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「混动知识」三种常见的混合动力技术解读,了解一下

原标题:「混动知识」三种常见的混合动力技术解读,了解一下

电能作为未来汽车的动力之源,能实现高能效比及零排放,是一种相当理想的能源。但由于目前电池及电机技术的限制,使得纯电动车在续航里程及维护成本上都比不上传统的燃料汽车。再加上纯电动车充电设施暂未完善,使得纯电动车暂不能普及。汽车生产商为此推出了混合动力汽车。混合动力汽车一方面排放较低,而另一方面在续航里程上和传统汽车无异。本文将为大家详细剖析一下三种常见的混合动力技术。

● 混合动力汽车的定义:

混合动力汽车内部同时有传统的燃油发动机和电动机,共同作为汽车的动力源供应。

● 混合动力系统动力总成结构的3种形式:

1.并联式:发动机为主,电动机为辅,电动机一般无法单独驱动汽车。系统输出动力等于发动机与电动机输出动力之和。代表车型有:本田CR-Z、别克君越eAssist。

2.混联式:主要靠电机,发动机为辅助的,电动机和发动机都能单独驱动汽车。由于系统中配置有独立发电机,因而系统输出的最大动力等于发动机、电动机以及充当电动机(部分情况)的发电机的输出动力之和。混联式系统结构复杂,但动力性能和燃油经济型都相当出色。代表车型有:丰田普锐斯、丰田凯美瑞尊瑞、雷克萨斯CT200h、比亚迪F3DM。

3.串联式:只靠发电机行驶的电气汽车,配置的发动机输出的动力仅用于推动发电机发电。系统输出动力等于电动机输出动力。雪佛兰沃蓝达的充电形式正是这种。

● 混合动力系统的另一种分类方法:

有时候我们会听说到“轻型”或“重型”混合动力汽车。这是另一种分类方法,下面我来说明一下。

1.轻型混合动力:轻型混合动力汽车无法单独使用电动机驱动车辆。别克君越eAssist就是采用了轻型混合动力系统,使用并联式结构,为车辆提供了能量回收、车辆启停等功能。

2.中型混合动力:中型混合动力系统和轻型混合动力系统一样,由燃油发动机提供动力,电动机只起到辅助作用。但中型混合动力系统在特定情况下(如低速巡航)能够单独使用电动机驱动汽车。例如本田的IMA混合动力系统就是采用并联式结构的中型混合动力系统。

3.重型混合动力:重型混合动力系统中的发动机和电动机都能单独驱动车辆行驶。如丰田的THS混合动力系统就是混联式结构的重型混合动力系统。使用THS系统的第三代普锐斯Hybrid采用的电动机最大功率达到60kW,最大扭矩达到207Nm,足以推动汽车进行中低速行驶。

● 关于插电式混合动力汽车:

插电式混合动力汽车的主要特征是其充电电池可以使用外部电源充电。插电式混合动力汽车一般为重型混合动力汽车,可以使用电动机单独驱动车辆。丰田最新一代普锐斯就是具备插电功能的混合动力汽车。

● 并联式混合动力系统解析

1)系统构成

本田IMA系统是非常典型的并联式混合动力系统,至今已发展到第六代并应用在本田最新的CR-Z、思域、飞度等车型上。下面,我们就以IMA系统为例来说明一下并联式混合动力系统的结构。

IMA系统由4个主要部件构成,其中包括:发动机、电机、CVT变速箱以及IPU智能动力单元组成。电动机取代了传统的飞轮用于保持曲轴的运转惯性。整套系统的结构非常紧凑,和传统汽车相比仅是IPU模块占用了额外的空间。

2)部件解析

IMA系统的发动机通过搭载本田的i-VTEC(气门正时及生成可变技术)、i-DSI(双火花塞顺序点火技术)以及VCM(可变气缸技术)来实现降低油耗的目的。国内的进口的本田CR-Z采用的是顶置单凸轮轴1.5L的i-VTEC发动机,最大功率83kW,最大扭矩145Nm,实测百公里油耗约5.4L。IMA系统中的发动机和传统车型中的发动机并没有太大区别,只是在调校上更偏向于节省燃料。

IMA系统的电机安装在发动机与变速箱之间,由于电机较薄且结构紧凑,行内人俗称“薄片电机”。国内销售的CR-Z上采用的薄片电机最大功率10kW,最大扭矩78Nm。显然,这样的电机只能起到辅助的作用。而由于IMA系统能够在特定情况下(如低速巡航)单独驱动汽车,而被划分到中型混合动力汽车行列。

