从驱动方式及相关主要技术看混合动力汽车

Posted 2021-03-06

（图1：雅阁混动汽车DBC适配实测）
我们接触过不少像卡罗拉、凯美瑞、雅阁等多款混合动力车型，涉及整车控制策略数据就包涵了丰田氢能源车Mirai、日产最牛电动汽车聆风和E-POWER、雪弗兰博尔特等。
?
由于现阶段作为纯电动汽车和燃料电池汽车的关键部件之一电池存在密度低、寿命短、价格高等问题，使得电动汽车的性价比依然比传统内燃机汽车偏高。尽管目前具有世界先进水平的纯电动汽车和燃料电池车的性能与内燃机汽车不相上下，但是过高的成本，用户接受度不高、市场教育不够，汽车销量的数据依然不乐观，混合动力汽车更是如此。
?
我们还处在非典型性冠状病毒疫情并未结束的前夜阶段，融合内燃机和电动汽车优点的混合动力汽车感觉被“外部刹车”影响极大，销量极为惨淡，就混合动力汽车的节能、续航、排放、配置、实用性、越堵越省油等优点，相信后续也会成为尖刀突起（有个性、但是量少）。最近翻阅了不少混合动力汽车相关的资讯，丰田要给斯巴鲁做混合动力，大众也要出混动Touareg R，索纳塔也要搞混动，连不太出名的铃木雨燕也要出混合动力车型，零配件巨头博世要出48V混动技术等等。
?
混合动力汽车，一般在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元的汽车，其中辅助动力单元是燃烧某种燃料的原动机或者由原动力驱动的发电机组。目前这套原动力系统采用的一般为柴油机、汽油机或者燃气轮机，你看，又绕回来了。
?
混合动力电动汽车将原动力、电动机、能量存储装置组合在一起，以实现他们之间良好的匹配和优化控制，这样可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，各司其职又避免各自不足，达到低排放和低油耗的特点。

（图2:丰田凯美瑞混动系统）

目前世界各国研究开发的混合动力车型有很多种形式，根据驱动系统的配置不同，就可分为串联式、并联式和混联式三种驱动类型车型。
?
串联式混动动力驱动系统
这套混合动力的原理是原动机直接带动发电机发电，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，将电池作为原动力输出和电动机需求功率的中转装置。串联式结构适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可以使原动机保持在最佳状况附近稳定运转，从而不仅起步加速快，还降低了废气排放。然而串联式混合动力的燃油经济性能还有待提高，这主要是因为在电能与机械能转化过程中存在效率损失。这种系统主要应用于城市大客车，在轿车中用的少。
?
并联式混合动力驱动系统
发动机和电动机可以分别向汽车提供动力，不需要把发动机动力转换为电力，因此，更像传统的动力系统。由于发动机的机械可能直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，所以，动力系统效率高，燃油消耗少。但由于发动机与车辆驱动轮之间有直接的机械连接，发动机工况不可避免的受到汽车具体行驶的工况应影响，这种串联式结构也相对复杂，需要变速装置和动力复合装置。
?
混联式混合动力驱动系统
就是串联和并联的综合，驱动系统是发动机与电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，但驱动电动机的发电机串联于发动机。发动机发出的一部分功率通过机械传动输送给驱动桥，而另一部分则驱动电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或者电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传输给驱动桥。
?
低速行驶的时候，驱动系统主要以串联的方式工作，高速行驶的时候，则以并联工作方式为主，大家可以看看雷克萨斯官网的驱动力流向GIF图。这种混联式驱动系统他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仍能使系统在最优的状态下工作，所以，更容易达到控制排放和降低油耗的目的，因此是最具有影响力的HEV。
?
混合动力电动汽车根据汽车工况的要求，对内燃机与电动机进行优化组合，具备了很多传统内燃机汽车不具备的优点：
?
1、节能 传统汽车制动系统将汽车的动能转化为不可逆的热能而浪费掉了。混动就不同，他利用安装在车轮上的发电机将摩擦产生的热能转化为可以重新利用的电能储存起来，这大大提高了汽车燃油经济性，特别适合在北上广深大城市走走停停行驶的城市工况。如果把燃油车与混合动力车的油耗相比较，同一类发动机、同一款汽车，混合动力能帮您节油50%左右。那现在混合动力系统做的最好的是日系，你看雷克萨斯、丰田、本田系列的混动系统，都是杠杠的成熟，宝马就不推荐了，没投诉个死就不错了，最近大众也有不少的混合动力车型，满足你对车标的喜爱吧。
2、改善排放 发动机保持在最佳工况区域稳定运行，避免了发动机在变工况下不良运行。丰田公司的普锐斯汽车二氧化碳排放量下降50%，一氧化碳、氮氧化合物及碳氢化合物的仅相当于日本现行法规的1/10。无奈国人抗日，把所有人家好的东西都没学会，还沾沾自喜。你看国外的出租车大部分都是丰田系、而普锐斯较多，空间大不算，后排直接可以放平铺上席梦思，看看国内的一些设计，真的是无（la）可（ji）挑（she）剔（ji）了。
?
3、发动机小型化 可以通过电动机提供动力，且发动机根据最大负荷而设计瞬时加速负荷，此可配备配功率较小的发动机。而最惨的，应该算是宝马i8，居然那么不受欢迎，一看发动机机，1.5T，花那么多钱，买了个1.5T，怕人家笑话，确实，我都会笑话你，不搞个4.0T双涡轮增压都不好意思说自己的跑车。
?
4、工艺延续 传统燃油机的制造工艺与电动车生产工艺完美结合，现有汽车制造厂能添加部分工装设备即可生产，混动汽车也不需要建立燃料存储、运输、添加等装置，现有加油站，想充电就充电，想加油招呼一声即可。
?
（图3：雷克萨斯混合动力系统）

