混合动力电动汽车结构分析
—!— 汽 车 技 术
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【摘要】混合动力电动汽车 :"#$>是指以蓄电池与辅助动力单元 :;<=>共同作为动力源的汽车。由于混合动力
电动汽车在节能和降低排放污染方面的明显优势,因而受到很大的重视,研制开发和产业化的进程相当快。目前混
合动力电动汽车主要有两种混合驱动结构:串联式和并联式。对这两种混合动力系统结构和特点进行了
,并重
点对并联式结构中的不同结构进行了分析介绍。
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主题词:混合 动力输出 电动汽车 结构
中图分类号:=J!K? LM 文献标识码:; 文章编号:NOOO P QLOQ :MOON >OK P OOO! P OR
清华大学 陈全世 杨宏亮 田光宇
混合动力电动汽车
结 构 分 析
: 概述
节能和环保是汽车技术发展的主要方向之一。
NKKQ 年 K 月美国政府和代表三大汽车公司的美国
汽车研究理事会 :=GS;C>联合提出的“新一代汽车
合作
:
”中的目标之一就是开发出一种燃
油经济性 Q倍于现有车辆的中型汽车,即每升燃油
行驶 QJ 31,折合 Q V W NOO 31。经过几年的研究表
明,目前能满足此要求的就是混合动力汽车。
在我国,大气污染造成的经济损失日益增大,大
城市的空气污染问题更加严重。NKKK年 J月,中国
政府在北京召开了“全国清洁汽车行动大会”,决定
在北京、上海等 NM个大城市进行“清洁汽车试验示
范”活动,以实施城市“蓝天”计划。电动汽车和混合
动力汽车的研制开发和推广应用是“清洁汽车行动”
的重要内容。
; 电动汽车在推广中的困难及混合动力汽
车的优势
电动汽车是当前能满足“零排放”要求的首选方
案。电动汽车运行中没有排放污染,如果发电厂以核
能、水力、太阳能、风能或天然气为能源发电,对大气
的污染会很小,而远离城市的火力发电厂对人们生
存环境的影响也可以控制。在市区内行驶,电动汽车
的能量效率比普通汽油机汽车高 JO ! 左右。电动汽
车可以利用夜晚用电低谷时的富余电能充电,这可
以平衡电网的负载,提高电网能量的利用率。除此之
外,电动汽车还具有低噪声、低热辐射、易操纵和易
维护等优点。因此,人们对电动汽车寄予厚望。
然而,由于电动汽车的关键技术——— 电池技术
的制约,电动汽车的性能价格比远远不能达到推广
应用的标准。其主要障碍是:电池的能量密度极低,
因此电池组的质量较大,导致电动汽车一次充电的
续驶里程和动力性能无法达到当前内燃机汽车的水
平;此外,电动汽车空调和暖风的选用必须充分考虑
其能量消耗对电动汽车续驶里程的影响,乘员的舒
适性受到限制;充电站的建设投资巨大,电池组价格
昂贵,循环寿命有限,频繁更换电池的成本是难以接
受的。
正是由于电动汽车电池的性能和价格未达到预
期的指标,使电动汽车的推广应用遇到很大困难。人
们的注意力也开始从以电动汽车为代表的“零排放”
汽车转向以混合动力汽车为代表的超低排放汽车。
混合动力电动汽车 :"#$>是指以蓄电池与辅助
$汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目,T2? QKKLROOJ 。
$
!""#年 第 $期 —%—
动力单元 &’()*共同作为动力源的汽车。从理论上
讲,内燃机的热效率在低速时偏低,扭矩也较小,而
在中高负荷时效率较高,而负荷再大时效率又会下
降。如果车辆在低速时采用电动机驱动,在高负荷
时,让发动机仍工作在中等负荷高效率区,不足的
功率由电动机提供,就可以提高车辆燃油经济性,
+,-就是采用了这种原理。较之传统燃油汽车和电
动汽车,+,-增加了动力系统部件的种类和组合方
