本田混联式“雅阁混合动力车”,实现世界最高能量效率

2013-06-25 14:20:04来源: 互联网

     “比10·15模式还要严格的JC08模式下的燃效为30km/L”——本田2013年6月21日上市的新款“雅阁混合动力车型”实现了这一与轻型车相当的燃效,该车长4915×宽1850×高1465mm,是一款名副其实的“车身尺寸宽大的高级轿车”(本田,图1)。

图1:新款“雅阁混合动力车型”
虽然是高级轿车,但JC08模式燃效为30km/L,实现了与轻型车相当的低燃耗。

    一般来说,车身尺寸越大,行驶所需的能量就越多,燃效也就越低。能够排除这种车身尺寸的影响进行比较的,是能量效率(单位体积燃料拥有的能量×燃效/单位距离行驶必需的能量)。据本田调查,新款雅阁混动车型的能量效率为世界最高,“达到了35%以上,接近40%”(截至2013年5月)。

    从车名也能看出来,雅阁混动车型具备发动机和马达两个动力源。目前,混合动力系统分“串联式”、“并联式”和“混联式”三种,新款雅阁混动车型采用了第三种方式。

发动机可在马达行驶时发电,也可直接用于行驶

    混联式是把串联和并联这两种方式结合在一起的方式。由于物理结构比较复杂,下面依次来解释。

图2:串联式混动系统与并联式混动系统的区别
图中分别是串联式混动系统和并联式混动系统的结构示意图。实线箭头表示机械动力的传输,虚线表示电力的传输。红色箭头表示行驶时的能量传输,绿色箭头表示减速能量再生时的能量传输。PCU为动力控制单元。

    首先来看串联方式(图2-a),简单来说就是用发动机驱动发电机来为电池充电,然后利用其电力,通过马达驱动车轮。特点是,发动机专用于发电,除马达外还配备了发电机。马达也用于减速时的能量再生。

    由于发动机专用于发电,所以这种方式的优点是能使发动机在高效区(转数和扭矩)运转。不过,由于在所有区域都用马达行驶,因此不但需要高功率马达,而且在低效区也必须使用马达。发动机运转产生的能量必须用发电机转换成电能后才能用作驱动马达的能量,因此,如果发电机和马达的效率差,能量损失就会增加。由于使用高功率、即大尺寸的马达,可以获得无需变速箱的优点,但在车身尺寸较小的汽车中,如何在有限的空间内配备混合动力系统则又成为一个课题。

    而在并联式系统(图2-b)中,马达和发动机都用于驱动车轮,发动机并不专用于发电,一般不另外配备发电机。减速时的能量再生以及不用马达行驶时的发电都是将马达作为发电机使用。发动机提供的动力一般要通过变速箱传递给车轮。

    通常,发动机在极低转速区时其节流阀基本处于关闭状态,因此向气缸内吸入混合气体时的阻力变大,导致效率降低。而且,转数达不到一定程度,就无法实现大扭矩。而在高转速区,即使能实现一定程度的扭矩,但摩擦损失增大,也会导致效率降低。此外,马达虽然在极低转速区就能实现高扭矩,但转数超过一定程度后,随着转数的增加,扭矩会逐渐降低。

    并联式混动系统有两个优点,第一,通过将马达和发动机都用于车轮驱动,可以弥补上面提到的扭矩不足的缺点。第二,通过优化马达和发动机的扭矩分配,可提高效率。换言之,就是无需为了改善燃效而牺牲高动力行驶。

    混连方式就是将串联方式和并联方式组合在一起(图3)。

图3:混连式系统的结构示意图
实线箭头表示机械动力的传输,虚线表示电力的传输。红色箭头表示行驶时的能量传输,绿色箭头表示减速能量再生时的能量传输。PCU为动力控制单元。

    混连方式与串联方式一样,除马达外还配备了发电机(或者兼作马达的发电机),可以一边用发动机发电,一边将所发电力用于马达行驶。另外,还能像并联方式那样,直接用发动机驱动车轮,让马达和发动机相互弥补扭矩不足的缺点来行驶。

    也就是说,混连式系统不仅具备串联方式可保持发动机在高效状态运转的优点,而且还具备并联方式无需牺牲高动力行驶的优点。采用混连式混动系统的车辆除了新款雅阁混动车型以外,还有丰田的混合动力车“普锐斯”和“Aqua”,以及三菱的插电式混合动力车“欧蓝德PHEV”等。

区分使用三种行驶模式

    那么,新款雅阁混动车型为何能大幅提高能量效率呢?借用本田的话说就是,因为“发动机和马达均扩大了可高效行驶的范围(最佳点),能在更多的情况下高效运转”、“通过优化电池充电、基于马达的动力辅助以及基于电池的电力辅助,优化了发动机的负荷,使其能够长期保持在最佳点运转”。

       新款雅阁混动车型的混合动力系统的构成大体如图3(b)所示(图4)。特点是能在“纯电动模式”、“混动模式”和“发动机模式”三种行驶模式间切换。

图4:新款“雅阁混合动力车”的混合动力系统
马达最高输出功率为124kW(3857~8000rpm),最大扭矩为307N·m(0~3857rpm)。发动机的最高输出功率为105kW(6200rpm),最大扭矩为165N·m(3500~6000rpm)。发动机排量为1.993L,压缩比为13.0。

