串联式混合动力汽车(SHWV)以电动机作为驱动装置,发动机作为辅助动力装置,以提高行驶里程。由图4-2(左图)可以看出,串联式混合动力汽车动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成,它们之间用串联的方式组成的动力单元系统,发动机驱动发电机发电,电能通过控制器输送到电池或电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车。 发动机只作为动力源驱动发电机发电,电能通过控制器输送到电池或电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车,驱动系统只是电动机。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮,大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。在这种联结方式下,电池就像一个水库,只是调节的对象不是水量,而是电能。
电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节,从而保证车辆正常工作。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时,发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能;当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时,则由电池组驱动电动机,当电池组缺电时则由发动机一发电机组向电池组充电。整体工作过程如图4-3所示。
串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况,可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转,通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况,从而提高了发动机的效率,减少了废气排放。但是它的缺点是能量转换步骤较多,机械效率较低。
典型的有丰田公司的 Coaster及法国雷诺的 Espace,如图4-4所示。
小负荷时仅由电池驱动电动机驱动车轮,实现零排放;大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时,发动机一电动机组和电池组共同向电动机提供电能;
当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时,则由电池组驱动电动机,当电池组缺电时则由发动机发电机组向电池组充电。
下面对串联式混合动力汽车的不同工况的能量流动路线进行具体分析(1)在市区行驶时,如果电池完全充满,则选用纯电池驱动方式。传动系统能量流如图4-5所示。
(2)当电池电量较低时,发动机被启动,并将其设置在最大功率工作点上,发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电。如图4-6所示。
(3)当汽车发动机提供的最大功率低于汽车所需的功率时,电池将提供这部分差额功率。如图4-7所示。
(4)在刹车或减速时,电动机起到发电机的作用,使部分动能转化为电能存储在电池里。如图4-8所示。
串联式混合动力驱动系统的三种基本控制模式,可以参考图4-9理解。
(1)主要利用电池来驱动车辆,仅当SOC降低到最小限值时,发动机才起动,发动机在最高效率区以输出恒定功率的方式工作,当SOC回升到最大限值时发动机关机。
(2)“负荷跟随”控制模式。
(3)上述两种控制模式的一个折中方案。
PHEV采用发动机和电动机两套驱动系统。可采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或发动机和电动机联合驱动3种工作模式,如图4-10所示。
与串联相比,PHEV的优点是并联仅用到电动机和发动机,并且发动机和电动机的最大功率较小而缺点是由于发动机与推进系统是共轴连接的,所以并联需要离合器,这使得并联结构复杂控制难度大。本田的 Accord和 Civic采用的是并联式联结方式,如图4-11所示。
图4-12为并联式混合动力系统示意图。并联结构的特征是以机械形式进行复合,发动机通过变速装置和驱动桥直接相连,电机可同时用作电动机或发电机以平衡发动机所受的载荷,使其能在高效率区域工作。
下面对并联式混合动力汽车不同工况的能量流路线进行具体分析常规的传动系统能量流如图4-13所示。
(1)在起步、坡道或加速阶段,发动机运转,发动机只为耦合器提供总功率的一部分,离合器闭合将扭矩输入变速箱,同时动力电池组释放电能,经逆变器将直流电转换为交流电,给动力电机供电,动力电机也将扭矩输入变速箱驱动电机转动,发动机和电机共同将动力输入变速箱、后桥从而驱动车辆加速行驶。实现“功率辅助”是目的,传动传统能量流如图4-14所示。
(2)当车辆制动、减速、停车时,驱动桥传来的惯性扭矩,经变速箱带动电机运转,电机转换为发电机工作状态,起到发动机的作用。所发出的交流电经逆变器转换为直流电,对电池组进行充电。
如图4-15所示。
(3)当电池电量较低时,发动机被启动,并将其设置在最大功率工作点上,发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电,如图4-16所示。
(4)在市区行驶时,如果电池完全充满,则选用纯电池驱动方式,离合器分离,动力电池组释放电能,经逆变器将直流电转换为交流电,给动力电机供电,动力电机将扭矩输入变速箱、后桥,从而驱动车辆行驶。传动系统能量流如图4-17所示。
(5)在高速巡航时,由发动机驱动,此时相当于传统燃油汽车运行。当车辆采用发动机单独驱动模式运行时,发动机运转,离合器闭合,将扭矩输入电机、变速箱、后桥,从而驱动车辆行驶。
如图4-18所示。
并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车,发动机与电动机分属两套系统,可以分别独立地向汽车传动系统提供扭矩,在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时,电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力,一旦汽车车速达到巡航速度,汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用,又称为电动一发电机组。由于没有单独的发电机,发动机可以直接通过传动机构驱动车轮,这种装置更接近传统的汽车驱动系统,机械效率损耗与普通汽车差不多,得到比较广泛的应用。
