混合动力电动汽车的组成与其动力系统结构形式密切相关。
一、串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车系统结构如图12-17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。
串联式混合动力电动汽车动力流程图如图12-18所示
串联式混合动力电动汽车的工作模式主要有纯电驱动模式、纯发动机驱动模式、混合驱动模式、行车充电模式、混合充电模式、再生制动模式和停车充电模式,如图12-19所示。
(1)纯电驱动模式纯电驱动模式是指发动机关闭,由蓄电池向电机提供电能,驱动车辆行驶,如图12-19(a)所示。
(2)纯发动机驱动模式纯发动机驱动模式是由发动机-发电机组向电机提供电能,驱动车辆行驶;蓄电池既不供电也不从传动系统中获取能量,如图12-19(b)所示。
(3)混合驱动模式混合驱动模式是指发动机-发电机组和蓄电池共同向电机提供电能,驱动车辆行驶,如图1219(c)所示(4)行车充电模式行车充电模式是指发动机-发电机组向电机提供电能驱动车辆行驶以外,同时向蓄电池充电,如图12-19(d)所示(5)混合充电模式混合充电模式是指发动机发电机组和运行在发电机状态下的电机(发电机)共同向蓄电池充电,如图12-19(e)所示。
(6)再生制动模式再生制动模式是指发动机-发电机组关闭,电机运行在发电机状态(发电机),通过消耗车辆本身的动能产生电功率向蓄电池充电,如图12-19(f)所示。
(7)停车充电模式停车充电模式是指车辆停止行驶,电动机/发电机不接收功率,发动机发电机组仅向蓄电池充电,如图12-19(g)所示。
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12-20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1221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12-22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,直接输岀动力到车轮,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12-23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12-24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12-25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12-26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12-27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。
二、并联式混合动力电动汽车并联式混合动力电动汽车有发动机和电机两套驱动系统,它们可以分开工作,也可以一起协调工作,共同驱动。因此,并联式混合动力电动汽车可以在比较复杂的工况下使用,应用范围较广。并联式混合动力电动汽车由于电机的数量和种类、传动系统的类型、部件的数量和位置关系的差别,具有明显的多样性。
并联式混合动力电动汽车系统结构如图12-28所示,它主要由发动机、驱动电机、电机控制器、动力电池系统、车载充电机、动力耦合器等部件组成,有多种组合形式,可以根据使用要求进行设计。并联式混合动力系统采用发动机和驱动电机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和驱动电机通过动力耦合器、减速机构来驱动车轮,可以采用发动机单独驱动、驱动电机单独驱动或者发动机和驱动电机混合驱动3种工作模式。当发动机提供的功率大于车辆所需驱动功率时或者当车辆制动时,电机工作于发电机状态,给动力电池充电。发动机和电机的功率可以互相叠加,发动机功率和电机/发电机功率为电动汽车所需最大驱动功率的0.5~1倍,因此,可以采用小功率的发动机与电机/发电机,使得整个动力系
统的装配尺寸和重量都较小,造价也更低,行程也可以比串联式混合动力电动汽车长,其特点更加趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统通常被应用在小型混合动力电动汽车上。
