轿车微混合动力系统和轻度混合动力系统综述

.4.2通用SaturnVUE□□□□□□GMHybridSystemforSaturnVUE肃马四缸发动机篇需动需制算法改进--Iwh先进镍氢电池，具有自动切」…i&rvisoiySoftware5v；11断保护功能川HV力I新HviMiy进的双向张紧龙皮带带有三相电缆的ISG.DualTensiion#rAisemblywithAramadCordBelt"改进的带有助力泵的自动变速器换器和逆独子--0图8通用SaturnVUE混合动美国通用汽车公司于..士20：一年底在其1匕.ModFfied4T45-£Automat匕车"0口P^>^安士段2鬲。*thirw*rtEF装了皮带式启动电机发电机系统，并实现了量产。“””:Pw-：尽管通用公司的皮带式启动电机发电机系统并不是第一个实现的量产的系统（法国雪铁龙等公司在其前已将此技术量产），但其举动已充分表明了世界汽车工业界对此项技术的重视和对此技术未来市场的看好。系统构成如表1。整车性能城市油耗：高速路油耗：—加速时间：比传统车改善汽油发动机排量：可靠的皮带张紧系统最大扭矩：最大功率：改进的变速器改进电机最大助力功率：发电最大功率：电功率助力最大扭矩：质量：动力电池额定电压：重量：最大放电功率：最大充电功率：表系统构成系统特点：最大限度的利用了皮带式系统的功率，并设计了可靠的张紧系统，保证皮带系统在恶劣环境下的打滑问题；由于系统功率大，可充分实现快速启停发动机（取消怠速）、减速倒拖断油、制动能量回收、智能电池充电等混合动力功能。其混合动力功能原Intelligentchargingof

advancedhybridbatteryEadyfuelcut-off

duringdecelwith

torquesmoothingRegenerativeAuto-start

withtorque

smoothing通用Intelligentchargingof

advancedhybridbatteryEadyfuelcut-off

duringdecelwith

torquesmoothingRegenerativeAuto-start

withtorque

smoothing通用SaturnE混合动力系统功能一览2.4.3奇瑞BS奇瑞于系统年在汽车涌.ElectricYpowerassist展览会上展出了配备皮带式启动电机发电机微混合系统的轿车。要配置参数如

表2主要配丫U。On参数理如图9所示；解决了与变速器一起使用的一些问题；系统虽然功能丰富，但系统成本更高，与系统（如奇瑞系统）相比更适合于高档轿车。额定功率:

额定功率:

最大转速:容量：最大放电电流:Briefelectric-only速手动变速箱最大扭矩:Engineoffwh丽大功率：stopped爪极电机最大功率：最大扭矩：阀控铅酸蓄电池额定电压:最大充电电流:该系统的主要特点:系统电机通过皮带于发动机连接，可实现发动机快速启停，从而实现怠速停车功能；系统电机功率为，仅为满足快速启停发动机的需要。这样电力供应仍可以采用现有的系统，省去了高压系统中及高压蓄电池等部件；

・电池则采用价格相对便宜性能优越的铅酸电池，于现有系统兼容，且成本低于电池。因此，此系统结构简单、重量轻、对整车原有结构改动很小、成本低，适用于对价格较为敏感的经济车型。3轻度混合动力系统3.1构型轻度混合动力系统的典型代表是曲轴集成式，其结构如图所示。曲轴集成式系统将盘式一体化启动机发电机直接安装在内燃机曲轴输出端转子与曲轴联结)取代了飞轮以及原有的启动机和发电机。根据电机控制系统电压不同，可以将系统分为低压系统和高压系统如图11所示。图10曲轴集成式ISG系统示意图⑶低压系统(b)高压蓄电池直接连接高压系统超级、电容超级、电容(c)36V蓄电池中间DC/DC高压系统图11曲轴集成式ISG电力系统结构

