【正文】 大批量生產(chǎn)，產(chǎn)銷量逐年增加，現(xiàn)在混合動力汽車已經(jīng)開始成為發(fā)展的主流。 Pruis 混合動力電動轎車是單軸驅(qū)動混 聯(lián)式混合電動車輛，以行星齒輪作為動力連接裝置。發(fā)電機采用永磁同步交流電機，可以工作于電動機狀態(tài)。THS 傳動系統(tǒng)起到類似無級變速器的作用。在車輛啟動或加速運行時，使得電動機的優(yōu)異轉(zhuǎn)矩特性發(fā)揮得淋漓盡致。由 汽油機、 60mm 厚的環(huán)狀 DC 無刷汝鐵硼永磁電機、鎳氫電池、動力控制單元集 成，裝于本田 Insight 兩座轎車上，采用手動或自動變速器，每升汽油行駛里程分別為 35km或 32km。在這種混合動力系統(tǒng)中，以汽油發(fā)動機為主要動力，電動機為輔助動力，動力分配比為 9:1。 二．美國在混合動力車開發(fā)生產(chǎn)中的表現(xiàn)： 早在 1997 年，美國 PNGV 就根據(jù)當(dāng)時的進(jìn)展情況，篩選出壓燃直噴 (CIDI)發(fā)動機，混合動力電驅(qū)動系統(tǒng) ,燃料電池 (含儲能電池 )和輕質(zhì)材料 4 項新技術(shù) ,組織和號召 6 大家重點突破，混合動力技術(shù)是重點之一，鑒于直噴柴油機也是一項重點，為了容易達(dá)到 PNGV80MPG()的目標(biāo)，美國三大汽車公司都發(fā)展了柴油機電動機混合動力，而且都按計劃于 1999 年制造出柴油機混合動力轎車。雖然三家公司都完成了與政府的合作計劃 ,并獲得了 PNGV 的資金補助?，F(xiàn)在為了實現(xiàn)商業(yè)化不得不重新開發(fā)市場需要的產(chǎn)品，并安排制造計劃，這就比日本公司落后了大約 5 年。輕型載貨車和 SUV 這類汽 車在美國銷售數(shù)量極大，所以改善這些車輛的燃料經(jīng)濟(jì)性 ,將對降低總體 燃料消耗和 CO2的產(chǎn)生更有意義。增壓器 ,高壓燃料噴射系統(tǒng)已經(jīng)將柴油機改進(jìn)得和汽油機一樣好 ,加上清潔低硫的柴油燃料，柴油機轎車已經(jīng)具有更高的燃料經(jīng)濟(jì)性，同時柴油機比汽油電動混合動力更加簡單、高效、制造費用較低 ,也能使制造者獲得合理的利潤。所以歐洲汽車公司 的主要精力放在發(fā)展現(xiàn)代增壓直噴柴油機轎車上。 混合動力 汽車的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不是零排放汽車，可靠性比純電動汽車低，從長遠(yuǎn)來看是一種過渡車型。因此，近年內(nèi)混合動力汽車將具有很好的發(fā)展前景。 混合動力電動汽車充分發(fā)揮了發(fā)動機和電動機的最大優(yōu)勢，提高了燃料經(jīng)濟(jì)性和減少了排放。與純電動車相比，其蓄電池容量大大減小，因而其造價成本低于電動汽車。同時也要提高汽車行駛過程中的能量再回收效率?？傊?， HEV 在相當(dāng)一段時間 內(nèi)前景廣闊，將逐漸成為汽車行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。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。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。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。在后續(xù)的公式和圖表描述中， T 表示扭矩， ω表示角速度， η表示效率；下標(biāo) cm表示電 機，ice 表示發(fā)動機， w 表示車輪， gb 表示變速箱。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。因此整個系統(tǒng)的規(guī)模龐大，增加了車輛成本及機構(gòu)布置難度。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。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，大大提高了汽車的餓加速 性能和爬坡性能。 混聯(lián)式混合動力汽車 發(fā)動機 車輛控制器 功率變換器 電池 電動機 傳動變速機構(gòu) 道路負(fù)載 扭矩耦合裝置 9 混聯(lián)式混合動力汽車綜合了串聯(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)動電機三大動力總成組成，可以根據(jù)行駛條件以及串聯(lián)和并聯(lián)模式工作。而當(dāng)高速行駛時，有較高的負(fù)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)。它能通過發(fā)電機控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速，同時通過并聯(lián)系統(tǒng)保持發(fā)動機與驅(qū)動輪的機械連接。豐田的 Prius 混合電動轎車就是這種驅(qū)動形式的成 功典范。 在車輛驅(qū)動系中，用于能源存儲或用于能源存儲并進(jìn)行能源的初始轉(zhuǎn) 化以向原動機直接供能的所有部件總稱為車載能源，由能源存儲系統(tǒng)或能源存儲和轉(zhuǎn)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。 