1.串联式混合动力系统
串联式混合动力系统利用内燃机动力发电,从而带动电动机驱动车轮,其基本结构由电动机、发电机、内燃机、动力蓄电池、变压器等组成。除了由内燃机进行准稳衡性运转来带动发电机,直接向电动机供应电力外,还可以一边给动力蓄电池充电一边行驶。由于内燃机的动力是以串联方式供应到电动机,所以称为串联式混合动力系统。
内燃机和发电机构成辅助动力单元,内燃机输出的驱动力,首先通过发电机转化为电能,转化后的电能经电路整流处理后一部分用来给动力蓄电池充电,另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。在这种结构形式中,内燃机的唯一功能就是用来发电,而驱动车轮的转矩全部来自电动机。动力蓄电池实际上起平衡发电机输出功率和电动机输入功率的作用。
当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况),控制器控制发电机向动力蓄电池充电;当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时(如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况),动力蓄电池则向电动机提供额外的电能。采用串联式混合动力系统可使内燃机不受汽车行驶工况的影响,始终在其最佳的工作区稳定运行,因此可降低汽车的油耗和排放。串联式混合动力系统的结构简单,控制容易,但是由于内燃机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能,而机电能量转换和蓄电池的充放电效率较低,因此其能量利用效率较低。
串联式混合动力系统的优点:由于内燃机与驱动轮没有直接机械连接,因此内燃机工作状态不受车辆行驶工况的影响,能运行在其转矩-转速特性图上的任何工作点,而且能始终在最佳的工作区域内稳定运行,具有良好的经济性和排放性能。同时,内燃机从驱动轮上的机械解耦,使高速内燃机能够得到应用。此外,内燃机与电动机之间无机械连接,整车的结构布置自由度较大,各种驱动系统元件可以放在最适合的位置。最后,由于电动机的功率大,制动能量回收的潜能大,因此可以提高能量利用效率。
串联式混合动力系统的缺点:由于发电机将内燃机的机械能转变为电能,电动机又将电能转变为机械能,再加上电池在充电和放电过程中也会发生能量消失,因此内燃机输出能量利用率比较低。串联式混合动力系统的内燃机能保持在最佳工作区域内稳定运行,这一特点的优越性主要表现在低速、加速等工况,而在汽车中、高速行驶时,由于其电传动效率较低,因此抵消了内燃机效率高的优点。此外,电动机是唯一驱动汽车行驶的动力装置,因此电动机的功率要足够大。最后,电池要满足汽车行驶中峰值功率的需要,这就需要较大的电池容量。因此,电动机和动力蓄电池的体积和质量都较大,使得整车质量较大。串联式混合动力系统示意如图3-9所示。
图3-9 串联式混合动力系统示意
使用串联式混合动力系统的代表车型有BMWi3REX,其2019款的车型通过位于后轴附近的双缸汽油内燃机、驱动电动机、发电机和容量为120A·h的蓄电池组之间的配合,使其EPA续驶里程达到了320km,即使是纯电动模式下也能达到203km。在蓄电池组电量低于某一水平时,BMWi3REX将自动退出纯电动模式,使用双缸汽油内燃机来为驱动电动机和蓄电池组提供能源。
串联式混合动力系统在铁道车辆上运用比较普遍,铁路上称其为电传动内燃机车,比较著名的有中国东风系列内燃机车,美国EMDSD系列内燃机车。该类型机车使用柴油机带动发电机发出交流电,经整流后传送至驱动电动机带动车辆。大型电传动内燃机车的蓄电池不提供动力用电,部分小型电传动内燃机车则可以完全通过蓄电池驱动而不起动内燃机,类似混合动力电动汽车的纯电动模式。
2.并联式混合动力系统
并联式混合动力系统的驱动结构与其他类型汽车的驱动结构有着明显的区别,并联式混合动力电动汽车是由内燃机及电动机两种驱动系统构成。而且,这两种不同的驱动系统可以进行机械能叠加,不但可以使用内燃机或者电动机进行独立驱动,还能够进行两种系统混合驱动运转。不管是采用哪一个单独的驱动系统,驱动所产生的功率都能够轻松满足汽车的行驶需求,在能量的利用效果上相当出色。因此,在汽车动力系统设计的过程中,可以采用功率小一点的内燃机与电动机,这样不但能够达到多选择的驱动方式,还可以确保汽车的驱动系统的内部结构、尺寸以及质量会更加合理化
通过对并联式混合动力电动汽车内部结构的分析,可以清楚地了解到该系统有两条驱动线路,并且这两条驱动线路中的内燃机与电动机,全部是将耦合装置以及变速箱、汽车轮毂位置的驱动轴进行啮合而成的结构。所以,并联式混合动力系统能够使两种不同结构的动力驱动系统,并且将电动机与内燃机作为汽车行驶的动力源。如果汽车在正常行驶的过程中,其中某个部分的驱动线路出现了问题或者故障,那么另外一条驱动线路依然能够进行正常的运作,这样就起到了“双重保险”的作用。通过这种汽车驱动线路设计方式,可以让汽车在行驶的过程中采用纯燃油的动力模式运作,也可以使用环保型的电力能源来给汽车提供动力。
并联式混合动力电动汽车的驱动系统在通常情况下可分为以下几个方式。
