混合动力汽车的组成分类

知识点二、混合动力汽车的组成分类

国家标准《电动汽车术语》GB/T 19596－2004中对混合动力汽车HEV(hybrid electric vehicle)的定义为:能够至少从可消耗的燃料、可再充电能或能量储存装置两类车载储存的能量中获得动力的汽车。

《混合动力电动汽车类型》QC/T 837－2010汽车行业标准中对混合动力汽车的组成分类如下。

1.按照动力系统结构形式分类

按照动力系统结构形式可分为以下3类。

1)串联式混合动力电动汽车(Series Hybrid Electric Vehicle,SHEV)

串联式混合动力电动汽车是车辆行驶系统的驱动力只来源于电机的混合动力电动汽车。典型的结构特点是发动机带动发电机发电,电能通过电机控制器输送给电机,由电机驱动车辆行驶。另外,动力电池可以单独向电机提供电能驱动车辆行驶。

串联式混合动力电动汽车系统结构如图3-8所示。串联式结构是由发动机、发电机和驱动电动机三大主要部件总成组成的。发动机仅仅用于发电,发电机发出的电能通过电动机控制器直接输送到电动机,由电动机产生的电磁力矩驱动汽车行走。发电机发出的部分电能向电池充电,来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外,电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车,使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。

图3-8　串联式混合动力电动汽车

在串联式混合动力电动汽车上,由发动机带动发电机所产生的电能和蓄电池输出的电能,共同输送给电动机来驱动汽车行驶,电力驱动是唯一的驱动模式,动力流程图如图3-9所示。电动机直接与驱动桥相连,发动机与发电机直接连接产生电能,来驱动电动机或者给蓄电池充电,汽车行驶时的驱动力由电动机输出,将存储在蓄电池中的电能转化为车轮上的机械能。当蓄电池的荷电状态SOC降到一个预定值时,发动机即开始对蓄电池进行充电。发动机与驱动系统并没有机械的连接在一起,这种方式可以很大程度地减少发动机所受到的车辆瞬态响应。瞬态响应的减少可以使发动机进行最优的喷油和点火控制,使其在最佳工况点附近工作。

串联式混合动力电动汽车的发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的运转状态,使有害气体的排放被控制在最低范围。串联式混合动力电动汽车从总体结构上看,比较简单,易于控制,只有电动机的电力驱动系统,其特点更加趋近于纯电动汽车。三大部件总成在电动汽车上,布置起来有较大的自由度,但各自的功率较大,外形较大,质量也较大,因此,在中小型电动汽车上布置有一定的困难。另外,在发动机—发电机－电动机驱动系统中的热能－电能－机械能的能量转换过程中,能量损失较大。从发动机发出的能量以机械能的形式从曲轴输出,并立即被发电机转换为电能,由于发电机的内阻和涡流,将会产生能量损失(效率为90%～95%)。电能随后又被电动机转换为机械能,在电动机和控制器中能量又进一步损失,平均效率为80%～85%。能量转换的效率要比内燃机汽车低,故串联式混合动力驱动系统较适合在大型客车上使用。

图3-9　串联式混合动力电动汽车动力流程图

2)并联式混合动力电动汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle,PHEV)

并联式混合动力电动汽车是车辆行驶系统的驱动力由电机及发动机同时或单独供给的混合动力电动汽车。典型的结构特点是并联式驱动系统可以单独使用发动机或电机作为动力源,也可以同时使用电机和发动机作为动力源驱动车辆行驶。

并联式混合动力电动汽车系统结构如图3-10所示,该结构主要由发动机、电动机/发电机两大部件总成组成,有多种组合形式,可以根据使用要求选用。两大动力总成的功率可以互相叠加,发动机功率和电动机/发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的0.5～1倍,因此,可以采用小功率的发动机与电动机发电机,使得整个动力系统的装配尺寸、质量都较小,造价也更低,行程也比串联式混合动力电动汽车的长一些,其特点更加趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统通常被应用在小型混合动力电动汽车上。

