徐東

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153）

隨著全球能源和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，開(kāi)發(fā)低油耗、低排放的新型汽車(chē)成為當(dāng)今汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的首要任務(wù)。現(xiàn)代汽車(chē)必須采用低油耗的設(shè)計(jì)，以便能盡可能地延長(zhǎng)石油資源的使用時(shí)間，與此同時(shí)降低汽車(chē)的尾氣排放量。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一些汽車(chē)節(jié)能環(huán)保措施，但是，僅僅單一地采用某些降耗措施，例如柴油取代汽油、發(fā)動(dòng)機(jī)改造等等，并不足以達(dá)到上述目的。因此，現(xiàn)代汽車(chē)必須將各種不同的降耗措施巧妙地結(jié)合為一體，而混合動(dòng)力汽車(chē)則為組合不同的降耗措施提供了一個(gè)理想的技術(shù)平臺(tái)。目前，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)由于其高能量效率和低排放性能向傳統(tǒng)汽車(chē)提出了極大挑戰(zhàn)，發(fā)展勢(shì)態(tài)迅猛，市場(chǎng)化進(jìn)程很快［1］。

1 混合動(dòng)力系統(tǒng)的分類(lèi)和功能

根據(jù)混合動(dòng)力汽車(chē)的電功率等級(jí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)可分為輕混合、中混合和強(qiáng)混合3類(lèi)。

輕混合技術(shù)中，電功率足以在內(nèi)燃機(jī)停機(jī)后自動(dòng)重新起動(dòng)，但是只能很小程度地回收制動(dòng) （減速）能量。如果要同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，則電功率必須在10～15kW的范圍內(nèi) （中混合）。這個(gè)功率范圍可覆蓋常見(jiàn)的減速區(qū)域，并且能回收大部分減速能量。中混合技術(shù)還達(dá)不到電力驅(qū)動(dòng)，而只能對(duì)內(nèi)燃機(jī)提供支持。但從降低油耗的角度來(lái)看，中混合可達(dá)成以下目標(biāo)：停止／起動(dòng)功能節(jié)約油耗大約5%，制動(dòng)能量回收節(jié)約油耗大約10%。因此，如果不要求純電力驅(qū)動(dòng)或?qū)?nèi)燃機(jī)進(jìn)行大功率支持，中混合技術(shù)已經(jīng)足夠了。如果在低功率運(yùn)行模式下關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)，并對(duì)車(chē)輛實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)，則可繼續(xù)降低油耗4%。但是，電功率等級(jí)需要達(dá)到30～50 kW，附加成本也會(huì)相應(yīng)提高。此外強(qiáng)混合技術(shù)也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)縮小內(nèi)燃機(jī)尺寸。這樣的驅(qū)動(dòng)方案包含一臺(tái)需要大功率電動(dòng)機(jī)提供永久動(dòng)力支持的內(nèi)燃機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其全功率。

2 動(dòng)力系統(tǒng)布置方案

上述3種混合技術(shù)的劃分只給出了一個(gè)功能指標(biāo)，但并沒(méi)有解釋在動(dòng)力系統(tǒng)中如何布置電動(dòng)機(jī)。下面以電動(dòng)機(jī)在動(dòng)力系統(tǒng)中的布置和轉(zhuǎn)矩流作為區(qū)分指標(biāo)，分析動(dòng)力系統(tǒng)的布置方案。車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)總成簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2.1 ISG

ISG（Integrated starter／generator，起動(dòng)／發(fā)電一體機(jī)）采用電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)一體化技術(shù)，電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)原有飛輪，直接與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連，通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的自動(dòng)起停、功率補(bǔ)償和制動(dòng)能量回收功能［2］。曲軸驅(qū)動(dòng)起動(dòng)機(jī)如圖2所示。

ISG能實(shí)現(xiàn)低噪音、快速、平穩(wěn)的停止／起動(dòng)，但是由于內(nèi)燃機(jī)不能與起動(dòng)機(jī)徹底分離，只能在非常有限的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量回收和電力驅(qū)動(dòng)。通過(guò)在電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間增加一個(gè)自動(dòng)離合器，并采用較大功率的電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)所不具有的電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)功能，且能有效提高再生制動(dòng)的能量回收率，進(jìn)一步提高整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，改善排放［3］。

