并联式混合动力汽车有两套驱动系统,分别为发动机和电动机驱动。它们既可独立工作,也可协调工作,共同驱动。从结构上可以将并联式混合动力结构分为单轴式和双轴式两种形式。 2.1.2.1单轴式并联混合动力系统单轴式并联混合动力系统结构如图2-5所示,发动机和电动机的输出轴采用了同一根传动轴,这有利于电动机和变速箱结构的体化模块设计,便于批量生产中的模块化供货和整车装配。单轴并联结构的合成方式为转矩合成。这种结构将导致发动机和电动机两者每时每刻的转速值均为同一值,限制了电动机的工作区域。 下面介绍两种典型的采用单轴式并联混合动力系统的样车。
(1)福特 Prodigy LSR轿车福特汽车公司 Prodigy轿车是一种低储能(LSR)型并联式混合动力汽车(图2-6),采用4A·h小而轻的镍氢电池来储存电能,使整车的质量降低,整车的整备质量只有1083kg,比同类型的家庭型轿车轻约450kg。
① Prodigy LSR轿车的技术性能见表2-2。
② Prodigy LSR轿车的结构如图27所示。
a.发动机 Prodigy LSR轿车配置直列四缸1.2L、四气门直喷式 DLATA发动机。 DLATA发动机是一种高性能和高效率的发动机,发动机的功率为54.4kW,转矩为153N·m。发动机装在汽车的前部,通过自动离合器、MTX75型五挡变速器、主减速齿轮和差速器齿轮,带动汽车前轴转动。
b.电动/发电机 Prodigy LSR轿车发动机的输出轴上装有电动/发电机,电动/发电机是一台交流感应电机,用交流变频器控
制,最大输出功率仅为8kW,它代替发动机的飞轮和发动机的启动电动机,在发动机启动时快速启动发动机,在发动机运转时,将所发出的电能储存到动力电池组中。在汽车加速或爬坡时,电动/发电机还可以转换为电动机,辅助发动机工作,提供功率为8kW的辅助动力。
c.动力电池组 Prodigy LSR轿车的 VARTA动力电池组由多个12V的单体镍氢电池组成,只有4A·h的容量,总功率为22kW,能量为1.1kW。h③ Prodigy LSR轿车的管理系统且a.操纵装置 Prodigy LSR轿车装有自动换挡的手动变速器。
自动换挡的手动变速器操作十分方便,具有手动变速器的效率,又比类似的自动变速器效率高20%,驾驶员可以采用自动换挡模式或选择其他换挡模式来操纵车辆。
b.多能源动力总成管理系统 Prodigy LSR轿车采用中央控制器和多个控制模块对发动机、电动/发电机(S/A)和自动换挡的手动变速器进行自动控制,主要有以下几方面。
1.福特汽车公司在 Prodigy LSR轿车上,采用了福特汽车公司首创 DLATA质量很小的铝合金发动机。发动机控制模块用启动、关闭的方式控制发动机,发动机始终保持在低油耗、高效率的最佳工况下运转。这些措施使 Prodigy LSR轿车燃料消耗量降低到3.3L/100km。
ⅱ. Prodigy LSR轿车的发动机输出轴上装的电动/发电机最大输出功率仅为8kW,电动/发电机的质量非常小,仅在汽车发动机启动时和汽车加速或爬坡时,才输出动力辅助发动机工作Prodigy LSR的电动/发电机可以迅速达到最大转矩,使发动机的启动时间由250ms降低到100ms,发动机控制模块控制发动机在车辆减速或停车时,发动机自动熄火,车辆一起步发动机立即重新启动,驾驶员甚至察觉不到发动机曾经熄火。
c.驱动模式.发动机驱动模式 Prodigy LSR轿车主要以发动机驱动模式来驱动前轮转动。发动机的启动依靠电动/发电机来带动,发动
机不需要启动电动机。
ⅱ.混合驱动模式当车辆加速或爬坡需要最大的动力时,发动机的节气门开度最大,电动/发电机转换为电动机,形成发动机电动/发电机共同驱动的混合驱动模式,混合动力在发动机输出轴上组合后,共同通过变速器、驱动桥等带动车轮转动。电动/发电机的控制模块使动力电池组在受控状态下输出的电流比较平稳,可以保护电池组并延长电池组的寿命。采用燃料电池后, ProdigyLSR轿车的节能性能还将进一步提高ⅲ.再生制动能量回收 Prodigy LSR轿车在制动时,电动/发电机能够回收再生制动时的能量,转换为电能储存到动力电池组中。在制动过程中,自动离合器会自动分离(2)本田 Insight和 Civic混合动力车1997年,本田汽车公司开发出第一代混合动力系统( integratedmotor assist,IMA)。1999年12月,搭载IMA系统的 Insight混合动力车(图28)在美国正式上市,本田汽车公司成为第一个在北美销售混合动力车的公司。2003年,装配第二代IMA系统的四门小型轿车Civic投放市场,深受消费者欢迎,它们均为并联式混合动力车。