发动机和驱动电机通过动力耦合器、减速机构同时与驱动桥直接相连接。驱动电机可以用来平衡发动机所受的载荷,使其能在高效率区域工作,因为通常发动机工作在满负荷(中等转速)下燃料经济性最好。当车辆在较小的路面载荷下工作时,内燃机车辆的发动机燃料经济性比较差,而并联式混合动力电动汽车的发动机此时可以被关闭而只用驱动电机来驱动汽车,或者增加发动机的负荷使电机作为发电机,给动力电池充电以备后用(即一边驱动汽车,一边充电)。由于并联式混合动力电动汽车在稳定的高速下发动机具有比较高的效率和相对较轻的重量,所以它在高速公路上行驶具有比较好的燃料经济性。
并联式混合驱动系统有两条能量传输路线,可以同时使用电机和发动机作为动力源来驱动汽车,这种设计方式可以使其以纯电动汽车或低排放汽车的状态运行,但是此时不能提供全部的动力能源。
并联式混合动力电动汽车动力流程图如图12-29所示。
并联式混合动力电动汽车的工作模式主要有纯电驱动模式、纯发动机驱动模式混合驱动模式、行车充电模式、再生制动模式和停车充电模式,如图12-30所示。
(1)纯电驱动模式当混合动力电动汽车处于起步、低速等轻载工况且蓄电池的电量充足时,若以发动机作为动力源,则发动机燃料经济性较低,并且排放性能较差。此时关闭发动机,由蓄电池提供能量并以电机驱动车辆行驶。但当蓄电池电量较低时,为保护蓄电池,应该切换到行车充电模式。纯电驱动模式如图12-30(a)所示。
(2)纯发动机驱动模式当混合动力电动汽车以高速平稳运行时,或者行驶在城市郊区等排放要求不高的地方,可由发动机单独工作驱动车辆行驶。在这种工作模式下,发动机工作于高效区,燃料经济性较高,传动效率较高,如图12-30(b)所示。
(3)混合驱动模式当混合动力电动汽车处于急加速或者爬坡时,发动机和电机均处于工作状态,电机作为辅助动力源协助发动机,提供车辆急加速或者爬
坡时所需的功率。这种情况下,汽车的动力性处于最佳状态,如图12-30(c)所示。
(4)行车充电模式当混合动力电动汽车处于正常行驶时,若蓄电池荷电状态未达到最高限值时,发动机除了要提供驱动车辆所需的动力外,发动机多余能量用于带动发电机给蓄电池充电,如图12-30(d)所示。
(5)再生制动模式当混合动力电动汽车减速或者制动时,发动机不工作,利用电机反拖作用不仅可以有效地辅助制动,还可以使电机以发电机模式工作发电,然后给蓄电池充电,将回收的制动能量存储在蓄电池中,在必要时释放出驱动车辆行驶,使能量利用率提高,提高整车燃料经济性,降低排放,如图12-30e)所示。
(6)停车充电模式在停车充电模式中,通常关闭发动机和电机;但当蓄电池剩余电量不足时,可以启动发动机和电机,控制发动机工作于高效区并拖动电机为蓄电池充电,如图12-30(f)所示。
本田IMA系统是非常典型的并联式混合动力系统,它是由4个主要部件构成,即发动机、驱动电机、CVT以及智能动力单元(IPU)组成,如图12-31所示。驱动电机取代了传统的飞轮用于保持曲轴的运转惯性。整套系统的结构非常紧凑,与传统汽车相比仅是IPU模块占用了额外的空间。
本田IMA系统动力总成如图12-32所示,发动机通过搭载本田的 i-VTEC(气门正时可变技术)i-DSI(双火花塞顺序点火技术)以及VCM(可变气缸技术)来实现降低油耗的目的。发动机最大功率为83kW,最大转矩为145N·m,实测油耗约5.4L/100km。IMA系统中的发动机和传统车型中的发动机并没有太大区别,只是在调校上更偏向于节省
燃料。
IMA系统的电机安装在发动机与变速器之间,由于电机较薄且结构紧凑俗称“薄片电机”。薄片电机峰值功率为10kW,峰值转矩为78N·m。显然,这样的电机只能起到辅助的作用。由于IMA系统能够在特定情况下(如低速巡航)单独驱动汽车,所以被划分到轻型混合动力汽车行列。
IMA系统的变速器采用的是7速CVT,以获得平顺的换挡体验及较高的换挡效率。
本田IMA系统的IPU如图12-33所示,它由PCU(动力控制单元)和镍氢电池组成。其中PCU又包括BCM(电池监控模块)、MCM(电机控制模块)以及MDM(电机驱动模块)。
IMA系统的工作逻辑包括起步加速、急加速、低速巡航、轻加速和高速巡航、减速或制动。
(1)起步加速起步加速时,发动机以低速配气正时状态运转,同时电机提供辅助动力,以实现快速加速性能,同时达到节油的目的。