式,并根据使用工况对部件的工作方式进行了优化
组合,使各部件,尤其是作为主动力源的原动机能
够在最优工况下工作。
由于混合动力电动汽车在节能和降低排放污
染方面的明显优势,因而受到极大的重视,研制开
发和产业化的进展相当快。日本丰田公司的 (./01
混合动力轿车从 #$$2 年到现在已经累计销售 3 万
辆以上;本田公司的 451/678混合动力轿车在美国销
售受到广泛欢迎;通用公司将 ,- 9 #电动轿车改装
成串联和并联式两种混合动力形式。几乎所有大汽
车公司都推出了准备产业化的混合动力车型,混合
动力电动汽车已经成为全球汽车新技术开发的热
点。
目前混合动力电动汽车动力驱动方式主要分
为串联式、并联式和以丰田 (./01行星齿轮机构为
代表的混联式结构,而后者也可作为一种特例归到
并联式结构中。
! 串联式混合动力系统 "#$%&’
串联式驱动系统的典型结构与基本组成部件
如图 #所示,’()由原动机和发电机组成,原动机
一般为高效内燃机、燃汽轮机或斯特林发动机。原
动机直接带动发电机发电,电能通过控制器输送到
电池或电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车。
电池作为调节原动机输出和电动机需求功率间关
系的“水库”。为了在汽车起动、加速时能提供更大
的功率,一些串联式结构中还带有飞轮电池或超级
电容等功率密度较大的蓄能装置,在回收制动能量
时它们也发挥重要作用。
图 # 串联式混合动力系统
串联式结构的特点适用于市内常见的频繁起
步、加速和低速运行工况,可以使原动机在最佳工
况点附近稳定运转,通过调整电池和电动机的输出
来达到调整车速的目的,从而使复杂工况下系统的
性能有所提高。在电池 :;<较高时还可以关闭原动
机,只利用电池进行功率输出,使原动机避免了怠
速和低速运行工况,提高了原动机的效率,减少了
有害物排放。
但是串联式结构的燃油经济性还有待提高。这
是因为虽然原动机的工况得到改善,但是原动机作
的功,通过发电机、电池、控制器和电动机,在电能
与机械能的转化过程中有效率损失,所以整个驱动
系统排放较低,而效率没有根本性的提高,很难实现
= > ? #"" @A的目标。这种系统主要用于城市大客
车,在轿车中很少见。
( 并联式混合动力系统 ")$%&’
并联式结构有内燃机和电动机两套驱动系统。
它们可分开工作也可一起协调工作,共同驱动。所
以并联式混合动力电动汽车可以在比较复杂的工
况下使用,应用范围比较广。并联式结构由于电机
的数量和种类的不同、传动系统的类型、部件的数
量 &如离合器的数量 *和位置关系 &如电机与离合器
的位置关系 *的差别,具有明显的多样性。结构上可
划分为两种形式,单轴式和双轴式。
(* + 单轴式混合动力系统
单轴式结构如图 !所示,发动机通过主传动轴
与变速器相联,电动机的转矩通过齿轮与内燃机的
转矩在变速器前进行复合,传到驱动轴上的功率是
两者的和。这种形式被称为转矩复合。单轴式结构
的速度、转矩关系如下:
!" B(!# C $·!%)·!
&’ ( ( &%{ ) $ & # *
式中,!#、!%、!"分别为发动机、电动机和变速器输
入转矩;&’、、&%分别为变速器输入轴转速、发动机
转速和电动机转速;!为传动效率;$为传动比。
图 ! 单轴式结构
在单轴式结构中,发动机、电动机和变速器输
入轴之间的转速成一定的比例关系。在汽车运行
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中,随着路况和车速的变化,这些转速会随着变
化。输出转矩的变化,可以通过公式 " # $中的转矩关
系,在发动机转矩保持恒定的条件下,通过调节电
动机的转矩而获得。
以下介绍几种典型的采用单轴式混合动力结
构的样车。
%& #& # 奥迪 ’()!