目前，已有多家公司推出了應(yīng)用ISG技術(shù)的混合動(dòng)力汽車(chē)，如日本本田公司搭載ISG系統(tǒng)的家用混合動(dòng)力轎車(chē)，韓國(guó)現(xiàn)代伊蘭特-ISG混合動(dòng)力車(chē)型，國(guó)產(chǎn)奇瑞A3 ISG混合動(dòng)力車(chē)型等。

2.2 B-ISG

B-ISG（Belt-driven Integrated Started Generator，皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)／發(fā)電一體機(jī)）是采用皮帶驅(qū)動(dòng)一體化起動(dòng)／發(fā)電機(jī)技術(shù)的一種輕度混合方案，能夠有效降低油耗和改善排放。此方案可與現(xiàn)有所有的動(dòng)力總成組合，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)被設(shè)計(jì)成起動(dòng)電機(jī)。

B-ISG技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)前端用皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將一體化起動(dòng)／發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，取代了發(fā)動(dòng)機(jī)原有的發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了混合動(dòng)力系統(tǒng)的一體化。皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)如圖3所示。該混合動(dòng)力系統(tǒng)保留了傳統(tǒng)轎車(chē)上的12V起動(dòng)機(jī)，以保證電池電量過(guò)低時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)能正常起動(dòng)。

采用此方案的轎車(chē)有4種基本工作模式。

1）起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)／發(fā)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)將發(fā)動(dòng)機(jī)加速至怠速轉(zhuǎn)速以上，然后汽油機(jī)才開(kāi)始工作。

2）停車(chē)工況下，控制系統(tǒng)自動(dòng)切斷汽油機(jī)供油，發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)。

3）減速工況下，駕駛員踩下制動(dòng)踏板，向起動(dòng)／發(fā)電機(jī)傳送信號(hào)，使其將車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)起來(lái)。

4）正常行駛工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

由法雷奧 （Valeo）公司、英國(guó)交通部、福特汽車(chē)、里卡多 （Ricardo）聯(lián)合有限公司和蓋茨（Gates）公司共同合作研發(fā)的HyTrans是歐洲第一輛采用B-ISG的柴油輕度混合動(dòng)力城市運(yùn)貨車(chē)。除了福特的HyTrans之外，奇瑞集團(tuán)成立的國(guó)家節(jié)能環(huán)保汽車(chē)工程技術(shù)研究中心，自主開(kāi)發(fā)了奇瑞B(yǎng)SG混合動(dòng)力汽車(chē)，也采用了類(lèi)似B-ISG的模式。通用汽車(chē)公司也推出了以皮帶傳動(dòng)起動(dòng)／發(fā)電機(jī)的輕度混合動(dòng)力汽車(chē)，并稱(chēng)之為BAS（Belt Alternator Starter，帶交流發(fā)電機(jī)起動(dòng)機(jī)）。

2.3 2個(gè)離合器之間設(shè)置起動(dòng)機(jī)

如果需要使用能量回收和電力驅(qū)動(dòng)裝置，必須要能夠切斷內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)以及內(nèi)燃機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)其他部分的聯(lián)系。采用在2個(gè)離合器之間設(shè)置起動(dòng)機(jī)的方案，可以使內(nèi)燃機(jī)被停機(jī)并與動(dòng)力系統(tǒng)斷開(kāi)，制動(dòng)能量可以完全回收到起動(dòng)機(jī)中。2個(gè)離合器之間設(shè)置起動(dòng)機(jī)的動(dòng)力總成如圖4所示。

根據(jù)其電功率等級(jí)，此方案可實(shí)現(xiàn)為中或強(qiáng)混合驅(qū)動(dòng)裝置。當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率小于12 kW時(shí)，只能實(shí)現(xiàn)停止／起動(dòng)和能量回收功能。當(dāng)功率達(dá)到20kW或更高時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)。

目前，奧迪公司和大眾公司都推出了采用此方案的混合動(dòng)力車(chē)型。

2.4 2臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間設(shè)置離合器的串聯(lián)混合