(2)急加速急加速时,发动机以高速配气正时状态运转,此时电池给电机供电,电机与发动机共同驱动车辆,提高整车的加速性能(3)低速巡航低速巡航时,发动机的4个气缸的进排气阀全部关闭,发动机停止工作,车辆以纯电动方式驱动车辆。
(4)轻加速和高速巡航轻加速和高速巡航时,发动机以低速配气正时状态运转,此时发动机工作效率较高,单独驱动车辆,驱动电机不工作。
(5)减速或制动减速或制动时,发动机关闭,电机此时以发电机方式工作,将机械能最大限度地转化为电能,储存到动力电池中。车辆制动时,制动踏板传感器给IPU一个信号,计算机控制制动系统,使机械制动和电机能量回馈之间制动力协调,以得到最大程度的能量回馈。
三、混联式混合动力电动汽车混联式驱动系统是串联式与并联式的综合,其结构示意图如图12-34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、动力耦合器、动力电池系统等部件组成。发动机发出的功率一部分通过机械传动系统输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电机或动力电池,驱动电机产生的驱动力矩通过动力耦合器传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是,行驶时优先使用纯电动模式;在动力电池的荷电状态(SOC)降到一定限值时,切换到混合动力模式下行驶,在混合动力模式下,启动和低速时使用串联式系统的发电机发电,驱动电机驱动汽车行驶;加速、爬坡、高速时使用并联式系统,主要由发动机驱动汽车行驶。发动机的多余能量可带动发电机发电,给动力电池充电。
混联式驱动系统充分发挥串联式和并联式的优点,能够使发动机、发电机驱动电机等部件进行更多的优化匹配,从而在结构上保证在更复杂的工况下使系统在最优状态工作,所以更容易实现排放和油耗的控制目标,因此是最具影响力的混合动力电动汽车。
混联式混合动力电动汽车动力流程图如图12-35所示。
混联式混合动力电动汽车的工作模式主要有纯电驱动模式、纯发动机驱动模式、混合驱动模式、行车充电模式、再生制动模式和停车充电模式,如图12-36所示。
(1)纯电驱动模式纯电驱动模式是指车辆由蓄电池通过功率转换器向电机供电,电机通过动力合成器提供驱动功率。此时,发动机、发电机处于关闭状态,如图12-36(a)所示。
(2)纯发动机驱动模式纯发动机驱动模式是指仅由发动机向车辆提供驱动功率,蓄电池既不从传动系统中获取能量也不提供电能。此时,电机、发电机处于关闭状态,如图1236(b)所示。
(3)混合驱动模式混合驱动模式是指车辆的驱动功率由蓄电池和发动机共同提供,并通过动力合成器合成后,向机械传动装置提供动力,如图12-36(c)所示。
(4)行车充电模式行车充电模式是指发动机除提供车辆行驶所需要的驱动功率外,同时向蓄电池提供充电功率。此时,发动机的功率由动力合成器分成2路路驱动车辆行驶,一路带动发电机发电给蓄电池充电,如图12-36(d)所示。
(5)再生制动模式再生制动模式是指发动机处于关闭状态,电机运行在发电机状态,通过消耗车辆本身的动能产生电功率向蓄电池充电,如图12-36(e)所示。
(6)停车充电模式停车充电模式是指车辆停止行驶,发动机通过动力合成器带动发电机发电,向蓄电池提供电能进行充电,如图12-36(f)所示。
丰田THS系统是典型的混联式混合动力系统,如图12-37所示。THS系统主要部件有汽油发动机、永磁交流同步电机、发电机、高性能金属氢化物电池以及功率控制单元。
丰田THS系统动力总成如图12-38所示,由发动机、MG1发电机、MG2驱动电机及行星齿轮机构组成。发动机采用效能较高的阿特金森循环发动机THS系统的关键也是最为复杂的部件就是由两台永磁同步电机及行星齿轮组成的动力分配系统。THS系统中带有两台驱动电机—MG1和MG2。MG1主要用于发电,必要时可驱动汽车。MG2主要用于驱动汽车。MG1、MG2以
及发动机输出轴被连接到一套行星齿轮机构的太阳轮,齿圈和行星架上。动力分配就是通过功率控制单元控制MG1和MG2电机,通过行星齿轮机械机构进行巧妙分配的。由于使用这种创新的动力分配方式,THS系统甚至连变速器也不需要,发动机输出经过固定减速机构减速后直接驱动车轮。
丰田THS系统的复杂度要比本田MA系统高出许多。虽然控制系统复杂,但其结构尚算紧凑,省去了庞大的变速器,降低了车身重量,提高了车辆的燃料经济性。
