混合动力汽车动力系统布置方案分析

2013-03-01徐东

汽车电器 2013年5期

徐东

（无锡商业职业技术学院机电工程学院，江苏无锡 214153）

随着全球能源和环境问题的日益突出，开发低油耗、低排放的新型汽车成为当今汽车工业发展的首要任务。现代汽车必须采用低油耗的设计，以便能尽可能地延长石油资源的使用时间，与此同时降低汽车的尾气排放量。目前，已经开发出了一些汽车节能环保措施，但是，仅仅单一地采用某些降耗措施，例如柴油取代汽油、发动机改造等等，并不足以达到上述目的。因此，现代汽车必须将各种不同的降耗措施巧妙地结合为一体，而混合动力汽车则为组合不同的降耗措施提供了一个理想的技术平台。目前，混合动力电动汽车由于其高能量效率和低排放性能向传统汽车提出了极大挑战，发展势态迅猛，市场化进程很快［1］。

1 混合动力系统的分类和功能

根据混合动力汽车的电功率等级，混合动力系统可分为轻混合、中混合和强混合3类。

轻混合技术中，电功率足以在内燃机停机后自动重新起动，但是只能很小程度地回收制动（减速）能量。如果要同时实现制动能量回收，则电功率必须在10～15kW的范围内（中混合）。这个功率范围可覆盖常见的减速区域，并且能回收大部分减速能量。中混合技术还达不到电力驱动，而只能对内燃机提供支持。但从降低油耗的角度来看，中混合可达成以下目标：停止／起动功能节约油耗大约5%，制动能量回收节约油耗大约10%。因此，如果不要求纯电力驱动或对内燃机进行大功率支持，中混合技术已经足够了。如果在低功率运行模式下关闭内燃机，并对车辆实现电力驱动，则可继续降低油耗4%。但是，电功率等级需要达到30～50 kW，附加成本也会相应提高。此外强混合技术也可以用来实现缩小内燃机尺寸。这样的驱动方案包含一台需要大功率电动机提供永久动力支持的内燃机来实现其全功率。

2 动力系统布置方案

上述3种混合技术的划分只给出了一个功能指标，但并没有解释在动力系统中如何布置电动机。下面以电动机在动力系统中的布置和转矩流作为区分指标，分析动力系统的布置方案。车辆动力系统总成简图如图1所示。

2.1 ISG

ISG（Integrated starter／generator，起动／发电一体机）采用电动机／发电机一体化技术，电机取代发动机原有飞轮，直接与发动机曲轴相连，通过电机实现汽车的自动起停、功率补偿和制动能量回收功能［2］。曲轴驱动起动机如图2所示。

ISG能实现低噪音、快速、平稳的停止／起动，但是由于内燃机不能与起动机彻底分离，只能在非常有限的范围内实现能量回收和电力驱动。通过在电机与发动机之间增加一个自动离合器，并采用较大功率的电机，可以实现轻度混合动力系统所不具有的电机单独驱动功能，且能有效提高再生制动的能量回收率，进一步提高整车的燃油经济性，改善排放［3］。

目前，已有多家公司推出了应用ISG技术的混合动力汽车，如日本本田公司搭载ISG系统的家用混合动力轿车，韩国现代伊兰特-ISG混合动力车型，国产奇瑞A3 ISG混合动力车型等。

2.2 B-ISG

B-ISG（Belt-driven Integrated Started Generator，皮带驱动起动／发电一体机）是采用皮带驱动一体化起动／发电机技术的一种轻度混合方案，能够有效降低油耗和改善排放。此方案可与现有所有的动力总成组合，传统的发电机被设计成起动电机。

B-ISG技术在发动机前端用皮带传动机构将一体化起动／发电机与发动机连接，取代了发动机原有的发电机，从而实现了混合动力系统的一体化。皮带驱动起动发电机如图3所示。该混合动力系统保留了传统轿车上的12V起动机，以保证电池电量过低时发动机能正常起动。

采用此方案的轿车有4种基本工作模式。

1）起动时，起动／发电机在短时间内将发动机加速至怠速转速以上，然后汽油机才开始工作。

2）停车工况下，控制系统自动切断汽油机供油，发动机处于关闭状态。

3）减速工况下，驾驶员踩下制动踏板，向起动／发电机传送信号，使其将车辆的动能转化为电能并存储起来。

4）正常行驶工况下，发动机正常工作。

由法雷奥（Valeo）公司、英国交通部、福特汽车、里卡多（Ricardo）联合有限公司和盖茨（Gates）公司共同合作研发的HyTrans是欧洲第一辆采用B-ISG的柴油轻度混合动力城市运货车。除了福特的HyTrans之外，奇瑞集团成立的国家节能环保汽车工程技术研究中心，自主开发了奇瑞BSG混合动力汽车，也采用了类似B-ISG的模式。通用汽车公司也推出了以皮带传动起动／发电机的轻度混合动力汽车，并称之为BAS（Belt Alternator Starter，带交流发电机起动机）。

2.3 2个离合器之间设置起动机

如果需要使用能量回收和电力驱动装置，必须要能够切断内燃机和电动机以及内燃机和动力系统其他部分的联系。采用在2个离合器之间设置起动机的方案，可以使内燃机被停机并与动力系统断开，制动能量可以完全回收到起动机中。2个离合器之间设置起动机的动力总成如图4所示。

