德国版汽车工程手册：混合动力驱动方案

1.概述

按IEC/TC 69定义，为驱动目的的混合动力至少有两个不同的能量转换器和两个不同的能量储存器。

除少数例外，现今的混合动力实际上是能量转换器方面的内燃机和电动机以及能量储存器方面的燃料箱和蓄电池间的转换与协调。

混合动力汽车行驶功率部分由内燃机驱动与建立起来的燃料供应基础设施，部分的由电动机驱动；或两者间的配合。电驱动噪声低、无有害物排放。所有驱别部件在相互协调方面具有进一步的潜力。混合动力驱动的优点为：

1）降低能源消耗。

2）有害物排放低，甚至行驶地区无有害物排放。

3）纯电驱动时行驶噪声低。

4）提高行驶舒适性。

5）行驶平顺。

6）行驶功率增加。

这些优点的特征与混合动力方案、设计有关。换言之，混合动力汽车的配置主要由使用场合确定。

市场开发　还在1902年，当电动汽车和内燃机汽车还在争夺汽车市场时，菲迪南德·保时捷（Ferdnand Porsche）受蓄电池的技术限制的启发，展示了他的“混合”动力汽车：戴姆勒4缸内燃机带动发电机产生电能，并供给轮毂电动机驱动汽车。

此后，柴油机电驱动经常用于轨道车辆和潜艇上。

20世纪70年代到80年代扩大应用在公共汽车上。这些公共汽车部分的为柴油机驱动，部分的为电动机驱动。

开发混合动力乘用车市场始于1997年日本丰田普锐斯轿车的批生产。随后是本田Insight轿车。在这期间还有不少其他型号的汽车。目前的主要市场是美国和日本。到2006年底，世界范围的混合动力汽车保有量已超过100万辆，在汽车市场上已占有一席之地（图4.3-24）。至今销售的不少车型显示出混合动力驱动方式的多样性。

图4.3-24 世界范围的混合动力驱动乘用车的保有量

2.混合动力驱动方案和企业策略

混合动力驱动可分3类：并联混合动力、串联混合动力和串、并联混合动力（图4.3-25）。

（1）并联混合动力　并联混合动力是指内燃机和电动机并联驱动车轮。按混合动力驱动方案，它可用纯内燃机、纯电动机或组合驱动汽车行驶。按内燃机在混合动力驱动中的布置可用符号Px表示。P为并联混合动力，x是按图4.3-26表示的动力系统中内燃机的位置。为简化，图中删去不同方案中各种变速器和多种电动机的差异，仅用统一的图形表示。

功率约至10kW的较小并联混合动力称为“中等混合动力（Mild Hybrid）”。电动机是由带一起动机/发电机或组合在曲轴输出端的起动机/发电机进一步发展而成的。由于耦合在发动机曲轴上，与发动机一起转动的起动机/发电机功率较小，所以“中等混合动力”只用于汽车有限的电驱动行驶、倒拖发动机、起动、停止发动机、制动能量回收和汽车加速辅助。用带驱动电动机的中等混合动力方案实例是带36V铅蓄电池的丰田皇冠混合动力轿车。

图4.3-25 混合动力驱动基本方案

电动机在曲轴输出端的方案（P1）用在本田Insight轿车上和进一步开发用于本田思域、雅阁轿车上（图4.3-27）。在汽车加速时，内燃机和电动机相互配合的效果是本田思域轿车上汽油机设计得更小。排量从1.71L减为1.34L，功率从86kW降为68kW。汽油机配气机构的配气定时有3种模式：低速范围、高速范围以及为回收制动能降低汽油机倒拖功率，使气门开启。同样，在纯电驱动时，在倒拖汽油机时首次使气门开启。采用上述措施后，按美国FTP75行驶循环测定，该并联混合动力的思域轿车燃料消耗效率相对于不采用这方案的常规思域轿车，从33mile/gal提高到50mil/gal。

图4.3-26 并联混合动力基本方案和说明

图4.3-27 汽车/混合驱动视图（内燃机与电动机在曲轴处并联混合动力驱动）

在P1方案中，在内燃机与电动机之间增加一个离合器就成为P2方案。这时就能达到纯电驱动行驶和制动能量完全回收而没有发动机倒拖功率损失。另一个离合器是在汽车静止状态将电动机与变速器输入端分开，以起动内燃机和给蓄电池充电。这种布置方式见图4.3-28的供应商承包集团ZF/Continental公司的P2混合动力。

并联混合动力中其他可能的布置方式是电动机在变速器后面，即P3方案，如精灵轿车的样车（图4.3-29）。在要求低功率行驶时，分离离合器，汽车以纯电驱动方式等速行驶。这种布置可以保持换档过程中的牵引力（牵引力不中断），提高行驶舒适性。

