"混"出个名堂 不同混合动力系统解析

2014-01-02 16:06:29来源: 易车网

    在我们的日常生活当中,混合动力汽车已经算不上什么稀罕物了,它比常规能源汽车更节油,同时又比纯电动汽车更“靠谱”,已经有越来越多的人在购车时开始考虑它们,但大多对其中的原理和特性知之甚少。下面我就结合一些车型带您了解一下混合动力系统,希望对您日后购买此类车型提供一些帮助。

  另外,根据混合动力系统中电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重,也就是常说的混合度的不同,混合动力系统还可以分为微混合动力系统、轻混合动力系统、中混合动力系统、完全混合动力系统四类。

  下面我们将通过你我认识的混动系统、容易被忽视的混动系统、混动大家庭的新生力量、混动系统的意外收获这四部分来为您介绍不同的混动系统。

你我认识的混动系统:

  之所以是你我认识的混动系统,是因为搭载它的车型以其市场保有量或者通过大力的宣传,使人很容易在马路上或媒体上认出它们来,而且很有代表性。针对这类车型,我们再结合混动系统的分类为您分析一下它们其中的原理。

串联式混合动系统

    代表车型:沃蓝达

  串联式混合动力系统总成由发动机、发电机和驱动电机三大主要部件组成。发动机与发电机组合成辅助电力单元在需要时进行发电。辅助动力单元和蓄电池将电能供给发动机,电动机驱动汽车行驶。辅助动力单元发出的电能可向电池充电,以延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外,蓄电池还可以单独想电动机提供电能来驱动电动汽车,使混合动力汽车在零污染状态下行驶。

  串联式混合动力汽车适用于在城市中低速运行及频繁启停的行驶工况。由于串联式混合动力汽车不是通过发动机直接驱动汽车行驶,发动机与汽车驱动轮无钢性连接,而是电连接,因此可以保证发动机保持在其最佳效率区域内稳定运行,从而获得最低的燃油消耗和最佳的排放。这一特点的优越性主要表现在低速、急加速运行工况中。而在汽车高速行驶时,点传动效率相对较低。

  雪佛兰沃蓝达虽然在国内马路上鲜有露面,可这一点也不影响其在世界范围内知名度。该车采用了增程式混合动力系统,这也属于串联式混合动力系统,即发动机仅仅用于发电工作,并不会直接将输出动力转化为动力势能,或者称之为发电机更为贴切,而输出的电能则会通过电动机所产生的电磁力矩来驱动车辆(或者可以直接理解为转化为了动力势能)。

  沃蓝达配备了两个电力驱动马达,主马达的最高输出功率为111kW,最大扭矩为370Nm,此外还有一个兼做发电机的辅助马达为55kW,根据行驶工况的不同,它可以进行动力输出或者反转为电池充电。在两者的配合驱动下,它0-100km/h的加速时间只需9秒,超过普通紧凑型家用车2.0L自然吸气发动机的水平。该车最高时速可达到160km/h,完全可以满足日常需求。

并联式混合动力系统

    代表车型:思域混动版

  所谓的并联式混合动力系统主要由发动机、电动机两套独立的驱动系统组成。这两个系统既可以同时协调工作,也可以各自单独工作驱动汽车。两大动力总成的功率可以相互叠加,同时可以采用功率较小的发动机与电动/发电机,使整个动力系统的装配尺寸和质量都较小。这种系统适用于多种不同的行驶工况,尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单,成本低。

  并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车,发动机与电动机分属两套系统,可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩,在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时,电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力,一旦汽车车速达到巡航速度,汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用,又称为电动-发电机组。由于没有单独的发电机,发动机可以直接通过传动机构驱动车轮,这种装置更接近传统的汽车驱动系统,机械效率损耗与普通汽车差不多,得到比较广泛的应用。

