混合动力电动汽车及其驱动模式

1、第 15卷 第 2期 2007年 6月 山东交通学院学报 J OURNAL OF SHANDONG JI AOTONG UNI VERS I TY Vo. l 15No . 2J un. 2007收稿日期 :2006-05-25(-, 女 , , .混合动力电动汽车及其驱动模式张桂荣 1, 肖玉军 2(1. 山东交通学院 汽车工程系 , 山东 济南 250023; 2. 日照公路局 工程处 , 山东 日照 276800摘要 :介绍了混合动力电动汽车 (HEV 的优点、 主要技术总成、 发动 机和电动机的组合方式 , 分析了串联 、 并联、 混 联式混合动力汽车的驱动模 式 , 指出混 合动力

2、汽车 在遇到 堵车 时的 燃油消 耗量、 尾 气排放 量等 要远远 低于 仅靠 汽、 柴油内燃机驱动的车辆 , 在动力性 能、 续驶里程、 使用方便性等方面大大优于仅靠 电力驱动 且需要反复 充电的 纯电动车。关 键 词 :混合动力汽车 ; 驱动模式 ; 发动机 ; 电动机中图分类号 :U 469. 79 文献标识码 :A 文章编号 :1672-0032(2007 02-0030-06当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病 , 统计表明在占 80%以上的道路条件下 , 一辆普通轿车 仅利用了动力潜能的 40%, 在市区仅为 25%, 更为严重的是排放废气污染环境 1。 20世纪 90年代以来

3、 , 世 界各国对改善环保的呼声日益高涨 , 各种各样的电动汽车脱颖而出 , 主要有蓄电池电动汽车、 燃料电池电动 汽车和混合动力电动汽车 3种。蓄电池电动汽车发展的关键技术是高能量蓄电池 , 该蓄电池重量大、 体积 大、 续驶里程短 , 还需要地面充电检测等设施 , 难以为地方政府、 企业、 用户所接受 ; 燃料电池汽车 , 虽然极具 前途 , 但燃料电池价格昂贵 , 且建设投入很大 , 我国只能少量试点 , 集中进行 ; 混合动力电动汽车是介于内燃 机汽车和电动汽车之间的一种车型 , 是内燃机汽车向电动汽车 过渡 型的车辆。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力

4、 , 辅助动力单元实际上 是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说 , 就是将传统发动机尽量做小 , 让一部分动力由电 池 ! 电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长 , 动力性好的优点 , 又可以发 挥电动机无污染、 低噪声的好处 , 从而使汽车的热效率可提高 10%以上 , 废气排放可改善 30%以上。 1 HEV 的优点1. 1 耗油量低 , 排放污染小在 HEV 上采用了发动机与电动机 2套驱动系统 , 即发动机与电动机共同组成混合动力系统来驱动 车辆行驶 , 使车辆的燃料消耗量和废气中的有害气体大量降低。目前 , 混合动力轿车 (相当于普通轿车和 中级轿车

5、 的燃料消耗量在 3L /100km 左右 , 废气中所排放的有害气体达到 超低污染 的排放要求 , 是 21世纪初期 H E V 的努力目标。在 HEV 上所采用的发动机功率一般要比同级别的内燃机汽车小 , 但对燃料消耗量和废气排放的污 染提出了更高的要求。除了采取各种现代最新技术使发动机经常处于效率最高状态下运转外 , 充分发挥 电动机的低速大转矩的特点 , 使发动机避开在起动、 加速和爬坡时燃料消耗量增大和废气排放增多的不 利工况 , 是 HEV 的主要特点。1. 2 续驶里程长 , 不需要地面充电设施混合动力电动汽车既可用常规内燃机作动力 , 又可结合采用电池、 电机驱动 , 一次充满

6、油、 电后 , 持续 行驶里程可提高到 5001000km 左右。混合动力驱动车辆在运行中 , 发动机能向蓄电池组补充电能 ,因此 , 不需要像蓄电池电动车那样 , 停歇在车库 (或充电站点 内花很长时间充电 , 同时也不需要建设地 面充电设施。1. 3 减速和制动能量的回收混合动力电动汽车在减速和制动时 , 驱动电动机转换为发电机 , 将制动时的动能转换为电能 , 反馈到 动力电池组中 , 从而使减速和制动的能量得以回收利用。图 1a 所示为正常行驶时电池向电动机供电。 图 1b 所示为减速和制动行驶时电动机变为发电机向电池充电。图 1c 所示为电动汽车在行驶中电池电 能输出与输入的变化情况

