浅析混合动力汽车系统的结构与原理

题目: 浅析混合动力汽车系统的结构与原理学院: 工学院
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摘要
全球能源及环境问题日益突出，一方面传统的燃油发动机车辆所排放的废气对空气造成严重污染；另一方面石油资源作为不可再生能源日益紧缺。

地球上的石油资源总有一天会枯竭，若没有新能源或代替能源，到那时汽车将寸步难行，为此替代燃油发动机汽车已经成为现代汽车研发方向的重点，例如氢能源汽车、燃料电池汽车等。

但以目前的条件和实用性来看，适应社会发展需求的只有混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle,简称HEV）。

混合动力汽车（也称复合动力汽车，Hybrid Power Automobile）是指车上装有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机的发电机组。

当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。

混合动力汽车的诞生给人类带来了很多好处，不仅减少了石油消耗，而且环境问题也得以改善，由于混合动力汽车在节能和降低排放污染方面的明显优势，因而受到很大的重视，研制开发和产业化的进程相当快。

本文重点阐述了混合动力汽车的结构性能特点、工作原理，并分析介绍了混合动力汽车的控制策略、其优缺点、技术难题。

关键词：混合动力汽车，结构，原理，控制策略
ABSTRACT
The global energy and environmental issues have become increasingly prominent, waste gas emitted from a traditional fuel engine vehicle of the serious pollution of the air; on the other hand, oil as a non-renewable energy shortage. The oil resources on earth will be exhausted one day, if there is no new energy and alternative energy, then the car will can't do anything, this alternative fuel engine automobile has become the focus of modern automobile development direction, such as hydrogen energy, fuel cell vehicles. But in the present conditions and practical, to meet the needs of social development only hybrid electric vehicle (Hybrid Electric Vehicle, referred to as HEV). Hybrid electric vehicle (also known as hybrid car, Hybrid Power Automobile) refers to the vehicles equipped with more than two sources of power: power unit battery, fuel cell, solar battery, internal combustion engine. The composite power automobile generally refers to diesel generator, plus battery cars. The birth of hybrid cars have brought many benefits to human beings, not only to reduce the oil consumption, and environmental issues will also be improved, because hybrid vehicles to reduce pollution emissions has obvious advantage in energy saving and, thus greatly attention, research and development and industrialization process quite quickly. This paper describes the working principle, structure and performance characteristics of the hybrid electric vehicle, and analyses the control strategy of hybrid electric vehicle, the advantages and disadvantages, technical problems
Keywords: H ybrid electric vehicle, structure, principle, control strategy
目录
1 绪论 (1)
2 混合动力汽车的简介与分类 (2)
2.1 混合动力汽车的简介 (2)
2.2 混合动力汽车系统的分类 (2)
3 混合动力汽车的结构与原理 (7)
3.1 混合动力汽车的节能机理 (7)
3.2 串联式混合动力汽车（SHEV） (7)
3.3 并联式混合动力汽车（PHEV） (8)
3.4 混联式混合动力汽车（PSHE） (10)
4 混合动力汽车的策略 (11)
4.1 混合动力系统的控制策略 (11)
4.2 混合动力能量管理策略 (11)
5 混合动力汽车优缺点分析及技术难点 (13)
5.1 串联式混合动力汽车的优却点分析 (13)
5.2 并联式混合动力汽车的优缺点分析 (13)
5.3 混联式混合动力汽车的优缺点分析 (13)
5.4 混合动力汽车的关键技术 (14)
结语 (16)
参考文献 (17)
1 绪论
随着全球能源短缺，环境问题的日益突显，开发利用新能源无疑是长久发展的出路之一。

为此世界各国和各大汽车公司纷纷研究与开发新型高效能汽车，例如氢能源汽车、电动汽车、太阳能汽车等。

这些新型汽车的开发能有效减少有害气体的排放，改善生活环境，还可以减少人类对石油资源的依赖。

虽然这些新型汽车有很多优势，但还有许多不完善之处，例如：制造、运输等比较困难、成本高、投资大。

然而，混合动力汽车作为节能化、环保化的新型动力系统的现代化汽车，早已是现代汽车发展道路上的重要话题。

混合动力汽车同时装备两种动力来源——热动力源（由传统的内燃机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车[1]。

通过在混合动力汽车上加装使用电动机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况进行灵活调控，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，减少有害气体的排放。