到2005年4月,本田混合动力车全球销量突破了10万辆。
①混合动力系统和工作过程 第四代IMA系统的主要部件包括一个1.3L、VTEC 4缸汽油机,一个高功率的超薄永磁同步电
机,一个无级变速器(CVT)和一个智能动力单元( intelligentpower unit,IPU)。智能动力单元由一个动力控制单元( powercontrol unit,PCU)、一组高性能镍-氢电池和一个空调控制单元组成。汽油机和电动机布置在车的前部,智能动力单元布置在车的后部,布置形式如图2-9所示。IMA系统工作过程如下。
a.启动加速 发动机以低速配气正时状态运转,同时电动机提供辅助能量。
b.急加速 发动机以高速配气正时状态运转,此时电池会提供额外的功率给电动机,与发动机共同驱动车辆,改善整车的加速性能。
c.低速巡航 发动机的4个气缸阀门全部关闭,燃烧停止,动力系统以纯电动状态驱动车辆。
d.一般加速或高速巡航 发动机以低速配气正时状态运转单独驱动车辆。
e.减速 发动机关闭,电动机此时转变为一个发电机,在控制传输系统的帮助下将机械能最大限度地转化为电能,存储到电池组中。
f.停车 发动机自动关闭,减少燃料损失和排放。
②发动机 2006年款 Civic混合动力1.3L发动机以2005年款1.32L发动机为基础,对部件进行了改进。主要采用了可变气门配气相位和气门升程电子控制( i-VTEC)、智能化双火花塞顺序
点火系统(i-DSI)以及可变气缸管理技术(VCM),实现了超低油耗,提髙了燃油经济性。新系统提供了低速、高速及间歇3种模式的配气正时状态,通过4个气缸全部间歇,可以提高减速时的能量回收效率,是目前最先进的气门控制技术之一。
a. i-VTEC系统可变气门配气相位和气门升程电子控制telligent-valve timing and lift electronic control, i-VTEC),通过电磁阀调节摇臂活塞液压系统,使发动机在不同转速工况下由不同的凸轮控制,影响进气门的开度和时间。在发动机低速运转时,通过主进气门和辅助进气门之间的升程差,创造一个合理的涡流比,实现良好的性能。而在高速时维持了传统四气门发动机的高功率输出,从而保持了低油耗性能。
I-VTEC系统 通过ECU控制程序调节进气门的开启和关闭,使气门的重叠时间更加精确,达到最佳进、排气,进一步提高了发动机功率,且帮助发动机在汽车减速时减少能量损失。
b.智能化双火花塞顺序点火系统 把通常1个气缸1个火花塞控制点火方式改为在1个气缸上安装2个火花塞,分别设在进气侧和排气侧,缩短了燃烧室内火焰传播的时间,实现了全域范围内的急速燃烧,同时降低了爆燃倾向,使大幅度提高压缩比成为可能,同时实现了高输出功率、高输出转矩及低油耗。本田汽车独有的双火花塞连续控制系统是根据发动机转速和负荷状况来编制的当燃料进入燃烧室,第一个靠近入口的火花塞点火;不久,靠近排气口的第二个火花塞点火,促进燃烧过程。与单一的火花塞系统相比,该系统使燃烧更加完全,使发动机输出功率更大,油耗更少,排放降低。
C.可变气缸管理技术 可变气缸管理( variablecylinder management,VCM)系统是对上一代的三缸间歇系统的改进,可实现气缸全部间歇。电动机(同时作为发电机)附属在发动机轴上,发动机需要在减速时产生尽可能少的阻力,使电动机能够更高效地给电池充电。传统的发动机在减速时,气缸活塞的运行将产生一定阻力,或者称为发动机制动。VCM消除了这种影响,使再生制动系统能够尽可能多地回收能量。
③电动机 IMA电动机是一个三相超薄永磁同步电机,安装在发动机和CTV之间,最大能够提供15kW的功率和139N·m的辅助转矩。电动机提供辅助动力给发动机或在低速行驶状态下提供动力,也作为发电机在减速和制动时回收动能给电池充电。电动机的辅助使整车的动力性得到了很大的提高。混合动力功率和转矩曲线如图2-10所示。
电动机使用一种最新的不对称线圈缠绕构造,这种线圈缠绕密度更大。这使电动机最大功率和最大转矩与2005年款Civic混合动力电动机相比分别增加了50%和14%,转换效率由原来的94.6%提高到96%。本田汽车公司单独研制了用于控制电动机速度的电流转换器,它与电动机的电子控制单元(ECU)集成在一起,采用数字式通信方式,使控制更为准确,提高了电动机的效率和混合动力系统的燃油经济性。