图 *是奥迪 ’()!型混合动力系统简图。有两
套系统驱动前轮:其一是 #& + ,的 -’. %缸涡轮增
压直喷柴油机 "额定功率 // 01$,在发动机和变速
器之间有液力自动控制的离合器;其二是三相永磁
同步电机 "额定功率 2#& / 01$,通过速比 2& *的减
速器,与 3挡手动变速器相连。电动机还可以作为
发电机在车辆制动时回收能量,或由柴油机驱动发
电。
图 * 奥迪 ’()!混合动力系统简图
奥迪 ’()!有 *种操作模式,可以通过开关来
切换:
45 纯柴油机驱动模式,这种模式适用于恒
速巡航行驶工况。
65 纯电动机驱动模式,适用于排放敏感
区。
75 混合驱动模式,这是主要的工作模式。车
辆的控制系统根据加速踏板的位置和驾驶员希望
得到的速度而自动在前面两种模式间切换。
在 !8 09 : ;的速度以下由电机驱动,如果加速
踏板的行程不超过某个设定的点,仍将保持在电动
模式;如果需要额外的动力,比如超车时,加速踏板
行程超过设定点,柴油机自动起动,当转速增加到
与所选挡位速度和目前车速相一致时,便可平稳地
切换至柴油机驱动模式,而关闭电动机。在所需动
力变小时,例如在超车后正常行驶时,车辆控制系
统使车辆重新切换到电动模式,然后关闭发动机。
在电动模式下,最高车速 !8 09 : ;,8 < 38 09 : ;
加速需要 #8& 3 =;电池的容量可以在欧洲城市循环
工况 " >?>$ 下行驶 */ 09@ 以 38 09 : ;的恒速行驶
38 09。实际上车辆在行驶过程中可以随时在电动
和发动机驱动两种模式下切换,所以没有行驶里程
的限制。通常加油一次可以行驶 A88 09。最高车速
#A8 09 : ;,从静止加速到 #88 09 : ;需要 #/ =。
%& #& 2 本田 .B=CD;E混合动力系统
最近问世的本田 .B=CD;E 型混合动力汽车采用
了转矩复合的方式,其装备手动 3挡变速器的汽车
创造了 * ,汽油行驶 #83 09的纪录 "日本法规 #8 <
#3工况 $,而装备 ?F-的车型也创下了 * ,汽油行
驶 +/ 09的好成绩。
.B=CD;E 的动力系统与一般的混合动力系统不
同,以汽油机为主动力,电动机为辅助动力,动力分
配比为 +G #。此系统也被称为 “集成电机辅助系统
" .HI$”,如图 %所示。在这种系统中,在起动和加速
时,辅助电动机工作,弥补汽油机起动加速差的缺
点,在极限情况下,如转速 3 A88 J : 9CB时,输出功
率可以从 *A 01增加到 %# 01,转矩从 +# K·9增
加到 ##* K·9,发挥了电动机低速大转矩的优点。
在减速和制动时电机作为发电机工作。为了节约燃
料和降低排放,发动机在停车后关闭,在加速踏板
踩下后重新起动。
图 % 本田 .B=CD;E动力系统图
此系统结构简洁、紧凑,质量轻、成本低,电动
机只在起动和加速等少数工况下工作,镍氢电池模
块仅重 28 0D。为了获得更高的效率,采用精心设计
排量为 # ,的 * 缸 #2 气门低摩擦的 “极端稀薄燃
烧”汽油机;改进驱动方式,尽可能保证发动机工作
在最佳工况,提高发动机效率。采用全铝设计的车
身结构,风阻系数极低的车身造型,使 .B=CD;E在排
放、动力性和经济性上都取得较佳的效果。
%& #& * 福特低能量存储混合动力 " ,LM$
福特公司设计的低能量存储混合动力方案
" ,LM$ 与本田 .B=CD;E的混合动力系统类似,它的系
统结构如图 3所示。其特点是:发动机是车辆的主
动力,在发动机和变速器之间有一个既可作为电动
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机也可作为发电机的起动 %发电机 & ’ % ( )。’ % (由
专门设计的交流变频器模块驱动,电池采用容量小
而轻的镍氢电池 & !! *+, #- # *+·. )。因为电动机
的特殊位置和很低的电池容量,车辆不能采用纯电
动模式行走。
