【文章內(nèi)容簡介】 電的純電動汽車開始的純電動汽車或零排放新燃料汽車無疑是我們的最終目標，但目前純電動汽車初成本高，行駛里程較短。由于高效能蓄電池、燃料電池及其系統(tǒng)的發(fā)展相對滯后影響了純電動汽車的商業(yè)化進程 。而燃油發(fā)動機和電動機混合驅(qū)動的混合動力動汽車正是在純電動汽車開發(fā)過程中為有利于市場化而產(chǎn)生的一種新的車型。將現(xiàn)有內(nèi)燃機與一定 容量的儲能器件 (主要是高性能電池或超級電容器 )通過進控制系統(tǒng)相組合，可以大幅度降低油耗，減少污染物排放。國內(nèi)外普遍認為是投資少、選擇余地大、易于滿足未來排放標準和節(jié)能目標、市場接受度高的流清潔車型，從而引起各大汽車公司的關注，得到商業(yè)市場的響應并迅速發(fā)展，這其中以豐田的 Prius 和本田的 Insight 為代表。 電力輔助型混合動力汽車采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，電池組容量相對較小 (2～)，由發(fā)動機提供勻速行駛時的平均功率需求，當加速或爬坡需要較大 功時，由電池和電動機組成的電力輔助部分補充輸出驅(qū)動功率。混合動力 汽 9 車動性能、燃料經(jīng)濟性以及廢氣排放效果的好壞，在很大程度上取決于車輛驅(qū)動系參數(shù)的合理匹配以及車輛行駛過程中對各部件的協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動機使用工況多數(shù)是偏離其最佳工作區(qū)域，未能實現(xiàn)動力傳動系統(tǒng)。因此，對于提高汽車行駛效率，降低燃油消耗和尾氣排放具有較大的潛力，是至關重要的。 本文的研究內(nèi)容 本論文以電力輔助型混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)為對象，主要開展以下幾個問題的研究： （ 1）混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)原理和匹配 探討電力輔助型混合動力汽車動力性能指標的確定方法，發(fā)動機、蓄電池、電動機和行星齒輪機構(gòu)等動力部 件的合理選擇，以及驅(qū)動系統(tǒng)的匹配； （ 2）混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)匹配分析的基礎上，進行結(jié)構(gòu)論述及分析； 10 第 2章 電力輔助型混合動力汽車介紹 統(tǒng)計表明，在 80%以上的道路條件下，普通燃油發(fā)動機汽車僅利用了動力潛能的 40%，在市區(qū)還會跌至 25%[4]?；旌蟿恿﹄妱悠嚨膫鲃酉到y(tǒng)同時使用燃油發(fā)動機和電動機作為動力源，既能利用發(fā)動機持續(xù)工作時間長，動力性好的優(yōu)點，又可以發(fā)揮電動機無污染、低噪聲的好處。根據(jù)國際機電委員會下屬的電力機動車技術(shù)委員會的建議，由兩種或兩種以上的儲能器、能源或轉(zhuǎn)化器 作為驅(qū)動能源，其中至少有一種提供電能的車輛稱為混合動力電動汽車 [5]。 混合動力汽車的分類 混合動力車輛的驅(qū)動系統(tǒng)從能源輸入、原動機到機械能的傳遞，其組成方式多種多樣，具體的結(jié)構(gòu)也各不相同。根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)各部件在汽車上的位置及功能，混合動力汽車可分為以下三種類型 :串聯(lián)式混合動力汽車、并聯(lián)式混合動力汽車和混聯(lián)式混合動力汽車。 串聯(lián)式混合動力汽車 車輛控制器 發(fā)動機 → 發(fā)電機 → 功率交換 器 →← 電動機 →← 傳動變速 機構(gòu) Ｔ ice,? ice ↓ ↑ Ｔ em,? em ↓ ↑ 電池 道路負載 圖 串聯(lián)式混合動力汽車示意圖 11 串聯(lián)式混合動力汽車由發(fā)動機、發(fā)電機、蓄電池和電動機等動力裝置以串聯(lián)連接方式組合而成。