图3-10　并联式混合动力电动汽车结构示意图

并联式驱动系统的典型动力流程图如图3-11所示。发动机和电动机通过某种变速装置同时与驱动桥直接相连接。电动机可以用来平衡发动机所受的载荷,使其能在高效率区域工作,因为通常发动机工作在满负荷(中等转速)下,燃油经济性最好。当车辆在较小的路面载荷下工作时,内燃机汽车的发动机燃油经济性比较差,而并联式混合动力电动汽车的发动机此时可以被关闭掉而只用电动机来驱动汽车,或者增加发动机的负荷使电动机作为发电机,给蓄电池充电以备后用(即一边驱动汽车,一边充电)。由于并联式混合动力电动汽车在稳定的高速下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量,所以它在高速公路上行驶时具有比较好的燃油经济性。

图3-11　并联式混合动力电动汽车动力流程图

并联式驱动系统有两条能量传输路线,可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车,这种设计方式可以使其以纯电动汽车或低排放汽车的状态运行,但此时不能提供个部的动力能源。

并联式驱动系统的主要元件为动力合成装置,由于动力合成的实现方法具有多样性,相应的动力传动系统结构也多种多样,通常可将其分为驱动力合成式、转矩合成式和转速合成式3类。

(1)驱动力合成式。驱动力合成式并联混合动力电动汽车示意图如图3-12所示。其采用一个小功率的发动机,单独地驱动汽车的前轮。另外一套电动机驱动系统单独地驱动汽车的后轮,可以在汽车起动、爬坡或加速时增加混合动力电动汽车的驱动力。两套驱动系统可以独立驱动汽车,也可以联合驱动汽车,使汽车变成四轮驱动的电动汽车。此种混合动力电动汽车具有四轮驱动汽车的特性。

图3-12　并联式混合动力汽车的驱动方式

E—发动机;M—电动机;B—蓄电池

(2)转矩合成式(双轴式和单轴式)。转矩合成式并联混合动力汽车示意图如图3-12(b)、图3-12(c)所示。发动机通过传动系统直接驱动混合动力电动汽车,并直接(单轴式)或间接(双轴式)带动电动机/发电机转动向蓄电池充电。蓄电池也可以向电动机/发电机提供电能,此时电动机/发电机转换成电动机,可以用来起动发动机或驱动汽车。

(3)转速合成式。转速合成式并联混合动力汽车示意图如图3-12(d)所示。发动机通过离合器和一个动力组合器来驱动汽车,电动机也是通过动力组合器来驱动汽车。其可以利用普通内燃机汽车的大部分传动系统的总成,电动机只需通过动力组合器与传动系统连接,结构简单,改制容易,维修方便。通常动力组合器就是一个行星齿轮机构,这种装置使发动机或电动机之间的转速可以灵活的分配,但它们组合在特定的动力组合器中,因为动力组合器使它们的转矩固定在电动汽车行驶时的转矩上,要通过调节发动机节气门的开度来与电动机的转速相互配合,才能获得最佳传动效果,从而使得控制装备变得十分复杂。

3)混联式混合动力电动汽车(Series-parallel Hybrid Electric Vehicle,PSHEV)

混联式也称为串并联式,混联式混合动力电动汽车是具备串联式和并联式两种混合动力系统结构的混合动力电动汽车。典型的结构特点是可以在串联混合模式下工作,也可以在并联混合模式下工作,同时兼顾了串联式和并联式混合动力电动汽车的特点。

混联式驱动系统是串联式与并联式的综合,其结构示意图如图3-13所示。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。发电机发出的电能输送给电动机或蓄电池,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,驱动系统则以并联工作方式为主。