根据其电功率等级，此方案可实现为中或强混合驱动装置。当电动机功率小于12 kW时，只能实现停止／起动和能量回收功能。当功率达到20kW或更高时，就可以实现电力驱动。

目前，奥迪公司和大众公司都推出了采用此方案的混合动力车型。

2.4 2台电动机之间设置离合器的串联混合

串联式混合动力电动汽车的动力系统断开了发动机和驱动系统的机械连接，动力可通过纯电力方式传递，这是串联式驱动系统的最显著特点［5］。

在此方案中，2台电动机以串联方式布置，第1台作为发电机产生电力，然后通过第2台电机转换为机械能。当离合器分离时，他们可以被看做是电力变矩器或电力无级变速器。2台电动机之间设置离合器的串联混合如图5所示。

美国克莱斯勒（Chrysler）公司在2008年发布了3款电动汽车（EV）及配备发电用汽油发动机的串联混合动力试制车，分别为2座后轮驱动运动EV“Dodge EV”、以SUV“Jeep Wrangler”为原型的四轮驱动HEV“Jeep EV”，以及以微型面包车 “克莱斯勒大捷龙（Chrysler Grand Voyger）”为原型的前轮驱动HEV“Chrysler EV”。

2.5 带动力分路装置的混合方案

带动力分路装置的混合方案属于混联式的机械结构，包括2个电机，即E1和E2，E1主要作为驱动电机，E2主要用于调速，2个电机均可以作为发电机和电动机，如图6所示。电机和发动机通过一套行星齿轮组连接实现动力分配［6］。此方案利用电动机和发动机这2个动力来驱动车轮，同时电动机在行驶中还可以发电。根据行驶条件的不同，可以仅靠电动机驱动力来行驶，或者利用发动机和电动机驱动行驶。

内燃机的动力被分成两部分，一部分直接输出至传动系用来驱动车轮，另一部分通往电动机，给电动机供应电力和HV蓄电池充电。

带动力分路装置的混合方案在电动机和发电机之间采用AC500V高压电路传输，可以极大地降低动力传输中电能的损耗，高效地传输动力。当发动机工作效率低时，此系统可以将发动机停机，车辆依靠电机动力行驶。同时，此方案极大地增加了减速和制动过程中的能量回收，提高能量的利用率［7］。

此方案最典型的应用案例是丰田公司PRIUS（普锐斯）油电混合动力车。此外，宝马公司也推出了采用此方案的混合动力车型。

2.6 路况决定方案

此方案中，车辆的前驱横置系统保持不变，后轴则用1个电动机来驱动。在不同的电池储电状态下，通过后轴实现电力驱动和能量回收。由路况决定的混合动力，方案如图7所示。

为了实现高动态停止／起动，车辆首先通过后轴大功率纯电动模式起步，同时同步起动内燃机。除了混合功能外，在发动机和电动机功率极限内，可按需要以任何比例分配前后轴的转矩，从而实现四轮驱动。不同路况下，可以产生不同的驱动条件。

美国克莱斯勒公司和日本丰田公司都推出过采用路况决定方案的混合动力车型。

2.7 ESG

ESG（Electric starter generator电动变速器）是将双离合器的性能和一种弱混合动力的功能结合在一起的混合方案。此方案电动机不再布置在发动机与变速器之间，而是与变速器做成一体，将电动机安装到偶数档齿轮箱的传动分支上，如图8所示。图8中下部为奇数档位和离合器K1，称为1号变速器，上部为偶数档位和离合器K2，称为2号变速器。

ESG方案可实现以下工作模式。

1）发动机驱动模式。当2号变速器挂上偶数档运行时，离合器K2接合，离合器K1分离。起动机SG通过离合器K2直接与发动机连接，实现相应档位行驶。当1号变速器挂上奇数档运行时，离合器K1接合，同时根据换档策略，2号变速器预先选定一个偶数档位或者挂入空档。如果2号变速器挂入空档，离合器K2将会接合，以便传递发电机所需转矩。如果在2号变速器中预先选定一个偶数档位，离合器K2将会分离，发动机的转矩通过离合器K1和2个挂入的档位驱动电机。

2）电机起动／行驶模式。如果电机的功率和电池的容量足够大，就可以实现纯电力驱动。此时，2个离合器都分离，并根据车速和负荷的大小，将转矩传递给驱动轮。

3）制动能量回收模式。为了有效地利用制动能量，在汽车滑行时将发动机与动力总成脱开。此时，由电机承担汽车减速的任务，电机根据汽车车速、制动踏板位置和经过优化的传动比阻力矩用于发电，于是汽车的动能转换为电能。

4）停车空调模式。在ESG方案中，空调压缩机通过传统的电磁离合器与电机连接。在行驶中由发动机通过2号变速器输入轴实现机械传动。在停车阶段，2号变速器挂入空档，离合器K2分离，起动机对空调压缩机实施电驱动［8］。

德国鲁克（LUK）公司已经造出了连接在一台1.3L柴油机上的采用这种传动机构的样车。

3 各种方案的对比

上述各种动力系统布置方案在有限条件下的对比结果见表1。通过对比可以看出大部分方案均适用于中或强混合，只是取决于电动机的尺寸。所有方案均可实现起动／停止功能，而能量回收和电力驱动需要由具有较高电功率等级的方案来实现。从兼容性上来讲，带动力分路装置方案只能应用于特殊的传动系统，ESG方案只能应用于双离合器系统，其余方案均可与原变速系统相容。