串联式混合动力电动汽车系统结构如图3-1所示,它主要由发动机、发电机、功率转换器、电机控制器、驱动电机、动力电池系统及车载充电机等部件组成。在串联式混合动力电动汽车上,由发动机带动发电机所产生的电能和动力电池输出的电能,共同输出到驱动电机来驱动汽车行驶,电力驱动是唯一的驱动模式。发动机与发电机直接连接产生电能,来驱动电机或者给动力电池充电。驱动电机直接与驱动桥相连,汽车行驶时的驱动力由驱动电机输出。当动力电池的荷电状态SOC值降到一个预定值时,发动机即开始对动力电池进行充电，来延长混合动力电动汽车的续驶里程。另外,动力电池系统还可以单独向驱动电机提供电能来驱动电动汽车,使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。发动机与驱动系统并没有机械地连接在一起,这种方式可以很大程度地减少发动机所受到的车辆瞬态响应。瞬态响应的减少可以使发动机进行最优的喷油和点火控制,使其在最佳工况点附近工作。
串联式混合动力系统的关键特征是在功率转换器中两个电功率被加在一起。该功率转换器起电功率耦合器的作用,控制从动力电池和发电机到驱动电机的功率流,或反向控制从驱动电机到动力电池的功率流。
串联式混合动力电动汽车的发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的运转状态,使有害排放气体控制在最低范围。串联式混合动力电动汽车从总体结构上看,比较简单,易于控制,其特点更加趋近于纯电动汽车。发动机、发电机、驱动电机三大部件总成在电动汽车上布置起来,有较大的自由度,但各自的功率较大,外形较大,重量也较大,在中小型电动汽车上布置有一定的困难。另外在发动机→发电机→电机驱动系统中的热能→电能→机械能的能量转换过程中,能量损失较大。串联式混合动力电动汽车适用于大型汽车上,但小型汽车上也有应用。
美国通用汽车的沃蓝达混合动力系统采用的是串联式结构,如图3-2所示。沃蓝达混合
动力系统采用1台发动机、1台发电机和1台驱动电机对车辆进行综合驱动。动力电池采用的是容量为16kW·h的360V锂电池组,电池组呈T形布置,隐藏于后排座椅下及车身中部,以纯电动方式最高行驶里程可达80km。
沃蓝达混合动力系统由1台最大功率为111kW的驱动电机、1台55kW的发电机和1台1.4L自然进气、最大功率为63kW的发动机组成,发动机仅用于发电。其中功率较大的驱动电机主要用于驱动车辆,而功率较小的发电机主要用于发电,如图3-3所示。
发动机、发电机和驱动电机通过1个行星齿轮机构以及3个离合器组成动力产生/回收/分配系统,如图3-4所示。行星齿轮机构的太阳轮连接到驱动电机,行星架连接到减速机构,直接输出动力到车轮,而齿圈则根据实际情况连接到动力分配系统的壳体(固定)或者连接到发电机和发动机。
沃蓝达混合动力系统通过3个离合器来控制动力的分配,这3个离合器分别命名为C1、C2、C3。C1用于连接行星齿轮齿圈与动力分配系统的壳体(固定);C2用于连接发电机与行星齿轮齿圈;C3用于连接发动机与发电机。
沃蓝达混合动力系统一共有5种工作模式,分别为EV低速模式、EV高速模式、EREV混合低速模式、EREV混合高速模式以及能量回收模式。
(1)EV低速模式 处于EV低速模式时,C1吸合,C2、C3松开,发动机停转,仅由驱动电机驱动车辆,如图3-5所示。齿圈被固定,电池为驱动电机供电,推动太阳轮转动,行星架因太阳轮的转动而转动,把动力传输
到减速齿轮并传递到车轮。
(2)EV高速模式 处于EV高速模式时,C2吸合,C1、C3松开,发动机停转,发电机和驱动电机共同驱动车辆,如图3-6所示。电池为驱动电机和发电机供电,发电机充当驱动电机工作,推动齿圈转动。同时,功率较大的另一个驱动电机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传到车轮。发电机充当驱动电机推动齿圈转动,降低了与太阳轮连接的另一个驱动电机的转速,提高了其能源使用率。
(3)EREV混合低速模式 处于EREV混合低速模式时,C1、C3吸合,C2松开,发动机运转,发动机为电池充电,驱动电机驱动车辆,如图37所示。此时,发动机推动发电机发电,并为电池充电;同时电池为驱动电机供电,推动太阳轮转动,由于齿圈固定,行星架跟随太阳轮转动,从而把动力传到车轮。
(4)EREV混合高速模式：处于EREV混合高速模式时,C2、C3吸合,C1松开,发动机运转,发动机为电池充电的同时与驱动电机共同驱动汽车,如图3-8所示。发动机与发电机转子连接后推动齿圈转动同时发电,驱动电机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传到车轮。发动机推动齿圈转动,降低了与太阳轮连接的另一个驱动电机的转速,提高了其能源使用率。
(5)能量回收模式：处于能量回收模式时,C1吸合,C2、C3松开,发动机停转,驱动电机充当发电机回收来自车辆的动能,如图3-9所示。车轮带动行星架转动,由于齿圈固定,太阳轮随着行星架转动。此时,功率较大的驱动电机作为发电机对电池充电。