图4.3-28 供应商承包集团ZF/Continental公司的P2混合动力

图4.3-29 精灵混合动力轿车（电动机安装在变速器输出端）

精灵轿车仅是采用柴油机混合动力，按新的欧洲城市行驶循环测试，燃料消耗就可达到3L/100km以下。

另一个并联混合动力布置就是电动机不是安装在由内燃机驱动的桥上，而是安装在另一个桥上，即P4方案。其优点是汽车在行驶时驱动另一个桥可以得到牵引力的辅助。

在所研究的并联混合动力布置方案中还有一种是轮毂驱动。电动机包括制动器组合在车轮中。这种方案由于附加非簧载质量、紧张的结构空间以及对车轮的温度和振动要求而没有实现。

在要求电驱动行驶更远的里程时，如在对有害物排放和噪声辐射的敏感地区行驶和送货，需要配置具有更大内能的蓄电池以及增大电功率。为此目的，奥迪轿车在A4基础上提供一款奥迪DUO轿车。铅蓄电池提供的电能可保证轿车行驶50km并配备21kW电动机的并联混合动力。

在电网上给蓄电池充电（plug in）时，生态平衡很大程度上与生产电能的方式有关。目前市场上可供使用的混合动力轿车由于成本考虑，都采用小型化的蓄电池容量，不提供电网充电。随着锂离子电池技术的进一步开发，新一代的混合动力汽车将再次考虑采用可网上充电的蓄电池。

（2）串联混合动力　在采用串联混合动力时，车桥驱动总是采用纯电驱动。电能由内燃机带动的发电机产生。利用作为能量储存器的蓄电池可以调节与汽车行驶状态无关的内燃机最佳效率或有害物排放最小的工作状况。像所有其他的混合动力一样，可以回收制动能量，降低燃料消耗。当然，低燃料消耗的优点也会由于内燃机输出的总功率要经过能量转换和电能传输的整个效率链而逊色。

图4.3-30 公共汽车配备Magnet-Motor公司电动机的串联混合动力

串联混合动力有两种设计方案。如果要向汽车提供连续的、全部的行驶功率，则在要考虑所有动力总成的效率下，内燃机、发电机和电动机功率都应设计在连续工作的最高转速。另外，电动机还要有最大的加速性。这样，该方案在总体上各部件的性能就能达到极致，但成本高。第2种方案只是驱动汽车行驶的电动机设计在最大行驶功率，而内燃机有意地做得小一些，使它在最佳效率工况下工作，并通过发电机给蓄电池充电，以增大汽车行驶里程。这种“增程（Rang Extender）”方案的实例是雪佛兰Volt轿车。

当通过轴传输驱动功率到车轮成本高或空间利用不好时，则由于结构布置上的无奈而采用串联混合动力，如移动式起重机、低地板公共汽车。图4.3-30表示公共汽车配备Magnet-Motor公司电动机的串联混合动力。

（3）串、并联混合动力 串、并联混合动力就是功率流的并联和/或串联的组合。它们配置的内燃机、电动机、变速器、离合器、超越离合器（单向离合器）是多种多样的。串、并联混合动力的特征，也就是优点包括：

1）内燃机至少有一部分功率直接驱动车轮。

2）功率分流可以使内燃机使用无级可变变速器。

其缺点是结构复杂和相应的控制成本增加。混合动力方案中所配置的电驱动功率的成本要比相应的并联混合动力配置的电驱动功率成本高。

丰田普锐斯和福特Escape轿车采用行星变速器实现机械功率分流（图4.3-31、图4.3-32和图4.3-33）。

图4.3-31 带有功率分流的丰田混合动力系统（THS）

图4.3-32 丰田普锐斯轿车中带有功率分流的丰田混合动力系统变速器视图

图4.3-33 丰田普锐斯轿车中动力装置的布置

显然，为不断优化与混合动力相关的各个部件，各部门正开始新一轮的合作。使用高的动力电压驱动空调压缩机，以提高效率；采用阿特金森循环（Atkinson Cycle）不是由内燃机驱动而是优化内燃机摩擦功和将内燃机工况设计在混合动力特有的工况上；通过机械制动器和电制动器的相互优化配合，使电液控制制动系统实现最多的制动能量回收。(www.xing528.com)