1)动力源合成式。这种方式是在汽车的前轮位置,安装一个功率较低的内燃式内燃机给汽车提供动力。同时,必须在汽车后轮的位置上再安装一个电动机,为汽车的起步与行驶提供更加稳定的驱动力,特别是对于汽车在进行加速、变速,或者遇见坡陡路况的时候有着相当良好的效果。除此之外,通过两种动力驱动系统,还能够在出现突发事件或者车况不佳的时候提供另一种选择。
2)双轴转矩合成式。这种方式所产生的驱动力,必须要以内燃机为中心进行运转,然后把内燃机所产生的能量用于给汽车中的大功率蓄电池进行充电。当蓄电池充满电之后又会将电能提供给电动机运转。
3)单轴转矩合成式。单轴式与双轴式的工作原理在本质上没有多大的区别,就是内燃机在运转的时候带动电动机然后对蓄电池进行充电。
4)转速合成式。电动机与内燃机都是通过离合器与驱动结合器来实现驱动。在这种运作模式中,内燃机本身的传动构件可以使用内燃机,而电动机可以将驱动结合器和传动系统进行相互连接。所以,不管是进行维护或者改装都是相当便捷的,而且可行性相当高。
与串联式混合动力系统的结构相比,并联式混合动力系统的内燃机可以通过机械传动机构直接驱动汽车,其能量的利用率相对较高,因此燃油经济性比串联式混合动力系统更高。并联式混合动力系统需要变速装置和动力合成装置,传动机构较为复杂,其系统示意如图3-10所示。
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图3-10 并联式混合动力系统示意
使用并联式混合动力系统的代表车型有VolvoV60的插电式混合动力版,其2018款车型使用一台前置的2.4L五缸涡轮增压柴油机来驱动前轴;同时在后轴附近安装有一台最大功率为51kW,最大转矩输出达到200N·m的,由电量为12kW·h的锂离子电池箱供电的电机来驱动后轴。动力输出来源在内燃机和电动机之间的切换可以由控制系统根据工况自动决定,同时驾驶员也可手动选择以下3种驾驶模式。
1)纯电动模式,此时车辆将尽可能只使用电能作为直接能量来源,此模式下的续驶里程较短,只有50km左右。
2)混动模式,这也是车辆驱动系统的默认工作状态。两种不同的动力输出来源将分别驱动前轴和后轴,整车控制系统将使二者之间的动力分配达到最佳状态,使二氧化碳排放量降低至49g/km。
3)动力模式,这种模式下动力性将居于首位,充分发挥电动机加速响应好的优点。该模式下能使百公里加速时间降低至6s左右。
3.混联式混合动力系统
混联式混合动力系统主要由内燃机、蓄电池组、功率转换器、电动机、发电机、动力合成器和变速器等组成。内燃机的输出功率分为两部分,一部分通过动力合成器输送到传动装置驱动车辆;另一部分输送到发电机进行发电。内燃机产生的电能分配给蓄电池组或电动机,电动机从发电机或蓄电池组得到电能,产生驱动功率,通过动力合成器输送到传动装置驱动车辆。
混联式混合动力电动汽车工作模式如下。
1)纯内燃机驱动模式,仅有内燃机向车辆提供驱动功率,蓄电池组既不从传动系统中获取能量也不提供电能。此时,电动机、发电机处于关闭状态。
2)纯电动驱动模式,车辆由蓄电池组通过功率转换器向电动机供电,电动机通过动力合成器提供驱动功率。此时,内燃机、发电机处于关闭状态。
3)混合驱动模式,车辆的驱动功率由蓄电池和内燃机共同提供,并通过动力合成器合成后,向机械传动装置提供动力。
4)再生制动模式,电机运行在发电机状态,通过消耗车辆本身的动能产生电功率,向蓄电池组充电,内燃机处于关闭状态。
5)蓄电池停车充电模式,车辆停止行驶,内燃机通过动力合成器带动发电机发电,向蓄电池组提供电能进行充电。
6)内燃机驱动、蓄电池充电模式,内燃机除提供车辆行驶所需要的驱动功率外,同时向蓄电池组提供充电功率。此时,内燃机的功率由动力合成器分成两路,一路驱动车辆行驶,一路带动发电机发电。
串联式和并联式混合动力电动汽车技术难度较低。串联式混合动力电动汽车完全依靠电动机提供动力,内燃机、发电机和电动机的功率都很大,性价比较低;并联式混合动力电动汽车主要依赖于内燃机提供动力,电池质量仅是串联式的1/3,能量传递损失较小,但是排放污染较大,内燃机的燃烧效率不高。随着1997年丰田普锐斯混联式混合动力电动汽车的出现,世界各大汽车公司逐渐将混联式混合动力电动汽车列为开发重点。混联式混合动力系统相对比较完善,能较好地将燃油汽车与电动汽车的优点,以及燃油汽车和电动汽车的技术力量有机地统一起来;电池的体积、质量、成本较低,内燃机总在最高效率下工作,具有很好的燃料经济性、加速性和平稳性;充分发挥了串联式和并联式混合动力电动汽车的优点,并有效地弥补了串联式和并联式混合动力电动汽车的缺点。混联式混合动力系统示意如图3-11所示。
图3-11 混联式混合动力系统示意
使用混联式混合动力系统的代表车型有BYDF3DM,其使用一台1.0L三缸汽油内燃机和两台永磁同步电机(其中一台起到发电机的作用,均位于内燃机舱)作为动力来源。在电池电量降低到20%之前,将由电机提供所有的动力输出。在电量进一步下降之后进入混动模式,内燃机起动,并在参与提供动力的同时,也向电池充电使其电量维持在30%附近。BYDF3DM内燃机舱盖下两台电机各自的动力控制单元如图3-12所示。
图3-12 BYDF3DM内燃机舱盖下两台电机各自的动力控制单元
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