④电池 它是混合动力系统的一个重要环节,其存储电力的多少直接关系到汽车的续航里程。新的混合动力系统采用最新研制的高效镍-氢电池,它比上代提升了30%的蓄电能力,电池电压由144V升高到了158V,专门设计的电池箱外形紧凑,冷却性和减振
性也更好,为电池长期稳定地工作提供了保证。采用全新的松下双模包装,与上代相比质量减小了,电流的效率增加了,体积减小了12%,节省了更多的空间。
⑤混合式空调压缩机 Civic的车内空调采用专门设计的混合式空调压缩机,它可以由发动机或电动机驱动,还可以由两者一起驱动。当发动机不工作时,电动机可以单独驱动小巧的压缩机继续工作,保证车内的温度。如果车外温度特别高,需要高速制冷,仅依靠电动机驱动已经不能满足需要,发动机系统会自动启动,将冷气源源不断地供到车内。当车内温度已经稳定到最佳水平时,发动机又会自动关闭,从而节约油耗。
⑥再生制动系统 IMA电动机能够在制动、稳定行驶、缓慢减速或滑行时作为一个发电机,通过再生制动回收动能并以电能的形式将这些能量存入电池中。当制动时,制动踏板传感器给汽车IMA计算机IPU一个信号。计算机激活了刹车系统制动主缸中的伺服单元,使机械制动和电动机能量回馈之间制动力均衡,得到最大的能量回馈。原来的IMA系统是事先固定制动能量分配比率,低于最大能量回馈,而且没有可变的比例。新系统更少依赖传统制动系统,并且减少了发动机的能量损失,能量回收能力比2005年款 Civic增加了70%,而且燃料供给更加节约。
⑦系统控制 IMA系统的功率是通过智能动力单元(IPU)控制的,其安装位置在后轮座下,IPU由动力控制单元、一个可再充镍-氢电池模块和一个制冷单元组成,如图2-11所示。
动力控制单元作为IPU的核心部分控制着电动机辅助功能、制动回馈和电池(包括IMA电池包和12V电池)充放电。动力控制单元通过节气门开度、发动机参数和电池包的荷电状态,来决定电能辅助的多少。其主要组成部分有电池
监控模块( battery condition monitor,BCM)、电动机控制模块( motor control module,MCM)和电动机驱动模块( motor drivemodule,MDM)。第四代使用最新的电脑芯片技术,动力控制单元的反应时间比以往的任何一代都要快。而采用最新开发的逆变器和DCDC转换器帮助IMA系统全面提高了其最大功率。完整的制冷系统降低了由电流进出电池包产生的热量导致的温升,制冷系统模块安装在电池箱外部,内部箱体中的空气不断从后座下的通风管逸出。
a.电池监控模块 监控的电池信息主要有SOC、电池保护需求信息、电池温度等。通过温度传感器、电压传感器和电流传感器监控主体电池,测定充放电比率,且将信息提供给MCM。BCM控制IMA电池在理想的状态(20%~80%)下工作,同时防止额外的电量消耗和电池过充。电池监控模块同时控制着电池制冷风扇的运行。
b.电动机控制模块 控制着电动机的各种行为,是一个低压的计算机,其主要功能如下。
ⅰ.与发动机控制模块通信,决定车辆的运行状态,同时将系统中检测到的问题传输给ECM。
ⅱ.与电池监控模块通信,获得电池模块的荷电状态。这个信息用于保护电池模块和保持适当的充电平衡。
ⅲ.与仪表盘连接,始终显示IMA系统条件和运行状态的信息。
ⅳ.与电动机驱动模块连接来接收电动机的整流信息,通过电压转换模块控制电动机功率逆变器。
c.电动机驱动模块 控制电动机辅助发动机并给电池充电,可实现电流在电动机和电池之间的双向传递。其内部主要为一个逆变器和电压控制单元。在电动机处于辅助状态时,能量从电池模块通过逆变器转换(由直流变为三相交流)并传给电动机。同时MCM收到3个电动机整流传感器反馈的信息,得到电动机的状态信息,通过在准确的时间控制三相电流的相位来确保电动机的正确运行。电压转换模块收到MCM命令,通过控制绝缘栅双极晶体管
的开启和关闭来满足系统的要求。在制动时,电流从电动机到电动机控制模块,电动机产生三相交流电,通过逆变器转化为直流电后给电池充电。
2.1.2.2双轴式并联混合动力系统双轴式并联混合动力系统结构如图2-12所示。双轴式结构中可以有两套机械式变速器,发动机和电动机各自与一套变速机构相连,然后通过齿轮系进行复合。在这种结构中,可以通过调节变速机构夹调节发动机、电动机之间的转速关系,使发动机的工况调节变得更灵活,当采用行星差动系统作为动力复合机构时,行星差动动力复合机构有两个自由度,可以实现两个输入部件的转速复合,以确定输出轴的转速,而各个部件间的转矩保持一定的比例关系,这种功率复合形式称为速度复合。双轴式并联混合动力系统结构复杂是一个很大的缺点。
