1、淺析混合動力汽車系統的結構淺析混合動力汽車系統的結構與原理與原理09汽服郭永強 摘要 全球能源及環境問題日益突出，一方面傳統的燃油發動機車輛廢氣排放對空氣造成嚴重污染；另一方面石油資源作為不可再生能源日益緊缺，地球上的石油資源總有一天會枯竭，若沒有新能源或代替能源，到那時汽車將寸步難行，為此替代燃油發動機汽車已經成為現代汽車研發方向的重點，例如氫能源汽車、燃料電池汽車等。但以目前的條件和實用性來看，具備商業化運作條件的只有混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，簡稱HEV）。混合動力汽車（亦稱復合動力汽車，英文為 Hybrid Power Automobile）是指車上裝

2、有兩個以上動力源：蓄電池、燃料電池、太陽能電池、內燃機的發電機組，當前復合動力汽車一般是指內燃機車發電機，再加上蓄電池的汽車。混合動力汽車的問世給人類帶來了諸多好處，不僅石油消耗減少了，環境問題也得以改善，由于混合動力汽車在節能和降低排放污染方面的明顯優勢，因而受到很大的重視，研制開發和產業化的進程相當快。本文重點闡述了混合動力汽車的結構特點、工作原理，并分析介紹了混合動力汽車的控制策略、其優缺點、技術難題。 關鍵詞：混合動力汽車，結構，原理，控制策略 目錄1 緒論2 混合動力汽車的簡介與分類2.1混合動力汽車的簡介2.2混合動力汽車系統的分類3 混合動力汽車的結構與原理3.1 混合動力汽車的

3、節能機理 3.2 串聯式混合動力汽車（SHEV）3.3 并聯式混合動力汽車（PHEV）3.4 混聯式混合動力汽車（PSHE）4 混合動力汽車的策略4.1 混合動力系統的控制策略4.2 混合動力能量管理策略5 混合動力汽車優缺點分析及技術難點5.1 串聯式混合動力汽車的優缺點分析5.2 并聯式混合動力汽車的優缺點分析5.3 混聯式混合動力汽車的優缺點分析5.4 混合動力汽車的關鍵技術結語參考文獻 研究背景 隨著全球能源短缺，環境問題的日益突顯，開發利用新能源無疑是長久發展的出路之一。為此世界各國和各大汽車公司紛紛研究與開發新型高效能汽車，例如氫能源汽車、電動汽車、太陽能汽車等。這些新型汽車的開發

4、能有效減少有害氣體的排放，改善生活環境，還可以減少人類對石油資源的依賴。雖然這些新型汽車有很多優勢，但還有許多不完善之處，例如：制造、運輸等比較困難、成本高、投資大。然而，混合動力汽車作為節能化、環保化的新型動力系統的現代化汽車，早已是現代汽車發展道路上的重要話題。混合動力汽車同時裝備兩種動力來源熱動力源（由傳統的內燃機產生）與電動力源（電池與電動機）的汽車。通過在混合動力汽車上加裝使用電動機，使得動力系統可以按照整車的實際運行工況進行靈活調控，而發動機保持在綜合性能最佳的區域內工作，從而降低油耗，減少有害氣體的排放。其優點在于車輛啟動、停止時只靠發電機帶動，達不到一定速度發動機則不工作，因此

5、便能使發動機一直保持在最佳工作狀態，即動力性好、排放低。比較而言，在這傳統的內燃機與新型能源汽車的過渡期間，混合動力汽車更適合社會發展和人類生活的需求。1.2 混合動力汽車的分類 混合動力系統有多種分類方式。依據混合方式的不同，混合動力汽車系統可以分為串聯、并聯和混聯三種類型；依據混合程度不同，混合動力系統還可以分為弱混合動力、輕度混合動力、中度混合動力、重度混合動力、插電混合動力五類；按混合方式分類根據混合動力驅動的混合方式，混合動力汽車主要分為串聯、并聯和混聯三類。 1.串聯式混合動力汽車（Series Hybrid Electric Vehicle,SHEV）串聯式混合動力系統由發動機、