原動機是指在車輛驅(qū)動系中把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為可以直接驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的機械動能的裝置，如普通車輛上的內(nèi)燃機、純電動車輛上的電動機等。主要包 括離合器、減速 /變速器、傳動軸、主減速器、差速器、半軸以及驅(qū)動輪等。考慮到充電設(shè)備的限制以及蓄電池組容量對車重的影響，電力輔助型混合動力汽車裝備小容量的蓄電池組，在行駛時電池荷電狀態(tài)保持在一定范圍內(nèi)變動，不需從外部電網(wǎng)充電，屬于電量維持型混合動力汽車。配制發(fā)電機與否根據(jù)車輛的行駛條件而定，如果汽車長時間行駛在交通擁堵的環(huán)境，則車輛有可能長時間處于停止?fàn)顟B(tài)，需要配置發(fā)電機。根據(jù)發(fā)動機和電機扭矩的耦合方式，電力輔助型混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)有三種布置形式。 12 圖 扭矩在變速器輸入軸處耦合的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在圖 中，電動機和發(fā)動機的扭矩在變速器輸出軸處耦合，變速器只傳遞發(fā)動機的輸出功率，所以變速器額定功率可小于第一種布置形式。齒輪傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，美國WisconsinMadison 大學(xué)的 UW Future Truck 2020 就是采用齒輪傳動副耦合發(fā)動機和電機的輸出扭矩；帶傳動布置靈活，具有防過載的特點，美國 Ohio州 立大學(xué)的 Future Truck 20 2020 和 Geia 技術(shù)學(xué)院的 Future Wreck 都是帶傳動裝置，在實際中采用較多。發(fā)動機和電機分別通過各自的傳動系驅(qū)動車輪。 考慮到現(xiàn)有的部分發(fā)動機和變速器配套設(shè)計，在發(fā)動機輸出軸進(jìn)行扭矩耦合困難，電力輔助型并聯(lián)式混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)采用 如圖 2 的結(jié)構(gòu)，扭矩通過帶傳動裝置在變速器輸出軸處進(jìn)行扭矩耦合，不配置發(fā)電機。具體描述如下： 發(fā)動機 變速 器 油箱 離合 器 扭矩耦合裝置 差速器 電 池 電 動 機 變 速 器 差 速 器 15 1) 當(dāng)車速低于某一設(shè)定值時，電動機提供全部驅(qū)動扭矩，發(fā)動機關(guān)閉； 2) 如果車輛的需求 扭矩大于發(fā)動機在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的最大輸出扭矩，則電機提供剩余部分扭矩，滿足車輛的動力性能； 3) 再生制動時，電機在發(fā)電狀態(tài)，給電池充電貯存能量； 4) 在某一速度下，如果發(fā)動機單獨提供扭矩將工作在低效率區(qū)域內(nèi)，則關(guān)閉發(fā)動機，由電機提供驅(qū)動扭矩； 5) 當(dāng)電池的 SOC 過低時，發(fā)動機除了提供扭矩驅(qū)動車輛，還提供部分扭矩給電動機，后者工作在發(fā)電狀態(tài)，為電池補充電能； 6) 駕駛員可以通過開關(guān)選擇純電動模式或純發(fā)動機模式。 ISG 型混合動力汽車主要動力部件選型分析 ISG 系統(tǒng)的主要部件為發(fā)動機、 ISG 電機和蓄電池。 發(fā)動機選型 選擇發(fā)動機時，要考慮的就是滿足汽車要求的發(fā)動機尺寸與額定功率問題。同時開發(fā)混合動力汽車的目的是解決節(jié)能和環(huán)保問題，因此必須圍繞這些方面選擇所需的發(fā)動機。 圖 HEV發(fā)動機的選擇目標(biāo) ISG 系統(tǒng)發(fā)動機側(cè)重于選用小型化、低油耗、低排放的發(fā)動機，并且控制在最佳范圍內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。由于電力驅(qū)動系統(tǒng)在汽車行駛過程中需要提供最大功率時提供了輔助驅(qū)動，發(fā)動機的功率可以小于同級別的內(nèi)燃機汽車。 2) 發(fā)動機的經(jīng)濟(jì)性 通常用于發(fā)動機的比油耗 g/KWh 來表達(dá)發(fā)動機的燃油經(jīng)濟(jì)性，由于 ISG 系統(tǒng)中發(fā)動機采用了“開 — 關(guān)”控制模式， ISG 快速起動方式和發(fā)動機控制在較狹窄的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)等特有的條件下工作，其比油耗將會低于或接近于發(fā)動機的最低比油耗。美國等國家所規(guī)定的排放限值。 綜合所述，考慮 ISG 型混合動力汽車側(cè)重于選用小型化、低油耗、低排放的發(fā)動機，并且控制在最佳效率范圍內(nèi)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。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)動機的質(zhì)量，提高燃燒效率；②減少泵氣阻力和各種運動副的摩擦阻力，降低機械摩擦損失；③高效的催化轉(zhuǎn)化，控制 發(fā)動機工作在一個較窄的高效區(qū)域。