  思域混动版采用本田IMA混合动力技术。虽然这套系统在一定程度上赶不上本田那套混联式混合动力系统,且本田已经发布其最新混动技术,但是作为典型的并联式混合动力系统,我们还是有必要介绍下。

  相比采用混联混合动力系统的丰田系列车型,本田IMA系统的结构简单、紧凑,制造成本相对较低,对车内空间占用较少而且对整车重量影响不大。本田IMA混合动力系统主要由发动机、电动机、CVT变速箱以及IPU智能动力单元这四个部分组成。其中常规动力以1.3L或1.5L这两款自然吸气四缸发动机为主。电动机则是三相超薄型DC无刷电机,作为动力辅助装置,安装在发动机与CVT变速箱的中间。

  不过本田IMA系统实现纯电动行驶的前提是歇缸技术,而且发动机曲轴与电机是连在一起的,当车辆以纯电动状态行驶时,发动机虽然停止供油但气缸与曲轴仍保持运转,或多或少会消耗电能。而丰田、日产等品牌的混合动力系统以纯电动行驶时,会通过行星齿轮或离合器将发动机与电动机的连接“中断”。对电能的消耗更少,技术比本田通过VCM可变气缸管理系统所实现的闭缸更为先进。

混联式混合动力系统

    代表车型:普锐斯

  混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构,两套机构或通过齿轮系,或采用行星轮式结构结合在一起,从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比,混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂,成本高。

  混联式混合动力系统集合和串联和并联的优点,具有最佳的综合性能,但该结构系统结构更复杂,组成规模更大,布置更加困难。另外,实现串、并联分支间合理的切换对控制策略的制定和控制系统的设计也提出了更高的要求。

  丰田普锐斯一直都是混合动力车型中明星车型,在国内也一度成为人们口中混合动力的代名词。目前在售的普锐斯已经是其第三代车型。该车采用混联式混合动力系统,同时具备插电功能。

  对于锂电池的充电,家用100V的标准电源可以在3小时内将电池充满,而200V的标准电源只需要1个半小时多就能够将电池充满。在未来充电桩逐渐普及后,这样的充电效率还是可以令大家接受的,20公里的续航里程也基本属于每天正常的活动范围。

  目前普锐斯搭载的是一款全新的直列四缸1.8L VVT-i汽油发动机,采用了阿特金森循环技术,最大功率73kW,最大扭矩为142Nm。本身相比老款的1.5L发动机在动力上已经有了一定幅度的提升。而配合具有60kW、207Nm动力输出的全新永磁交流电机后,最大功率可以提升至100kW,最大扭矩可提升至207Nm。

    以往我们潜意识中的混合动力车型一定是那种具备超低油耗、电力驱动为主燃料驱动为辅的车型,其实这只能算是混合动力系统的一部分,还有一些容易被我们忽视的混动,也可以算是不像混动的混合动力系统。

发动机启停(Start-stop)技术

  提起发动机启停(Start-stop)技术,几乎是无人不知无人不晓。可要说它属于混合动力的范畴,肯定会有人疑惑。其实发动机启停(Start-stop)技术也属于混合动力的一种, 它致力于最大限度减少发动机怠速时燃油的损耗,避免这部分能源的浪费,同时对节省能源与减低排放有着重要的意义。


  启停(Start-stop)技术对于传统汽车的发动机前端轮系不进行改动,只是更改原有车辆的启动机,提高启动机的启停次数并提高其功率,保证车辆能够快速启动及在理想的使用工况下的寿命。Stop-Start系统作为混合动力车的入门技术,由于成本低,其应用前景广阔。

BSG(皮带传动启动/发电一体化电机)技术 

    代表车型:北汽E150 BSG

  所谓BSG(皮带传动启动/发电一体化电机)技术就是发动机与电机之间采取皮带传动方式进行动力传输,以发动机为整车的驱动动力源,电机系统用于实现发动机的快速启动,在正常行驶工况下BSG电机和常规车发电机一样由发动机驱动电机发电,给蓄电池充电。当车辆停下时,发动机运转停止,消除怠速状态,再启动时,BSG电机快速启动发动机。在此结构中,发动机通过主传动轴与变速器相联,电机通过皮带传动与发动机曲轴相连,电机既可作为发动机,又可作为电动机。BSG系统结构简单、重量轻,对整车原有结构改动很小,成本略高于发动机启停(Start-stop)技术。

