俞駿

摘要：隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，環(huán)境污染的情況正在日愈惡劣，因?yàn)槌鞘熊囕v排氣造成的溫室效應(yīng)現(xiàn)象也嚴(yán)重威脅到了人們的生存環(huán)境，在目前還未有較好的解決方案的情況下，只能降低城市車輛的尾氣排放量，為了解決這一情況發(fā)明了混合式動(dòng)力汽車，混合式動(dòng)力汽車對(duì)比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車經(jīng)濟(jì)效益更高，在動(dòng)力系統(tǒng)方面能源轉(zhuǎn)換性能好，能夠有效解決城市擁擠以及降低尾氣排放，本文就現(xiàn)代三種混合動(dòng)力車輛的使用情況進(jìn)行分析，并且從實(shí)際應(yīng)用情況出發(fā)，為混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)選擇優(yōu)化提出建議。

Abstract： With the rapid development of modern science and technology， the situation of the environment is becoming worse and worse. The greenhouse effect caused by vehicle exhaust phenomenon is a serious threat to people's living environment. Hybrid vehicle is one of the good solutions to reduce exhaust emissions. Compared with the traditional internal combustion engine， hybrid system has the higher economic benefits and the better energy conversion performance in power system. Which can effectively solve the city congestion and reduce emissions. Hybrid system is analyzed according to the practical application in this paper. Parameter selection and optimization of hybrid electric vehicle power system are proposed.

關(guān)鍵詞：參數(shù)選擇;動(dòng)力系統(tǒng);混合動(dòng)力車輛

Key words： parameter selection;powertrain;hybrid electric vehicle

中圖分類號(hào)：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0085-03

1 ?混合動(dòng)力車輛概述

混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力系統(tǒng)的功能包括能源存儲(chǔ)、能源轉(zhuǎn)換和能源傳輸?shù)鹊?，主要設(shè)備由發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系三部分作為核心，發(fā)電機(jī)將原始能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)裝置直接向發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換裝置為油箱，但混合式動(dòng)力汽車的發(fā)電機(jī)擁有能源轉(zhuǎn)換功能，所以可以實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換和燃油轉(zhuǎn)換兩種形式的供給，發(fā)動(dòng)機(jī)是動(dòng)力系統(tǒng)中可直接控制車輪的機(jī)械能裝置，與發(fā)動(dòng)機(jī)緊密相關(guān)，而傳動(dòng)系可以確保整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)部件之間的協(xié)調(diào)配合，其中通過調(diào)整發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率值，可以使整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)在滿足負(fù)載需求的情況下，能耗維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平（見圖1）。

目前，不同型號(hào)的混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上各有差異，設(shè)備之間的優(yōu)缺點(diǎn)以不同的組合模式區(qū)分，在實(shí)際使用情況中所觀察到的效果也不同，具體可分為串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛，并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛以及混連式混合動(dòng)力車輛。

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛動(dòng)力系統(tǒng)控制模式

串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的發(fā)電機(jī)僅作為發(fā)電裝置，產(chǎn)生的能量直接可以供給發(fā)動(dòng)機(jī)，而傳動(dòng)系與兩者之間的連接構(gòu)成并不復(fù)雜，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成動(dòng)力系統(tǒng)，傳動(dòng)系在這其中只是發(fā)揮輔助作用，因?yàn)闃?gòu)成簡(jiǎn)單，所以串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的能源控制模式并不復(fù)雜，例如當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率超標(biāo)時(shí)，發(fā)電機(jī)將會(huì)把部分電能轉(zhuǎn)換到充電狀態(tài)，以此來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，因?yàn)檫@部分的特殊設(shè)計(jì)，所以串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的蓄電池也可以單獨(dú)作為供電系統(tǒng)，蓄電池與發(fā)電機(jī)之間的協(xié)調(diào)配合是串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的特點(diǎn)所在。

