【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 式： 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 傳 動(dòng) 裝 置 電 動(dòng) 機(jī) 功 率 轉(zhuǎn) 化 器 電 池 組 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 傳 動(dòng) 裝 置 電 動(dòng) 機(jī) 功 率 轉(zhuǎn) 化 器 電 池 組 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 傳 動(dòng) 裝 置 電 動(dòng) 機(jī) 功 率 轉(zhuǎn) 化 器 電 池 組 17 1) 發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)； 2) 電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)； 3) 發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)； 4) 減速 /制動(dòng)時(shí)，電池組通過(guò)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)回收部分車(chē)輛的動(dòng)能； 5) 當(dāng)電池的 SOC 過(guò)低時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下向電池充電。 ISG 型混合動(dòng)力汽車(chē)主要?jiǎng)恿Σ考x型分析 ISG 系統(tǒng)的主要部件為發(fā)動(dòng)機(jī)、 ISG 電機(jī)和蓄電池。下面根據(jù)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的工作特性要求對(duì)這幾個(gè)器件進(jìn)行選型分析。 發(fā)動(dòng)機(jī)選型 選擇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，要考慮的就是滿(mǎn)足汽車(chē)要求的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與額定功率問(wèn)題。在大多數(shù)的混合動(dòng)力汽車(chē)設(shè)計(jì)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率將由車(chē)輛需 求的平均功率決定，與傳統(tǒng)的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，混合動(dòng)力汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)是相對(duì)較小的。同時(shí)開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力汽車(chē)的目的是解決節(jié)能和環(huán)保問(wèn)題，因此必須圍繞這些方面選擇所需的發(fā)動(dòng)機(jī)。其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放是選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的基本內(nèi)容，圖 為混合動(dòng)力汽車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)選擇的目標(biāo)。 圖 HEV發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇目標(biāo) ISG 系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)重于選用小型化、低油耗、低排放的發(fā)動(dòng)機(jī)，并且控制在最佳范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。一般從以下幾方面考慮： 混 合 動(dòng) 力 汽 車(chē) 用 發(fā) 動(dòng)機(jī) （節(jié) 能、環(huán) 保） 持 續(xù) 運(yùn) 轉(zhuǎn) 良 好 低 油 耗 低 排 放 低 噪 聲 小 型 輕 量 化 高 效 率 高 可 靠 性 低 成 本 18 1) 發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性 作為 ISG 型混合動(dòng)力汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ矗?動(dòng)力性決定了整個(gè)汽車(chē)的行駛動(dòng)力性。由于電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在汽車(chē)行駛過(guò)程中需要提供最大功率時(shí)提供了輔助驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可以小于同級(jí)別的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。發(fā)動(dòng)機(jī)的比質(zhì)量是指發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量與發(fā)動(dòng)機(jī)功率之比 Kg/Kw，車(chē)輛比質(zhì)量的增加表示發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能提高。 