图3-13　混联式混合动力电动汽车结构示意图

目前,混联式混合动力结构一般采用行星齿轮机构作为动力分配装置。有一种最佳的混联式结构是将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来,动力从发动机输出到与其相连的行星架,行星架将一部分转矩传送到发电机,另一部分传送到传动轴,同时发电机也可以驱动电动机来驱动传动轴。这种机构有两个自由度,可以自由地控制两个不同的速度。此时车辆并不是串联式或并联式,而是两种驱动形式同时存在。这种形式充分利用了两种驱动形式的优点。其动力流程图如图3-14所示。

混联式驱动系统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在最优状态工作,所以更容易实现排放和油耗的控制目标,因此是最具影响力的混合动力电动汽车。与并联式相比.混联式的动力复合形式更复杂,因此对动力复合装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮机构作为动力复合装置的基本构架。

图3-14　混联式混合动力电动汽车动力流程图

2.按混合程度分类

按混合程度分类,即按照电动机相对于燃油发动机的功率比大小可分为3类。

1)微混合型混合动力电动汽车(microhybrid electric vehicle)

以发动机为主要动力源,电机作为辅助动力,具备制动能量回收功能的混合动力电动汽车称为微混合型混合动力电动汽车。电机的峰值功率和总功率的比值小于10%。仅具有停车怠速停机功能的汽车也可称为微混合型混合动力电动汽车。

2)轻度混合型混合动力电动汽车(mildhybrid electric vehicle)

以发动机为主要动力源,电机作为辅助动力,在车辆加速和爬坡时,电机可向车辆行驶系统提供辅助驱动力矩的混合动力电动汽车称为轻度混合型混合动力电动汽车。一般情况下,电机的峰值功率和总功率的比值大于10%。

3)重度混合(强混合)型混合动力电动汽车(fullhybrid electric vehicle)

以发动机和/或电机为动力源,一般情况下,电机的峰值功率和总功率的比值大于30%,且电机可以独立驱动车辆正常行驶的混合动力电动汽车称为重度混合型混合动力电动汽车。

3.按照外接充电能力划分

(1)外接充电型混合动力电动汽车(off-vehicle chargeahle hybrid electric vehicle):一种被设计成在正常使用情况下可从非车载装置中获取电能量的混合动力电动汽车。仅当制造厂在其提供的使用说明书中或者以其他明确的方式推荐或要求进行车外充电时,混合动力电动汽车方可认为是外接充电型的。仅用作不定期的储能装置电量调节或维护目的而非用作常规的车外能量补充,即使有车外充电能力,也不认为是外接充电型的车辆。插电式(plug-in)混合动力电动汽车属于此类型。

(2)非外接充电型混合动力电动汽车(nonoff vehicle chargeable hybrid electric vehicle):一种被设计成在正常使用情况下从车载燃料中获取全部能量的混合动力电动汽车。

4.按照行驶模式的选择方式划分

(1)有手动选择功能的混合动力电动汽车(hybridelectric vehicle with selective switch):具备行驶模式手动选择功能的混合动力电动汽车。车辆可选择的行驶模式包括发动机模式、纯电动模式和混合动力模式三种。

(2)无手动选择功能的混合动力电动汽车(hydridelectric vehicle without selective switch):不具备行驶模式手动选择功能的混合动力电动汽车。车辆的行驶模式根据不同工况自动切换。

5.其他划分形式

(1)按照可再充电能量储存系统不同,可以划分为(但不限于)以下类型。

——动力蓄电池混合动力电动汽车(traction battery hybrid electric vehicle);

——超级电容器混合动力电动汽车(super capacitor hybrid electric vehicle);

——机电飞轮混合动力电动汽车(electromechanical flywheel hybrid electric vehicle);

——动力蓄电池与超级电容器组合式混合动力电动汽车(traction battery and super

capacitor hybrid electric vehicle)。

(2)混合动力电动汽车按照其技术特征、燃料类型、功能结构和车辆用途等因素,还可有其他划分型式。