丰田高原混合动力轿车和雷克萨斯RX 400h轿车按功率分流原理工作。它们是在非内燃机驱动轿上布置第2个电动机，以实现附加的全轮驱动功能。进一步研发的普锐斯混合动力功率分流变速器现在只用在雷克萨斯GS 450h轿车上。变速器输出端附加一个具有两个传动比的电动机。这样就可解决目标冲突：一方面汽车具有高的电驱动行驶的高起步力矩，另一方面在高速行驶时具有高的效率（图4.3-34）。

图4.3-34 雷克萨斯GS 450h轿车的功率分流变速器和在变速器输出端附加一个具有两个传动比的电动机

上面提到的所有功率分流的变速器都采用一个行星轮组，使变速机构简单。但由于必要的电动机支撑力矩和转速而产生通过电气支路的高功率流动，并相应地使电动机和大功率电子器件的结构尺寸增大。

为增强动力性，通用、戴姆勒克莱斯勒和宝马公司合作开发具有双功率分流的“双模式混合动力（Two-Mode Hybrid）”变速器（图4.3-35）。该变速器在供电支路中的功率流动明显降低。

按离合器位置，变速器有下面几种运行模式（图4.3-36）：

1）功率分流的简单无级运行。

2）功率分流的双无级运行，在供电支路中功率较小。

3）固定的4个机械档，1个或2个并联工作的电动机，并为改善高速时的效率可以脱开电动机。

4）纯电驱动行驶。

变速器在无级以及在固定档行驶时具有全部的混合动力行驶功能，可以轻松的变换运行模式。

带双功率分流的混合动力变速器也已在公共汽车上使用：2003年以来在美国有超过350辆配备通用 艾立逊混合动力变速器（图4.3-37）的城市公共汽车投入使用。

图4.3-35 由通用、戴姆勒克莱斯勒和宝马公司合作开发的双模式混合动力（Two-Mode Hybrid）变速器

图4.3-36 由通用、戴姆勒克莱斯勒和宝马公司合作开发的双模式（Two-Mode）混合动力变速器结构

图4.3-37 用于公共汽车的通用 艾立逊功率分流的混合动力变速器

（4）运行策略　为充分挖掘混合动力驱动的优点，需要完善它的运行策略。利用数学仿真程序可以对给定的行驶循环的燃料消耗、有害物排放、行驶动力学、各部件中的功率流动和热状态进行优化。

图4.3-38是在欧洲城市行驶循环中并联混合运力运行策略。由图可见，内燃机只是在高行驶功率需要时才提供动力；在停车站、滑行或低等速行驶时只要蓄电池处于正常充电状态，内燃机就停止工作。利用仿真程序可以确定内燃机、电动机和蓄电池工作参数。同样可以在纯电驱动行驶和加速辅助时优化电动机以及优化蓄电池充电策略。

混合动力节省燃料主要有下面3方面原因：

1）制动能量回收。

2）将内燃机调整在高效率的工作范围（在停车状态、低行驶功率要求、汽车减速）。

3）优化内燃机工作范围。

从上面3个方面可知，混合动力低燃料消耗的优点会随着行驶功率的增加而要打一个折扣。在经常长途高速行驶时，由于汽车重量增加，低燃料消耗的优点甚至成为少许的缺点。混合动力低燃料消耗的突出优点是在汽车停车时间占较大份额的城市行驶条件下得到的。

3.混合动力部件

（1）热力发动机　热力发动机与车轮的连接是不同的。在常规的并联混合动力中，热力发动机通过变速器与车轮连接；在串联混合动力中，热力发动机与变速器、车轮机械分离。

当前市场上的混合动力乘用车考虑到成本都采用汽油机。但生产厂家也在开发柴油机，特别是它的燃料消耗低。在所有的发动机类型、燃料以及各种特性中混合动力有很多优点。

利用电动机辅助加速汽车，可以将内燃机的功率设计得比通常由内燃机单独驱动的功率要小一点，或采用像米勒（Miller）循环或阿特金森（Atkinson）循环的特殊工作循环，使内燃机热效率增加、功率降低一些。在混合动力中将电动机固定连接在内燃机曲轴上是降低发动机倒拖功率的有效措施，因为可以通过电动机回收更多的制动能量。在串联混合动力中对热力发动机的稳态性能要求要远高于对动态性能要求，这为使用燃气涡轮和斯特林发动机（Stirlingmotor）提供了前景。作为电能制造者的燃料电池很容易插入串联混合动力系统中。

（2）蓄电池　蓄电池有两种配置方式：如果希望远的无有害物排放行驶里程，则要采用高能蓄电池，但会产生像纯电动汽车那样的问题，重量增加、总布置较难和成本高（参见4.3.1小节）；如蓄电池只作为制动能量回收的能量缓冲器和加速辅助，则不需要采用高能蓄电池。