如圖 所示，該系統(tǒng)利用發(fā)動機提供電能，牽引電機是唯一的驅(qū)動源。圖中實線表示功率流的路徑，虛線表示控制信號，箭頭表示功率流動方向。串聯(lián)式混合動力汽車中發(fā)動機的功能是帶動發(fā)電機發(fā)電，電動機將電能轉(zhuǎn) 變?yōu)闄C械能后通過變速機構(gòu)驅(qū)動車輪。發(fā)電機同時也能提供部分電能輸送到蓄電池，以便必要時由蓄電池為電動機供電。串聯(lián)式混合動力汽車具有以下特點 : (1)控制系統(tǒng)比較簡單，特別是發(fā)電機運行的控制只需根據(jù)蓄電池充放電 狀態(tài)決定發(fā)電或停止 。 (2)發(fā)動機總是在最佳工況下驅(qū)動發(fā)電機，因此效率高，有一定節(jié)能效果， 能減少污染 。 (3)動力傳遞過程中，由于存在能量轉(zhuǎn)換中的損失，降低了能量利用率， 其綜合效率低于燃油汽車 。 (4)要求每一動力裝置的各自功率都等于或接近汽車的最大驅(qū)動功率，特 別是驅(qū)動電動機必須滿足汽車行駛的需求 。 并聯(lián)式混合動力汽車 并聯(lián)式混合動力汽車可以利用發(fā)動機和電機共同驅(qū)動車輪。如圖 ，由于發(fā)動機與驅(qū)動車輪之間直接相連，所以發(fā)動機的運轉(zhuǎn)受到驅(qū)動工況的影響。該系統(tǒng)可不需要發(fā)電機，因此提高了能量轉(zhuǎn)化效率。發(fā)動機動力系統(tǒng)主要用于中、高速的行駛工況 。而電動 /發(fā)電機動力系統(tǒng)用于中、低速的城市路況行駛，在汽車加速和爬坡時配合發(fā)動機動力系統(tǒng)驅(qū)動車輛，大大提高了汽車的加速性能和爬坡性能。 12 圖 并聯(lián)式混合動力汽車 示意圖 并聯(lián)式混合動力汽車具有以下特點 : (1)結(jié)構(gòu)簡單，特別是省去了獨立的發(fā)電機，兩套動力裝置可單獨或同時驅(qū)動，輸出總功率可以為兩個動力系統(tǒng)的疊加，因而單個動力系統(tǒng)功率可以減小，有利于機構(gòu)布置 。 (2)兩套動力裝置可直接驅(qū)動車輪，因此效率提高，能量損失降低 。 (3)兩套動力裝置要根據(jù)車輛狀態(tài)進行切換，動力控制系統(tǒng)及機械切換系統(tǒng)相對復雜 。 (4)采用電動 /發(fā)電機可以空載發(fā)電，及時補充蓄電池部分電能，延長蓄電池續(xù)行里程。 在并聯(lián)式混合動力車輛驅(qū)動系中，聯(lián)接部件用于完成傳動系組成部件間的聯(lián)合。根據(jù)具體的聯(lián)接 部件位置，并聯(lián)混合動力車輛具有單軸聯(lián)合式、雙軸聯(lián)合式和單個驅(qū)動系聯(lián)合式三種基本的布置方案 ??5 。單軸聯(lián)合式是指車輛驅(qū)動系中機械動能的聯(lián)合是在原動機輸出軸處實現(xiàn)的，齒輪箱的輸入軸為單軸，發(fā)動機的輸出軸通過離合器后與電動機的轉(zhuǎn)子軸直接相連 。雙軸聯(lián)合式是指車輛驅(qū)動系中機械動能的聯(lián)合是在齒輪箱中實現(xiàn)的，齒輪箱 (減速 /變速器 )具有兩個或多個輸入軸，僅有一個輸出軸 。單個驅(qū)動系聯(lián)合式是指車輛驅(qū)動系中機械動能的聯(lián)合是在車輛驅(qū)動輪處通過路面實現(xiàn)的，它具有兩套或多套獨立的驅(qū)動系。單個驅(qū)動 系聯(lián)合式驅(qū)動系在充分利用車輛的地面附著力方面具有優(yōu)勢，通過合理地控制，可大大改善車輛的驅(qū)動性能，但系統(tǒng)組成比較龐發(fā)動機 扭矩耦合轉(zhuǎn)置 傳動變速機構(gòu) 道路負載 電 池 功率變換器 電動機 車輛控制器 13 大，控制復雜。 混聯(lián)式混合動力汽車 混聯(lián)式混合動力電動汽車綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的結(jié)構(gòu)特點，由發(fā)動機、電動 /發(fā)電機和驅(qū)動電動機三大動力總成組成，可以根據(jù)行駛條件以串聯(lián)和并聯(lián)模式工作。