7、 , 以车辆的速度为横坐标 , 电池电量输出与输入为纵坐标 , 在横坐标以上为电动 汽车在市内一般道路上行驶时消耗的能量 , 在横坐标以下为电动汽车在市内一般道路上滑行和制动时再 生制动回收的能量。图 1 减速和制动能量的回收2 HEV 的主要技术总成2. 1 发动机HEV 可以采用四冲程或二冲程内燃机 (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。2. 2 电动机HEV 可以采用直流电动机、 交流感应电动机、 永磁电动机和开关磁阻电动机等。现在 , 直流电动机 已经很少采用 , 多数采用了感应电动机和永磁电动机 , 开关磁阻电动机的应用也得到重视 , 还可以采用特 种电

8、动机作为 H E V 的驱动电动机。2. 3 电池HEV 可以采用各种不同的蓄电池、 燃料电池、 储能器和超级电容器等作为 电池 , 电池在 HEV 用电 动机起动发动机或电动机辅助驱动时使用。3 HEV 发动机和电动机的组合由于混合动力电动汽车的功率可由不同类型的能源组合提供 , 因此其组成和结构多种多样。混合动 力电动汽车按照能量合成的形式主要分为串联式 (S H E V 、 并联式 (PHEV 和混联式 (PSHEV 3种2。3. 1 串联式 , S H 31第 2期 张桂荣等 :混合动力电动汽车及其驱动模式动力单元系统 , 其结构组成见图 2。串联式混合动力电动汽车结构比较简单 , 电

9、力驱动是其唯一的驱动 模式 , 发动机和车轴之间没有直接的机械连接 , 发动机可以始终工作在期望的工作点上 , 可以保持在稳 定、 高效、 低污染的运行状态。但串联式混合动力电动汽车各部件的功率较大、 体积和质量也较大 , 因此 安装布置有很大难度 , 同时 , 由于能量经历了从热能到电能再到机械能的转化过程 , 能量损失较大 , 尽管 发动机本身的燃油经济性高 , 但就整个车辆来说燃油经济性不高。这种结构型式适用于中大型汽车 , 特 别是城市公交车。3. 2 并联式并联式混合动力电动汽车有发动机驱动和电力驱动两套驱动系统 , 如图 3所示 , 两者既可以单独驱 动车辆 , 也可以共同驱动车辆

10、。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用 , 又称为电动 /发 电机组。由 于没有单独的发电机 , 发动机可以直接通过传动机构驱动车轮 , 又可以带动电动 /发 电机发电 , 给蓄电池 充电。发动机工作在高效稳定状态 , 燃油经济性和排放性能都比较好。驱动系统可以选择功率较小的部 件 , 整车效率较高 , 主要适用于小型汽车上。其缺点是整车结构比较复杂 , 控制难度比较大。图 2 串联式混合动力电动汽车 图 3 并联式混合动力电动汽车例如大众汽车公司的高尔夫 PHEV, 发动机通过一边的离合器带动电动 /发 电机 , 输出电能 , 再通过 图 4 混联式混合动力电动汽车另一边离合器驱动车辆行驶

11、。3. 3 混联式混联式混合动力汽车动力系统如图 4所示 , 其最大特点是在汽车起步和低速行驶时 , 发动机可以完全关闭 , 仅仅依靠 电动机 驱动 , 并且 在汽车 停止时 , 电动机和发动机同时停止工作 , 以尽量减少能量的损耗。如一汽生产的丰田普锐斯 (Pri u s 就是混联式混合动力汽车。由于混联式混合动力汽车在油耗和排放方面都较优异 , 因此 被认为是最理想的混合动力系统。 4 HEV 的驱动模式3混合动力电动汽车的各组成单元在控制器的作用下 , 根据驾驶员的指令 , 可在不同的工作模式之间转换 , 协调工作。4. 1 串联式的工作模式 串联式混合动力电动汽车的工作模式如图 5所示