在能量储存器方面除蓄电池外，人们首先想到的是超级电容器或飞轮。图4.3-39为蓄电池、飞轮和超级电容器3种储能器的能量密度随功率密度的变化。由于超级电容器的能量密度低，在达到需要的内能时体积大、较重、成本也高。人们设想将蓄电池与超级电容器组合在一起。但随之出现的问题是与蓄电池相比，超级电容器电压在很大程度上取决于它的充电状态。为解决这一问题，或者只用一小部分的超级电容器储存内能，或者再加一个电压变换器。

为在汽车上采用飞轮，需要对诸如行驶安全性、防冲击性能、连续耗损、总布置和成本等进行研究，至今在总体上还没有满意的解决。

图4.3-38 在欧洲城市行驶循环中并联混合动力运行策略

图4.3-39 能量储存器的能量密度和功率密度

由于混合动力用的铅蓄电池还没有达到性能要求。在部分放电状态的高能量转换促使蓄电池寿命降低。蓄电池在大于50%～60%的充电状态，充电功率急剧下降，因为会超过起泡电压。铅蓄电池的优点是价廉。

碱性蓄电池（镍/镉和镍/金属氢化物）甚至在相对低的充电状态下也能提供高的有效功率。在高充电状态时也可快速充电，如在制动能量回收时。这一特点是大多数混合动力应用它的依据。碱性蓄电池系统虽然原材料较贵，但在目前的混合动力中主要使用它。由于镉的毒性、记忆效应和寿命短，目前碱性蓄电池系统几乎都使用镍/金属氢化物。

目前正在对用在混合动力上的高功率锂离子蓄电池进行研究，以替代镍/金属氢化物混合动力型蓄电池。

作为正极材料的氧化镍具有防冲击、工作安全的优点，而氧化锰则寿命长。

混合动力型蓄电池的重要参数是要求的内能和功率。它们决定了单格电池的类型。选择单格电池的尺寸和数量决定了蓄电池的电压和容量，并据此进行功率电子器件、电动机、线束的成本和功能优化。蓄电池其他重要标准是温度特性、再生能力和在故障与交通事故时的蓄电池性能。

为保证蓄电池完美的功能，要单独为蓄电池配备一个电控单元，即蓄电池管理系统。它的典型功能是实时监控蓄电池充电状态、电压、电流和温度。蓄电池管理系统还经常控制冷却状况和防止蓄电池滥用。

（3）变速器　目前已知的所有变速器型式可以与选定的混合动力方案组合。特殊的混合动力变速器（如功率分流变速器）可完全替代常规的变速器。在串联混合动力中不再需要常规的变速器。

利用电动机起步辅助，可以简单地或完全替代离合器或变矩器的起步部件。

为减轻驾驶人负荷，推荐自动换档以及接合与分离电动机。

（4）电动机　有关电动机原理请参阅“电动汽车”一章。在混合动力中，电动机组合在动力装置中。这样，在提供的结构空间中可达到的电动机力矩是选择电动机的决定参数。因此，采用永磁励磁同步电动机在当今的混合动力中获得应用。

4.汽车集成

混合动力在汽车上应用的最大挑战是要在原来的空间附加安装一些混合动力部件，这是非常困难的事。因为目标汽车是按常规的动力装置设计的。如果混合动力汽车在内燃机停止运转时由纯电驱动行驶，则必须特别注意到在正常情况下原先由内燃机驱动的那些辅助装置，如转向系、真空泵、空调压缩机等的驱动问题。在常规汽车上不断增多的采用12V供电电压的电子转向系统，解决了常规汽车的转向问题，这一技术也可用于混合动力汽车上。随着混合动力汽车的流行，用惯用的100～350V的动力电压工作的电动空调压缩机已进入市场。此外，还要优化汽车制动系与制动能量回收的制动器的相互配合，以及混合动力牵引部件与安全性系统，如防抱死制动系统（ABS）或行驶稳定性控制系统的相互配合（参见5.5.2小节）。

为给12V的汽车电气系统供电，要使用DC/DC转换器。它由汽车上的高压电网提供。在正确设计时转换不只是能量较优，而且要考虑内燃机较长的停机时间的供电需要。

为保护乘员和防止灵敏的电子系统受到来自动力装置的电磁波干扰，必须注意汽车上电缆的敷设和采取有效的屏蔽措施。牵引部件的高压要有醒目的标记，要培训专职车间工作人员，在非专业人员操作时要切断保险装置。

混合动力汽车中的噪声有一个新的“维度”，在内燃机停机时要注意有没有出现干扰的背景噪声和更强的新的噪声。接入或分开内燃机也应低噪声。

参考文献