!" # 双轴式并联混合动力系统
双轴式结构中 &见图 / ),有两套机械变速器:内
燃机和电动机各自与一套变速机构相联,然后通过
齿轮系进行复合。在这种结构中,可以通过调节变
速机构调节内燃机、电动机之间的转速关系,使发
动机的工况调节变得更灵活。双轴式是目前最有生
命力的结构,随着丰田 01234成功推向市场,采用行
星差动系统的结构越来越流行。
图 / 双轴式结构
行星齿轮动力复合机构,可以实现多个部件转
速的复合,而各个部件间的转矩保持一定的比例关
系,这种功率复合形式被称为速度复合。行星机构
有两个自由度,通过不同离合器和制动器的作用,
可以实现单自由度、固定传动比的传动。
56 !6 # 丰田 01234行星齿轮混合动力系统
图 7 为丰田公司 01234的驱动系统结构示意简
图,它被认为是目前最成功的混合动力结构之一。
在此结构中发动机与行星架相联,通过行星齿
轮将动力传给外齿圈和太阳轮,齿圈轴与电动机和
传动轴相联,太阳轮轴与发电机相联。动力分配装
置将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上,将另
一小部分转矩传给发电机,发电机发出的电能将根
据指令给电池充电,或用于驱动电动机以增加驱动
力。
图 7 01234混合动力系统结构简图
通过对行星机构的变速比和受力分析可以得
到公式 & ! )。
& # ! ! )· "# $ !· "% ! "&
"· ’# $ & # 8 # % ! )· ’% $ & # 8 ! )· ’&
"( $ "& & ! )
’) $ ’( ! ’& $ ’( ! "· ’ * & # 8 ! )
"+ $ "& * , $ 9 & # 8 ! )· "# - !· "% : * ,
式中,!为太阳轮齿数与齿圈齿数之比 & " ; ! ;# );
"#、"%、"&、"(、"+分别为发动机、发电机、齿圈、电机
和驱动轴的转速;’#、’%、’&、’(、’+分别为发动机、
发电机、齿圈、电机和驱动轴的转矩;,为齿圈与驱
动轴间的传动比。
这种结构可以通过调节发电机转速使发动机
转速变化。此外发动机、发电机的转矩与作用在齿
圈上转矩是成一定比例的,传到驱动轴上的转矩是
从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩 &为负时
代表制动能量回收 ) 的和。这种结构可以有非常灵
活的控制策略,因此可以实现对混合动力能量流的
最优控制。
通过不同制动器和离合器的作用,这套行星差
速机构可以实现下面的功能:
<- 起动及低速时的电驱动模式;
=- 正常行驶时的发动机驱动模式;
>- 加速或爬坡时发动机和电动机混合驱动
模式;
?- 减速或制动时电机作为发电机发电的制
动能量回收模式;
@- 在电池 ’AB较低时,发动机可以仅驱动
发电机的充电模式。
该混合动力系统的功能在实际中要比上面讲
述的细致、复杂得多。而且丰田 01234用的发动机是
针对混合动力系统的工作特点精心设计的,该发动
机通过减少燃烧室容积、提高压缩比、延迟进气门
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{ # $ %
的关闭、降低气缸压力,以消除增加压缩比带来的爆
震;采用更小、更轻的零部件,以减轻发动机的整体
质量。这些改进提高了发动机的热效率。再加
上使用混合系统让发动机始终工作在高负荷工况,
避免了效率较低的低负荷工况,这些措施使发动机
的平均效率上升 &" !左右。
丰田 ’()*+的混合动力系统结构无论在制造上
和控制上都是较为复杂的,但却带来了控制上的灵
活性,以获得较佳的性能。
,- .- . 华沙工业大学的行星混合动力系统
如图 /所示,在这种混合动力系统中同样使用
行星齿轮差速机构,不同的是在这种动力系统中只
有一个电机,既可以作驱动电机也可以作制动回收
能量的发电机;齿圈与电机轴通过齿轮相联,该齿轮