对于小功率电机，直接使用蓄电池与逆变器相连，构成低压()系统，图，结构简单成本低。对于高压()电力系统有两种结构，如图。由于传统轿车电器系统的存在，两种方案均需配备单向为现有蓄电池充电。方案是通过高压蓄电池直连逆变器为电机供电。电池电压不仅应满足电机电压，电池功率还应满足电机最大功率。因此所需电池为高压功率型蓄电池。这种方案虽然结构简单，但对电池要求较高。方案是通过中间使用低压蓄电池为高压系统供电，对电池电压要求大大降低。并通过在高压母线上并联超级电容以满足短时电机功率需求。与方案相比，此方案对电池的要求大大降低为低压能量型，但增加了高压双向和超级电容等部件。3.2功能发动机自动启停车速为0，则迅速停止发动机；刹车踏板抬起，则迅速启动发动机；在秒内低温℃在秒内将发动机安静拖动至以上；发电效率提高到约88；%可为节油做出突出贡献，降低油耗7%；为减少排放，发动机水温/催化器温度未达到设定值时，不停止发动机。加速/超车助力改善发动机扭矩特性，提供更好的加速能力，如图12所示；优先使用电机提供加速扭矩，减少发动机动态过程，对于降低油耗、减少排放具有重要贡献；当需求扭矩超出原有发动机能力时，电机/发动机同时出力；系统总体功率为发动机功率+电机功率之和。(a)汽油机EM】BnFaSpeed[RPM](b)柴油机呈三」8芸白[1.图12曲轴集成式ISG系统改善发动机扭矩特性巡航：优化发动机效率/排放，高效率发电•根据发动机工作点，调整电机发电扭矩，使发动机工作在经济区高负

荷区），同时避开排放恶化区域（小负荷/外特性区）；将这部分电能储存起来，用于将来启动发动机或加速助力；电力电子电池系统的能量存储效率应尽量高，以免浪费能量；发动机/电机需要进行扭矩协调控制，以保证发动机输出扭矩不变。功铺助10100C15C0200025003000功铺助10100C15C0200025003000350C4OC045005C00550二发动机转递ne[r/min]⑶最佳麴率明缱（b）—动机工作最小转矩线9）电动机助力最小转矩线图13曲轴集成式ISG系统巡航功能制动：能量回收+发动机断油将白白浪费掉（通过制动器转换为热）的车辆动能回收，储存在电池中，供今后使用；为节油做出突出贡献，通过制动一项，可降低燃油消耗7~8%；为保证制动安全，原有机械制动器仍然保留；制动过程中发动机断油（但依旧被动旋转），减少油耗；制动过程结合停缸技术，关闭气门，进一步减少功耗；如果电池过高，为保证电池安全，则禁用制动能量回收功能；城市工况中存在大量轻度制动过程。发动机减排量通过电机进行低速扭矩补偿，改善发动机低速扭矩特性，改善超车性能；通过电机高速扭矩输出，改善了车辆的超车特性；因此，发动机的输出功率只需满足稳态巡航需求即可，大大降低了对发动机的功率需求，从而减少发动机排量，减少油耗，为降低油耗作出了第三个重要贡献。3.3成本曲轴集成式3.3成本曲轴集成式系统的成本主要在、电机及其逆变器和蓄电池，带超级电容的系统则还增加了超级电容的费用。相比于皮带式，曲轴集成式成本有所增加；但和深混合及强混合系统相比，由于轻度混合系统所需要的电机和蓄电池功率均较小，因此成本又相对较低。3.4国内外ISG系统举例3.4.10000IMA混合动力系统图14本田IMA混合动力系统日本本田公司早在年就在其轿车上推出了配备系统的混合动力版本，并实现了量产。并于年和年分别在其和上推出了安装此系统的混合动力轿车。最近，在最新的版和版上，本田公司又对其混合动力系统进行了升级。所有本田公司推出的混合动力轿车都是基于其混合动力系统。此系统即系统，通过在发动机飞轮处安装电机构成轻度混合动力系统，实现快速启停、发动机助力、制动能量回收、倒拖断油等功能。其系统可谓现今最成熟的量产系统。系统配置如表3表系统配置整车性能油耗：日本工况加速时间：汽油发动机排量：三段可变气门正时最大扭矩：最大功率：直流无刷电机助力最大功率：发电最大功率：助力最大扭矩：发电最大扭矩：动力电池容量：额定电压：