6、發電機、電機控制器、電動機和動力電池組成。圖圖 1-1 串聯型串聯型Plug-in HEV動力系統簡圖動力系統簡圖如圖1-1所示，串聯型Plug-in HEV 的特點是：發動機帶動發電機發電，電能通過電機控制器直接輸送給電動機，由電動機產生電磁力矩驅動汽車。在發動機與驅動橋之間通過電能實現動力傳遞。2.并聯式混合動力系統（Parallel Hybrid Electric Vehicle,PHEV） 并聯式混合動力系統由發動機、變速器、電機、電機控制器和動力電池組成，其中電機可作為電動機使用，也可作為發電機使用。采用并聯式混合動力系統的汽車有兩個獨立的驅動系統，即傳統的發動機驅動系統和電機驅動系

7、統。車輛驅動力由發動機和電機同時或單獨供給，也就是說，兩個動力系統既可以同時協調工作，也可以各自單獨工作來驅動汽車。兩個動力系統同時工作時，以機械方式實現動力耦合，動力的流動方向為并聯，所以稱為并聯式混合動力系統。圖圖 1-2 并聯型并聯型Plug-in HEV動力系統簡圖動力系統簡圖3.混聯式混合動力系統（Series/Parallel Hybrid Electric Vehicle） 混聯式混合動力系統由發動機、動力分配機構、發電機、電機控制器、電動機和動力電池組成。發動機的動力經過動力分配器后分成兩部分，一部分直接驅動車輛，形成機械傳輸通道；另一部分帶動發電機發電，所產生的電能通過電機控

8、制器提供給電動機驅動車輛，形成電力傳輸通道。通過調整發電機轉速，可以控制機械傳輸通道和電力傳輸通道的動力分配比例。這個系統具有雙重特征，一是電力傳輸通道和動力電池之間以電方式實現動力耦合，動力的流向為串聯；二是機械傳輸通道和電動機之間以機械方式實現動力耦合，動力的流向為并聯，所以稱為混聯式混合動力系統。圖圖 1-3 混聯型混聯型Plug-in HEV動力系統簡圖動力系統簡圖1.2.2 按混合程度分類 在混合動力系統中，根據電動機的輸出功率在整個系統輸出功率中所占比例，可以分以下五類：弱混合動力（也稱微混合動力）、輕度混合動力、中度混合動力、重度混合動力（也稱全混合動力，強混合動力）、插電式混合

9、動力。其混合度不同，功能要求也有差別。 （1）弱混合動力系統這種混合動力系統對傳統發動機的起動機進行了改造，形成了由帶傳動的發電起動一體式電機（BSG）。該電機用來控制發動機快速起停，因此可以取消發動機的怠速過程，降低了油耗和排放。 （2）輕度混合動力系統該混合動力系統采用了集成起動電機（ISG）。輕混合動力系統除了能夠實現用電機控制發動機的起停外，還能夠在車輛制動和下坡工況下，實現對部分能量進行回收。 （3）中度混合動力系統該混合動力系統同樣采用了ISG系統。中混合動力系統采用的是高壓電機，在汽車加速或者大負荷工況時，電動機能夠輔助發動機驅動車輛，補充發動機本身動力輸出的不足，提高整車性能。

10、 （4）重度混合動力系統重度混合動力系統采用了272-650V的高壓電機，混合度可以達到50%以上，在城市循環工況下節油率可以達到30%-50%。 （5）插電式混合動力系統插電式混合動力汽車（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）是可以利用電網對動力電池充電的混合動力汽車，可以使用純電動模式驅動車輛行駛，且純電動行駛里程較長；電能不足時，車輛仍可以重度混合模式行駛。二 混合動力系統的結構與原理2.1 混合動力汽車的節能機理1.混合動力汽車的節能途徑 1）混合動力汽車可以從以下四個方面達到節能目的: 2）選擇較小的發動機，從而提高發動機的負荷率。 3）改善控制

11、策略使發動機工作在高效率區，以改善整車的燃油消耗。 4）發動機具有取消怠速和高速斷油的功能，以節省燃油消耗。具有再生制動能量回收功能。2.2 串聯式混合動力汽車（SHEV） 串聯式混合動力模式由發動機、發電機和驅動電動機三大動力組成，發動機、發電機和驅動電機采用“串聯”的方式組成SHEV的驅動系統。（一）串聯式混合動力的結構 串聯式混合動力的結構如下圖所示。它由發動機、發電機和驅動電動機三大動力總成組成，它們采用“串聯”的方式組成驅動系統。 蓄電池逆變器電動機驅動軸發電機發動機圖圖2-1 串聯式簡圖串聯式簡圖（二）串聯式混合動力的工作原理 在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態，其能量輸出可

