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(二)混合动力汽车

混合动力汽车(Hybrid Electrical Vehicle,HEV)是指同时装备两种动力源——热动力源(传统的汽油机或者柴油机)与电动力源(电池与电机)的汽车。

目前,混合动力汽车大部分采用传统的内燃机和电机作为动力源,通过混合使用热能和电力两套系统驱动汽车,如图1-49和图1-50所示。使用的内燃机既有柴油机又有汽油机,因此可以使用传统汽油或者柴油,也有的发动机经过改造使用其他燃料,例如压缩天然气、丙烷和乙醇等。

混合动力汽车的燃油经济性高,而且行驶性能优异,在起步、加速时有电机辅助,可以降低油耗,辅助发动机的电机可以在起动瞬间产生强大转矩。

图1-49 混合动力汽车的内燃机

图1-50 混合动力汽车的电机

1. 混合动力汽车的构造

为了充分了解混合动力汽车的结构,下文将对其主要的动力总成元件进行详细的介绍,如图1-51所示。

图1-51 混合动力汽车的构造

(1)发动机

混合动力汽车可以广泛地采用四冲程内燃机(包括汽油机和柴油机)、二冲程内燃机(包括汽油机和柴油机)、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等,利用它们各自的优势,可以构成不同特点的混合动力系统。

丰田油电混合动力系统中安装的发动机与以往机型相比,具有低油耗、高输出的特性,如图1-52所示。

(2)电机

图1-52 丰田2ZR-FXE发动机

混合动力汽车的电机可以选择直流电机(图1-53)、交流异步电机(图1-54)、永磁同步电机(图1-55)和开关磁阻电机(图1-56)等。随着混合动力汽车的发展,直流电机已经很少采用,多数采用了交流异步电机和永磁同步电机,开关磁阻电机的应用也得到重视,还可以采用特种电机作为混合动力汽车的驱动电机,例如轮毂电机就很有前景,如图1-57所示。

图1-53 直流电机

图1-54 交流异步电机

图1-55 永磁同步电机

图1-56 开关磁阻电机

图1-57 轮毂电机

奥迪Q5混合动力汽车电机如图1-58所示,奔驰S400混合动力汽车电机如图1-59所示。

图1-58 奥迪Q5混合动力汽车电机

图1-59 奔驰S400混合动力汽车电机

(3)动力蓄电池

混合动力汽车常用的动力蓄电池包括超级电容、电化学电池、燃料电池和锌空气电池等如图1-60所示。动力蓄电池一般作为混合动力汽车的辅助能源,只在汽车起动发动机或电机辅助驱动时才使用。

(4)动力分配装置

在并联和混联系统中,机械的动力分配装置是耦合发动机和电机功率的关键部件,如图1-61所示。它不仅具有较高的机械复杂性,还直接影响整车控制策略,因而成为混合动力系统开发的重点和难点。目前采用的动力复合方式有转矩复合、速度复合和双桥动力复合。

图1-60 动力蓄电池

图1-61 动力分配装置

2. 混合动力汽车工作原理

插电式混合动力汽车的动力蓄电池容量相对较小,外部充电,可以用纯电模式行驶,动力蓄电池电量耗尽后再以混合动力模式(以内燃机为主)行驶,并适时向动力蓄电池充电。

图1-62所示为插电式混合动力汽车电气原理。插电式混合动力汽车具备发动机智能自动起停功能,判定条件有SOC、转速、气压、车速等。起停切换点不再是一个车速定值,而是一个通过优选算法,由程序计算出的速度区间(一般为20~40km/h),同时二代系统行驶状态下松加速踏板,特定工况下发动机进入停机模式,此时会听到轻微撞击声,并非故障。

图1-62 插电式混合动力汽车电气原理

3. 混合动力汽车的智能控制系统

发动机和混合动力系统都有各自的ECU和控制软件,将它们集成在混合动力汽车中,利用CAN总线将它们连接起来,实现信息共享和统一指挥,在混合动力系统工作时,发动机按混合动力系统的指令工作。当混合动力系统关闭或有故障时,发动机按加速踏板指令工作,如图1-63所示。