  BSG混合动力系统在发动机前端用皮带传递机构将一体化启动/ 发电机与发动机相连接,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。该混合动力系统一般保留了传统轿车上的启动电机,以保证环境温度过低时发动机能正常启动。在实际应用中,也可以考虑在皮带驱动装置中内置一套行星齿轮来支持发动机冷启动。BSG混合动力系统能实现怠速停机(发动机)、车辆启动时快速拖动发动机到怠速转速、制动回收能量的作用。由于没有配备耦合装置,故无法为车辆加速提供辅助功率。

  北汽E150 BSG加装一台起动/发电一体电机,在正常行驶时,BSG电机和常规发电机一样由发动机驱动发电,给蓄电池充电。当车辆遇到红灯或堵车时,发动机暂停工作,当车辆识别到驾驶员有起步意图时,通过BSG电机快速起动发动机进入正常行车状态。这套系统可以采用手动开起或关闭。

ISG(集成启动/发电一体化电机)技术  能量回收

    代表车型:大众蓝驱系列车型

  所谓ISG(集成启动/发电一体化电机)技术就是发动机和电机扭矩叠加方式进行动力混合,发动机与电机和变速器相并联,按照不同的行驶工况要求,发动机的扭矩与电机的扭矩在变速器前进行多种形式的复合以实现最优的驱动效率,以发动机为整车主动力源,电机系统起“补峰平谷”作用。在加速时,电机助力,弥补发动机低速扭矩低的不足,在减速和制动时实施刹车能量回收,使电机发电并储存于动力电池中。在停车时发动机关闭,消除油耗高、排放差的怠速状态;启动时电机则瞬时启动发动机进入工作状态。ISG系统结构比BSG复杂,成本也比前两个技术更高。

  ISG混合动力系统将一体化启动/ 发电机与发动机的转子与发动机曲轴的输出端连接在一起,同时取消了原有的飞轮。根据实际情况,ISG混合动力系统可在发动机与变速箱之间配备1-2个离合器。这种连接方式相比BSG混合动力系统而言,更为灵活,其功能也在BSG混合动力系统的基础上有所增加。

  大众汽车“蓝驱技术系列”以大众汽车应用的动力总成技术为基础,其中发动机启停和再生制动能量回收都是ISG技术的体现。发动机启停技术的工作过程是遇到红灯时,驾驶员进行制动使车辆完全停下来,将档位换入空档并完全释放离合踏板,控制系统自动将发动机熄火。绿灯放行时,驾驶员踩下离合器,发动机则自动重新启动。驾驶员挂入档位即可继续前行。而自动档车型的操作更为简单,驾驶员只要施加完全制动使车辆停止,发动机则自动熄火。在释放制动后,驾驶员加油,发动机将自动启动。

  再生制动能量回收技术是当驾驶员释放油门踏板或施加制动,车辆减速,产生了多余的能量,再生制动能量回收系统将多余的能量回收,在发电机控制单元的调节和控制下,将发电机的电压升高,给电池系统进行充电,将多余的能量以电能的形式回收储存。该系统还控制在车辆加速或匀速行驶时降低发电机的电压,甚至完全关闭发电机,以降低发动机负载,从而提高燃油经济性。为实现再生制动能量回收,能量管理系统和发动机控制系统的软件要专门进行开发和改进。