与电机之间有轴制动器 0.;发动机与太阳轮相联,
两者之间有离合器 1和轴制动器 0!;行星架与驱动
轮相联。电机、发动机和驱动轴间的转速和转矩关
系如公式 # $ %所示。
# ! 2 ! % !" # !· !$ % !&
’" 3 #! 2 ! 4 ! %· ’$ 3 #! 2 ! %· ’&
式中,!为转速5 ’为转矩;!为太阳轮与齿圈齿数
之比;下标 $表示发动机;&表示电动机;"表示行
星架,这里没有考虑传动效率。
图 / 华沙工业大学的混合动力系统
617—内燃机 1—离合器 78—电机 4发电机 09:—蓄
电池 0!、0.—轴制动器 ;<—主减速器 =>—驱动轮
1?—控制单元 ’<—行星齿轮机构 #两个自由度 %
这种结构也可以实现无级调速,却无法实现发
动机转矩与电机转矩的直接叠加,但是输出转矩却
大于发动机或电机单独输出时的转矩。这种结构需
要电机有较大的转矩,以满足公式 # $ % 中的转矩关
系。此结构与丰田 ’()*+相比,结构上简单一些,在制
造工艺和控制上都更容易一些,性能也略差一些。
除了以上两种结构外,还有许多不同的行星齿
轮混合动力系统。各种系统在结构上由于电机、发
动机的位置不同而不同,但应该说大同小异,各部件
的转速、转矩一定要满足行星差速机构的转速和转
矩方程。
!" # 前后轴独立驱动的混合动力系统
除了上面介绍的单轴式和双轴式结构外,还有
其它一些结构,这里对前后轴独立驱动的混合动力
系统进行简单的介绍。
丰田汽车公司在原有前轮驱动的 =@A B 1混合
动力系统的基础上开发出新型电动四轮驱动系统,
命名为 7 B CD?E,其结构如图 F所示。前桥由高膨
胀比、高热效率的 .- , G 发动机与无级变速器
# 1H=%、电动机组成的 =@A B 1混合动力系统来驱
动,后桥由电机驱动。这种结构在平时可以采用前
驱动,在大功率需求时采用四轮驱动,从而使动力性
更好。本结构最大的特点是在湿滑路面上行驶时,
当检测到前轮打滑时,前电机变为发电机使用,使前
驱动力减小,用后电机驱动后桥,从而控制打滑。
图 F 丰田 7 B CD?E混合动力系统
采用 7 B CD?E驱动系统的厢式汽车与同级别
汽车相比燃油经济性提高了近一倍,同时它的尾气
排放只是日本现行标准的 ! 4 !.。
与此结构相似的是通用公司在 7HA B !I 年会
上展出的并联式混合动力电动汽车,由前部的电动
机驱动前轴,柴油机通过自动变速器可以驱动后
轴。标准的混合模式下,汽车主要由柴油机驱动。在
“零排放”模式下,只使用电动机驱动可以行驶约 I&
JK;当汽车需要加速或爬坡时,柴油机和电动机同
时驱动前后轴,实现四轮驱动。该并联式混合动力
电动汽车的燃油经济性和动力性均超过了传统汽
车。
$ 结论
混合动力电动汽车一方面可以充分利用传统汽
车的技术成果和工业基础,另一方面,可以有效减少
排放、降低油耗,是传统内燃机汽车向零排放电动汽
车过渡的实用方案之一,已成为人们研究的热点。
混合动力电动汽车有串联、并联等多种结构形式,各
有各的优缺点,适用于不同的地点、用途,简单地说
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! 前言
若想在保持直喷柴油机卓越的燃油经济性的
同时,又能满足越来越严格的排放法规,除了降低
润滑油消耗、优化涡轮增压系统和发展先进的废气
后处理系统外,还需进一步改善燃烧过程。而喷油
系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键环节。为了
有效地降低排放和噪声,减小燃油消耗率,改善动
力性能,要求喷油系统具有高的喷油压力 % #"" &’(
以上 ) 且可以根据工况需求灵活调整;能够精确而
灵活地控制喷油定时、喷油量、喷油率;与整机匹配
灵活。实现以上柔性控制功能是燃油喷射系统的必
然趋势。共轨式喷油系统正是顺应以上需求而出现
的,现已得到了很大的发展。
" 共轨式喷油系统的分类和特点