2) 發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性 通常用于發(fā)動(dòng)機(jī)的比油耗 g/KWh 來(lái)表達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，由于 ISG 系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)采用了“開(kāi) — 關(guān)”控制模式， ISG 快速起動(dòng)方式和發(fā)動(dòng)機(jī)控制在較狹窄的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)等特有的條件下工作，其比油耗將會(huì)低于或接近于發(fā)動(dòng)機(jī)的最低比油耗。 3) 發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保性 HEV存在和發(fā)展的基本條件就是它必須屬于“趨低污染”和接近“零污染”車(chē)輛，選用的發(fā)動(dòng)機(jī)排放應(yīng)達(dá)到或低于我國(guó)、歐洲。美國(guó)等國(guó)家所規(guī)定的排放限值。表 是歐洲排放法規(guī)的限值。 綜合所述，考慮 ISG 型混合動(dòng)力汽車(chē)側(cè)重于選用小型化、低油耗、低排放的發(fā)動(dòng)機(jī)，并且控制在最佳效率范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。一般來(lái)說(shuō)四沖程汽油機(jī)和柴油機(jī)仍然是首選的發(fā)動(dòng)機(jī)。在用于此系統(tǒng)中，往往還要采取以下一些控制方法：①全新的理論、先進(jìn)的結(jié)構(gòu)，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，提高燃燒效率；②減少泵氣阻力和各種運(yùn)動(dòng)副的摩擦阻力，降低機(jī)械摩擦損失；③高效的催化轉(zhuǎn)化，控制 發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)較窄的高效區(qū)域。配置“開(kāi) — 關(guān)”控制系統(tǒng)，避開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)低效率的運(yùn)轉(zhuǎn)工況范圍。這些先進(jìn)技術(shù)的使用，在一定程度上提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和改善了尾氣排放。 表 歐洲排放法規(guī)限值（ g/Km） 標(biāo)準(zhǔn) CO（一氧化碳） HC NOx HC+NOx（碳?xì)浠衔锖偷趸衔铮? PM（微粒，碳煙） 歐Ⅰ （ ） （ ） 歐Ⅱ 汽油機(jī) 柴油機(jī) 汽油機(jī) 非直噴柴油機(jī) 直噴柴油機(jī) 非直噴柴油機(jī) 直噴柴油機(jī) 歐Ⅲ 汽油機(jī) 柴油機(jī) 汽油機(jī) 柴油機(jī) 柴油機(jī) 柴油機(jī) 歐Ⅳ 19 電機(jī)選擇 驅(qū)動(dòng)電機(jī)在混合動(dòng)力汽車(chē)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)整車(chē)起步、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、爬坡和加速過(guò)程中的阻力驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的能量回收，以提高整車(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，并降低尾氣排放。混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類(lèi)型和性能對(duì)整車(chē)性能有直接的影響。 最初混合動(dòng)力汽車(chē)采用控制性能好和成本低的直流電機(jī)，它 的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速較為方便。隨著電子技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，功率電子元件以及變頻器的問(wèn)世，再加上一些新的控制算法的出現(xiàn)，如滑差控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)日趨成熟，交流電機(jī)、永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)顯示出比直流電機(jī)更加優(yōu)越的性能，正在逐步取代直流電動(dòng)機(jī)。表 為 HEV所采用的電機(jī)的主要類(lèi)型和基本性能的比較。 