12、以滿足車輛要求，輔助動力系統不需要工作，蓄電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機、驅動電動機輸出的轉矩經變速器、傳動軸及驅動橋驅動車輪。蓄電池組電量低于60%時，輔助動力系統起動，為驅動系統提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。當車輛能量需求較大時，輔助動力系統與蓄電池組同時為驅動系統提供能量，發動機-發電機組產生的交流電經整流器變為直流電和電池輸出的直流電經控制器變為交流電后供入驅動電動機。 由于蓄電池組的存在，使發動機工作在一個相對穩定的工況，使其排放得到改善。（三）串聯式混合動力的結構特點 1）發動機和發電機組成的輔助動力單元一起工作產生所需的電能。發動機和發電機之間的機械連

13、接裝置中不需要離合器。 2）發動機輸出的機械能首先通過發電機轉化為電能，轉化后的電能一部分用來給蓄電池充電，另一部分經由電動機和機械傳動裝置驅動車輪。 3）單條驅動線路，兩個電機，只有牽引電動機驅動汽車行駛，而發動機僅用于帶動發電機發電，與驅動輪無機械連接，不直接驅動車輛。在兩個電機種，一個電機用于驅動和能量回饋，另一個電機專門用于發電。 4）屬于內燃機輔助型的電動汽車，用于增加電動汽車的續駛里程。2.3 并聯式混合動力汽車（PHEV） 并聯式混合動力汽車由發動機、電動/發電機或驅動電動機兩大動力總成組成。發動機、電動/發電機或驅動電動機采用“并聯”的方式組成PHEV的驅動系統。（一）并聯式混

14、合動力的結構并聯式混合動力是由發動機與電動機、發動機或驅動電機兩大動力總成組成。如圖2-2所示，它們采用“并聯”的方式組成驅動系統。電動機的動力要與車輛驅動系統相結合：（1）在發動機輸出軸處進行組合；（2）在變速器（包括驅動橋）處進行組合；（3）在驅動橋處進行組合；蓄電池逆變器電動機驅動軸發動機耦合器圖圖2-2 并聯式簡圖并聯式簡圖（二）并聯式混合動力的工作原理 圖2-2所示，是一種電動機的動力在驅動輪處進行組合的驅動輪動力組合式PHEV，其驅動模式為：（1）以發動機驅動為基本驅動模式，獨立驅動后驅動輪；（2）驅動電動機為輔助驅動模式，能獨立驅動前驅動輪；在混合驅動時，發動機驅動的后輪動力與驅

15、動電機驅動的前輪動力進行組合，成為混合四驅動模式。（三）并聯式混合動力的結構特點兩條驅動線路：內燃機和電動機都可以通過各自的驅動線路驅動車輪。2）三種基本驅動模式：發動機單獨驅動、電動機單獨驅動、發動機和電動機混合驅動。3）屬于電力輔助型的燃油汽車，可以降低排放和燃油消耗。4）當發動機提供的功率大于驅動車輛所需的功率或者再生制動時，電動機工作在發電機狀態，將多余的能量充入蓄電池。2.4 混聯式混合動力汽車（PSHEV）混聯式混合動力汽車綜合了SHEV和PHEV的結構特點，由發動機、電動-發電機和驅動電動機三大動力總成組成。（一）混聯式混合動力汽車的結構PSHEV是綜合SHEV和PHEV結構特點

16、組成的，由發動機、電動機或發動機和驅動電機三大動力總成組成。電動機的動力要與車輛驅動系統相適應，可以在變速器（包括驅動橋）處進行組合，也可以在驅動輪處進行組合。如圖2-3所示。蓄電池逆變器電動機驅動軸發動機行星齒輪機構發電機圖圖2-3 混聯式簡圖混聯式簡圖（二）混聯式混合動力汽車的工作原理 圖2-3所示的是一種發動機的動力與驅動電動機的動力在驅動輪處進行組合的方式，其驅動模式為： （1）以發動機驅動為基本驅動模式，帶動電動機/發動機，并獨立驅動后驅動輪； （2）以驅動電動機為輔助驅動模式，能獨立驅動前驅動輪。在混合驅動時，發動機驅動的后輪動力與驅動電動機驅動的前輪動力進行組合，成為混合四輪驅動