最大放电功率：最大充电功率：该混合动力系统的特点：•发动机配备了阶段可变气门正时系统，根据发动机转速，可切换进排气凸轮轴正时。并可实现完全关闭气门，禁止发动机换气，从而完全消除发动机的泵气损失功率。在高速车辆减速，发动机倒拖工况中配合断油功能一起实现了发动机停缸技术，从而最大程度上减少了发动机油耗。如图15所示；Tlireehydrauliccircuits(low-seed,high-speed,deactivated)

insiderockershaftLow-speedHigh-speedCylinderIdleValvesoperatingIntakfssidechangeoverValvesdeaclivati2dLow-speedHigh-speedCylinderIdleValvesoperatingIntakfssidechangeoverValvesdeaclivati2d(a)VslveoperationMotoroperationDrivingconditionDeactivatedRegenerationDecelerationAssisiMotor-poweredLow*to-midenginespeedsRegenerationDecelerationiWhwibetLerybIetkmUuM)inactiveCruisingAssistAccelerationInactiveIdlingStopHEghenginespeedsRegenerationDecelerationfromhighspeedInactiveCruisingAssistAcceleration(b)图15本田IMA混合动力系统3阶段可变气门正时系统•经过几轮系统优化设计，在保持系统性能的前提下将系统部件体积、重量很大程度上的简化到了最小；•综合能量管理。将混合动力的加速助力、制动能量回收、智能高效率充电、快速启停功能与发动机的功能结合协调控制，实现了整车经济性、排放和动力性的优化控制。其功能原理如图16所示；

