摘 要: 混合动力电动汽车的动力系统采用了两种动力装置,兼备了内燃机汽车和电动汽车优点,既能充分发挥燃料发动机持续工作时间长、动力性能好,又能发挥电动机无污染、低噪声的好处。
关键词: 混合动力电动汽车 驱动系统 性能特点
混合动力汽车表示有多种动力参与汽车驱动,一般指燃油发动机和电机这两种动力,又称混合动力电动汽车。它综合了传统汽车引擎驱动电机驱动的优点,既能充分发挥燃料发动机持续工作时间长、动力性能好,又能发挥电动机无污染、低噪声的好处。并且,混合动力汽车可以在运行过程中维持电量的均衡,不像纯电动汽车要配备专用的充电器等配套设备。
混合动力电动汽车(Hybrd Electric Vehicle,简称HEV)的动力系统采用了两种动力装置,兼备了内燃机汽车和电动汽车优点,通过储能装置(蓄电池等)和控制系统对能量的调节,实现最佳的能量分配,达到整车的低排放、低油耗和高性能。按内燃机与电动机的连接方法可分为串联式、并联式和混联式。它将内燃机、电动机与一定容量的储能器件通过控制系统相结合,电动机既可以补充提供车辆起步、加速时所需转矩,又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量,从而可大幅度降低油耗,减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放,但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求,可缓解汽车需求与环境污染和石油短缺的矛盾。与传统内燃机汽车相比,它的主要优点是采用了高功率的能量储存装置(飞轮、超级电容器或蓄电池)向汽车提供瞬时能量,可以提高效率、节省能源、降低排放,经济性和排放性明显改善,技术经济可行性较强。较之纯电动汽车,其主要优点:续使里程和动力性可达到内燃机汽车的水平;空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器,借助原动机动力,无需消耗电池组有限电能,从而保证了乘坐的舒适性;而且混合动力汽车技术难度相对较小,成本相对较低。
混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置 (蓄电池)按某种方式组合在一起,有串联式、并联式和混合式 三种布置形式。
1.串联式驱动系统(Series Schedule,简称SHEV)
(1)结构特点。发动机带动发电机发电,其电能通过电动机控制器直接输送到电动机,由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电实现动力传递,当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时,控制器控制发电机向电池充电;而当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时,电池则向电动机提供额外的电能。
(2)性能特点。发动机功率是以汽车某一速度下稳定运行工况所需的功率选定的,当汽车运行工况变化,电动机所需的驱动功率与发动机输出功率不一致时,由控制器控制发电机向电池充电或使电池向电动机放电,电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这样的结构形式和控制方式使串联式混合动力电动汽车具有如下性能特点:
①发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响,始终在其最佳的工作区域内稳定运行,因此,发动机具有良好的经济性和低的排放指标。
②由于有电池进行驱动功率“调峰”,发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率,因此可选择功率较小的发动机。
③发动机与驱动桥之间无机械连接,因此,对发动机的转速无任何要求,发动机的选择范围较大,比如,可选用高速燃气轮机等效率高的原动机。
④发动机与电动机之间无机械连接,整车的结构布置自由度较大。
⑤发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能,需要功率足够大的发电机和电动机。
⑥要起到良好的发电机输出功率平衡作用,又要避免电池出现过充电或过放电,就需要较大的电池容量。
⑦发电机将机械能量转变为电能、电动机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都有能量损失,因此,发动机输出的能量利用率比较低。串联式混合动力电动汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行这一特点的优越性主要表现在低速、加速等运行工况,而在汽车中、高速行驶时,由于其电传动效率低,抵消了发动机油耗低的优点,因此,串联式混合动力电动汽车更适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区,汽车在起步和低速时还可以关闭发动机,只利用电池进行功率输出,使汽车达到零排放的要求。
2.并联式驱动系统(Parallel Schedule,简称PHEV)
(1)结构特点:发动机通过机械传动装置与驱动桥连接,电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连,汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。当汽车运行工况所需的功率超过了发动机的功率时,电动机从电池取得电能产生电磁力矩,并向驱动桥提供额外的驱动功率。有的并联式混合动力电动汽车也有发电机,但其主要作用是向电池充电,以保持电池的荷电状态 (SOC)。
(2)性能特点:并联式混合动力电动汽车其发动机功率也是以汽车某一速度下稳定行驶工况所需的功率选定的,当汽车在低速或变速工况行驶时,需通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出 ;而在汽车高速行驶,发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时,由控制器控制电动机协助驱动。这样的结构形式和控制方式,使并联式混合动力电动汽车具有如下性能特点:
①发动机通过机械传动机构直接驱动汽车,无机―电能量转换损失,因此发动机输出能量的利用率相对较高,当汽车的行驶工况使发动机在其最佳的工作范围内运行时,并联式的HEV燃油经济性比串联式的高。
②有电动机进行“调峰”作用,发动机的功率也可适当减小。
③当电动机只是作为辅助驱动系统时,功率可以比较小。
④如果装备发电机,发电机的功率也可较小。
⑤由于有发电机补充电能,比较小的电池容量即可满足使用要求。
⑥由于并联式驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响,因此在汽车行驶工况变化较多、较大时,发动机就会比较多地在不良工况下运行,因此发动机的排污比串联式的高。
⑦由于发动机与驱动桥之间直接机械连接,需要通过变速装置来适应汽车行驶工况的变化。此外,发动机与电动机并联驱动,还需要动力复合装置,因此,并联式驱动系统其传动机构较为复杂。并联式驱动系统最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况。而在其它的行驶工况,由于发动机不在其最佳的工作区域内运行,发动机的油耗和排污指标不如串联式。并联式混合动力电动汽车也可实现零排放控制,在繁华的市区低速行驶时,可通过关闭发动机和使离合器分离,也可以使汽车以纯电动方式运行。但这样就需要功率足够大的电动机,所需的电池容量也相应要大。
3.混联式驱动系统
混联式驱动系统是串联式与并联式的综合,发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制,输送给电动机或电池,电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是:在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。
混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点,能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配,从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态,因此更容易实现排放和油耗的控制目标。
参考文献:
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