表 幾種電機(jī)的基本性能比較 項(xiàng)目 直流電動(dòng)機(jī) 感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 永磁電動(dòng)機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 功率密度 低 中 高 較高 過(guò)載能力（ %） 200 300500 300 300500 峰值效率（ %） 8589 9495 9597 90 負(fù)載效率（ %） 功率因素（ %） 8087 9092 8285 9597 9093 7886 6065 恒功率區(qū) 1： 5 1： 1： 3 轉(zhuǎn)速范圍（ r/min） 可靠性 40006000 一般 1202020200 好 400010000 優(yōu)良 可以＞ 15000 好 電動(dòng)機(jī)外型尺寸 電動(dòng)機(jī)質(zhì)量 大 重 中 中 小 輕 小 輕 結(jié)構(gòu)堅(jiān)固性 差 好 一般 優(yōu)良 控制操作性能 最好 好 好 好 控制器成本 低 高 高 一般 蓄電池選型 蓄電池是混合動(dòng)力汽車(chē)中的一個(gè)不可缺少的組成部分，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)需要用蓄電池組作為輔助動(dòng)力源，一般要用多個(gè)單元蓄電池串聯(lián)達(dá)到高電壓的要求，在 ISG型混合動(dòng)力汽車(chē)中，蓄電池組要求有以下幾個(gè)特點(diǎn)： i. 能長(zhǎng)時(shí)間接受制動(dòng)功率。蓄電池向 ISG 系統(tǒng)提供電能以及向動(dòng)力傳動(dòng)系輸出功率，并且接收制動(dòng)再生能量并將其存儲(chǔ)起來(lái)，能量回收對(duì)提高混合動(dòng)力汽車(chē)的總效率是非常有意義的。 20 ii. 比較高的比功率和比能量，這樣使儲(chǔ)能裝置不致太龐大和過(guò)重。 iii. 為了降低整車(chē)價(jià)格，成本亦不能太高 。 此外，混合動(dòng)力汽車(chē)上的蓄電池需要頻繁充放電，因此還要求它具有充放電特性較好、自放電率較低、輸出效率較高及使用壽命（及循環(huán)充放電的次數(shù)）較長(zhǎng)等特點(diǎn)。 表 HEV 用蓄電池性能指標(biāo) 電池種類(lèi) 電解質(zhì) 比能量 （ Wh/kg） 能量密度 (Wh/L) 比功率 （ W/kg） 功率密度 （ W/L） 循環(huán)壽命 (次 ) USABC 鉛酸 酸性 200 3045 65 400 4070 120 100 1200 改進(jìn)型鉛酸 酸性 3050 85 70100 130 600900 鎳 鎘 鎳 氫 鈉 硫 堿性 堿性 固態(tài) 陶瓷 4055 5085 80120 80110 80220 120160 120150 100600 100250 250300 250800 150310 6001000 6001200 ＞ 1100 鈉 氯化鋰 鋰離子 鋰聚合物 固態(tài) 陶瓷 固態(tài)聚合物 有機(jī)溶劑 80100 55150 100120 130150 130300 220 150 190300 300320 260 440 1000 6001200 600 鋅 空氣 堿性 180200 200250 ＞ 100 鋁 空氣 堿性 300350 250 100120 ＞ 1000 表 是 HEV用蓄電池性能指標(biāo)，其中第一項(xiàng)是美國(guó)“先進(jìn)電池聯(lián)合體”（ United States Advanced Battery Consortium, USABC）提出的蓄電池性能指標(biāo)。 鉛酸電池是汽車(chē)儲(chǔ)能動(dòng)力源中最為成熟的一種，它的比能量一般為 3040Wh/Kg，比功率一般為 150200W/Kg，循環(huán)使用 500700 次。它的優(yōu)點(diǎn)具有可靠性高、原料易得、 價(jià)格便宜、比功率也較高等等，基本上可以滿(mǎn)足混合動(dòng)力汽車(chē)加速和爬坡要求。但常規(guī)鉛酸電池的比能量低，難以快速充電，使用壽命不夠長(zhǎng)。另外，過(guò)放電和過(guò)充電時(shí)，鉛酸電池的使用壽命將顯著縮短深度放電以及環(huán)境溫度也對(duì)電池性能影響很大，限制了它在混合動(dòng)力汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在正在研制中的高性能鉛酸電池，性能方面有了很大的提高，成本也有所增加，它在汽車(chē)上的應(yīng)用需要更進(jìn)一步的試驗(yàn)證明。 鎳氫電池是一種堿性電池，它的正極 為鎳氧化物，負(fù)極為氫載體合金存儲(chǔ)的氫，比能量可達(dá) 7080Wh/Kg,比功率可達(dá) 200W/kg 以上，并且具有很 好的耐過(guò)充電特性，良好的使用安全性和充放電效率，更重要的是該電池的反應(yīng)物中吳溶解析出物?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)電池的最大特點(diǎn)為完全充電和非完全放電，電池經(jīng)常處于放電和充電狀態(tài)，經(jīng)常有能量消耗和補(bǔ)充。這些都會(huì)對(duì)電池壽命造成一定的影響。但實(shí)驗(yàn)表明，上述因素對(duì)鎳氫電池的壽命影響并不大，這也說(shuō)明混合動(dòng)力汽車(chē)采用鎳氫電池是非常合適的，隨著電池的技術(shù)的發(fā)展，鎳氫電池的成本也越來(lái)越低，使鎳氫電池的廣泛使用成為可 21 能，通用汽車(chē)公司已把它作為今后幾年優(yōu)先考慮的動(dòng)力電池。 鋰離子電池能量密度可達(dá) 100Wh/Kg，功率密度可達(dá)到 300W/Kg，并且循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，它是美國(guó) USABC（ 1991 年美國(guó)通用、福特、克萊斯勒三大汽車(chē)公司，電力研究所與美國(guó)能源部組建的電動(dòng)汽車(chē)先進(jìn)電池聯(lián)合體）遠(yuǎn)期目標(biāo)和電動(dòng)汽車(chē)最終成功的希望。在日本三菱汽車(chē)公司的自發(fā)電電力轎車(chē)型 Spacs Wagonh 和卡車(chē)型 Canter 上已得到了應(yīng)用。