知識點二、混合動力汽車的組成分類

國家標準《電動汽車術語》GB/T 19596－2004中對混合動力汽車HEV(hybrid electric vehicle)的定義為:能夠至少從可消耗的燃料、可再充電能或能量儲存裝置兩類車載儲存的能量中獲得動力的汽車。

《混合動力電動汽車類型》QC/T 837－2010汽車行業(yè)標準中對混合動力汽車的組成分類如下。

1.按照動力系統(tǒng)結構形式分類

按照動力系統(tǒng)結構形式可分為以下3類。

1)串聯(lián)式混合動力電動汽車(Series Hybrid Electric Vehicle,SHEV)

串聯(lián)式混合動力電動汽車是車輛行駛系統(tǒng)的驅(qū)動力只來源于電機的混合動力電動汽車。典型的結構特點是發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電,電能通過電機控制器輸送給電機,由電機驅(qū)動車輛行駛。另外,動力電池可以單獨向電機提供電能驅(qū)動車輛行駛。

串聯(lián)式混合動力電動汽車系統(tǒng)結構如圖3-8所示。串聯(lián)式結構是由發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機三大主要部件總成組成的。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電,發(fā)電機發(fā)出的電能通過電動機控制器直接輸送到電動機,由電動機產(chǎn)生的電磁力矩驅(qū)動汽車行走。發(fā)電機發(fā)出的部分電能向電池充電,來延長混合動力電動汽車的行駛里程。另外,電池還可以單獨向電動機提供電能來驅(qū)動電動汽車,使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下行駛。

圖3-8　串聯(lián)式混合動力電動汽車

在串聯(lián)式混合動力電動汽車上,由發(fā)動機帶動發(fā)電機所產(chǎn)生的電能和蓄電池輸出的電能,共同輸送給電動機來驅(qū)動汽車行駛,電力驅(qū)動是唯一的驅(qū)動模式,動力流程圖如圖3-9所示。電動機直接與驅(qū)動橋相連,發(fā)動機與發(fā)電機直接連接產(chǎn)生電能,來驅(qū)動電動機或者給蓄電池充電,汽車行駛時的驅(qū)動力由電動機輸出,將存儲在蓄電池中的電能轉(zhuǎn)化為車輪上的機械能。當蓄電池的荷電狀態(tài)SOC降到一個預定值時,發(fā)動機即開始對蓄電池進行充電。發(fā)動機與驅(qū)動系統(tǒng)并沒有機械的連接在一起,這種方式可以很大程度地減少發(fā)動機所受到的車輛瞬態(tài)響應。瞬態(tài)響應的減少可以使發(fā)動機進行最優(yōu)的噴油和點火控制,使其在最佳工況點附近工作。

串聯(lián)式混合動力電動汽車的發(fā)動機能夠經(jīng)常保持在穩(wěn)定、高效、低污染的運轉(zhuǎn)狀態(tài),使有害氣體的排放被控制在最低范圍。串聯(lián)式混合動力電動汽車從總體結構上看,比較簡單,易于控制,只有電動機的電力驅(qū)動系統(tǒng),其特點更加趨近于純電動汽車。三大部件總成在電動汽車上,布置起來有較大的自由度,但各自的功率較大,外形較大,質(zhì)量也較大,因此,在中小型電動汽車上布置有一定的困難。另外,在發(fā)動機—發(fā)電機－電動機驅(qū)動系統(tǒng)中的熱能－電能－機械能的能量轉(zhuǎn)換過程中,能量損失較大。從發(fā)動機發(fā)出的能量以機械能的形式從曲軸輸出,并立即被發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能,由于發(fā)電機的內(nèi)阻和渦流,將會產(chǎn)生能量損失(效率為90%～95%)。電能隨后又被電動機轉(zhuǎn)換為機械能,在電動機和控制器中能量又進一步損失,平均效率為80%～85%。能量轉(zhuǎn)換的效率要比內(nèi)燃機汽車低,故串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)較適合在大型客車上使用。

圖3-9　串聯(lián)式混合動力電動汽車動力流程圖

2)并聯(lián)式混合動力電動汽車(Parallel Hybrid Electric Vehicle,PHEV)

并聯(lián)式混合動力電動汽車是車輛行駛系統(tǒng)的驅(qū)動力由電機及發(fā)動機同時或單獨供給的混合動力電動汽車。典型的結構特點是并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)可以單獨使用發(fā)動機或電機作為動力源,也可以同時使用電機和發(fā)動機作為動力源驅(qū)動車輛行駛。

并聯(lián)式混合動力電動汽車系統(tǒng)結構如圖3-10所示,該結構主要由發(fā)動機、電動機/發(fā)電機兩大部件總成組成,有多種組合形式,可以根據(jù)使用要求選用。兩大動力總成的功率可以互相疊加,發(fā)動機功率和電動機/發(fā)電機功率約為電動汽車所需最大驅(qū)動功率的0.5～1倍,因此,可以采用小功率的發(fā)動機與電動機發(fā)電機,使得整個動力系統(tǒng)的裝配尺寸、質(zhì)量都較小,造價也更低,行程也比串聯(lián)式混合動力電動汽車的長一些,其特點更加趨近于內(nèi)燃機汽車。并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)通常被應用在小型混合動力電動汽車上。

