降低內燃機能耗與排放的混合動力系統研究

袁 清，李 強，趙國強，連鳳霞，張佳驥

（濰柴動力股份有限公司新科技研究院電控技術部，山東 濰坊 261000）

1 引言

現代生活中，汽車成為人們不可或缺的一部分， 車輛的購買數量也在逐年遞增，直接導致的問題就是尾氣排放加重，燃油消耗增多。為了響應法規要求，減少大氣中二氧化碳的排放量，各個研究機構及企業針對內燃機的能耗與排放問題加大了研究力度。而在未來很長的一段時間內，內燃機車輛依然難以被完全取代，而單純的電動汽車在行駛里程上又很難達標，產業升級難以實現，因此，目前主要的研究趨勢就是希望在內燃機的基礎上利用新能源技術來發展節能技術，在這樣的背景下，混合動力技術應運而生，其有效結合了傳統車輛與電動車輛二者的優點，并且巧妙規避其缺點，在實現新能源高效利用的同時，保證能源節約，對于車輛的節能減排非常科學合理，助力很大，可實現社會可持續發展的目標。表1給出了各個類型動力汽車的性能比較。

2 混合動力系統節能思想

本文討論的混合動力系統是指車輛在原有的內燃機的基礎上以電池和電機作為輔助動力源，進而對車輛進行驅動的系統，內燃機和電機既可單獨又可共同對車輛進行驅動，其具體的行駛動力根據當前的行車狀態和行車工況決定。該系統相比于傳統的燃油車，可提高車輛的燃油經濟性，降低尾氣排放，其主要原理可歸結為以下幾點。

表1 各種類型動力汽車的性能比較

第一，混合動力汽車允許采用較小的發動機來滿足整車的巡航功能，相比于純內燃機車輛來說，提高了發動機的負荷率，對于爬坡或者加速等其他行車工況可利用另一動力源電機作為輔助動力。

第二，傳統內燃機車輛，在市內行車工況經常需要發動機怠速造成不必要的燃油消耗和尾氣排放，而混合動力車輛由于增加了電機電池，可避免上述情況，實現怠速停機和再生能量回收。

第三，可以調節電機的轉速來輔助內燃機的工作落點更多地落在高效和低污染的區域內運行，當行車所需功率大于內燃機可提供功率時，缺少的功率可由輔助動力源電機來進行補充；當行車工況所需功率小于發動機提供的功率時，剩余功率可通過發電機給車輛電池進行充電，從而可實現內燃機能耗與排放的降低。

混合動力系統根據結構的不同，被分為串聯式混動系統、并聯式混動系統和混聯式混動系統，下面將從節能角度分別對其進行介紹。

2.1 串聯式混合動力系統

如圖1所示，串聯式混合動力系統由蓄電池、控制器、發動機、發電機和電動機等組成，其中，蓄電池提供的電能通過控制器提供給電動機，發動機驅使發電機產生電能，通過控制器同樣提供給電動機，電能通過電動機轉換為機械能傳輸給驅動輪。由于發動機和驅動輪之間沒有機械連接，進而在發動機的轉速扭矩圖上可通過調節使發動機落在任意工作點上，因此可根據實際工況來控制發動機總是工作在最優工作區間，以此來減小內燃機的能耗與排放。

圖1 串聯式混合動力系統

2.2 并聯式混合動力系統

如圖2所示，并聯式混合動力系統由蓄電池、控制器、電動機、發動機、變速器等組成，車輛行駛所需要的動力既可以由發動機來單獨提供，也可以由電動機單獨提供，或者是兩個動力源共同進行提供。

對于并聯混合動力系統來說，其實現節能的主要方式就是對車輛行駛過程中的制動能量通過電機進行回收并存儲到儲能系統當中；傳統的純內燃機車輛，駕駛員通過控制車輛的油門踏板開度來直接控制內燃機的輸出扭矩，車輛制動時，大量的動能通過摩擦片等轉換為熱能消耗掉了，造成了能源浪費；而對于并聯混動車輛來說，駕駛員通過車輛的油門踏板控制的是兩動力源共同的輸出扭矩，之前制動回收所存儲的能量被利用來驅動車輛行駛，減少了發動機的負荷，提升了內燃機的燃油經濟性，進而通過新能源手段實現內燃機的節能減排功能。

圖2 并聯式混合動力系統

2.3 混聯式混合動力系統

圖3 混聯式混合動力系統

如圖3所示，混聯式混合動力系統由蓄電池、控制器、電動機、發電機、發動機、行星齒輪組等構成，其中，發動機所產生的動力經過行星齒輪組后被分流到機械通道和電力通道。在機械通道上，發動機直接將動力用來驅動車輛的行駛，在電力通道上，發動機產生的動力通過發電機轉換成電能輸出給控制器，控制器控制電動機輸出動力進而驅動車輛。發動機產生的電力傳輸通道與蓄電池以電力方式形成了動力耦合，傳輸方式為串聯；發動機產生的機械通道與電動機產生的動力以機械方式形成了動力耦合，傳輸方式為并聯，因此稱該系統為混聯式混動系統。

