宋佳 王鑫海 徐文龍 呂釗欽 穆桂脂

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 山東省泰安市 271018

1 引言

近年來隨著汽車保有量的大幅增加，能源短缺及環(huán)境污染問題日益凸顯，國際各大汽車制造商和研究學(xué)者也開始探索降低燃油消耗的新技術(shù)：通過一系列發(fā)動機(jī)改進(jìn)技術(shù)[1-2]、變速器技術(shù)[3]、車身設(shè)計[4-5]等手段可實現(xiàn)不同程度的整車節(jié)油效果。而混合動力汽車具有多個行駛模式，被認(rèn)為是當(dāng)前最具有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉雌嚒Ｎ覈畯摹笆濉本烷_始將發(fā)展新能源汽車作為我國的重大科技戰(zhàn)略需求和戰(zhàn)略重點(diǎn)，確定了“三縱三橫”研發(fā)布局，出臺了一系列政策以培育新能源汽車產(chǎn)業(yè)[6]。因此，混合動力汽車成為研究熱點(diǎn)。

混合動力汽車具有發(fā)動機(jī)和電動機(jī)兩個動力源系統(tǒng)，車輛具有多種行駛模式如：發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動、電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動或發(fā)動機(jī)電機(jī)混合驅(qū)動，并可以根據(jù)不同的行駛工況選擇合適的驅(qū)動/制動模式以實現(xiàn)良好的燃油經(jīng)濟(jì)性及動力性[7]。

混合動力汽車根據(jù)動力機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速耦合方式的不同，分為串聯(lián)式[8-9]、并聯(lián)式[10-11]和混聯(lián)式[12-13]。

串聯(lián)式混合動力汽車中車輪由電力系統(tǒng)驅(qū)動，發(fā)動機(jī)只作為能量儲存系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的能量儲存起來用作電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖1所示。發(fā)動機(jī)不直接參與驅(qū)動，理論上可以工作在任意低油耗區(qū)或者低排放區(qū)，但是能量轉(zhuǎn)化次數(shù)較多，能量利用率低[14]。

圖2給出了并聯(lián)式混合動力汽車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此時發(fā)動機(jī)和電機(jī)可共同或分別獨(dú)立驅(qū)動車輪，降低了能量轉(zhuǎn)化的損失，但發(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)無法在理論上工作于任意低排放或低油耗區(qū)[15-16]。

混聯(lián)式混合動力汽車中，如圖3所示，發(fā)動機(jī)的功率在動力系統(tǒng)有兩路能量傳遞路線，既可通過機(jī)械路徑驅(qū)動車輪又可轉(zhuǎn)換成電功率，通過動力耦合裝置實現(xiàn)電功率和機(jī)械功率的匯合。因此，該構(gòu)型又稱功率分流式混合動力汽車[17-18]。

圖1 串聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng)

圖中，F(xiàn)為燃油箱；E為發(fā)動機(jī)；M為電機(jī)；G為發(fā)電機(jī)；B為電池；T為變速箱；I為整流器；Spl為動力耦合裝置

2 串聯(lián)式混合動力電驅(qū)動系[19-20]

2.1 串聯(lián)式混合動力汽車的行駛狀態(tài)[21] ：

正常行駛時，發(fā)動機(jī)能夠始終運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳運(yùn)轉(zhuǎn)工況，燃油消耗率低，排放少。發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后在驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動車輛前進(jìn)。

圖2 并聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng)

圖3 混聯(lián)式混合動力汽車傳動系統(tǒng)

車輛行駛速度較低，所需驅(qū)動功率小，發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率超過電動機(jī)驅(qū)動功率需求，多余的功率儲存在蓄電池中；車輛行駛速度較高，所需驅(qū)動功率較大，電動機(jī)驅(qū)動車輛的電能來自于發(fā)動機(jī)和蓄電池。

2.2 串聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)缺點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)[22-23]：

1低負(fù)荷行駛時，可只用電能驅(qū)動，實現(xiàn)能實現(xiàn)“零污染”行駛；

2發(fā)動機(jī)與驅(qū)動輪之間沒有機(jī)械上的連接，原則上可以使發(fā)動機(jī)工作在任意轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩區(qū)域，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；