串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)斷開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械連接，動(dòng)力可通過(guò)純電力方式傳遞，這是串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最顯著特點(diǎn)［5］。

在此方案中，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)以串聯(lián)方式布置，第1臺(tái)作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，然后通過(guò)第2臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。當(dāng)離合器分離時(shí)，他們可以被看做是電力變矩器或電力無(wú)級(jí)變速器。2臺(tái)電動(dòng)機(jī)之間設(shè)置離合器的串聯(lián)混合如圖5所示。

美國(guó)克萊斯勒 （Chrysler）公司在2008年發(fā)布了3款電動(dòng)汽車(chē) （EV）及配備發(fā)電用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的串聯(lián)混合動(dòng)力試制車(chē)，分別為2座后輪驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)EV“Dodge EV”、以SUV“Jeep Wrangler”為原型的四輪驅(qū)動(dòng)HEV“Jeep EV”，以及以微型面包車(chē) “克萊斯勒大捷龍 （Chrysler Grand Voyger）”為原型的前輪驅(qū)動(dòng)HEV“Chrysler EV”。

2.5 帶動(dòng)力分路裝置的混合方案

帶動(dòng)力分路裝置的混合方案屬于混聯(lián)式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括2個(gè)電機(jī)，即E1和E2，E1主要作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，E2主要用于調(diào)速，2個(gè)電機(jī)均可以作為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，如圖6所示。電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)一套行星齒輪組連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分配［6］。 此方案利用電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)這2個(gè)動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，同時(shí)電動(dòng)機(jī)在行駛中還可以發(fā)電。根據(jù)行駛條件的不同，可以?xún)H靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力來(lái)行駛，或者利用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛。

內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力被分成兩部分，一部分直接輸出至傳動(dòng)系用來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，另一部分通往電動(dòng)機(jī)，給電動(dòng)機(jī)供應(yīng)電力和HV蓄電池充電。

帶動(dòng)力分路裝置的混合方案在電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之間采用AC500V高壓電路傳輸，可以極大地降低動(dòng)力傳輸中電能的損耗，高效地傳輸動(dòng)力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率低時(shí)，此系統(tǒng)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，車(chē)輛依靠電機(jī)動(dòng)力行駛。同時(shí)，此方案極大地增加了減速和制動(dòng)過(guò)程中的能量回收，提高能量的利用率［7］。

此方案最典型的應(yīng)用案例是豐田公司PRIUS（普銳斯）油電混合動(dòng)力車(chē)。此外，寶馬公司也推出了采用此方案的混合動(dòng)力車(chē)型。

2.6 路況決定方案

此方案中，車(chē)輛的前驅(qū)橫置系統(tǒng)保持不變，后軸則用1個(gè)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。在不同的電池儲(chǔ)電狀態(tài)下，通過(guò)后軸實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)和能量回收。由路況決定的混合動(dòng)力，方案如圖7所示。

為了實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)停止／起動(dòng)，車(chē)輛首先通過(guò)后軸大功率純電動(dòng)模式起步，同時(shí)同步起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)。除了混合功能外，在發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)功率極限內(nèi)，可按需要以任何比例分配前后軸的轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)。不同路況下，可以產(chǎn)生不同的驅(qū)動(dòng)條件。

美國(guó)克萊斯勒公司和日本豐田公司都推出過(guò)采用路況決定方案的混合動(dòng)力車(chē)型。

2.7 ESG

ESG（Electric starter generator電動(dòng)變速器）是將雙離合器的性能和一種弱混合動(dòng)力的功能結(jié)合在一起的混合方案。此方案電動(dòng)機(jī)不再布置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間，而是與變速器做成一體，將電動(dòng)機(jī)安裝到偶數(shù)檔齒輪箱的傳動(dòng)分支上，如圖8所示。圖8中下部為奇數(shù)檔位和離合器K1，稱(chēng)為1號(hào)變速器，上部為偶數(shù)檔位和離合器K2，稱(chēng)為2號(hào)變速器。

