车辆电力系统：混动汽车动力传动原理

将电动机驱动系统集成到混合动力系统的驱动系中是极具挑战的应用，这里包括了复杂的机电子系统和电力电子子系统。一般ISG或HV牵引电机及其动力与控制电子系统是分离的，因为电力电子技术还没发展到能制造完全集成控制器的程度。高性能驱动装置中需要使用的控制与传感器子系统也存在这样的问题。硬件上的分离要求对装配问题及缓冲系统间互相作用给予更多的关注。汽车电力系统和电气设备必须有能力提供必要的动力和能源。我们考虑全混合动力车，也被工业界称为低储能混合，仅需存储电量用于将ICE在0.3～0.8s内从停止起动到怠速，并使IEC在突然加速和减速的动态运行中减小负荷，这种方式也被称为电动辅助HV。在正常行驶时，混合牵引系统电机作为高效交流发电机使用。如果要满足燃料效益是传统五人座汽车的两倍的话，电机效率必须超过80％。EPA明确了这一类别汽车的协同平均燃料效益（CAFE）是2.75mpg（每加仑燃油行驶的英里数，Miles Per Gallon）。传统汽车，如客车，轻卡提供电能的成本是基于IEC40％的边际效益计算的。设燃油密度为740g/l，能量密度为8835Wh/l（32MJ/l），当前交流发电机平均效率为45％，我们就可以对用电成本进行对比。目前，如果燃油价格是每加仑1.25美元，则车上发电成本是每度电0.21美元，这明显高于当地电价，对于混合动力车而言成本太高昂。如果机械能转电能的效率从45％提高到85％，那么车上用电成本能降低到每度0.11美元。另一种考察效率上差别的方式是估算它对一辆80mpg（3公升/100公里）车在燃油效率上的作用。计算时采用联邦城市行车型态的平均车速（23m/h），并设平均车载电气负载功率为800W，当今的交流发电机降低5.86mpg的燃油效益，而HV则仅降低3.1的燃油效益。因此，高效的HV系统对于80mpg车的效益是2.76mpg，或对每100W的电气负荷是0.35mph。

图5-1从不同电气系统电压（牵引电池电势）的角度，给出这些汽车混合程度的大小。在低端，是14V皮带ISA系统，而在高端，则是高电压的全混合系统，如丰田的普锐斯，则能提供更好效益，这是因为前者主要是实现怠速停机，而后者混合程度更高。

对图5-1可以做如下归纳。低端系统，如14V/42VB—ISA/ISG应该瞄准小排量发动机（小于2.8L）。中压系统42V/150V最适合机轴安装的轻型汽车，包括小货车。高压系统（大于200V，一般在288～320V）非常适合实现全混合功能，包括：

1）起停，非怠速或怠速停机系统。

2）起动和提速（加速辅助），电动助力混合。

3）再生制动，所有混合配置都需要进行能量回收。

4）纯电动功能（可能受税收激励），只可能出现在高端HV场合，因为此时需要较大容量的储能装置，如对于客车，假设每英里消耗0.5kW·h，电池的充电状态维持50％以上，则需要超过2kW·h的储能容量。

5）这些系统的功率范围在10kW到超过80kW。

能量回收是高瞬态和非常快速的。图5-2给出了正常驾驶周期中制动发生的时间情况。真正的驾驶周期中，ATDS，最多制动时间小于5s。实际上，超过10s的制动时间是很少的。HVs在制动过程中，尽可能多地将汽车动能转化为电能储存到储能装置中。如果电气系统的功率超过20kW，则几乎能够全部回收制动的能量，除了极个别的紧急刹车或恶意刹车。

图5-1 混合动力车分类(www.xing528.com)

图5-2 一个行车型态中停车时间分布

混合动力在满足汽车性能要求的前提下可以减小发动机容量，进而提高燃油经济性，将目前市场上的混合动力车和普通汽车的发动机峰值功率和车身重量相比，可以很清楚地证明这一点。图5-3用图形描述了这一现象，从图中可以看到，目前道路上性能相同的混合动车峰值功率（发动机加上电气系统）和车身重量比为6.74kW/100kg，而作为比较的传统汽车则是8.1kW/100kg。二者的差距将转化为燃油经济优势。图5-3中的5个混合动力车分别是丰田普瑞斯、本田Insight，以及其他分别来自美国通用、福特和戴姆勒—克莱斯勒的新一代混合动汽车（PNGV）。

图5-3 HV和CV峰值功率和重量比

上一章已经提到，发动机起动是汽车电气系统的主要挑战之一。在混合动力车中，希望混合牵引电机或中度混合中的ISA不仅能够实现钥匙起动（或称冷起动），也能实现策略性起动（或称热起动）。人们在恒温室中，对直列4缸和V型6缸发动机的最小冷态开机转矩和起动转矩进行了测试，图5-4给出了在冷态电池条件下，混合电机把发动机起动至转速超过450r/min所需要的转矩。

图5-4 发动机起动要求

从图5-4很有趣地发现，在温度在-10°C以上时，冷态起动对起动转矩的要求变化不大，但如果温度继续降低，这一要求将随着温度的降低而持续升高。冷态发动机起动转矩代表了ISA要将发动机带至450r/min所需的转矩。V8发动机和V6发动机在起动转矩特性上基本相同。起动转矩的区别主要来源于发动机的3个参数。首先，起动转矩和曲轴径向轴承的个数成正比（I4发动机有5个，而V6和V8发动机有4个），与活塞环圆周面积成正比，并且在一定程度上和压缩比成正比。活塞环圆周面积决定摩擦力，这和位置相关，压缩比的影响不大，因为各种发动机的压缩比相差不大。FEAD的负载和惯性也代表了图5-4中起动负载的一部分。图5-4中还包括了脱开离合器后的手动变速箱。自动变速箱给起动转矩的负担较重，这是因为其中的转矩变换叶轮是直接装在曲轴上的，该叶轮不仅转动惯量较大，一般有0.1kg·m²/rad，而且还有粘滞摩擦。自动变速箱会极大地增加起动转矩和惯量。