混合动力汽车关键技术
混合动力系统的设计主要包括选择发动机、电机、电池和其他电控零部件，以及设计一个好的整车控制系统控制每个部件工作和能量流向。应对各部件进行优化，使其适应混合动力系统的工作优点。
?
1、高效率的发动机
混动系统中，发动机作为能量转换装置具有举足轻重的作用。由于发动机成熟，实际工况可以控制在一定范围内，追求发动机的是高效率而不是高功率，因此大部分的混合动力汽车都是采用偏低排量的发动机系统，进一步优化和提高燃油的经济性，同时降低排放，比如现在的丰田卡罗拉和雷凌双擎，从1.8的发动机换成1.5，增加电能驱动，网约车师傅普遍说在百公里4升左右的油耗水平，加速快。
?
大多汽车制造商选择直喷式压燃发动机并联混合动力系统来实现百公里3L的目标，目前也是大中型车企广泛使用的动力系统，其热效率高，有害排放物较低，还可选用经济性好、体积小、排气噪声小的燃气轮机，利用不同的优势构成不同的混合动力系统。
?
2、电机
混合动力汽车在普通交通道路上行驶，工况需要应对复杂情况。混合动力对以电动和发电模式工作的电机还有更高的要求，恒扭矩、恒功率工作，高效率的大功率输出，接近双倍功率过载量。因此，研究开发体积小、质量轻、工作可靠、动态响应好的电机，对混合动力汽车进一步提高动力性和经济性极为重要。混合动力汽车可使用电动机有直流他激电机、无刷电机、感应电机、开关磁阻电机等。直流他激电机质量大、体积大、笨，目前国内外比较重视永磁无刷电机及其控制系统的研究和开发，现已经有龙头开发出满足混合动力汽车最佳匹配要求的电机系统。
?
3、电池
混合动力汽车电池主要在启动、加速的时候作为动力，起步快，平稳，不会增加发动机油耗等是电动驱动力的特点，而在车辆减速和下坡滑行时候回收车辆动能。因此在其使用状态不同于电动汽车。一般情况下，电池处于浅度、频繁的充放电循环中，在充放电过程中，电压、电流会有较大变化。针对这种使用特点，混合动力汽车要求电池具备大功率充放电能力和较高的充电效率，以及电池应当在快速充放电和充放电过程变工况下保持性能的相对稳定。
?
另外作为车用动力电池，还有电压、质量和体积比能量、免维护及成本等基本要求。在研发高性能、底层本、寿命长的电池同时，还需建立一个符合电池实际使用环境的电池能量管理系统BMS。BMS电池管理系统主要功能有：防止过充和过放，判定负荷电状态SOC，选择选择适当的充放电模式，对电池进行均衡充电，控制并平衡电池组的工作温度。BMS还关系到提供给载荷均衡控制装置的控制参数是否可靠，因此，?电池及其能量管理系统的开发也是发展混合动力汽车的关键问题之一。
?
4、动力复合装置
动力复合装置是耦合发动机和电动机功率的关键部件，他关系到能否实现电动机、发动机、和电池数的俱佳匹配以及三者之间状态的协调控制。动力复合装置不仅具有复杂的机械，而且影响整车的控制策略，因而成为混合动力系统开发中的重点和难点。好在，速锐得科技经验丰富，针对先进的氢能源车、新能源车、混合动力汽车的整车控制策略DBC都有深入的研究，可以助力一把。
?
5、控制系统
控制系统目的就是要实现发动机始终在最佳工作范围内，以使油耗和排污最低，尽可能充分利用发动机的能量，最大限度的吸收能量，尽量减少电池的能量消耗。因此一个能根据汽车行驶工况、原动力运行工况、电池充放电状态等进行实时分析和控制的智能化控制系统，对混合动力汽车的成功起到关键的作用。
?
因此，研究电动机、控制单元、电池、发动机等动态特性，建立符合混合动力汽车实际使用工况的动态模型，是混合动力汽车研发中的一项重要工作。
?
与传统燃油车相比，混合动力汽车在节能和排放上更胜一筹。混合动力汽车具备了未来汽车所需要的四方面的要素，即良好的动力性能、燃油经济性、清洁环保以及经济实用的特点。就目前来说，虽然混合动力汽车比传统汽车要贵20%左右，但随着各国环境立法日趋严厉，混合动力汽车量产增大、得到更多人的青睐和实用性，成本不断降低，市场份额增大。从长远看，尽管只是一种过渡车型，但是在近20-30年内是个不错的选择。国内如果不推荐、不鼓励、不生产，那么混合动力汽车只有两种叫法，一种叫日系，一种叫其他。