這些先進(jìn)技術(shù)的使用，在一定程度上提高了發(fā)動機的燃油經(jīng)濟(jì)性和改善了尾氣排放?；旌蟿恿ζ囼?qū)動電機的類型和性能對整車性能有直接的影響。隨著電子技術(shù)、機械制造技術(shù)及自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，功率電子元件以及變頻器的問世，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)矩控制等交流電機的調(diào)速技術(shù)日趨成熟，交流電機、永磁電機和開關(guān)磁阻電機顯示出比直流電機更加優(yōu)越的性能，正在逐步取代直流電動機。 表 幾種電機的基本性能比較 項目 直流電動機 感應(yīng)電動機 永磁電動機 開關(guān)磁阻電動機 功率密度 低 中 高 較高 過載能力（ %） 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 電動機外型尺寸 電動機質(zhì)量 大 重 中 中 小 輕 小 輕 結(jié)構(gòu)堅固性 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 蓄電池是混合動力汽車中的一個不可缺少的組成部分，混合動力電動汽車需要用蓄電池組作為輔助動力源，一般要用多個單元蓄電池串聯(lián)達(dá)到高電壓的要求，在 ISG型混合動力汽車中，蓄電池組要求有以下幾個特點： i. 能長時間接受制動功率。 20 ii. 比較高的比功率和比能量，這樣使儲能裝置不致太龐大和過重。 此外，混合動力汽車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)）較長等特點。 鉛酸電池是汽車儲能動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。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?，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，它在汽車上的應(yīng)用需要更進(jìn)一步的試驗證明?；旌蟿恿ζ囯姵氐淖畲筇攸c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)常有能量消耗和補充。但實驗表明，上述因素對鎳氫電池的壽命影響并不大，這也說明混合動力汽車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越低，使鎳氫電池的廣泛使用成為可 21 能，通用汽車公司已把它作為今后幾年優(yōu)先考慮的動力電池。在日本三菱汽車公司的自發(fā)電電力轎車型 Spacs Wagonh 和卡車型 Canter 上已得到了應(yīng)用。但它存在著致命的弱點 — 成本太高，限制了它的應(yīng)用。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。它已被美國先進(jìn)電池聯(lián)合體（ USMABC） 列為中期發(fā)展的電動汽車蓄電池。循環(huán)使用壽命 1200 次。 從綜合成本和性能的考慮，本系統(tǒng)采用鎳氫（ NiMH）電池，可以滿足系統(tǒng)的基本要求，并且不會對周圍環(huán)境造成污染，容易維護(hù)，能夠長時間存放。 混合動力汽車 各驅(qū)動類型的比較 將傳統(tǒng)的發(fā)動機和電動機進(jìn)行混合，可以得到多種多樣不同組合形式的混合動力汽車，它們都有各自的優(yōu)缺點和試用范圍，表 對不同型式的混合動力汽車在燃油經(jīng)濟(jì)性、尾氣排放和控制難以程度等方面作了比較。 表 混合動力汽車類型的比較 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 簡單 較復(fù)雜 復(fù)雜 控制難易程度 簡單 較復(fù)雜 復(fù)雜 22 表 不同型式混合動力汽車特點 結(jié)構(gòu)模式 串聯(lián)式 并聯(lián)式 混聯(lián)式 動力總成 發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機 發(fā)動機、電動 /發(fā)電機 發(fā)動機、電動 /發(fā)動機、驅(qū)動電動機 驅(qū)動模式 電動機驅(qū)動模式 發(fā)動機驅(qū)動模式、電動機驅(qū)動模式、發(fā)動機 發(fā)電機混合驅(qū)動模式 具有并聯(lián)的三種驅(qū)動模式外加電動機 電動機混合驅(qū)動模 式 傳動效率 能量轉(zhuǎn)換效率較低 傳動效率較高 傳動效率較高 制動能量回收 能夠回收制動能量 能夠回收制動能量 能夠回收制動能量 整車總布置 三大動力總成之間沒有機械式連接裝置，結(jié)構(gòu)布置自由度較大，但三大動力總成的質(zhì)量、尺寸都較大，一般用在大型車上 發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)保持機械式傳動系統(tǒng)，發(fā)動機與電動機兩大動力總成之間被不同的機械裝置連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布置受到一定的限制 三大動力總成之間采用機械裝置連接，三大動力總成的質(zhì)量、尺寸都較小。