對于混聯式混合動力系統來說，其主要的節能思想為通過調節內燃機的工作點來降低燃油消耗和尾氣排放。內燃機的最佳燃油工作區主要是集中在中速中負荷區，其他區域工作效率則比較低?；炻撓到y的主要思想是：當內燃機工作在低速低負荷區域時，通過ISG發電來提高發動機的工作點；當內燃機工作在高速高負荷區域時，此時利用另一動力源電機來進行車輛動力輔助，進而降低內燃機的工作點，使內燃機更多可能地工作在最佳工作區，以此降低能耗與車輛的尾氣排放。

總結來說，混合動力系統是在傳統內燃機的基礎上，結合新能源技術來實現再生制動能量回收、消除內燃機怠速、內燃機小型化和內燃機工作點調節，以此來實現降低內燃機能耗與排放的目的。

3 混合動力專用變速器DHT

變速器作為汽車的核心組成部件，對整車的能耗有著重要影響。本文在并聯混合動力車的基礎上，介紹一種新型混合動力技術，旨在通過全新開發的雙輸入AMT（Automated Mechanical Transmission）變速器以及空心軸電機來進一步輔助降低內燃機的能耗與排放，從而提升車輛動力總成在動力性、經濟性、舒適性等方面的競爭力。

3.1 變速器整體方案

圖4所示為DHT混合動力系統結構示意圖。

該變速器采用2×3擋雙輸入AMT，發動機2個擋，電機3個擋，只有2組換擋齒輪。該結構主要特點是在車輛換擋過程中可實現動力不中斷、換擋速度快、次數少、以及效率高和低油耗等。

圖4 DHT混合動力系統結構示意圖

如圖4所示，掛擋機構①所控擋位為發動機和電機的共用擋位，采用同步器結構，掛擋機構②所控擋位為電機專用擋位，采用滑套結構；其換擋機構為2組，發動機總擋位數為2，由0車速至最高車速只需換擋一次，換擋次數少，舒適性高；同時由電機反轉來實現倒車功能；換擋機構①和②之間相互獨立，因此在①控制發動機換擋的同時，機構②可控制電機在工作在純電動3擋 （直驅擋）持續輸出動力，實現換擋過程中的動力不中斷；換擋機構①和②由于沒有選擋過程，因此換擋速度也較快；變速器由于齒輪組減少，阻力降低，所以電機可以掛空擋，沒有轉動慣量；該變速器的設計使得動力總成的匹配度較好，有利于在原有基礎上進一步降低內燃機能耗。

3.2 DHT混合動力系統換擋過程

圖5為根據車輛的行車速度進行掛擋的過程，從圖中可看出，在車速為0至第1車速區間時，此時發動機為空擋，電機1擋，為第1傳動比；在車速為第1車速至第2車速區間時，此時需要發動機進行動力提供，在發動機由空擋變為1擋的過程中，電機保持第1傳動比進行動力傳輸，實現換擋過程動力不中斷；在該車速期間，發動機轉速為第1轉速區間，電機以第1傳動比或是直驅助力；在車速為第2至第3車速區間時，發動機為2擋傳動，轉速區間為第2轉速區間，電機以第2傳動比或者直驅進行動力傳輸；在車速第3至第4車速區間時，發動機2擋提供動力，轉速區間為第3轉速區間，電機采用直驅助力。

圖5 DHT系統換擋過程

本文以1擋升2擋為例給出升擋過程的結構示意圖，如圖6～圖12所示。

圖6 1擋→2擋過程1示意圖

表2為通過CCBC工況仿真實驗給出的不同配置下混合動力系統車輛在行車過程中各項性能的對比值。從表中可以看出，采用DHT變速器的混動系統相比于其他系統可進一步降低內燃機的能耗，實現節能效果。

圖7 1擋→2擋過程2示意圖

4 總結

圖8 1擋→2擋過程3示意圖

圖9 1擋→2擋過程4示意圖

圖10 1擋→2擋過程5示意圖

圖11 1擋→2擋過程6示意圖

本文以降低內燃機能耗和排放為宗旨，以新能源的視角出發，分別分析了以電機電池為輔助能源的串聯式混合動力系統、并聯式混合動力系統和混聯式混合動力系統對降低內燃機能耗與排放所起到的作用；另外在混合動力系統的基礎上，介紹了一種新型的混合動力專用變速器DHT，給出了該變速器的整體方案以及采用該變速器的混動系統換擋的詳細過程圖，通過計算給出了不同配置下的混動系統行車過程中各性能的對比值，證明了采用DHT的混合動力系統相比于原有的混合動力系統可以進一步輔助降低內燃機的能耗與排放，提升車輛動力總成的競爭力。

圖12 1擋→2擋過程7示意圖

表2 CCBC性能試驗對比圖