VehicleCylinderGyEinderLD-VTHI-VTLO-VTLO-VT图16本田IMAVehicleCylinderGyEinderLD-VTHI-VTLO-VTLO-VT图16本田IMA混合动力系统功能原理图•虽然功能丰富，改善经济性、动力性及排放潜力大，但系统成本与皮带DeicelorationHigh-speecfcrui^ngRapid僦2(必alic一卜：Btionnn11Low-speEMlcruisingGerrtlezscxeterBlicMiStart-upandacceteralionVehlcte-stationiaryF\braking\JI,一■胸口x*er制心ft.fr1nAcceieraiionjA.Jif-MGttXiKWSTKlOpnAkMn\EngrMMXJwerDdopFHlton1,|Startnupassist、-Z(EngineoffCHRBASST■II1CHRGAB5T1CHRBASS,IlliIIIrridHROASBT11■CHRGASSTIIICHRCASST1CMRGASSTIt1CHRGAS&T1式系统相比要高很多。3.4.2奇瑞ISG混合动力系统奇瑞于200年5在汽车清洁能源展览会上展出了配备曲轴集成式启动电机发电机轻度混合系统的轿车。其系统主要配置参数如表4。表奇瑞系统配置汽油发动机排量：速手动变速箱最大扭矩：最大功率：永磁同步电机（配有）额定功率：最大功率：最大转速：最大扭矩：动力电池蓄电池容量：额定电压：最大放电电流：最大充电电流：该系统的主要特点：电机替代了原有发动机的飞轮及飞轮壳，通过曲轴直接进行扭矩输出；系统功率为，可实现快速启停发动机、加速助力、制动能量回收功能，从而在改善发动机动力性、经济性和排放上比皮带式系统提供了更大的潜力；但由于系统功率大，需要采用高压电力系统，并采用高压动力蓄电池及变换器，增加了系统成本。4国内技术路线建议发展我国混合动力有两条技术路线值得重视：一是轿车混合动力的模块化。通过功能模块的发展与组合逐步推进汽车动力的电气化。从只具备自动启停、怠速关机功能的“微混合（）”、以并联式混合动力发动机为主体的“轻混合”和以混联式为特征的“全混合”，随着电功率的比例逐步提高，最终过渡到串联式“可充电混合-二是城市客车混合动力系统的平台化。发电机组+驱动电机+储能装置构成了混合动力系统的基本技术平台。通过换用不同的辅助动力总成适应从汽、柴油内燃机到氢能燃料电池各种不同的能源动力转化装置，形成油—电、气—电、电—电各种不同混合动力，促进动力系统的平稳过渡与转型。我国城市道路和市内交通状况比较适合发展混合动力汽车，从技术路线选择上建议轿车从和开始，逐步发展到深度混合动力，而对于客车如城市公交车，则从串联式混合动力开始，逐步向具有可充电功能的混合动力方向发展。轿车混合动力发展路线建议由于自动启停和制动能量回收功能只在频繁启停车辆的工况下才能发挥最大效用，因此微混合动力和轻度混合动力系统主要面向城市轿车。从传统内燃轿车向混合动力的转变过程中，市场化进程受到的主要障碍之一就是成本。因此，应首先发展超低成本的皮带式混合动力系统，采用小功率电机和蓄电池，电机控制器使用通常的网络。超低成本的系统逐渐被人接受时，进一步将电机控制电压提高到，提高其效率，改善燃油经济性。混合动力系统比传统内燃汽车的成本增加不多，可面向各种类型城市轿车。随着蓄电池和超级电容技术的发展和成本降低，将电机和蓄电池的功率增大，并引入超级电容优化系统的结构和性能，逐步过渡到曲轴集成式系统。曲轴集成式系统由于系统部件较多，受成本限制，主要面向中高档轿车。客车混合动力发展路线建议以城市车辆为重点，加大各种混合动力公交车辆的开发、示范和推广。“发电机组+驱动电机+储能装置”构成的串联式混合动力系统技术平台是一个基本的技术平台，不仅能够应用于以内燃机为原动机的传统概念汽车，也能应用于以氢能燃料电池系统为动力的新能源汽车，更是纯电动汽车的重要技术基础，未来通过扩大电池容量，方便地过渡到一各种能源为基础的可充电式混合动力汽车。因此通过建立以串联式混合动力系统为基础的统一平台，通过平台化、系列化实现规模化，通过规模化推动高端技术——燃料电池汽车商业化。电力供应基础设施发展路线建议以我国在世界上独一无二的年产销量超过千万辆的电动自行车产业为基础，改变传统的汽车文化习惯并修定相关的标准法规以，微型车为主体，通过发展适合我国国情、具有我国特色的微型纯电动车辆，带动供电基础设施的发展。附录：美国关于限制怠速的相关法规中文译版2001年5月，美国国家能源政策要求美国环保署与货车运输工业合作，减少卡车在州际公路怠速停车时的排放和降低燃油消耗，比如使用电动或辅助能量单元，以减少输送石油燃料的需求。国家能源政策的完整版本可以从http:〃/energy/下载。高效运输伙伴计划，是美国环保署和货运工业的自主合作计划，旨在提高能源效率和能源安全，有效降低空气污染和温室效应，其重要内容之一是限制发动机怠速。该伙伴计划建立了基于市场的强大激励体制，要求船运、货运和铁路公司改善其在货运过程中的环保性能。高效运输伙伴计划提高能源效率，节省开支，降低温室气体排放，改善空气质量。2003年，加利福尼亚空气资源委员会(CARB)采纳了关于学校公交车空气传播毒素的控制措施，以限制学校公交车和其它车辆(不管使用何种燃料)在学校附近的怠速。学校公交车、运输车和商用车一旦到达学校，不管学校是否正在开课，驾驶员必须关闭发动机，且在离开前30秒不能启动。如果停在离学校100英尺的范围内，学校公交车驾驶员应关闭发动机且在离开前30秒不能启动，而运输车和商用车的连续怠速时间不能超过5分钟。离学校大于100英尺的地方，学校公交车每次停车连续怠速时间不能超过5分钟，交通堵塞或操作残疾人等有特殊需求的人所必需的气候控制仪器除外。2004年，加利福尼亚空气资源委员会(CARB)采纳了另一空气传播毒素的控制措施，限制重型柴油车的怠速，以降低柴油微粒、其它有毒气体及空气污染物的排放。该类车辆驾驶员应确保车辆的主要发动机或其柴油驱动辅助功率系统，在任何位置处于怠速状态不能超过5分钟，特殊情况除外。英文原版InMay2001,thePresident'sNationalEnergyPolicydirectedEPAto"developwaystoreducedemandforpetroleumtransportationfuelsbyworkingwiththetruckingindustrytoestablishaprogramtoreduceemissionsandfuelconsumptionfromlong-haultrucksattruckstopsbyimplementingalternativestoidling,suchaselectrificationandauxiliarypowerunitsattruckstopsalonginterstatehighways."AfullcopyoftheNationalEnergyPolicy(3.1MPDF,170pp.)isavailablefrom/energy/ReducingengineidlingisanimportantcomponentofEPA'sSmartWayTransportPartnership,acollaborativevoluntaryprogrambetweenEPAandthefreightindustrythatwillincreasetheenergyefficiencyandenergysecurityofourcountrywhilesignificantlyreducingairpollutionandgreenhousegases.ThePartnershipcreatesstrongmarket-basedincentivesthatchallengecompaniesshippingproducts,andthetruckandrailcompaniesdeliveringtheseproducts,toimprovetheenvironmentalperformanceoftheirfreightoperations.SmartWayTransportpartnersimprovetheirenergyefficiency,savemoney,reducegreenhousegasemissions,andimproveairquality.In2003,CARBadoptedaschoolbusATCMthatregulatestheidlingofschoolbusesandothervehicles,regardlessoffueltype,nearschools(gradesK-12).Onarrivalatschools,whetherinsessio