不過串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力系統(tǒng)雖然具備了高性能、高容量和高質(zhì)量的三大特點(diǎn)，并且實(shí)際操控非常簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)在于動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備安裝困難，并且因?yàn)橥ㄟ^優(yōu)化發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接方式，所以傳動(dòng)系的能源轉(zhuǎn)換功能并不能有效的發(fā)揮，在能源轉(zhuǎn)換方面主要由發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)，這就導(dǎo)致熱能極大部分會(huì)在工作過程中被轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的燃油消耗量會(huì)大幅提升。

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的圖示如圖2。

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛動(dòng)力系統(tǒng)控制模式

并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力系統(tǒng)擁有許多機(jī)電控制部件作為輔助，核心部件與串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛相同，但是在設(shè)計(jì)方向上有所出入，并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部分裝置直接連接，例如發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸就是直接進(jìn)行支架連接，所以可以組合成多個(gè)高能耗的動(dòng)態(tài)模型。

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的圖示如圖3。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸是直接相連的，所以并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的發(fā)電機(jī)同樣可以作為推進(jìn)系統(tǒng)中的一環(huán)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，為整車提供的動(dòng)力會(huì)通過驅(qū)動(dòng)軸更好地發(fā)揮性能，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載條件好，使其可以在更高的功率區(qū)間進(jìn)行工作，加速性能與爬坡性能更加優(yōu)秀。

1.3 混連式混合動(dòng)力車輛動(dòng)力系統(tǒng)控制模式

混連式混合動(dòng)力車輛動(dòng)力系統(tǒng)的工作性能結(jié)合了串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛與并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的特點(diǎn)，發(fā)電機(jī)機(jī)械能的功能途徑增加（多于串聯(lián)式），電能的傳輸路線增加（多于并聯(lián)式），這部分設(shè)計(jì)讓混連式混合動(dòng)力車輛的整體性能最佳，實(shí)際使用過程中的特點(diǎn)體現(xiàn)在低速啟動(dòng)時(shí)或是正常運(yùn)行時(shí)會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，依靠發(fā)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)合而成的電動(dòng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而可以有效節(jié)能，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益。

混連式混合動(dòng)力系統(tǒng)的圖示如圖4。

混連式混合動(dòng)力車輛的發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的連接特點(diǎn)在于采用了行星齒輪，行星齒輪在機(jī)械連接方面精密性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，比起一般的支架結(jié)構(gòu)更為堅(jiān)固，連接部位不容易出現(xiàn)斷裂或松懈的情況，將行星齒輪應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)之間，能夠讓動(dòng)力系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)裝置以及變速器之間的協(xié)調(diào)性大大提升，而發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸直接對(duì)應(yīng)，這樣就可以增強(qiáng)車輛的驅(qū)動(dòng)性能，不過因?yàn)檫B接方式過于復(fù)雜，動(dòng)力系統(tǒng)需要更多的支架部件作為輔助，所以安裝起來極其困難，整體設(shè)計(jì)尤為繁瑣。

2 ?混合動(dòng)力車輛不同類型之間的動(dòng)力系統(tǒng)使用情況

通過不同類型的混合動(dòng)力車輛的動(dòng)力系統(tǒng)特點(diǎn)以及實(shí)際工作狀態(tài)，可以了解到設(shè)計(jì)方面不同的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，基于這種情況才能合理進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，采取科學(xué)直觀的比較方法來制定混合動(dòng)力車輛動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選擇優(yōu)先事項(xiàng)。

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的工作狀態(tài)有以下常見四種分類

①當(dāng)車輛處于正常行駛或是加速的狀態(tài)時(shí)（功率不超標(biāo)），串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的發(fā)電機(jī)獨(dú)立向動(dòng)力系統(tǒng)提供能源，特殊情況下會(huì)與蓄電池一同發(fā)電，在這個(gè)過程中兩者需要能源轉(zhuǎn)換器作為中間協(xié)調(diào)，部分機(jī)械能通過轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換為電能，以此起到節(jié)能功效。