美國(guó) USABC 計(jì)劃在從 2020 年到 2020 年研制出比能量 200Wh/Kg，比功率 400W/Kg 的鋰離子電池。但它存在著致命的弱點(diǎn) — 成本太高，限制了它的應(yīng)用。 鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動(dòng)汽車(chē)電池。它具有相當(dāng)高的比能量、其質(zhì)量比能量是 常用的鉛酸電池的 2—3 倍。美國(guó)福特汽車(chē)公司的 Mnivan 電動(dòng)汽車(chē)就是使用鈉硫蓄電池的。它已被美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體（ USMABC） 列為中期發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)蓄電池。德國(guó) ABB 公司生產(chǎn)的 B240K 型鈉硫蓄電池，其質(zhì)量為 ，比能量達(dá)109Wh/Kg。循環(huán)使用壽命 1200 次。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴(yán)重，電池壽命較短，性能穩(wěn)定性及使用安全性不太理想等問(wèn)題。 從綜合成本和性能的考慮，本系統(tǒng)采用鎳氫（ NiMH）電池，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的基本要求，并且不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染，容易維護(hù)，能夠長(zhǎng)時(shí)間存放。更重要的是鎳氫電池 的過(guò)充電和過(guò)放電性能好，能夠帶電充電、快速充電，非常適合 PHEV蓄電池組的不規(guī)則充、放電變化。 混合動(dòng)力汽車(chē) 各驅(qū)動(dòng)類(lèi)型的比較 將傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行混合，可以得到多種多樣不同組合形式的混合動(dòng)力汽車(chē)，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和試用范圍，表 對(duì)不同型式的混合動(dòng)力汽車(chē)在燃油經(jīng)濟(jì)性、尾氣排放和控制難以程度等方面作了比較。表 對(duì)不同型式的混合動(dòng)力汽車(chē)在驅(qū)動(dòng)模式、傳動(dòng)效率、整車(chē)布置、適用條件和開(kāi)發(fā)成本等方面進(jìn)行了比較。 表 混合動(dòng)力汽車(chē)類(lèi)型的比較 串聯(lián)式 并聯(lián)式 混聯(lián)式 公路行駛?cè)加徒?jīng)濟(jì)性 較優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 城市行駛?cè)加徒?jīng)濟(jì)性 優(yōu) 較優(yōu) 優(yōu) 無(wú)路行駛?cè)加徒?jīng)濟(jì)性 較優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 低排放性能 優(yōu) 較優(yōu) 較優(yōu) 成本 低 較低 較低 復(fù)雜程度 簡(jiǎn)單 較復(fù)雜 復(fù)雜 控制難易程度 簡(jiǎn)單 較復(fù)雜 復(fù)雜 22 表 不同型式混合動(dòng)力汽車(chē)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)模式 串聯(lián)式 并聯(lián)式 混聯(lián)式 動(dòng)力總成 發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng) /發(fā)電機(jī) 發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng) /發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 驅(qū)動(dòng)模式 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式、發(fā)動(dòng)機(jī) 發(fā)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)模式 具有并聯(lián)的三種驅(qū)動(dòng)模式外加電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)模 式 傳動(dòng)效率 能量轉(zhuǎn)換效率較低 傳動(dòng)效率較高 傳動(dòng)效率較高 制動(dòng)能量回收 能夠回收制動(dòng)能量 能夠回收制動(dòng)能量 能夠回收制動(dòng)能量 整車(chē)總布置 三大動(dòng)力總成之間沒(méi)有機(jī)械式連接裝置，結(jié)構(gòu)布置自由度較大，但三大動(dòng)力總成的質(zhì)量、尺寸都較大，一般用在大型車(chē)上 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保持機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)兩大動(dòng)力總成之間被不同的機(jī)械裝置連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置受到一定的限制 三大動(dòng)力總成之間采用機(jī)械裝置連接，三大動(dòng)力總成的質(zhì)量、尺寸都較小。能夠在小型車(chē)輛上布置，但結(jié)構(gòu)更加緊湊