山西中北大学机械与动力工程学院 吴澈 崔俊杰 赵世峰 吉文博 李沐恒

前言

目前汽车行业所造成的能源消耗和环境污染是当今世界各国必须共同面对的问题。其中新能源汽车是在传统汽车基础上的重大变革，是解决问题的主要途径之一，而混合动力汽车（HEV）因低油耗、低排放、动力接近传统汽车，且制造成本低于纯电动汽车等优点,使得其开发研究越来越受到各大汽车公司和研究机构的重视。本文介绍的车辆混合动力传动系统是指具有两个或两个以上的动力源，它们涉及不同的动力传动机构，是混合动力汽车开发的基础，因此有必要了解这些动力机构如何有效的传递动力和功率。目前主要有电动、液压以及高速飞轮传动系统三种。

1 电动传动系统的研究现状

电动传动系统主要包括发动机、发电机、蓄电池、电动机/发电机、变速器等。根据其驱动系统的配置和组合方式的不同可以分为串联式、并联式和混联式。

图1 串联型

串联式结构如图1所示。该系统主要特点是驱动轮的能量源只来自电动机。当汽车起动或低速运行时，发动机关闭，由蓄电池持续提供电能给电动机，维持汽车的运行；当车速提高后，由发动机提供动力源给驱动轮，多余的电流用于蓄电池的补充；当汽车加速或爬坡，发动机提供的功率不足时，由蓄电池和发动机同时向电动机提供动力；而且汽车在减速和制动时，可以通过电动机/发动机回收能量，储存在蓄电池中。这样就使得发动机始终运行在经济且排放较低区域，避免了蓄电池过冲或过放的情况，但是能量转换的次数较多，效率不高[1]。

并联型结构如图2所示。该系统主要特点在于发动机和电动机能单独为驱动轮提供动力。此系统比较适合高速行驶的稳定工况，不适于工况变化较大的路况。汽车起步时，由电动机的低速大转矩单独起动，高速行驶时，发动机处于经济性区域，全部由发动机提供动力，只有在加速或爬坡时，电动机辅助提供动力。由于发动机与驱动轮之间是机械连接，且需要变速装置和动力合成机构，所以机械效率比较高，燃油经济性较好，但是它的机构比较复杂，造价成本较高[2]。

图2 并联型

混联式混合动力系统是串联与并联的综合，发动机发出的功率一方面用于机械传动，另一方面用于发电机发电，发电机主要给蓄电池或电动机/发电机提供电能，电动机产生的转矩通过转矩合成器传递给驱动轮。在低速时主要以串联形式运行，在高速稳定运行时，则以并联工作形式为主。混联兼有串联与并联的特点，能灵活地实现汽车的各项性能需求，但控制系统比较复杂，结构设计要求比较高。

2 液压传动系统的研究现状

液压传动系统主要由发动机、液压泵、液压蓄能器、马达等组成。根据动力系统连接方式的不同，主要分为串联型、并联型、混联型。

串联式液压混合动力传动系统如图3所示。高压蓄能器可以通过具有双向可逆性的液压泵/马达为驱动轮提供动力，只有当高压蓄能器的值低于某一设定值时，发动机才工作，驱动单向液压泵为高压蓄能器提供恒压油。低压蓄能器可回收存储制动和减速动能，存储的液压能可提高汽车加速和爬坡能力。由于发动机的运行不受外在瞬时工况的影响，使得发动机可以在高效区工作，但是能量转换环节较多，传动效率不高[3]。

图3 串联型

并联式结构如图4所示。该系统是在传统机械结构的基础上增加了液压系统，所以保留了传动效率较高的特点。并联式中发动机作为主要动力源，蓄能器作为辅助动力源，它们可以独立为驱动轮提供动力，在低速时，由液压系统提供动力，在高速稳定运行时，由发动机提供动力，加速和爬坡时，马达和发动机经过转矩耦合器同时为驱动轮提供动力。发动机与驱动轮直接联系，导致发动机须对瞬态工况进行操作，降低了燃油经济性，而且并联式不具备液压传动无极变速的特点。

图4 并联型

混联式混合动力液压传动系统又称为功率分流式，它不仅在结构上是串并联的综合，实现了元件之间更多组合以及优化匹配，还能发挥他们各自的优点，使每个工况都沿着最佳特性曲线工作，因此效率比较高，功率的传递也比较大，且更容易实现排放和燃油消耗的目标。虽然混联式在理论上更容易实现性能最优，但是它的系统结构比较复杂，组合间的控制要求很精密，可靠性难以保证，实现起来比较困难[4]。

3 高速飞轮传动的研究现状

高速飞轮传动的结构如图5所示。该传动属于惯性储能范畴，主要由发动机、飞轮、离合器、增速齿轮、无极变速器（CVT）等组成。发动机作为主要动力源给驱动轮提供动力；飞轮是辅助动力源，可以将减速制动等过程中的动能转换为机械能储存，在汽车加速及爬坡时，给发动机以辅助，使发动机始终工作在高效区。飞轮作为存储器，与蓄电池相比，具有能量密度高、耐高温、寿命长、体积小、重量轻、能量转换效率高等优点。但是目前飞轮传动还存在两大难题：一是当汽车运行方向发生变化时，飞轮会产生陀螺效应，陀螺力矩会严重影响到汽车操纵性能，二是当飞轮出现故障时，飞轮内存储的机械能会短时间内爆发出来，会对汽车造成极大破坏[5]。

图5 飞轮传动

4 结论与展望

本文讨论的三大传动技术是目前研究最广的，其中电动传动运用的比较广泛，液压传动和飞轮传动也因各自的优点运用在不同的场合。尽管科技不断的进步，混合动力汽车的研究也不断取得新突破，但是需要改进的地方还有很多，比如车辆的整体控制，蓄能器的改进，以及成本的控制和基础设施的完善等等。

如今面临常规能源短缺、油价上涨、环境污染加重等一系列能源问题，在纯电动时代到来之前，混合动力汽车肩负着承上启下的作用。而且对于中国而言，我们应该牢牢把握机遇，顺应时代发展，在汽车行业借此“弯道超车”，缩短与世界工业发达国家的差距，相信混合动力汽车的发展在未来一段时间内有很大的商业前景。

[1]李晓英,于秀敏,李君,吴志新.串联混合动力汽车控制策略[J].吉林大学学报,2005,35（2）：122-126.

2]张凤格,杨赟.并联式混合动力汽车控制策略分析[J]. 农业装备与车辆工程,2010,227（6）：10-12.

[3]王功.混合动力汽车液压技术应用研究[J].液压与气动,2012,8：139-140.

[4]刘涛,姜继海,孙辉,赵立军.静液传动混合动力汽车的研究与进展[J].汽车工程,2009,31（7）：586-591.

[5]吴光强,陈礼璠,纪智慧.使用高速储能飞轮的车辆混合动力传动系统关键技术研究[J]. 中国公路学报,1997,10(3)：106-109.