共轨式喷油系统又可称为压力时间控制系统
或第三代电控喷油系统,分为中压共轨系统和高压
共轨系统。中压共轨系统 %即增压式共轨系统 )又分
为共轨蓄压式系统和共轨液压式系统。这两种系统
喷油压力的形成原理是相同的 %均为帕斯卡增压原
理 ),只是所用的控制油和待喷燃油的压力源不同
%共轨蓄压式系统的控制油和燃油均来自共轨管;
共轨液压式系统的控制油来自共轨管,待喷燃油来
自燃油输油泵 )。
共轨式喷油系统通过控制喷油器上的电磁阀
·综 述·
柴油机共轨式喷油系统
【#$%&’()&】*+, -.//.0 1(23 45,3 206,-72.0 8987,/ -(0 :, ;2<2;,; 207. 7+, /,;25/ =1,8851, -.//.0 1(23 8987,/ (0; 7+,
+2>+ =1,8851, -.//.0 1(23 8987,/? @.1 7+, /,;25/ =1,8851, -.//.0 1(23 8987,/A 27 -(0 :, ;2<2;,; 4517+,1 207. 7+, =1,8851, B
(--5/53(7,; -.//.0 1(23 8987,/ (0; 7+, +9;1(532- -.//.0 1(23 8987,/? *+, 45,3 206,-72.0 =1,8851, 28 4.1/,; 20 7+, 8(/, C(9
4.1 7+, 7C. 8987,/8D 7+, .039 ;244,1,0-, :,7C,,0 7+,/ 28 7+(7 7+,9 58, 7+, ;244,1,07 =1,8851, 4.1 7+, -.071.3 .23 (0; 7+, 45,3 7.
:, 206,-7,;? *+, +2>+ =1,8851, -.//.0 1(23 8987,/ 28 7+, /(23 ;,<,3.=/,07 71,0;A 20 C+2-+ 7+, =1, B 206,-72.0A =.87 B 206,-E
72.0A%79=, (0; :..7 79=, 45,3 206,-72.0 3(C -(0 :, =,14.1/,;?
【摘要】共轨式喷油系统分为中压共轨系统和高压共轨系统。中压共轨系统又分为共轨蓄压式系统和共轨液压
式系统,二者喷油压力的形成原理相同,只是所用的控制油和待喷燃油的压力源不同。高压共轨系统能够实现预喷
射、后喷射,还可实现%型和靴型喷油规律,是柴油机燃油系统的主要发展方向。
*+,-) .+’/%0 1234 %2,,45 %5%&367 8+9%&’2)&-+97 :3;34+,639&
主题词:燃料供给系统 结构 发展
中图分类号:FGHG? #IH J ? K 文献标识码:L 文章编号:#""" B IM"I %!""# )"$ B ""## B "N
山东省粮食局 张锦杨
山 东 大 学 陆家祥 张锡朝
上海交通大学 王钧效 房克信
的结构及发展动态
孰优孰劣是不妥当的,可以预见,今后混合动力电
动汽车必将迎来更大的发展。
参 考 文 献
# 李源等 ? 洞察 ‘O082>+7’——— 本田因塞特 % O082>+7 ) 混合
动力汽车技术特征 ? 汽车世界,!""" %# )
! 麻友良等 ? 混合动力电动汽车的发展 ? 公路交通科技,
!""# %# )
%责任编辑 郝旭辉 )
原稿收到日期为 !""#年 G 月 !I 日。
作者简介:
陈全世:清华大学汽车系教授,中
国汽车工程学会常务理事。主要学术研究
领域:特种汽车 %包括沙漠车 )设计研究;电
动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车关键
技术研究;汽车车身结构与设计。
研究成果获奖情况:《电动汽车电池、电机、电控及
整车性能综合测试系统研制》项目,获国家教委科技进步
奖 I等奖 % #$$M年 )等。
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