3只有電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，且易于控制，布置靈活的高；

5有利于制動能量的回收

存在缺點(diǎn)[24]：

1汽車啟動需要由電驅(qū)動系統(tǒng)克服行駛最大阻力，驅(qū)動電機(jī)需求功率較大，電機(jī)效率低；

2存在兩次能量轉(zhuǎn)換，能量利用率低，能量轉(zhuǎn)換總的效率低；

3驅(qū)動系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)之間的匹配要求較嚴(yán)格，應(yīng)能自動啟動或關(guān)閉驅(qū)動系統(tǒng)，以避免動力電池組過放電，這就需要更大的電池容量。

2.3 總結(jié)

串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)一般使用在大型客車，行駛在道路復(fù)雜的市區(qū)，可以完全以純電動行駛，不適用發(fā)動機(jī)，有效降低尾氣排放。隨著對蓄電池的研究，蓄電池的能量密度隨之加大，更加符合純電動的要求，因此串聯(lián)式混合動力電動汽車使用發(fā)動機(jī)的次數(shù)越來越少，最終會向純電動汽車的目標(biāo)邁進(jìn)。

3 并聯(lián)式混合動力電驅(qū)動系[25]

3.1 并聯(lián)式混合動力電動汽車的驅(qū)動模式[26-27] ：

并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)和電動機(jī)通過轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速耦合裝置耦合后驅(qū)動車輛前進(jìn)。在并聯(lián)式傳動系統(tǒng)中，功率傳遞路線有兩條，兩條路線獨(dú)立驅(qū)動，互不干擾。若其中一條故障，另一條仍可以驅(qū)動車輛。這種結(jié)構(gòu)可以使汽車以純電動行駛，或讓發(fā)動機(jī)工作在低排放區(qū)。

并聯(lián)式混合動力汽車有四種組合驅(qū)動方式：

1轉(zhuǎn)矩結(jié)合式

該結(jié)構(gòu)形式中，發(fā)動機(jī)直接經(jīng)傳動系統(tǒng)驅(qū)動車輛前進(jìn)，同時帶動發(fā)電機(jī)向蓄電池充電。當(dāng)需要大功率時，蓄電池提供電能帶動電動機(jī)，電動機(jī)和發(fā)動機(jī)同時驅(qū)動汽車。電動機(jī)也可以用來啟動發(fā)動機(jī)。

2轉(zhuǎn)速結(jié)合式

該結(jié)構(gòu)的傳動系統(tǒng)中存在一個離合器，用來連接發(fā)動機(jī)和“動力耦合器”，發(fā)動機(jī)或者電動機(jī)通過“動力耦合器”來驅(qū)動汽車。與傳動汽車的傳動結(jié)構(gòu)相比變化不大，電動機(jī)的連接結(jié)構(gòu)簡單?！皠恿︸詈掀鳌笨梢允拱l(fā)動機(jī)或電動機(jī)之間的轉(zhuǎn)速可以靈活的分配。

3驅(qū)動力結(jié)合式

該結(jié)構(gòu)可以使用小功率的發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動前輪，電力驅(qū)動系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動后輪。兩套驅(qū)動系統(tǒng)既可獨(dú)立驅(qū)動汽車又能相互配合，使車輛實現(xiàn)四驅(qū)。此種混合動力電動汽車具有四輪驅(qū)動的特性。

3.2 并聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)缺點(diǎn)[28-29] ：

結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：

1發(fā)動機(jī)與電動機(jī)直接向驅(qū)動輪提供能量，能量損失較小，整體效率較高；

2發(fā)動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的功率設(shè)計為汽車功率的50%-100%即可，因此可縮小整體的質(zhì)量和體積。

存在缺點(diǎn)：

1主要驅(qū)動模式是靠發(fā)動機(jī)驅(qū)動，因此傳動系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)汽車基本相似，發(fā)動機(jī)的廢氣排放高于串聯(lián)式；