所以，混聯(lián)系統(tǒng)具有串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)的雙重特性，具有以下兩種布置形式 : 切換系統(tǒng) 圖 混聯(lián)式混合動力 汽車切換系統(tǒng)布置形式 采用該種布置形式時，利用離合器的斷開與結(jié)合可使該系統(tǒng)在串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)之間切換。如圖 ，當汽車在城市里行駛時，要求低負載和低排放，可斷開離合器，系統(tǒng)工作在串聯(lián)模式。而當高速行駛時，有較高的負載要求，串聯(lián)系統(tǒng)由于發(fā)動機的高功率輸出而不能有效工作，于是離合器結(jié)合，變?yōu)椴⒙?lián)系統(tǒng)。 混合動力汽車的其它分類方法 根據(jù)行駛前后蓄電池組的荷電狀態(tài) (State Of Charge， SOC)變化情況，車輛控制器 發(fā) 動 機 發(fā)電機 離合器 扭矩耦合轉(zhuǎn)置 傳動變速裝置 道路負載 電池 功率變換器 電動機 14 混合動力汽車可分為電量維持型和電量消耗型兩種。前者蓄電池組容量較小，在行駛時電池荷 電狀態(tài)保持在一定范圍內(nèi)變動，電池組不需從外部電網(wǎng)充電 。后者蓄電池組容量較大，在行駛一定的里程后，電池需要從外部電網(wǎng)充電。此外，根據(jù)驅(qū)動系中組成部件功率間的分配比例，混合動力汽車還可以分為里程延長型、雙模式型和助力型三種。里程延長型混合動力車輛裝備較大容量的電池組和小型的附加車載能源 (如發(fā)動機 /發(fā)電機組 )或小功率的原動機(如內(nèi)燃機 )，其混合比較大，適用于對排放嚴格限制的市區(qū)車輛。助力型混合動力車輛的是在普通內(nèi)燃機車輛上增加電傳動系統(tǒng)，以優(yōu)化內(nèi)燃機的工作點，提高車輛的經(jīng)濟性和降低排放。雙模式型混合動力車輛綜合了 上述兩種類型車輛的特點，可以零排放模式行駛較長的距離。 電力輔助型混合動力汽車的結(jié)構(gòu)與特點 混合動力汽車最主要的問題是根據(jù)車輛的性能要求和行駛情況，合理的驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，匹配驅(qū)動系統(tǒng)各部件的參數(shù)以及在車輛行駛過程采用有效的算法對各部件的協(xié)調(diào)控制 ??7 .混合動力汽車動力傳動系各部件特性、參數(shù)匹配及控制策略決定了整車的動力性、燃油經(jīng)濟性、排放特性、制造成本及重量。串聯(lián)式混合動力汽車比較簡單，易于控制，其特點更加趨近于純電動汽車，適合城市行駛中頻繁起動、加 速和低速運行工況 。混聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)復雜，技術(shù)難度大，但能充分發(fā)揮混合驅(qū)動的優(yōu)勢 。對于并聯(lián)式的動力系統(tǒng)，發(fā)動機和電動機兩大動力總成都是驅(qū)動動力裝置，在行駛時可以實現(xiàn)發(fā)動機驅(qū)動模式，電動機驅(qū)動模式和發(fā)動機一電動機混合驅(qū)動模式等多種工作方式。由于發(fā)動機和發(fā)電機兩大動力總成的功率可以疊加，因此可采用較小功率的發(fā)動機和電動機，使得整個動力總成的尺寸較小，質(zhì)量較輕，造價也較低，適合應用在中小型車輛上。 傳統(tǒng)燃油汽車中發(fā)動機的工作情況 傳統(tǒng)的燃油汽車在工作時，為保證其加速和爬坡性能，發(fā)動機的最大功率選 定約為車輛以 1OOkm/h 在平路上行駛時需求功率的 10 倍，或者是在 6%坡度上以 100km/h 行駛時需求功率的 34 倍。這樣造成了發(fā)動機的工作點大部分不