混合动力汽车

作业混合动力汽车的类型特点关键零部件的选型（发动机电机电池）动力匹配原理及能量控制策略

混合动力汽车类型

从能量流到混合动力系统输出轴的流经路线，可将混合动力汽车分为串联式、并联式、混联式和复合联接式四种。

1.串联式(SHEV)驱动系统的典型结构与基本组成部件如下所示，主要由发动机、发电机和电动机组成，原动机一般为高效内燃机。发动机直接驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。电池在发动机输出和电动机需求功率间起到调峰调谷的作用。为了满足汽车在起动、加速时的大功率需求，在串联式结构中还有加超级电容等功率密度较大的蓄能装置，在制动能量回收时也起到快速回收能量的作用。

图表1串联式

2.并联式(PHEV)的布置如下所示，其特点是动力系有两种动力源——发动

机和电动机。当汽车加速、爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动系提供动力；一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。并联式HEV 能设置成用发动机在高速公路行驶模式，加速时由电动机提供额外动力。

图表2并联式

3.混联式(SPHEV)如下所示，这种布置形式包含了串联式和并联式的特点，

即功率流既可以象串联式流动，又可象并联式流动。它的动力系统包括发动机、发电机和电动机。根据助力装置不同，它又可分为发动机为主和电机为主两种。在发动机为主形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源，日产公司(Nissan)Tino属于这种情况。在电机为主形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源，Toyota Prius HEV就属于这种情况。这种结构的优点是控制灵

活方便，缺点是结构相对复杂。

图表3混联式

4.复合联接式(CHEV)的布置形式的混合动力汽车结构相对复杂，主要出现在双轴驱动的HEV中。在这种联结形式中，HEV前轴和后轴之间没有传动轴连接，它们分别由动力部件驱动，从而实现四轮驱动，如图卜5所示，。它的动力系统由一个完整的前述混合动力系统和独立的轮毂电机组成。根据布置位置不同，复合式分为两种。一种是前轴由混动系统驱动，后轴由电机驱动型，丰田公司的Prius THS-C采用的就是这种形式；另一种是前轴由电机驱动，后轴由混动系统驱动，通用公司的Precept HEV采用这种形式。这种四轮驱动的缺点是结构复杂，成本较高；优点是动力性和越野性能好，尤其在制动时，前后轴电机都可同时作为发电机回收制动能量给蓄电池充电。这种双轴驱动系统的特有的特点是轴平衡能力，在混合驱动端车轮滑动时，该端的电机能作为发电机来吸收发动机过剩的输出功率。

图表4复合联结式

混合动力汽车特点

混合动力汽车同时装备两种动力来源——热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。

关键零部件的选型

1.发动机功率匹配

EQ61 10HEV 并联混合动力系统采用发动机为主，电机为辅混合驱动方式，发动机在汽车行驶过程中处于经常工作状态。传统汽车以满足汽车动力性要求来选择发动机功率，而汽车正常行驶所需求的功率只占发动机峰值功率的40％左右，低的负荷率导致汽车燃油经济性和排放性能降低。对于混合动力汽车，电机的参与使得发动机功率选择仅以满足汽车平均需求功率即可。为了保证汽车动力性，在良好路面上纯发动机驱动模式仍能满足最高车速要求，良好路面上最高车速行驶时所需的发动机功率为：

式中amax u 为设计的最高车速，km/h ；t η为传动系效率；g 为重力加速度，9．81 m ／s2；i 为汽车以某一速度行驶应通过的道路坡度。 该车设计最高车速为78km ／h ，计算得到的发动机功率为78．5 kW ；发动机高效、低油耗区域大约位于负荷率80～90％之间，因此，发动机实际功率应再增加15 kW ；考虑对汽车动力性的要求，增加安全裕度5kW ；发动机附件消耗功率约为4～10 kW ，空调功率为10～15 kW ，综合各种因素，初步选取发动机功率为111．5 kW ，最后选定为额定功率110 kW ，排量为3．9L 的康明斯ISBel50四缸柴油共轨发动机，该发动机采用的电控单元与外界接口友好，排放达到欧III 标准，有良好的燃油经济性。

2.电机参数匹配

为了满足汽车动力性要求，选择的电机与发动机合成功率应与原型车发动机相当。匹配内容包括：电机功率和电机基速点选择等。

混合动力客车使用在城市公交工况，载荷较大，平均车速较低，频繁起停。综合EQ6110HEV 混合动力客车结构和使用特点以及柴油发动机速度相对较低、振动较大的特点，因此选用技术成熟、性能稳定的开关磁阻电机。

2.1电机功率选择

为保证汽车动力性，选择的电机和发动机的合成外特性接近于或高于原型车发动机外特性。混合动力系统应满足以下技术要求： (1)电机单独起车，且起车时间15％； (4)汽车的驱动扭矩小于良好路面的附着扭矩； (5)常用车速下电机的工作点应处于高效工作区。

设原型车匹配发动机扭矩外特性tc e i imax i /n f T ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛= 式中i tc 为发动机到电机的扭矩耦合比；ne 为发动机转速。 电机功率

，根据条件，初步计算的电机峰值功率为56kW 。分

别以峰值功率25．65kW 、基速为2000rpm 的电机为辅助动力源的混合动力汽车进行动力性模拟计算，结果如图所示，随着电机功率增加，汽车循环百公里油耗随之增加，加速时间却随之减小，汽车动力性增加。根据混合动力客车的技术要求，选取峰值功率为60 kW 的电机比较合适，0～50km ／h 加速时间仅有35 S ，在电池

SOC平衡条件下客车的等效循环油耗为42L／100km。

2.2 电机基速点选择

当电机功率确定之后，电机基速点的选取对混合动力汽车动力性影响较大。对于峰值功率为60kW的电机，基速点分别选取为1000 rpm、1500 rpm和2000 rpm 三点，模拟计算结果如图2．5所示。

在给定条件下，功率相同、基速点不同的电机对汽车燃油经济性影响不大，但对汽车动力性影响明显，基速为1500 rpm左右的电机使汽车获得最佳动力性。综合分析后，选取电机的基速为1500 rpm。

3.动力电池参数匹配

混合动力系统的电机承担着调节汽车行驶需求功率的波峰和波谷的作用，而混合动力系统的储能元件一方面起着向电动机提供能量的作用，另一方面起着吸收制动再生能量和发动机多余能量的作用。能量回收制动对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义，据文献15副介绍，对于EPA混合燃油循环，能量回收制动可减少车辆驱动能量需求的14％。对于重型载货汽车，在6％坡道、80km／h车速下坡需要350kW的纯制动功率。因此，混合动力汽车要求系统的储能装置能较长时间地吸收制动功率(如2 min)，但储能能力的增加必然致使汽车重量的增加，