    纯电动模式是在断开离合器的状态下停止发动机,利用电池的电力驱动马达行驶。混动模式在断开离合器的状态下起动发动机,利用发动机带动发电机旋转,利用其电力驱动马达行驶。发动机模式是连接离合器,将发动机的动力直接传递至车轮行驶。

       基本上,在起步时和中低速巡航时等发动机效率较低的区域,以及高速且电池余量较多时,利用纯电动模式。在加速等负荷较高时,以及电池余量较少时利用混动模式。高速巡航时则根据行驶情况和电池充电情况,在三种模式中选择效率最高的行驶模式。

       不过,即使在纯电动模式和混动模式,已有马达的效率并不是在所有适用这两种模式的区域都高。发动机模式也一样,并不是说在所有区域都是已有发动机的效率高。

扩大马达和发动机的最佳点

    因此,本田采取的措施之一是扩大马达和发动机的最佳点。为扩大马达的最佳点,配备了能在300~700V间对马达驱动电压无极调压的控制系统。

       实际上,即使是同一款马达,其驱动电压越高,高效区就越偏向于高扭矩和高转数一方。因此,如果能根据所需要的扭矩和转数,适当控制马达的驱动电压,就能在更多的行驶状况下实现高效的马达运转。也就是说,可以扩大马达的最佳点。

       为了扩大发动机的最佳点,开发了采用阿特金森循环的专用汽油发动机。

       阿特金森循环是指,通过延迟压缩时应该关闭的进气门的关闭时间,使已吸入的部分混合气体回到进气口,从而使压缩比小于膨胀比*1。虽然这样会使发动机的输出功率降低,但压缩所需的能量(泵气损失)减少,因此效率(燃效)出色。

    *1 汽车的汽油发动机(活塞在气缸内做往复运动的活塞发动机)由吸气冲程(在进气门打开、排气门关闭的状态下使活塞下压,通过负压将空气和燃料的混合气体吸入气缸内)、压缩冲程(在进气门和排气门都关闭的状态下将活塞向上推动,压缩混合气体)、燃烧冲程(利用火花塞点燃混合气体使之燃烧,燃烧气体猛烈膨胀,将活塞下压,也叫做功冲程)、排气冲程(在进气门关闭、排气门打开的状态,活塞向上运动,将燃烧气体排到气缸外)这四个冲程组成。

       新款雅阁混动车型的专用发动机就是以阿特金森循环系统为基础,导入了可根据情况调整进气门的迟闭程度和进气门打开期间(时域)的机制,扩大了发动机的最佳点。具体来说,配备了两个开关进气门的凸轮,可相互切换。这两个凸轮分别是迟闭程度变大、时域变长的燃效优先凸轮(燃效用凸轮),以及迟闭程度变小、时域变短的输出功率优先凸轮(输出用凸轮)*2。在高扭矩或高转速区使用输出功率用凸轮,在其他区域使用燃效用凸轮。

    *2 本田将可切换燃效用凸轮和输出用凸轮的机构称为可变气门正时提升机构(VTEC)。

       另外,该公司针对活塞的往复运动,使控制开关进气门的时机、使配气相位连续地变化的机构(连续可变气门正时控制机构VTC)实现了电动化*3。以前是利用油压驱动VTC,但在发动机刚起动油压较低的状态下无法使用。通过实现电动化,发动机刚起动后也能利用VTC,可以恰当地控制气门的配气相位,确保高效率。

    *3 如果发动机的转数相同,时域(进气门打开的期间)就是固定的。

通过控制,使发动机在高效率区域运转

    新款雅阁混动车型的混合动力系统为实现高效率而采取的第二个措施是,设法使发动机保持在最佳效率区域运转。为此而采用了“吻合发动机最佳点的控制”。

       例如,在用发动机驱动发电机、然后用所发电力驱动马达行驶的混动模式,根据驾驶员对输出功率的要求,有时必须要在发动机转数低于或高于最佳点的情况下驾驶。为了避免这种情况造成的效率降低,新款雅阁混动车型进行了以下控制:在必须要让发动机转数低于最佳点时,用最佳点的转数驱动发动机,将剩余电力存储到电池中;而在必须要让发动机转数高于最佳点时,同样用最佳点的转数驱动发动机,通过电池提供不足的电力。这样,就能尽量使发动机转数保持在最佳点。

       而在利用发动机行驶的发动机模式下,行驶所需的扭矩可能会高于或低于发动机最佳点的扭矩。这种情况也采用相同的思路,当最佳点的扭矩不足时,用电池驱动行驶用马达,以弥补扭矩不足的部分;而在扭矩富裕的情况下,用余力驱动行驶用马达,把所发电力存储到电池中。

       当然,根据电池余量的不同,有时也无法使用这种控制,不过,通过尽量在最佳点运转发动机,提高了混合动力系统的效率。

关键字:本田  雅阁

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0625/article_7394.html
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