第1臺作為發電機產生電力，然后通過第2臺電機轉換為機械能。當離合器分離時，他們可以被看做是電力變矩器或電力無級變速器。2臺電動機之間設置離合器的串聯混合如圖5所示。

美國克萊斯勒 （Chrysler）公司在2008年發布了3款電動汽車 （EV）及配備發電用汽油發動機的串聯混合動力試制車，分別為2座后輪驅動運動EV“Dodge EV”、以SUV“Jeep Wrangler”為原型的四輪驅動HEV“Jeep EV”，以及以微型面包車 “克萊斯勒大捷龍 （Chrysler Grand Voyger）”為原型的前輪驅動HEV“Chrysler EV”。

2.5 帶動力分路裝置的混合方案

帶動力分路裝置的混合方案屬于混聯式的機械結構，包括2個電機，即E1和E2，E1主要作為驅動電機，E2主要用于調速，2個電機均可以作為發電機和電動機，如圖6所示。電機和發動機通過一套行星齒輪組連接實現動力分配［6］。 此方案利用電動機和發動機這2個動力來驅動車輪，同時電動機在行駛中還可以發電。根據行駛條件的不同，可以僅靠電動機驅動力來行駛，或者利用發動機和電動機驅動行駛。

內燃機的動力被分成兩部分，一部分直接輸出至傳動系用來驅動車輪，另一部分通往電動機，給電動機供應電力和HV蓄電池充電。

帶動力分路裝置的混合方案在電動機和發電機之間采用AC500V高壓電路傳輸，可以極大地降低動力傳輸中電能的損耗，高效地傳輸動力。當發動機工作效率低時，此系統可以將發動機停機，車輛依靠電機動力行駛。同時，此方案極大地增加了減速和制動過程中的能量回收，提高能量的利用率［7］。

此方案最典型的應用案例是豐田公司PRIUS（普銳斯）油電混合動力車。此外，寶馬公司也推出了采用此方案的混合動力車型。

2.6 路況決定方案

此方案中，車輛的前驅橫置系統保持不變，后軸則用1個電動機來驅動。在不同的電池儲電狀態下，通過后軸實現電力驅動和能量回收。由路況決定的混合動力，方案如圖7所示。

為了實現高動態停止／起動，車輛首先通過后軸大功率純電動模式起步，同時同步起動內燃機。除了混合功能外，在發動機和電動機功率極限內，可按需要以任何比例分配前后軸的轉矩，從而實現四輪驅動。不同路況下，可以產生不同的驅動條件。

美國克萊斯勒公司和日本豐田公司都推出過采用路況決定方案的混合動力車型。

2.7 ESG

ESG（Electric starter generator電動變速器）是將雙離合器的性能和一種弱混合動力的功能結合在一起的混合方案。此方案電動機不再布置在發動機與變速器之間，而是與變速器做成一體，將電動機安裝到偶數檔齒輪箱的傳動分支上，如圖8所示。圖8中下部為奇數檔位和離合器K1，稱為1號變速器，上部為偶數檔位和離合器K2，稱為2號變速器。

ESG方案可實現以下工作模式。

1）發動機驅動模式。當2號變速器掛上偶數檔運行時，離合器K2接合，離合器K1分離。起動機SG通過離合器K2直接與發動機連接，實現相應檔位行駛。當1號變速器掛上奇數檔運行時，離合器K1接合，同時根據換檔策略，2號變速器預先選定一個偶數檔位或者掛入空檔。如果2號變速器掛入空檔，離合器K2將會接合，以便傳遞發電機所需轉矩。如果在2號變速器中預先選定一個偶數檔位，離合器K2將會分離，發動機的轉矩通過離合器K1和2個掛入的檔位驅動電機。

2）電機起動／行駛模式。如果電機的功率和電池的容量足夠大，就可以實現純電力驅動。此時，2個離合器都分離，并根據車速和負荷的大小，將轉矩傳遞給驅動輪。

3）制動能量回收模式。為了有效地利用制動能量，在汽車滑行時將發動機與動力總成脫開。此時，由電機承擔汽車減速的任務，電機根據汽車車速、制動踏板位置和經過優化的傳動比阻力矩用于發電，于是汽車的動能轉換為電能。

4）停車空調模式。在ESG方案中，空調壓縮機通過傳統的電磁離合器與電機連接。在行駛中由發動機通過2號變速器輸入軸實現機械傳動。在停車階段，2號變速器掛入空檔，離合器K2分離，起動機對空調壓縮機實施電驅動［8］。

德國魯克 （LUK）公司已經造出了連接在一臺1.3L柴油機上的采用這種傳動機構的樣車。

3 各種方案的對比

上述各種動力系統布置方案在有限條件下的對比結果見表1。通過對比可以看出大部分方案均適用于中或強混合，只是取決于電動機的尺寸。所有方案均可實現起動／停止功能，而能量回收和電力驅動需要由具有較高電功率等級的方案來實現。從兼容性上來講，帶動力分路裝置方案只能應用于特殊的傳動系統，ESG方案只能應用于雙離合器系統，其余方案均可與原變速系統相容。

4 結束語

在未來，會出現一個各種混合動力方案淘汰、優化、集中的過程。在這個過程中起決定作用的問題是：混合動力汽車必須實現電力驅動還是僅僅達到節油的目的。這將決定是強混合還是中混合方案能取得最終的突破。

表1 混合動力系統布置方案對比

［1］段巖波，張武高，黃震.混合動力電動汽車技術分析［J］.柴油機，2003（1）：9，49-52.

［2］秦大同，舒紅，胡建軍.輕度混合動力汽車動力性能仿真及動力系統參數匹配研究［J］.機械工程學報，2004，40（2）：78-82.

［3］劉永剛，秦大同，葉明.ISG型中度混合動力汽車動力驅動系統設計及性能仿真［J］.中國公路學報，2011，21（5）：121-126.

［4］葉先軍，趙韓，張炳力，等.BSG混合動力轎車動力系統參數設計及試驗研究［J］.汽車技術，2008（6）：24-27.

［5］曹明柱.混合動力電動車驅動電機控制系統研究［D］.合肥：安徽農業大學碩士學位論文，2006.

［6］李建如，孫芳 .Prius混合動力系統分析［J］.上海汽車，2007（5）：3-7.

［7］高惠民.豐田普銳斯電機及驅動控制系統解析［J］.汽車維修與保養，2007（5）：28-31.

［8］錢人一.德國魯克 （LUK）公司的混合動力方案 （上）［J］.汽車與配件，2005（10）：31-33.