图1-63 混合动力汽车的智能控制系统

混合动力汽车的控制系统有以下功能:

①使混合动力汽车的动力性能达到或接近现有内燃机汽车的水平。

②最大限度地发挥电机驱动的辅助作用,使混合动力汽车的燃料消耗量尽量降低,实现发动机的节能化。

③实现多能源控制。混合动力汽车关键的控制技术,是对内燃机驱动系统和电机驱动系统实现双重控制。发动机与电机系统应进行最有效的组合和实现最佳的匹配。

④在环保方面,达到“超低污染”的环保标准。

⑤操作装置和操作方法上沿用自内燃机汽车。

在保证车辆动力性能的前提下,使发动机动力性适中,保证电力驱动系统发挥最大效率,既能满足车辆对动力性能的要求,接近内燃机汽车的动力性水平,又能降低燃料消耗并减少排放。因此,必须经过动力匹配计算和优化设计来选择所需的发动机。

4. 混合动力汽车分类及工作过程

随着全球汽车工业的迅猛发展,石油资源供应的日趋紧张,世界各国积极寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量,大力开发新型节能环保汽车。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前,混合动力汽车因低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。本模块将混合动力汽车按照动力混合形式分为以下三类。

(1)完全混合动力驱动

将一台大功率电机与内燃机组合在一起,以纯电动方式来驱动车辆行驶。一旦条件许可,该电机会辅助内燃机工作。

内燃机与电机之间有一个离合器,可以通过它断开这两个系统。内燃机只在需要时才接通工作,如图1-64所示。一部分动能在制动时又可作为电能使用(能量回收)。

图1-64 完全混合动力驱动

(2)中混合动力驱动

中混合动力驱动在技术和部件方面都与完全混合动力驱动一致,只是不能以纯电动方式驱动车辆行驶,如图1-65所示。一部分动能在制动时又可作为电能使用(能量回收)。

图1-65 中混合动力驱动

(3)微混合动力驱动

使用微混合动力驱动结构,电动部件(起动机/发电机)只用来执行起动-停止功能。一部分动能在制动时又可作为电能使用(能量回收)。这种结构不能以纯电动方式驱动车辆行驶,如图1-66所示。

图1-66 微混合动力驱动

5. 普锐斯混合动力系统工作原理

THS-Ⅱ使用发动机和MG2提供的两种动力,并以MG1作为发电机。系统根据各种车辆行驶状态优化组合这两种动力。HEV ECU始终监视SOC状态、蓄电池温度、动力蓄电池冷却液温度和电载荷状况。在READY指示灯点亮,变速器置于P位或车辆倒车时,如果监视项目不满足条件,则HEV ECU发出指令起动发动机驱动MG1,并为HEV蓄电池充电。THS-Ⅱ系统根据图1-67列出的车辆行驶状况综合控制发动机、MG1和MG2驱动车辆。

图1-67 车辆运行状况
A—READY指示灯点亮状态 B—起动工况 C—发动机微加速时 D—低载荷巡航时 E—节气门全开加速时 F—减速行驶时 G—倒车时

1)READY灯点亮状态。READY指示灯点亮、变速杆置于P位或者R位时,如果HEV ECU监视的项目满足条件,则混合动力汽车ECU起动MG1从而起动发动机。运行期间,为防止MG1太阳轮的反作用力带动MG2的环齿轮并驱动驱动轮,MG2接通电流以施加制动。这个功能叫作“反作用制动”,如图1-68所示。

在发动机进入正常运转状态时,MG1由发动机起动转变为发电机,为HEV蓄电池充电,如图1-69所示。

图1-68 反作用制动

图1-69 MG1为动力蓄电池充电状态

2)起动工况。车辆起步后,仅由MG2驱动。此时,发动机保持停止状态,MG1以反方向旋转,不发电,如图1-70所示。

只有MG2工作时,如果需要增加驱动转矩,则MG1起动,进而起动发动机。同样,如果混合动力汽车ECU监视的项目,如SOC状态、蓄电池温度、动力蓄电池冷却液温度和电载荷状态等,与规定值有偏差,则MG1起动,进而起动发动机,如图1-71所示。