ESG方案可實(shí)現(xiàn)以下工作模式。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)2號(hào)變速器掛上偶數(shù)檔運(yùn)行時(shí)，離合器K2接合，離合器K1分離。起動(dòng)機(jī)SG通過(guò)離合器K2直接與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)檔位行駛。當(dāng)1號(hào)變速器掛上奇數(shù)檔運(yùn)行時(shí)，離合器K1接合，同時(shí)根據(jù)換檔策略，2號(hào)變速器預(yù)先選定一個(gè)偶數(shù)檔位或者掛入空檔。如果2號(hào)變速器掛入空檔，離合器K2將會(huì)接合，以便傳遞發(fā)電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩。如果在2號(hào)變速器中預(yù)先選定一個(gè)偶數(shù)檔位，離合器K2將會(huì)分離，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)離合器K1和2個(gè)掛入的檔位驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

2）電機(jī)起動(dòng)／行駛模式。如果電機(jī)的功率和電池的容量足夠大，就可以實(shí)現(xiàn)純電力驅(qū)動(dòng)。此時(shí)，2個(gè)離合器都分離，并根據(jù)車(chē)速和負(fù)荷的大小，將轉(zhuǎn)矩傳遞給驅(qū)動(dòng)輪。

3）制動(dòng)能量回收模式。為了有效地利用制動(dòng)能量，在汽車(chē)滑行時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力總成脫開(kāi)。此時(shí)，由電機(jī)承擔(dān)汽車(chē)減速的任務(wù)，電機(jī)根據(jù)汽車(chē)車(chē)速、制動(dòng)踏板位置和經(jīng)過(guò)優(yōu)化的傳動(dòng)比阻力矩用于發(fā)電，于是汽車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。

4）停車(chē)空調(diào)模式。在ESG方案中，空調(diào)壓縮機(jī)通過(guò)傳統(tǒng)的電磁離合器與電機(jī)連接。在行駛中由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)2號(hào)變速器輸入軸實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)。在停車(chē)階段，2號(hào)變速器掛入空檔，離合器K2分離，起動(dòng)機(jī)對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)實(shí)施電驅(qū)動(dòng)［8］。

德國(guó)魯克 （LUK）公司已經(jīng)造出了連接在一臺(tái)1.3L柴油機(jī)上的采用這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的樣車(chē)。

3 各種方案的對(duì)比

上述各種動(dòng)力系統(tǒng)布置方案在有限條件下的對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)比可以看出大部分方案均適用于中或強(qiáng)混合，只是取決于電動(dòng)機(jī)的尺寸。所有方案均可實(shí)現(xiàn)起動(dòng)／停止功能，而能量回收和電力驅(qū)動(dòng)需要由具有較高電功率等級(jí)的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。從兼容性上來(lái)講，帶動(dòng)力分路裝置方案只能應(yīng)用于特殊的傳動(dòng)系統(tǒng)，ESG方案只能應(yīng)用于雙離合器系統(tǒng)，其余方案均可與原變速系統(tǒng)相容。

4 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)各種混合動(dòng)力方案淘汰、優(yōu)化、集中的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中起決定作用的問(wèn)題是：混合動(dòng)力汽車(chē)必須實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)還是僅僅達(dá)到節(jié)油的目的。這將決定是強(qiáng)混合還是中混合方案能取得最終的突破。

表1 混合動(dòng)力系統(tǒng)布置方案對(duì)比

［1］段巖波，張武高，黃震.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)分析［J］.柴油機(jī)，2003（1）：9，49-52.

［2］秦大同，舒紅，胡建軍.輕度混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力性能仿真及動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40（2）：78-82.

［3］劉永剛，秦大同，葉明.ISG型中度混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能仿真［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2011，21（5）：121-126.

［4］葉先軍，趙韓，張炳力，等.BSG混合動(dòng)力轎車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［J］.汽車(chē)技術(shù)，2008（6）：24-27.

［5］曹明柱.混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)研究［D］.合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

［6］李建如，孫芳 .Prius混合動(dòng)力系統(tǒng)分析［J］.上海汽車(chē)，2007（5）：3-7.

［7］高惠民.豐田普銳斯電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)解析［J］.汽車(chē)維修與保養(yǎng)，2007（5）：28-31.

［8］錢(qián)人一.德國(guó)魯克 （LUK）公司的混合動(dòng)力方案 （上）［J］.汽車(chē)與配件，2005（10）：31-33.