其优点在于车辆启动、停止时只靠发电机带动，达不到一定速度发动机则不工作，因此便能使发动机一直保持在最佳工作状态，即动力性好、排放低。

采用混合动力系统可以按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，使发动机处在油耗低、污染少的最优工况下工作。

汽车起步强劲、加速有力，还能实现较高水平的燃油经济性。

比较而言，在这传统的内燃机与新型能源汽车的过渡期间，混合动力汽车更适合社会发展和人类生活的需求。

2 混合动力汽车的简介与分类
2.1 混合动力汽车的简介
混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehecle,简称HEV）是指配置两种或两种以上不同类型的动力源，联合驱动车辆行驶，车辆的行驶动力依据车辆行驶工况由单个动力源单独或多个动力源共同提供，其中至少有一种能提供电能的汽车[2]。

通常所说的混合动力汽车一般指的是油电混合动力电动汽车，即以燃油和电能作为车辆行驶的能量来源，是由电机作为发动机的辅助动力来驱动车辆行驶的汽车。

油电混合动力系统中发动机和电机作为能量转换器使机械能与其他能量之间进行转换，能量储存系统为油箱和动力电池。

混合动力汽车的特点是能提高燃油经济性和降低排放，主要原因如下：
（1）由于电动机的协助工作，因而选用较小功率的发动机即可。

（2）在车辆行驶时由于有辅助动力系统提供所需功率，所以可以控制发动机在高效率、低污染的区域内运行。

当发动机功率不足时，电池可以补充能量；当发动机功率过剩时可通过发电机给电池充电。

（3）由于系统具有能量回收功能，所以电机、电源系统可以方便地回收汽车制动、下坡时的能量。

（4）在车辆频繁起停的行驶条件下，由电池单独驱动车辆，发动机可以不参与能量的提供从而消除怠速能耗，并实现零排放。

2.2 混合动力汽车的分类
混合动力系统有多种分类方式。

依据混合方式的不同，混合动力汽车系统可以分为串联、并联和混联三种类型；依据混合程度不同，混合动力系统还可以分为弱混合动力、轻度混合动力、中度混合动力、重度混合动力、插电混合动力五类；本文对上述两种分类进行简要分析讨论。

2.2.1 按混合方式分类
根据混合动力驱动的混合方式，混合动力汽车主要分为串联、并联和混联三类。

1.串联式混合动力汽车（Series Hybrid Electric Vehicle,SHEV）
串联式混合动力系统由发动机、发电机、电机控制器、电动机和动力电池组成。

发电机在发动机带动下转动产生电能，电能经过电机控制器的调节提供给驱动电机，驱动电机驱动车辆行驶，整个过程中进行了机械能与电能的多次转换。

动力电池在系统的控制下根据不同工况的要求释放和储存电能，以保证车辆不同的功率需求。

在串联式混合动力系统中，由于动力电池和发电机是通过控制器串联在回路中的，动力的流动方向为
串联，所以称为串联式混合动力系统，结构如图2-1所示：
图 2-1 串联型Plug-in HEV动力系统简图
根据串联式混合动力系统的结构特点，该系统可以实现以下几种工作模式：
（1）纯电驱动模式：发动机关闭，由驱动电机驱动车辆行驶。

（2）纯发动机驱动模式：发动机只提供电动机驱动车辆所需的能量，该模式主要用于车辆中速和高速行驶工况。

（3）混合驱动模式：驱动功率由发动机-发电机组和蓄电池共同提供，该模式主要用于车辆加速和爬坡工况。

（4）发动机驱动和电池充电模式：发动机工作带动发电机发电，产生的电能由电机控制器分配能量，一部分输送给电动机用于驱动车辆，另一部分向动力电池充电，该模式主要用于车辆低负荷行驶且电池SOC较低的工况。

（5）回馈制动模式：该模式下发动机不工作，电动机以发电形式工作，把来自车轮的动能转化为电能，通过电机控制器给动力电池充电，该模式主要用于车辆制动和下坡工况。

（6）电池充电模式：电动机不工作，通过发电机实现机械能与电能之间的转换，把来自发动机的机械能全部以电能的形式通过电机控制器给动力电池充电，该模式主要用于车辆静止且电池SOC较低的工况。