图1-70 车辆起步后MG2驱动

图1-71 单独MG2不能满足需求时的工作状态

在发动机进入正常运转状态时,MGl由发动机起动转变为发电机,为混合动力汽车蓄电池充电。如果需要增加驱动转矩,则发动机将起动作为发电机的MG1,并转变为“发电机微加速”模式,如图1-72所示。

3)发动机微加速时/(C)。如图1-73所示,发动机微加速时,发动机的动力由行星齿轮组分配。其中一部分动力直接输出,剩余动力用于MG1发电。通过变频器,电力输送到MG2,MG2输出动力。

图1-72 MG1为蓄电池充电,MG2驱动车辆

图1-73 发动机微加速工作状态

4)发动机低载荷巡航时/(D)。如图1-74所示,车辆以低载荷巡航时,发动机的动力由行星齿轮组分配。其中一部分动力直接输出,剩余动力用于MG1发电。通过变频器,电力输送到MG2,MG2输出动力。

5)节气门全开加速时/(E)。车辆从低载荷巡航转换为节气门全开加速模式时,系统将在保持MG2动力的基础上,增加动力蓄电池的动力,如图1-75所示。

图1-74 发动机低载荷巡航状态

图1-75 节气门全开加速状态

6)发动机减速:

①以D位减速行驶。发动机停止工作,动力为零。这时,车轮驱动MG2作为发电机运行,并为动力蓄电池充电,如图1-76所示。车辆从较高速度开始减速时,发动机以预定速度继续工作,保护行星齿轮组。

②B位减速行驶。如图1-77所示,车辆以B位减速行驶时,车轮驱动MG2,使MG2作为发电机工作,并为动力蓄电池及MG1供电。这样,MG1保持发动机转速并施加发动机制动。此时,发动机燃油供给被切断。

图1-76 D位减速行驶

图1-77 B位减速行驶

③制动减速时。车辆减速时,如果驾驶人踩下制动踏板,制动防滑控制ECU计算所需的再生制动力,并发送信号到HEV ECU。接收到信号后,HEV ECU在符合所需再生制动力的范围内增加再生制动力。这样,可以控制MG2产生充电电量,如图1-78所示。

图1-78 制动减速状态

7)倒车时/(G)。车辆倒车时,仅由MG2为提供动力。这时,MG2反向旋转,发动机不工作,MG1正向旋转但并不发电,如图1-79所示。

只有MG2驱动车辆时,如果HEV ECU监视的项目,例如SOC状态、动力蓄电池温度、冷却液温度和电载荷状态与规定值有偏差,则MG1起动,进而起动发动机,如图1-80所示。

发动机将起动作为发电机工作的MG1,并为动力蓄电池充电,如图1-81所示。

图1-79 倒车仅MG2驱动

8)电机驱动模式控制。为减少深夜行车、停车时的噪声和在车库中短时间减少排放,可以手动按下仪表板上的EV模式开关,使车辆只受MG2的驱动,如图1-82所示。

图1-80 倒车时MG1起动

图1-81 发动机起动,MG1为动力蓄电池充电

按下EV模式开关后,组合仪表中的EV模式指示灯点亮,如图1-83所示。

图1-82 EV模式

图1-83 EV模式指示灯点亮

选择EV模式时,发动机停止工作,车辆继续在只有MG2工作的状态下行驶,除非车辆发生以下情形:

①EV模式开关关闭。

②SOC下降到规定值以下。

③车速超过规定值。

④加速踏板角度超过规定值。

⑤动力蓄电池温度偏离正常工作范围。

如果动力蓄电池在标准SOC下,车辆在平坦路面上连续行驶1~2km后,EV模式将关闭,如图1-84所示。

图1-84 EV模式关闭条件 D0+WrGJpGmT+UkTVNI3gWBKLsRpVVjXX10F1l7XO4/1vYGlFMcx/LvqmA5bj0GwD

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