17、模式。 （三）混聯式混合動力汽車的結構特點與串聯式和并聯式混合動力汽車比較，混聯式混合動力汽車的機構特點如下： 1）將串聯式混合動力汽車和并聯式混合動力汽車相結合，具有兩者的優點。 2）與串聯式混合動力汽車相比，增加了機械動力的傳遞路線。 3）與并聯式混合動力汽車相比，增加了電能的傳輸路線。混聯式驅動系統的結構形式和控制方式充分發揮了串聯式和并聯式的優點，能夠使發動機、發電機、電動機等部件進行更多的優化匹配，從而在結構上保證了在更復雜的工況下使系統工作在最優狀態，因此更容易實現排放和油耗的控制目標。三 混合系統的策略3.1 混合系統的控制策略由于各種混合動力汽車結構上的差異，因而需要不同的控制

18、策略來調節和控制功率流在不同元件間的流動，其目的是為了實現最佳的燃油經濟性、最低的排放和較好的驅動性能等。混合動力汽車控制策略的設計主要考慮以下幾點： 1）優化發動機的工作點：基于最佳燃油經濟性，根據發動機的轉矩和轉速特性曲線確定最佳工作點。 2）優化發動機的工作曲線：如果發動機需要發出不同的功率，相應的最優工作點就構成了發動機的最優工作曲線。 3）優化發動機的工作區：在轉矩和轉速特性曲線上，發動機有一個首選的工作區，在此工作區內，發動機的效率較高。 4）最小的發動機動態波動：緩慢調整發動機工作轉速以減小發動機波動，避免由于發動機的動態波動帶來的燃油經濟惡化。 5）限值發動機最低轉速：當發動機

19、低速運行時，燃油效率很低，因而當發動機轉速低于設定的限值時，應關閉發動機。 6）適當減少發動機的起停次數：過于頻繁地起停發動機，會引起油耗和排放惡化。 7）合適的動力電池荷電狀態：動力電池的容量須保持在適當的水平，以便在汽車加速時提供足夠的功率，在汽車制動或下坡時能回收能量。若動力電池的容量過高，應關閉發動機或怠速運轉。 8）安全的動力電池電壓：在放電、發電機充電和制動回收充電時，動力電池的電壓會發生很大的變化，應避免動力電池電壓過低或過高，否則動力電池會產生永久性破損。 9）分工適當：在驅動循環中，發動機和動力電池應合理分擔汽車所需功率。 10）合理確定純電動模式運行條件：依據車速、電池荷電

20、狀態、汽車加速踏板開度等信息確定合理的發動機起停條件。 11）最大限度地回饋汽車制動能量：依據車速、汽車加速踏板和制動踏板等信息確定能量回饋的功率。 12）附件系統的控制：依據實時溫度，控制發動機、電機及電池冷卻風扇的轉速。 13）工作模式平穩轉換：在純電動模式驅動、混合動力模式和汽車減速制動等工作模式轉換時，應保證過渡平穩。3.2 混合動力的能量管理策略 混合動力汽車具有兩個以上的動力源，因此為了解決混合動力汽車多動力源所引起的模式切換和動力分配，需要引入一個能量管理系統對系統的能量流動進行合理的分配。 （一）電動機輔助控制策略 電動機輔助控制策略（Electric Assisted Con

21、trol Strategy）。電動機輔助的能力控制策略采用發動機作為主動力源，電動機和蓄電池協助提供峰值功率。這種控制策略容易對發動機工況進行優化。與發動機相比，電動機相應快、控制靈敏，容易實現不同的控制方法。這種控制策略在大多數并聯式混合動力系統中采用。 （二）優化ICE曲線控制策略 優化ICE曲線控制策略（Optimum ICE Curve Control Strategy）。優化ICE 曲線控制策略從靜態條件下的發動機萬有特性出發，將一定發動機轉速和一定負荷下發動機的最低燃油消耗點連成一條線，也就是靜態條件下發動機的最佳工作曲線。在這種模式下，發動機在需求功率或轉矩高于某個限值時才會工作

22、。同時，只有在極限情況下（如當需求功率超過了蓄電池的最大功率調節能力時），才會調整發動機的工作點。這種控制策略借鑒了傳統汽車的控制經驗，側重于發動機局部最優。 四 混合動力汽車的優缺點分析及技術難點 4.1 串聯式混合動力汽車的優缺點分析 1.串聯式混合汽車的優點 1）以動力電池組為基本能源，可實現“零污染”狀態行駛。發動機-發電機組所發出的電能向動力電池組充電，用于補充動力電池組的電能，或直接供給驅動電動機，以延長續駛里程。 2）發動機-發電機組中的發動機與驅動輪之間沒有機械上的連接，因此能夠保證在穩定、高效、低污染的狀態下運轉，將有害氣體排放控制在最低范圍。此外，還可采用燃氣輪機、轉子發動