在以低负荷行驶时，串联式混合动力汽车可采用纯粹的电驱动模式或纯粹的发动机驱动模式。

在以高负荷行驶时（如超车或满载爬坡时），串联式混合动力汽车则采用混合驱动模式，电能来自于发动机-发电机组和蓄电池组。

在正常行驶时，串联式混合动力汽车则一般采用发动机驱动和蓄电池充电模式运行。

此时，发动机可以始终工作在效
率较高、排放较低的单一工况，并带动发电机发电。

2.并联式混合动力系统（Parallel Hybrid Electric Vehicle,PHEV）
并联式混合动力系统由发动机、变速器、电机、电机控制器和动力电池组成，其中电机可作为电动机使用，也可作为发电机使用，根据工况要求实现电能和机械能之间的相互转换。

并联式混合动力系统的汽车有传统的发动机驱动系统和电机驱动系统两大驱动系统，这两个动力系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作来驱动汽车。

当两个动力系统同时工作时，动力的流动方向为并联，所以称为并联式混合动力系统。

图 2-2 并联型Plug-in HEV动力系统简图
并联式混合动力汽车根据驱动系统的特点存在以下几种工作模式：
（1）纯粹的电驱动模式：该模式下离合器是分离的，发动机不工作，电动机产生的机械能经耦合器传动驱动汽车行驶。

（2）纯粹的发动机驱动模式：该模式下电动机是关闭的，仅由发动机提供驱动能量，而蓄电池组既不供电也不获取任何能量。

（3）混合驱动模式：该模式下由发动机和蓄电池组共同提供车辆行驶所需能量。

（4）发动机驱动和蓄电池充电模式：来自发动机的功率分为两部分，一部分用于驱动车辆行驶，另一部风向蓄电池组提供充电功率。

（5）再生制动模式：该模式下发动机关闭，而牵引电动机运行在发电机状态，把来自车辆本身的动能转换为电能向蓄电池组充电。

（6）停车充电模式：车辆停驶，发动机运转带动电机发电，向蓄电池组充电。

在以低负荷行驶时，并联式混合动力汽车可采用纯粹的电驱动模式或纯粹的发动机
驱动模式。

纯粹的电驱动模式主要用于对排放要去较高的市区道路环境。

在以高负荷行驶时（如超车或满载爬坡时），并联式混合动力汽车则采用混合驱动模式。

在正常行驶时，并联式混合动力汽车一般采用发动机驱动和蓄电池充电模式运行。

此时，发动机的工作效率与工作区间随着负荷的变化而不断变化，不能像串联式混合动力汽车那样工作在单一工况。

当发动机输出的功率有多余时，可以同时向蓄电池组充电。

3.混联式混合动力系统（Series/Parallel Hybrid Electric Vehicle）
混联式混合动力系统由发动机、动力分配机构、发电机、电机控制器、电动机和动力电池组成。

由于该混合动力系统的动力流向既有串联又有并联，所以称为混联式混合动力系统。

图 2-3 混联型Plug-in HEV动力系统简图
混联式混合动力汽车根据行驶负荷和动力系统的特点主要有以下几种工作模式：（1）纯粹的电驱动模式：该模式下仅由电动机驱动车辆行驶，而发动机、发电机是关闭的。

（2）纯粹的发动机驱动模式：车辆驱动功率仅源于发动机，而发电机关闭，蓄电池组既不供电也不获取任何能量。

（3）混合驱动模式：该模式下由发动机和蓄电池组共同提供车辆行驶所需的能量。

（4）发动机驱动和蓄电池充电模式：发动机的功率既用于驱动车辆又用于给蓄电池充电。

（5）再生制动模式：该模式下通过牵引电动机把来自车辆的动能转换为电能，用于向蓄电池组充电。

（6）停车充电模式：车辆停驶，发动机功率仅提供电池充电能量。

2.2.2 按混合程度分类
在混合动力系统中，根据混合程度和功能要求的差别分以下五类：
（1）弱混合动力系统
这种混合动力系统应用了带传动的发电起动一体式电机（BSG）,该电机用来控制发动机快速起停。

此类动力系统的电机功率比较小，在车辆起步时还需发动机介入，所以是一种初级的混合动力系统。

（2）轻度混合动力系统
该混合动力系统采用了集成起动电机（ISG），不仅能够实现用电机控制发动机的起停，在一定工况下还能够实现对部分能量的回收。

在行驶过程中，发动机可以在驱动能量需求和发电能量需求之间进行调节工作。

（3）中度混合动力系统
该混合动力系统同样采用了ISG系统，所用的电机为高压电机，在汽车加速或者大负荷工况时，电机可作为辅助动力补充发动机本身动力输出的不足，以提高整车性能。