圖3-10　并聯(lián)式混合動力電動汽車結構示意圖

并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的典型動力流程圖如圖3-11所示。發(fā)動機和電動機通過某種變速裝置同時與驅(qū)動橋直接相連接。電動機可以用來平衡發(fā)動機所受的載荷,使其能在高效率區(qū)域工作,因為通常發(fā)動機工作在滿負荷(中等轉(zhuǎn)速)下,燃油經(jīng)濟性最好。當車輛在較小的路面載荷下工作時,內(nèi)燃機汽車的發(fā)動機燃油經(jīng)濟性比較差,而并聯(lián)式混合動力電動汽車的發(fā)動機此時可以被關閉掉而只用電動機來驅(qū)動汽車,或者增加發(fā)動機的負荷使電動機作為發(fā)電機,給蓄電池充電以備后用(即一邊驅(qū)動汽車,一邊充電)。由于并聯(lián)式混合動力電動汽車在穩(wěn)定的高速下發(fā)動機具有比較高的效率和相對較小的質(zhì)量,所以它在高速公路上行駛時具有比較好的燃油經(jīng)濟性。

圖3-11　并聯(lián)式混合動力電動汽車動力流程圖

并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)有兩條能量傳輸路線,可以同時使用電動機和發(fā)動機作為動力源來驅(qū)動汽車,這種設計方式可以使其以純電動汽車或低排放汽車的狀態(tài)運行,但此時不能提供個部的動力能源。

并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的主要元件為動力合成裝置,由于動力合成的實現(xiàn)方法具有多樣性,相應的動力傳動系統(tǒng)結構也多種多樣,通?？蓪⑵浞譃轵?qū)動力合成式、轉(zhuǎn)矩合成式和轉(zhuǎn)速合成式3類。

(1)驅(qū)動力合成式。驅(qū)動力合成式并聯(lián)混合動力電動汽車示意圖如圖3-12所示。其采用一個小功率的發(fā)動機,單獨地驅(qū)動汽車的前輪。另外一套電動機驅(qū)動系統(tǒng)單獨地驅(qū)動汽車的后輪,可以在汽車起動、爬坡或加速時增加混合動力電動汽車的驅(qū)動力。兩套驅(qū)動系統(tǒng)可以獨立驅(qū)動汽車,也可以聯(lián)合驅(qū)動汽車,使汽車變成四輪驅(qū)動的電動汽車。此種混合動力電動汽車具有四輪驅(qū)動汽車的特性。

圖3-12　并聯(lián)式混合動力汽車的驅(qū)動方式

E—發(fā)動機;M—電動機;B—蓄電池

(2)轉(zhuǎn)矩合成式(雙軸式和單軸式)。轉(zhuǎn)矩合成式并聯(lián)混合動力汽車示意圖如圖3-12(b)、圖3-12(c)所示。發(fā)動機通過傳動系統(tǒng)直接驅(qū)動混合動力電動汽車,并直接(單軸式)或間接(雙軸式)帶動電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)動向蓄電池充電。蓄電池也可以向電動機/發(fā)電機提供電能,此時電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電動機,可以用來起動發(fā)動機或驅(qū)動汽車。

(3)轉(zhuǎn)速合成式。轉(zhuǎn)速合成式并聯(lián)混合動力汽車示意圖如圖3-12(d)所示。發(fā)動機通過離合器和一個動力組合器來驅(qū)動汽車,電動機也是通過動力組合器來驅(qū)動汽車。其可以利用普通內(nèi)燃機汽車的大部分傳動系統(tǒng)的總成,電動機只需通過動力組合器與傳動系統(tǒng)連接,結構簡單,改制容易,維修方便。通常動力組合器就是一個行星齒輪機構,這種裝置使發(fā)動機或電動機之間的轉(zhuǎn)速可以靈活的分配,但它們組合在特定的動力組合器中,因為動力組合器使它們的轉(zhuǎn)矩固定在電動汽車行駛時的轉(zhuǎn)矩上,要通過調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門的開度來與電動機的轉(zhuǎn)速相互配合,才能獲得最佳傳動效果,從而使得控制裝備變得十分復雜。

3)混聯(lián)式混合動力電動汽車(Series-parallel Hybrid Electric Vehicle,PSHEV)

混聯(lián)式也稱為串并聯(lián)式,混聯(lián)式混合動力電動汽車是具備串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種混合動力系統(tǒng)結構的混合動力電動汽車。典型的結構特點是可以在串聯(lián)混合模式下工作,也可以在并聯(lián)混合模式下工作,同時兼顧了串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力電動汽車的特點。