    除了我们此前介绍的具有代表性的混合动力车型外,目前在混动大家庭中又涌现出不少新生力量。接下来我就带您了解一下它们采用是何种混合动力技术。

本田i-DCD/i-MMD/Sport Hybird SH-AWD  并联式混合动力系统

    代表车型:飞度混动版  雅阁混动版  RLX

    相比略显落后的IMA混合动力系统,本田推出了全新的Sport Hybird混合动力系统。它根据集成电机数量的差异,从单电机到三电机分别是i-DCD(Intelligent Dual-Clutch Drive)、i-MMD(Intelligent Multi-Mode Drive)、Sport Hybird SH-AWD混动系统。从该混合动力的原理看,它依然属于并联混合动力系统,

  i-DCD混动系统——适用于紧凑级别

    i-DCD智能双离合驱动系统是由1.5L阿特金森循环发动机和集成电动机的7挡双离合变速箱组成的。阿特金森循环发动机与目前大量使用的发动机(奥托循环发动机)相比在燃油经济性方面的表现具有一定优势,不过其在低转速以及高转速区域内的表现并不好,所以工程师还为其加入了VTEC和VTC技术来弥补这一瑕疵。

  i-MMD混动系统——适合中型车

    该系统依旧由直列四缸汽油发动机(采用阿特金森循环模式)和电动机构成驱动单元,但与之前的i-DCT所不同的是i-MMD采用了排量更大的2.0L发动机.然而如果让电动机的功率变得更大,那么电动机的尺寸也会随之变大,相应的还需要为车辆配置更大的电池组,也与轻量化和追求操控性能的研发理念相悖。为了解决这一问题,本田技研的工程师提出了双电机混合动力系统方案。

  Sport Hybird SH-AWD--适合大型车

    本田针对大型车设计出了搭载3马达的全时四驱混合动力系统SH-AWD。该系统是以V6发动机与3台高功率电动马达组合而成,兼具V8发动机的性能与L4发动机的低油耗。SH-AWD系统前置一台3.5L V6汽油直喷发动机与1台装载于DCT7速变速器中的电动机相结合驱动前轮,另外两台电动马达装载于两个后轮上并驱动后轮,实现全时四驱。

自主品牌 DMII双模混动系统  并联式混合动力系统

    代表车型:秦

    作为国内主要自主品牌之一,比亚迪一直致力于混合动力系统的研发。随着比亚迪高调推出了旗下全新混合动力车型“秦”后,也让我们认识了这套DMII双模混动系统。

  比亚迪的DMII双模混动系统,依旧采用并联模式,即系统可以以纯电动或汽油+电动模式进行驱动。与之前的DMI相比,DMII系统将发动机部分升级为1.5L TI发动机,同时采用了DCT双离合变速箱,此外在电动机以及系统电路参数方面也都进行了改变。

  该套混动系统可以通过外接电源来为电池组充电,即插电式混合动力,所以在混动的模式下,理论上系统90%使用纯电动模式(EV模式),10%的情况下才会令发动机工作进入燃油模式,这样的控制逻辑可以最大程度的降低整车的燃油消耗,而目前官方公布的百公里油耗仅为2L。

  比亚迪秦在纯电动模式下,它可以驱动车辆行驶50km,最高可达150km/h的时速,它同时还作为一台发电机,在车辆减速和制动时来回收能量给电池组充电。

    混合动力系统在通过燃料驱动和电能驱动的相结合以达到最大限度降低油耗的同时,也给我们带来了一些意外收获和启发。比如采用轮毂电机技术就可以大大简化车辆的结构,实现多种复杂的驱动方式等。

轮毂电机技术

 

    轮毂电机技术又称车轮内装电机技术,它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内,因此将电动车辆的机械部分大大简化。轮毂电机技术并非新生事物,早在1900年,保时捷就首先制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车,在20世纪70年代,这一技术在矿山运输车等领域得到应用。而对于乘用车所用的轮毂电机,日系厂商对于此项技术研发开展较早,目前处于领先地位,包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。目前国内也有自主品牌汽车厂商开始研发此项技术,在2011年上海车展展出的瑞麒X1增程电动车就采用了轮毂电机技术。