12、。1 在车辆起步、 正常行驶或加速过程中 , 发动机通过发电机和 (或 电池两者一起发出电能并传递给 , , /32 山东交通学院学报 2007年 6月 第 15卷机作用。2 在轻载时 , 发动机的输出功率大于驱动车轮所要求的功率 , 发电机产生的多余电能被用来向电池 充电 , 直到电池的容量达到预定的水平 , 如图 5b 所示。此时 , 电动 /发电机起电动机作用。3 在制动或减速的过程中 , 电动 /发电机起发电机的作用 , 将车辆的动能转化成电能 , 并通过功率转 换器向电池充电 , 如图 5c 所示。4 车辆停车时 , 发动机也可以通过发电机和功率转换器给电池充电 , 如图 5d所示。

13、 图 5 串联式混合动力电动汽车的工作模式4. 2 并联式并联式混合动力电动汽车的工作模式见图 6。1 在车辆起步或节气门全开的加速过程中 , 发动机和电动 /发电机两者同时工作 , 驱动车辆 , 见图 6a。 图 6 并联式混合动力电动汽车的工作模式2 在正常行驶过程中 , 仅仅由发动机提供必需的功率以驱动车辆 , 而电动 /发 电机保持脱离工作的状 态 33第 2期 张桂荣等 :混合动力电动汽车及其驱动模式3 在减速制动的过程中 , 电动 /发 电机起发电机的作用 , 并通过功率转换器向电池充电 , 见图 6c 。4 车辆轻载时 , 发动机向电动 /发 电机提供一部分功率 , 通过功率转换

14、器向电池充电 , 见图 6d 。4. 3 混联式图 7所示为发动机主动型混联式混合动力电动汽车的工作模式。 图 7 混联式混合动力电动汽车的工作模式1 车辆起步时 , 发动机关闭 , 蓄电池工作提供车辆行驶所需的动力 , 如图 7a 所示。2 节气门全开车辆加速行驶时 , 发动机和电动 /发电机同时工作 , 共同分担车辆行驶所需的动力 , 如 图 7b 所示。3 车辆正常行驶时 , 电动机关闭 , 发动机工作 , 提供车辆所需动力 , 如图 7c 所示。4 车辆制动或减速行驶时 , 电动 /发 电机工作于发电机模式 , 通过功 率转换器给蓄电池充电 , 如 图 7d 所示。5 车辆行驶时如果蓄

15、电池需要充电 , 发动机一部分动力用于驱动车辆 , 另一部分动力由发电机经功 , 34 山东交通学院学报 2007年 6月 第 15卷第 2期 张桂荣等: 混合动力电动汽车及其驱动模式 35 6 停车时, 发动机也可以通过发电机给蓄电池充电, 如图 7 f 所示。 5 结 语 混合动力电动汽车采用发动机和电动机互补的工作模式, 在起步或低速行驶时, 汽车仅依靠电力驱 动 ( 混联式 , 此时发动机关闭, 车辆的燃油消耗量是零。并且一旦启动, 电动机就会达到最大转矩。或 者在起步时发动机和电动机一起工作 ( 串联式和并联式 , 此时发动机始终处于最佳工作区域。这些特 点使得混合动力汽车在遇到堵车

16、时的燃油消耗量、 尾气排放量等要远远低于仅靠汽、 柴油内燃机驱动的 车辆, 而混合动力汽车在动力性能、 续驶里程、 使用方便性等方面又大大优于仅靠电力驱动且需要反复充 电的纯电动汽车。混合动力汽车结合了内燃机汽车与纯电动汽车的优点, 同时又克服了二者的不足, 因 此可以说是一种在将来最有可能被广泛应用的节能车型。 参考文献: 1 胡 骅, 宋 慧. 电动汽车 M . 北京: 人民交通出版社, 2003. 2 廖权来, 罗玉涛. 电动汽车学 M . 广州: 华南理工大学出版社, 1997. 3 陈清泉, 孙逢春, 祝嘉光. 现代电动汽车技术 M . 北京: 北京理工大学出版社, 2002. 4

17、陈清泉, 孙逢春. 混合电动车辆基础 M . 北京: 北京理工大学出版社, 2001. R esearch on Hybrid Electric Autom obile A ctuation Pattern ZHANG G ui rong , X IAO Yu jun 1 2 ( 1 D epart ent of Au tom obi le E ng in eering, Shandong Jiaotong Un iversity, Jinan 250023 China; . m , 2 H ighw ay E ng ineering Bureau, R izhaoH ighw ay Bu reau, R izhao 276800 Ch ina . , Abstract T his paper introduces th e m erits, the m a in technical units the com binat ion pattern of the eng ine and : , th e e lectric m oto r of the hybrid mo tor car It