混合動力技術

混合動力技術

混合動力指在車輛動力系統中採用兩種不同動力源的一種技術,目前更側重於指油電混合動力。

分類

混合動力總成按動力傳輸路線分類,可分為串聯式、並聯式和混聯式等三種。

(1)串聯式混合動力汽車Series Hybrid Electric Vehicle (SHEV) SHEV是由發動機、發電機和驅動電動機三大動力總成組成,發動機、發電機和驅動電動機採用“串聯”的方式組成SHEV的驅動系統。SHEV用發動機-發電機組均衡地發電,電能供應驅動電動機或動力電池組,電能通過控制器輸送到電池或電動機,由電動機通過變速機構驅動汽車,使SHEV的行駛里程得到延長。實際上SHEV的發動機-發電機組只能看作一種電能供應系統,發動機並不直接參與SHEV的驅動、

SHEV的發動機,可採用四衝程內燃機、二衝程內燃機、轉子發動機和燃氣輪機。發動機、發電機組,發動機的轉速控制在一定範圍內,不受SHEV運行工況的影響,經常保持在低能耗、高效率和低污染的狀態下運轉。

SHEV驅動系統的結構比較簡單,動力電池組、發動機-發電機組和驅動電動機在底盤上的布置有較大的自由度,控制系統也比較簡單,因為只有唯一的電動機驅動模式,其特點是動力特性更加趨近於EV。SHEV必須裝置在一個大功率的發動機-發電機組,再用驅動電動機來驅動車輛。發動機、發電機和驅動電動機的功率都要求等於或接近於SHEV的最大驅動功率,在熱能→電能→機械能之間的轉換過程中,總效率低於內燃機汽車。三大動力總成的體積較大,質量也較重,還有龐大的動力電池組,使得在中小型汽車上布置有一定的困難,一般適合大型客車採用。

小負荷時由電池驅動電動機驅動車輪,大負荷時由發動機帶動發電機發電驅動電動機。當車輛處啟動、加速、爬坡 工況時,發動機-電動機組和電池組共同向電動機提供電能;當電動車處於低速、滑行、怠速的工況時,則由電池組驅動電動機,當電池組缺電時則由發動機-發電機組向電池組充電。串聯式結構適用於城市內頻繁起步和低速運行工況,可以將發動機調整在最佳工況點附近穩定運轉,通過調整電池和電動機的輸出來達到調整車速的目的。使發動機避免了怠速和低速運轉的工況,從而提高了發動機的效率,減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量幾經轉換,機械效率較低。

(2)並聯式裝置的發動機和電動機共同驅動汽車,發動機與電動機分屬兩套系統,可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩,在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動。當汽車加速爬坡時,電動機和發動機能夠同時向傳動機構提供動力,一旦汽車車速達到行駛速度,汽車將僅僅依靠發動機維持該速度。電動機可以作為發電機使用,稱為電動-發電機組。由於沒有單獨的發電機,發動機可以直接通過傳動機構驅動車輪,這種裝置更接近傳統的汽車驅動系統,機械效率損耗與普通汽車差不多,得到比較廣泛的套用。

(3)混聯式裝置包含了串聯式和並聯式的特點。動力系統包括發動機、發電機和電動機,根據助力裝置不同,它又分為以發動機為主和以電機為主兩種。以發動機為主的形式中,發動機作為主動力源,電機為輔助動力源;以電機為主的形式中,發動機作為輔助動力源,電機為主動力源。該結構的優點是控制方便,缺點是結構比較複雜。

聯結方式

A、根據混合動力驅動的聯結方式,混合動力系統主要分為以下三類:

一是串聯式混合動力系統。串聯式混合動力系統一般由內燃機直接帶動發電機發電,產生的電能通過控制單元傳到電池,再由電池傳輸給電機轉化為動能,最後通過變速機構來驅動汽車。在這種聯結方式下,電池就象一個水庫,只是調節的對象不是水量,而是電能。電池對在發電機產生的能量和電動機需要的能量之間進行調節,從而保證車輛正常工作。這種動力系統在城市公交上的套用比較多,轎車上很少使用。

二是並聯式混合動力系統。並聯式混合動力系統有兩套驅動系統:傳統的內燃機系統和電機驅動系統。兩個系統既可以同時協調工作,也可以各自單獨工作驅動汽車。這種系統適用於多種不同的行駛工況,尤其適用於複雜的路況。該聯結方式結構簡單,成本低。本田的Accord和Civic採用的是並聯式聯結方式。

三是混聯式混合動力系統。混聯式混合動力系統的特點在於內燃機系統和電機驅動系統各有一套機械變速機構,兩套機構或通過齒輪系,或採用行星輪式結構結合在一起,從而綜合調節內燃機與電動機之間的轉速關係。與並聯式混合動力系統相比,混聯式動力系統可以更加靈活地根據工況來調節內燃機的功率輸出和電機的運轉。此聯結方式系統複雜,成本高。Prius採用的是混聯式聯結方式。

混合度

B、根據在混合動力系統中,電機的輸出功率在整個系統輸出功率中占的比重,也就是常說的混合度的不同,混合動力系統還可以分為以下四類:

一是微混合動力系統。代表的車型是PSA的混合動力版C3和豐田的混合動力版Vitz。這種混合動力系統在傳統內燃機上的啟動電機(一般為12V)上加裝了皮帶驅動啟動電機(也就是常說的Belt-alternator Starter Generator, 簡稱BSG系統)。該電機為發電啟動(Stop-Start)一體式電動機,用來控制發動機的啟動和停止,從而取消了發動機的怠速,降低了油耗和排放。從嚴格意義上來講,這種微混合動力系統的汽車不屬於真正的混合動力汽車,因為它的電機並沒有為汽車行駛提供持續的動力。在微混合動力系統里,電機的電壓通常有兩種:12v 和42v。其中42v主要用於柴油混合動力系統。

二是輕混合動力系統。代表車型是通用的混合動力皮卡車。該混合動力系統採用了集成啟動電機(也就是常說的Integrated Starter Generator,簡稱ISG系統)。與微混合動力系統相比,輕混合動力系統除了能夠實現用發電機控制發動機的啟動和停止,還能夠實現:(1)在減速和制動工況下,對部分能量進行吸收;(2)在行駛過程中,發動機等速運轉,發動機產生的能量可以在車輪的驅動需求和發電機的充電需求之間進行調節。輕混合動力系統的混合度一般在20%以下。

三是中混合動力系統。本田旗下混合動力的Insight, Accord 和Civic都屬於這種系統。該混合動力系統同樣採用了ISG系統。與輕度混合動力系統不同,中混合動力系統採用的是高壓電機。另外,中混合動力系統還增加了一個功能:在汽車處於加速或者大負荷工況時,電動機能夠輔助驅動車輪,從而補充發動機本身動力輸出的不足,從而更好的提高整車的性能。這種系統的混合程度較高,可以達到30%左右,技術已經成熟,套用廣泛。

四是完全混合動力系統。豐田的Prius 和未來的Estima屬於完全混合動力系統。該系統採用了272-650v的高壓啟動電機,混合程度更高。與中混合動力系統相比,完全混合動力系統的混合度可以達到甚至超過50%。技術的發展將使得完全混合動力系統逐漸成為混合動力技術的主要發展方向。

以上各種不同的混合方式,都能在一定程度上降低成本和排放。各大汽車廠商在過去的十幾年,通過不斷的研發投入,試驗總結,商業套用,形成了各自的混合動力技術之路,而在市場上的表現也是各具特色。

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