    轮毂电机优点:

  1.应用轮毂电机可以大大简化车辆的结构,传统的离合器、变速箱、传动轴将不复存在。这也意味着节省出更多的空间。

采用轮毂电机技术的福特F-150不再使用传统的传动部件

  对于传统车辆来说,离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的,而这些部件不但重量不轻、让车辆的结构更为复杂,同时也存在需要定期维护和故障率的问题。但是轮毂电机就很好地解决了这个问题。除开结构更为简单之外,采用轮毂电机驱动的车辆可以获得更好的空间利用率,同时传动效率也要高出不少。

  2.由于每个轮胎都是单独驱动的,非常容易实现四驱形式。应用轮毂电机技术甚至可以实现两侧车轮反转来达到原地转向的目的。

AHED“先进混合电驱动”轮式装甲车样车可以轻松实现8轮电驱动

  由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性,因此无论是前驱、后驱还是四驱形式,它都可以比较轻松地实现,全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向,大大减小车辆的转弯半径,在特殊情况下几乎可以实现原地转向(不过此时对车辆转向机构和轮胎的磨损较大),对于特种车辆很有价值。

  3.轮毂电机可以与传统动力配合,形成混合动力汽车,电机可以安装在传统轮圈内,再加装一套供电系统就可以实现,便于采用多种新能源车技术。

轮毂电机技术可以匹配多种新能源车型

  新能源车型不少都采用电驱动,因此轮毂电机驱动也就派上了大用场。无论是纯电动还是燃料电池电动车或是增程电动车,都可以用轮毂电机作为主要驱动力;即便是对于混合动力车型,也可以采用轮毂电机作为起步或者急加速时的助力,可谓是一机多用。同时,新能源车的很多技术,比如制动能量回收(即再生制动)也可以很轻松地在轮毂电机驱动车型上得以实现。

    轮毂电机缺点:

  1.轮毂电机要安装在轮圈内,这使得车辆的簧下质量增加不利于操控。

    对于普通民用车辆来说,常常用一些相对轻质的材料比如铝合金来制作悬挂的部件,以减轻簧下质量,提升悬挂的响应速度。可是轮毂电机恰好较大幅度地增大了簧下质量,同时也增加了轮毂的转动惯量,这对于车辆的操控性能是不利的。不过考虑到电动车型大多限于代步而非追求动力性能,这一点尚不是最大缺陷。

  2.电制动性能有限,维持制动系统运行需要消耗不少电能。

采用涡流制动原理的内置缓速器

  现在的传统动力商用车已经有不少装备了利用涡流制动原理(也即电阻制动)的辅助减速设备,比如很多卡车所用的电动缓速器。而由于能源的关系,电动车采用电制动也是首选,不过对于轮毂电机驱动的车辆,由于轮毂电机系统的电制动容量较小,不能满足整车制动性能的要求,都需要附加机械制动系统,但是对于普通电动乘用车,没有了传统内燃机带动的真空泵,就需要电动真空泵来提供刹车助力,但也就意味了有着更大的能量消耗,即便是再生制动能回收一些能量,如果要确保制动系统的效能,制动系统消耗的能量也是影响电动车续航里程的重要因素之一。

  此外,轮毂电机工作的环境恶劣,面临水、灰尘等多方面影响,在密封方面也有较高要求,同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热问题。

    总结:通过这篇文章,相信您已经了解了目前不同的混合动力系统,同时对它们的原理也有了初步认识。也许现有的混动汽车并不能一次性解决所有能源问题,但它的出现可以说是在纯电能源时代来临之前的一个完美过渡。尽管油电混合动力车型在燃油经济性方面有着较大的优势,节油效果比较明显,但在国内还是存在购车费用较高,可选车型较少等问题。如何解决这些问题,并不是一两家企业能够做到的,而是需要政府等多方面协同发展。 

 

 

 

 

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编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2014/0102/article_8439.html
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