混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合,其結構示意圖如圖3-13所示。發(fā)動機發(fā)出的功率一部分通過機械傳動輸送給驅(qū)動橋,另一部分則驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電機發(fā)出的電能輸送給電動機或蓄電池,電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩通過動力復合裝置傳送給驅(qū)動橋。混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略是:在汽車低速行駛時,驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作;當汽車高速穩(wěn)定行駛時,驅(qū)動系統(tǒng)則以并聯(lián)工作方式為主。

圖3-13　混聯(lián)式混合動力電動汽車結構示意圖

目前,混聯(lián)式混合動力結構一般采用行星齒輪機構作為動力分配裝置。有一種最佳的混聯(lián)式結構是將發(fā)動機、發(fā)電機和電動機通過一個行星齒輪裝置連接起來,動力從發(fā)動機輸出到與其相連的行星架,行星架將一部分轉(zhuǎn)矩傳送到發(fā)電機,另一部分傳送到傳動軸,同時發(fā)電機也可以驅(qū)動電動機來驅(qū)動傳動軸。這種機構有兩個自由度,可以自由地控制兩個不同的速度。此時車輛并不是串聯(lián)式或并聯(lián)式,而是兩種驅(qū)動形式同時存在。這種形式充分利用了兩種驅(qū)動形式的優(yōu)點。其動力流程圖如圖3-14所示。

混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)充分發(fā)揮了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點,能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機等部件進行更多的優(yōu)化匹配,從而在結構上保證了在更復雜的工況下使系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)工作,所以更容易實現(xiàn)排放和油耗的控制目標,因此是最具影響力的混合動力電動汽車。與并聯(lián)式相比.混聯(lián)式的動力復合形式更復雜,因此對動力復合裝置的要求更高。目前的混聯(lián)式結構一般以行星齒輪機構作為動力復合裝置的基本構架。

圖3-14　混聯(lián)式混合動力電動汽車動力流程圖

2.按混合程度分類

按混合程度分類,即按照電動機相對于燃油發(fā)動機的功率比大小可分為3類。

1)微混合型混合動力電動汽車(microhybrid electric vehicle)

以發(fā)動機為主要動力源,電機作為輔助動力,具備制動能量回收功能的混合動力電動汽車稱為微混合型混合動力電動汽車。電機的峰值功率和總功率的比值小于10%。僅具有停車怠速停機功能的汽車也可稱為微混合型混合動力電動汽車。

2)輕度混合型混合動力電動汽車(mildhybrid electric vehicle)

以發(fā)動機為主要動力源,電機作為輔助動力,在車輛加速和爬坡時,電機可向車輛行駛系統(tǒng)提供輔助驅(qū)動力矩的混合動力電動汽車稱為輕度混合型混合動力電動汽車。一般情況下,電機的峰值功率和總功率的比值大于10%。

3)重度混合(強混合)型混合動力電動汽車(fullhybrid electric vehicle)

以發(fā)動機和/或電機為動力源,一般情況下,電機的峰值功率和總功率的比值大于30%,且電機可以獨立驅(qū)動車輛正常行駛的混合動力電動汽車稱為重度混合型混合動力電動汽車。

3.按照外接充電能力劃分

(1)外接充電型混合動力電動汽車(off-vehicle chargeahle hybrid electric vehicle):一種被設計成在正常使用情況下可從非車載裝置中獲取電能量的混合動力電動汽車。僅當制造廠在其提供的使用說明書中或者以其他明確的方式推薦或要求進行車外充電時,混合動力電動汽車方可認為是外接充電型的。僅用作不定期的儲能裝置電量調(diào)節(jié)或維護目的而非用作常規(guī)的車外能量補充,即使有車外充電能力,也不認為是外接充電型的車輛。插電式(plug-in)混合動力電動汽車屬于此類型。

(2)非外接充電型混合動力電動汽車(nonoff vehicle chargeable hybrid electric vehicle):一種被設計成在正常使用情況下從車載燃料中獲取全部能量的混合動力電動汽車。

4.按照行駛模式的選擇方式劃分

(1)有手動選擇功能的混合動力電動汽車(hybridelectric vehicle with selective switch):具備行駛模式手動選擇功能的混合動力電動汽車。車輛可選擇的行駛模式包括發(fā)動機模式、純電動模式和混合動力模式三種。

(2)無手動選擇功能的混合動力電動汽車(hydridelectric vehicle without selective switch):不具備行駛模式手動選擇功能的混合動力電動汽車。車輛的行駛模式根據(jù)不同工況自動切換。

5.其他劃分形式

(1)按照可再充電能量儲存系統(tǒng)不同,可以劃分為(但不限于)以下類型。

——動力蓄電池混合動力電動汽車(traction battery hybrid electric vehicle);

——超級電容器混合動力電動汽車(super capacitor hybrid electric vehicle);

——機電飛輪混合動力電動汽車(electromechanical flywheel hybrid electric vehicle);

——動力蓄電池與超級電容器組合式混合動力電動汽車(traction battery and super

capacitor hybrid electric vehicle)。

(2)混合動力電動汽車按照其技術特征、燃料類型、功能結構和車輛用途等因素,還可有其他劃分型式。