（4）重度混合动力系统
重度混合动力系统采用了272-650V的高压电机，电机功率更为强大，完全可以满足车辆在起步和低速时的动力要求[3]。

因此重度混合车型可以完全依靠电机提供起步、低速行驶状态下的动力输出。

（5）插电式混合动力系统
插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）是可以利用电网对动力电池充电的混合动力汽车，插电式混合动力汽车可在夜间用电低谷对动力电池进行充电和降低排放等优势，因而已成为汽车主流发展方向之一。

3 混合动力系统的结构与原理
3.1 混合动力汽车的节能机理
1.混合动力汽车的节能途径
混合动力汽车可以从以下四个方面达到节能目的:
（1）由于有辅助动力系统所以可选择较小的发动机，从而提高发动机的负荷率。

（2）通过系统控制使发动机在高效区工作，以实现燃油经济性。

（3）发动机具有取消怠速和高速断油的功能，以节省燃油消耗。

（4）可在制动、下坡时进行能量回收。

混合动力汽车配置有辅助动力系统因此可选用较小功率的发动机以提高发动机的负荷率，从而改善燃油经济性约15%-20%；通过控制发动机工作区域在最优状态，可实现节油5%-10%；再生制动能量回收节能约为5%-12%；而消除停车怠速可节省燃油5%-10%。

综合分析表明，混合动力技术在特定工况下的总节能潜力可达到30%-60%[4]。

3.2串联式混合动力汽车（SHEV）
1.串联式混合动力的结构
串联式混合动力的结构如下图所示：
蓄电池逆变器电动机驱动轴
发电机发动机
图3-1 串联式简图
2.串联式混合动力的工作原理
蓄电池组处于电量饱和状态，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机，驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。

当蓄电池组电量低于60%时，这时辅助动力系统起动，为驱动系统和蓄电池组提供能量：当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量。

发动机在蓄电池组的协助作用下可始终工作在一个相对稳定的工况下，所以其排放
得到有效控制。

3.串联式混合动力的结构特点
（1）发动机和发电机组成的辅助动力单元一起工作提供车辆行驶所需的能量。

（2）发电机产生的电能既用于给电池充电又用于驱动车辆。

（3）有两个电机，一个电机用于驱动和能量回馈，另一个电机专门用于发电。

（4）属于内燃机辅助型的电动汽车可以增加电动汽车的续驶里程。

4.串联式混合动力的性能特点
（1）由于有辅助动力系统的协助发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在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”和辅助动力系统的协助，所以只需较小功率的发动机来满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率即可[5]。

（3）发动机与驱动桥之间无机械连接，不直接驱动车辆，因此，对发动机的转速无任何要求，发动机的选择范围较大。

（4）发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置相对自由、灵活一些。

（5）发动机的功率输出需全部转化为电能再经驱动电机变为驱动汽车的机械能，因此需要功率足够大的发电机和电动机。

（6）为了使发动机输出功率平衡、防止电池出现过充电或过放电现象，必须使用容量较大的电池。

（7）由于机械能和电能之间多次的能量转换以及电池充放电过程中都有能量的损失，因此能量的利用率较低。

3.3 并联式混合动力汽车（PHEV）
1.并联式混合动力的结构
并联式混合动力系统是由发动机、电动机/发动机或驱动电机两大动力总成组成。

如图3-2所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。

电动机的动力要求与驱动系统之间有以下三种结合方式：
（1）在发动机输出轴处进行组合；
（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；
（3）在驱动桥处进行组合；
图3-2 并联式简图
2.并联式混合动力的工作原理
图3-2所示，此种结构的动力系统驱动模式分为两种：
（1）发动机作为基本的驱动模式，独立驱动后驱动轮；
（2）辅助驱动系统模式也能独立驱动前驱动轮；
在混合驱动时，发动机驱动后轮转动而电机驱动前轮转动，此时车辆成为混合四驱动模式。

3.并联式混合动力的结构特点
（1）该系统可通过内燃机和电动机各自的驱动线路驱动车辆行驶。

（2）该系统具有发动机单独驱动、电动机单独驱动、发动机和电动机混合驱动三种驱动模式，可以实现不同路况下的行驶。

（3）属于电力辅助型的燃油汽车，可以降低排放和燃油消耗。

（4）电动机可以工作在发电机状态，将来自发动机多余的能量和制动回收的能量转换成电能充入蓄电池。

4.并联式混合动力的性能特点
汽车在低速或变速工况行驶时，可以通过控制发动机的功率输出以满足该工况的动力需求；在汽车高速行驶，发动机的输出功率低于汽车行驶所需的功率时，在控制器的作用下电动机工作协助驱动[6]。