2傳動系統(tǒng)除傳統(tǒng)組件，如：離合器、變速器、傳動軸和驅(qū)動器等，還有驅(qū)動電機(jī)、電池組、動力耦合裝置，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，控制困難。

3.3 總結(jié)

因此，并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)最適合高速、大功率行駛，工況穩(wěn)定，價格較低，因此，在電池技術(shù)問題徹底解決之前，它會成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品。

4 混聯(lián)式混合動力電驅(qū)動系[30-31]

4.1 混聯(lián)式混合動力的優(yōu)缺點(diǎn)[32-33] ：

結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

1、可以有更多工作模式可供選擇，燃油經(jīng)濟(jì)性更佳；

2、傳動系統(tǒng)整天平順性更好。

存在的缺點(diǎn)有：

1、傳動系統(tǒng)復(fù)雜，布置困難；

2、動力部件太多，系統(tǒng)控制難度高。

4.2 混聯(lián)式混合動力的分類

4.2.1 同軸混聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)[34-35]

同軸混聯(lián)式結(jié)構(gòu)增加了起動發(fā)電一體機(jī)(ISG)，與發(fā)動機(jī)安裝在一起，可以快速啟停發(fā)動機(jī)、調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)功率。ISG電機(jī)的另一側(cè)與離合器相連，通過離合器直接驅(qū)動車輛。當(dāng)離合器斷開時，發(fā)動機(jī)在高效率去工作，發(fā)動機(jī)拖轉(zhuǎn)ISG電機(jī)為蓄電池充電，車輛由驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動，此時處于串聯(lián)狀態(tài)；當(dāng)離合器結(jié)合時，發(fā)動機(jī)直接進(jìn)入動力系統(tǒng)，此時處于并聯(lián)狀態(tài)。

同軸混聯(lián)式系統(tǒng)構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)：

1)系統(tǒng)構(gòu)型方案簡單，易于實現(xiàn)；

2)系統(tǒng)串并聯(lián)切換運(yùn)行可應(yīng)對復(fù)雜交通工況，通過不同模式切換促進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)性；

3)大功率電機(jī)直驅(qū)車輪保證了整車動力性也最大化了制動能量回收的程度。

同軸混聯(lián)式系統(tǒng)構(gòu)型的缺點(diǎn)：

1)ISG電機(jī)、大功率電機(jī)、大容量電池，使系統(tǒng)成本增加；

2)大功率電機(jī)直驅(qū)不能滿足所有道路工況，行駛在多坡道道路時適應(yīng)性下降。

4.2.2 行星齒輪傳動混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)[36-37]

該結(jié)構(gòu)兼顧串聯(lián)式和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的能量傳輸路線，通過能量管理策略進(jìn)行控制，使行星齒輪傳動混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)具有了并聯(lián)式和串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，從而能夠工號的協(xié)調(diào)各動力部件，使動力系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，從而保證該動力系統(tǒng)在各種工況下使汽車運(yùn)行于最佳狀態(tài)。

行星齒輪混聯(lián)式構(gòu)型方案的優(yōu)點(diǎn)[38]：

1)由于行星排結(jié)構(gòu)的特殊性，可以通過調(diào)節(jié)任意兩個構(gòu)件的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使另一個構(gòu)件轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩為0。這樣可以去掉離合器，通過調(diào)節(jié)行星排轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來起到發(fā)動機(jī)平穩(wěn)起步的效果。去掉離合器，不僅簡化的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時使系統(tǒng)的模型簡化，省去控制過程的不連續(xù)性和非線性；

2)可以實現(xiàn)純電行駛、怠速停機(jī)模式等，最大限度提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性。

行星齒輪傳動混聯(lián)式構(gòu)型方案的缺點(diǎn)：

1)行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，控制難度大；

2)不適于較大負(fù)荷的轉(zhuǎn)矩傳輸，更適合小型乘用車。

綜上，行星齒輪混聯(lián)式動力系統(tǒng)對于各種道路運(yùn)行工況都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，無論是在高速公路上還是在市區(qū)工況中行駛，其經(jīng)濟(jì)性和排放都具有優(yōu)勢。