②當(dāng)車輛處于慢行或是輕載狀態(tài)時(shí)，對(duì)于驅(qū)動(dòng)車輪的發(fā)動(dòng)機(jī)功率要求不高，所以發(fā)電機(jī)供電電壓較低，就會(huì)配合發(fā)動(dòng)機(jī)的功率而將能源供給蓄電池充電，當(dāng)串聯(lián)式混合汽車的蓄電池容量達(dá)標(biāo)后會(huì)自行停止。

③當(dāng)車輛制動(dòng)或是減速時(shí)，串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的發(fā)電機(jī)發(fā)電功率在短時(shí)間內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)出大幅降低的情況，降低以后會(huì)配合發(fā)動(dòng)機(jī)的功率而將能源供給蓄電池，這就是車輛的串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，以此達(dá)到節(jié)能目的，雖然其它類型的混合動(dòng)力車輛同樣具備這個(gè)功能，但串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的作用更加靈敏。

④當(dāng)車輛處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，用戶可以通過蓄電池儲(chǔ)能情況，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，向發(fā)動(dòng)機(jī)提供電力，期間因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)功率提升會(huì)需要功率轉(zhuǎn)換器作為緩沖，以保障串聯(lián)式混合電動(dòng)車的使用安全。

主要?jiǎng)恿Ψ峙淙鐖D5所示。

2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的工作狀態(tài)有以下常見幾類

①當(dāng)車輛處于正常行駛或是輕載狀態(tài)時(shí)，并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立工作，功率提升較大時(shí)需要發(fā)電機(jī)一起進(jìn)行車輛驅(qū)動(dòng)，一般狀態(tài)下發(fā)電機(jī)不會(huì)參與驅(qū)動(dòng)工作。

②當(dāng)車輛處于緊急制動(dòng)或是慢行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率過低，能源轉(zhuǎn)換器發(fā)揮作用，將發(fā)電機(jī)的部分能源轉(zhuǎn)換到蓄電池進(jìn)行充電。

③當(dāng)車輛處于快行或是重載狀態(tài)，并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)功率大幅提升，發(fā)電機(jī)在提供能源的同時(shí)參與驅(qū)動(dòng)工作。

主要?jiǎng)恿Ψ峙淙鐖D6所示。

2.3 混連式混合動(dòng)力車輛的工作狀態(tài)有以下常見四種分類

①當(dāng)車輛處于正常行駛或是輕載狀態(tài)時(shí)，混連式混合動(dòng)力車輛的發(fā)電機(jī)可以完全關(guān)閉，僅僅依靠蓄電池的電能容量進(jìn)行工作即可，能源消耗低，或是蓄電池關(guān)閉，發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)主要供能。

②當(dāng)混連式混合動(dòng)力車輛進(jìn)行加速時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)聯(lián)合起來一同負(fù)責(zé)進(jìn)行車輛驅(qū)動(dòng)，能夠更為平均的承擔(dān)車輛所需要的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。

③當(dāng)車輛處于慢行狀態(tài)時(shí)，混連式混合動(dòng)力車輛的發(fā)電機(jī)因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)功率過低，會(huì)將大部分電源轉(zhuǎn)換到蓄電池充電模式。

④當(dāng)車輛處于停車狀態(tài)時(shí)，表盤會(huì)顯示出蓄電池的電源情況，司機(jī)可以以此作為參考，選擇合適的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)功率作為不同動(dòng)力輸出模式的切換條件。

主要?jiǎng)恿Ψ峙淙鐖D7所示。

3 ?混合動(dòng)力車輛動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)分析

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇考慮因素

發(fā)動(dòng)機(jī)作為核心功能裝置，是混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵部件，發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇應(yīng)當(dāng)選擇扭矩范圍小的型號(hào)，因?yàn)榕ぞ胤秶≡隍?qū)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速快，運(yùn)行效果更有效率，發(fā)動(dòng)機(jī)主要由電氣設(shè)備與控制部件組成，其性能質(zhì)量會(huì)對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)運(yùn)行起到直接影響的關(guān)系，選擇發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的考慮因素應(yīng)當(dāng)以控制穩(wěn)定作為基礎(chǔ)，然后再去考慮設(shè)備運(yùn)行的高功率與高密度。