这样的结构形式和驱动方式，使并联式混合动力汽车具有如下的性能特点：
（1）发动机的动力无需经过机械能与电能之间的转换可直接作用于驱动轮，因此发动机输出能量的利用率相对较高，当发动机在其最佳工作范围内运行时，并联式的HEV 燃油经济性比串联式的高。

（2）在驱动总成中，电动机起“调峰”作用，因此可选用较小功率的发动机。

（3）在驱动总成中，如果电动机只是作为辅助驱动可选功率较小的电动机。

（4）驱动系统中的发电机也可选用较小功率。

（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）由于发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响，因此汽车在行驶工况变化较蓄电池 逆变器 电动机 驱动轴
发动机
耦合器
多、较大时，发动机多在不良工况下运行，其排污比串联式高。

3.4 混联式混合动力汽车（PSHEV ）
1.混联式混合动力汽车的结构
PSHEV 是综合SHEV 和PHEV 结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成[7]。

如图3-3所示：
图3-3 混联式简图
2.混联式混合动力汽车的工作原理
图3-3所示的是一种发动机的动力与驱动电动机的动力在驱动轮处进行组合的方式，其驱动模式为：
（1）以发动机驱动为基本驱动模式，并独立驱动后驱动轮。

（2）以驱动电动机为辅助驱动模式，电动机可独立驱动前驱动轮。

在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与电动机驱动的前轮动力通过耦合器结合，此时，汽车为四轮驱动[8]。

3.混联式混合动力汽车的结构特点
与串联式和并联式混合动力汽车比较，混联式混合动力汽车的机构特点如下：
（1）结合了串联式和并联式混合系统的优点。

（2）相对于串联式混合动力汽车相比，其增加了机械动力的传递路线。

（3）相对于并联式混合动力汽车相比，其增加了电能的传输路线。

蓄电池
逆变器 电动机 驱动轴
发动机
行星齿轮机构 发电机
4 混合系统的策略
4.1 混合系统的控制策略
混合动力汽车控制策略的设计主要考虑以下几点：
（1）优化发动机的工作点：根据发动机的转矩和转速特性曲线确定最佳工作点，来实现最佳的燃油经济性。

（2）优化发动机的工作曲线：根据发动机在不同功率下的最优工作点来确定其最优工作曲线。

（3）优化发动机的工作区：根据发动机转矩和转速特性曲线，确定发动机的高效工作区。

（4）最小的发动机动态波动：由于发动机动态波动带来的燃油经济恶化，所以要通过缓慢调节发动机转速来实现燃油经济性。

（5）限值发动机最低转速：当发动机低速运行时，燃油效率很低，所以设定发动机转速的限值以自动开启、关闭发动机。

（6）适当减少发动机的起停次数：频繁起停发动机会造成燃烧不良，从而引起油耗和排放恶化。

（7）合适的动力电池荷电状态：为了保证汽车在加速时有足够的功率，在制动、下坡时回收能量，电池的容量必须保持在适当的水平。

（8）安全的动力电池电压：为保证电池的使用寿命，在充、放电和制动回收充电时，须保证电池电压保持在稳定状态。

（9）分工适当：在不同的工况要求下，发动机和动力电池应合理分担所需功率。

（10）附件系统的控制：依据水温传感器监测的信息，控制发动机、电机及电池冷却风扇的转速。

（11）工作模式平稳转换：应保证纯电动模式驱动、混合动力模式和汽车减速制动工作模式的平稳转换。

4.2 混合动力的能量管理策略
混合动力系统管理模式应该遵循选定的能量管理策略并对其进行优化，以实现混合动力汽车要达到的目标，通常来说，混合动力汽车动力系统的结构从某种程度上决定了可以采用哪种控制策略，但仍然有一些可以广泛应运于各种结构的控制策略。

1.电动机辅助控制策略
电动机辅助控制策略（Electric Assisted Control Strategy），这种控制策略容易对发动机工况进行优化。

与发动机相比，电动机相应快，可以通过不同的控制方法对其进行调控。