23、機等其他類型的發動機，進一步降低燃料消耗和有害氣體的排放。 3）趨近于純電動汽車，只有電動機驅動車輛。因為電動機具有較為理想的轉矩-轉速特性，所以驅動系統不需要多擋傳動裝置，從而使結構大為簡化，進而降低成本。 4）發動機與車輪之間在機械上完全解耦，總體結構較簡單，易于控制。發動機-發電機組和電動機之間沒有機械聯系，在車上布置時有較大的自由度。2.串聯式混合動力汽車的缺點 1）電動機驅動功率必須能夠克服車輛在行駛過程中的最大阻力，故要求電動機功率較大，外形尺寸較大，質量較大。由于電動機不經常在滿負荷狀態下工作，因此效率較低。要求動力電池組容量較大，同時還需要較大功率的發動機-發電機組，加上龐大的

24、動力電池組，整車外形尺寸較大，質量較大，在中小型車上布置有困難，較適合應運于大型客車。 2）發動機-發電機-電動機系統在機械能-電能-機械能的能量轉換過程中，能量損失較大；在動力電池組的充、放電過程中存在能量損耗，車輛也不是經常在滿負荷狀態下運行，能量轉換的綜合效率比內燃機汽車低。 3）發動機-發電機組與電池組之間的匹配要求較嚴格，應能根據動力電池組SOC的變化，自動起動或關閉發動機，以避免動力電池組過放電和過充電，因此需要更大容量的電池。4.2 并聯式混合動力汽車的優缺點 1.并聯式混合動力汽車的優點 1）只有發動機和電動機兩個動力總成，兩者的功率可以等于車輛驅動功率的50%-100%，比串

25、聯式混合動力汽車三個動力總成的功率、質量和體積小很多。 2）發動機可直接驅動車輛，沒有串聯式混合動力汽車發動機的機械能-電能-機械能的轉換過程，能量轉換的綜合效率比串聯式的高。當車輛需要最大輸出功率時，電動機可以提供額外的輔助動力，因此發動機的功率可選擇得較小，燃油經濟性比串聯式好。 3） 與電動機配套的動力電池組容量較小，使整車質量減小。 4）當輕度混合時，電動機可帶動發動機起動，調節發動機的輸出功率，使發動機基本穩定在高效率、低污染狀態下工作。發動機也可帶動電動機發電向電池組充電，以延長續駛里程。2.并聯式混合動力汽車的缺點 1） 需要配備與內燃機汽車相同的傳動系統，總布置基本與內燃機汽車

26、相同，動力性能接近內燃機汽車。發動機工況會受到車輛行駛工況的影響，有害氣體排放高于串聯式汽車。 2）需要裝置離合器、變速器、傳動軸和驅動橋等總成，還有電動機、動力電池組和動力耦合器等裝置，因此動力系統結構復雜，布置和控制更困難。4.3混聯式混合動力汽車的優缺點 1.混聯式混合動力汽車的優點 1）三個動力總成比串聯式混合動力汽車三個動力總成的功率、質量和體積小。 2）有多種工作模式，節能最佳，有害氣體排放達到“超低污染”。 3）發動機可直接驅動車輛，沒有機械能-電能-機械能的轉換過程，能量轉換的綜合效率比內燃機汽車高。 4）電動機可獨立驅動車輛行駛。電動機利用低速大轉矩特性，帶動車輛起步，可在城

27、市中實現“零污染”行駛。當車輛需要最大輸出功率時 ，電動機可給發動機提供輔助動力，因此發動機動率可選擇較小，燃料經濟性比串聯式混合動力汽車好。2.混聯式混合動力汽車的缺點 1）發動機是基本驅動模式，電動機是輔助驅動模式，動力性更接近內燃機汽車。發動機工況受行駛工況的影響，有害氣體排放高于串聯式混合動力汽車。 2）需要配備兩套驅動系統；發動機傳動系統需要裝置離合器、變速器、傳動軸和驅動橋等傳動總成，另外，電動機、減震器、動力電池組以及多能源動力組合或協調專用裝置。因此，多能源動力系統結構復雜，總布置困難。 3）多能源動力系統的工作模式有多種形式，只有依靠復雜的多能源動力總成控制系統，才能達到高經濟性和“超低污染”。4.4混合動力汽車的關鍵技術1.動力耦合系統2.動