如何判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)具體可以參考生產(chǎn)方提供的最高速度，最高速度能夠較為直觀的反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的加速能力與驅(qū)動(dòng)能力，對(duì)于使用需求的功率有著一定的保障。一般發(fā)動(dòng)機(jī)的選型，先參考整車的性能要求來確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇流程參考圖8。

3.2 發(fā)電機(jī)參數(shù)選擇考慮因素

發(fā)電機(jī)在動(dòng)力系統(tǒng)中作為主要能源供給部件，其地位不言而喻，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有著直接的機(jī)構(gòu)連接關(guān)系，所以在工作過程中可以將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，必要時(shí)通過能源轉(zhuǎn)換器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，而且其本身還屬于驅(qū)動(dòng)裝置的一環(huán)可以獨(dú)立工作，所以關(guān)于發(fā)電機(jī)的參數(shù)選擇，首要應(yīng)當(dāng)關(guān)注發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率，然后再到型號(hào)體積，因?yàn)檩^高的發(fā)電效率對(duì)于車輛驅(qū)動(dòng)而言能夠擁有更多的能源供給，而體積較小的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸在進(jìn)行機(jī)械連接方面更為輕巧便捷，能夠有效提高能源傳輸特性，除此之外，發(fā)電機(jī)的參數(shù)選擇還需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)是如何選擇的，要以發(fā)動(dòng)機(jī)的功率參數(shù)作為基礎(chǔ)，二者之間協(xié)調(diào)統(tǒng)一才能發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。一般選發(fā)電機(jī)都是先確認(rèn)總的負(fù)載功率，再選定發(fā)電機(jī)的額定功率來維持整個(gè)互動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行（見圖9）。

3.3 蓄電池類型以及參數(shù)選擇考慮因素

蓄電池主要作用于能源存儲(chǔ)功能，配合發(fā)電機(jī)一起為混合動(dòng)力車輛一起供能，其與能源轉(zhuǎn)換裝置緊密聯(lián)系，可以在儲(chǔ)存能源的同時(shí)進(jìn)行能源轉(zhuǎn)換，例如在前文中提及到三種類型混合動(dòng)力車輛中都可以看出，不同狀態(tài)下蓄電池與發(fā)電機(jī)的工作模式也會(huì)同時(shí)變化，而關(guān)于蓄電池的選型主要以電池容量與性能作為參考即可，例如現(xiàn)在所開發(fā)出來的鉛酸蓄電池是最佳的選型之一，優(yōu)點(diǎn)在于成本低，工藝可靠以及電壓高與容量大等等，適用于發(fā)電機(jī)進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換時(shí)的能源輸出，因?yàn)殂U酸蓄電池?fù)碛休^為良好的耐高溫性能，并且在發(fā)電機(jī)給蓄電池進(jìn)行充電時(shí)候的速度更快，除此之外，關(guān)于蓄電池參數(shù)選擇具體可以參考電池容量，電池容量越大說明能量?jī)?chǔ)存能力也越強(qiáng)，但是蓄電池的容量越大也意味著體積相應(yīng)要增大，因此需要綜合考慮到整體動(dòng)力系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇，配合發(fā)電機(jī)相互協(xié)調(diào)從全局出發(fā)。

電池的選擇因素有很多，圖10可作為參考。

4 ?總結(jié)

混動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選擇需要結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行需求確認(rèn)，其最終目的是通過調(diào)整混合動(dòng)力系統(tǒng)中的參數(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)行的全過程中，保證混合動(dòng)力系統(tǒng)中的各單元持續(xù)按照最佳經(jīng)濟(jì)性的輸出比例進(jìn)行工作，達(dá)到整體系統(tǒng)的最低能耗。

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