IMA系统的变速箱采用的是普通CVT变速箱。在国内销售的CR-Z上采用的变速箱是模拟7速CVT变速箱,以获得平顺的换挡体验及较高的换挡效率。

IMA系统的IPU智能动力单元是由PCU动力控制单元和电池组成。其中PCU又包括BCM电池监控模块、MCM电机控制模块以及MDM电机驱动模块组成。

3)工作逻辑

IMA系统的工作逻辑包括起步加速、急加速、低速巡航、轻加速和高速巡航、减速以及停车。

起步加速时,发动机以低速配气正时状态运转,同时电机提供辅助动力,以实现快速加速性能,同时达到节油的目的。

急加速时,发动机以高速配气正时状态运转,此时电池给电机供电,电机与发动机共同驱动车辆,提高整车的加速性能。

低速巡航时,发动机的四个气缸的进排气阀全部关闭,发动机停止工作,车辆以纯电动方式驱动车辆。

轻加速和高速巡航时,发动机以低速配气正时状态运转,此时发动机工作效率较高,单独驱动车辆,电动机不工作。

减速或制动时,发动机关闭,电机此时以发电机方式工作,将机械能最大限度地转化为电能,储存到电池包中。车辆制动时,制动踏板传感器给IPU一个信号,计算机控制制动系统,使机械制动和电机能量回馈之间制动力协调,以得到最大程度的能量回馈。

车辆停止时,发动机自动关闭,减少燃料损失和排放。当制动踏板松开时,发动机自动启动。

● 混联式混合动力系统解析

1)系统构成

丰田THS系统是典型的混联式混合动力系统,至今已发展到第二代。THS是“Toyota Hybrid System”的缩写,最早被用于97年10月发布的第一代普锐斯(Puris)上。下面我们就以最新的THS-II系统对混联式混合动力系统进行解释。

THS-II系统主要部件有汽油发动机、永磁交流同步电机、发电机、高性能金属氢化物电池盒以及功率控制单元。最新的第三代普锐斯和凯美瑞尊瑞采用的就是THS-II混合动力系统。

2)部件解析

采用THS-II系统的第三代普锐斯使用的发动机是1.8L的5ZR-FXE发动机,而2012款凯美瑞尊瑞采用的是2.5L的4AR-FXE发动机。上面提到的这两款发动机均采用了能效相对较高的阿特金森循环。

阿特金森循环:

阿特金森循环是一种高压缩比,长膨胀行程的内燃机工作循环。阿特金森循环发动机通过推迟进气门关闭及推迟排气门打开使得燃烧产生的能量更充分地被利用,是一种能效比较高的发动机种类。传统阿特金森循环发动机低速扭矩输出较弱,较长的做工行程不利于高速运转。随着四冲程发动机配气机构控制技术的日益成熟(本田VTEC、丰田VVT、宝马Valvetronic),使得阿特金森循环发动机的性能有了极大的进步。在面临燃油危急的今天,阿特金森循环发动机能效较高的优势便凸显出来了。

THS-II系统的关键也是最为复杂的部件就是由两台永磁同步电机及行星齿轮组成的动力分配系统。

THS-II系统中带有两台电动机——MG1和MG2。MG1主要用于发电,必要时可推动汽车。MG2主要用于推动汽车。而MG1、MG2以及发动机输出轴被连接到一套行星齿轮机构的太阳轮、齿圈和行星架上。动力分配就是通过功率控制单元控制MG1和MG2电机,通过行星齿轮机械机构进行巧妙分配的。由于使用了这种创新的动力分配方式,THS-II系统甚至连变速箱也不需要了,发动机输出经过固定减速机构减速后直接驱动车轮。

很明显,丰田THS-II系统的复杂度要比上面提到的本田IMA系统高出许多。虽然控制系统复杂,但其结构尚算紧凑,省去了庞大的变速箱降低了车身重量,对于车辆的燃油经济性有相当大的帮助。

3)工作逻辑

为了解THS-II系统的工作逻辑,我们通过视频先来学习一下行星齿轮运作的基本原理。

下面我们来看看THS-II的核心部件——动力分配系统的工作原理。在下面解析中,发电机MG1我们简称为MG1,电动机MG2我们简称为MG2。

发动机启动时,电流流进MG2通过电磁力固定行星齿轮的齿圈,MG1作为启动机转动太阳轮,太阳轮带动行星架转动,与行星架连接的发动机曲轴转动,发动机启动。

怠速时,电流流进MG2固定行星齿轮的齿圈,发动机带动行星架转动,行星架带动太阳轮转动,与太阳轮连接的MG1发电给电池充电。

车辆起步时,发动机停转,行星架被固定。MG2驱动行星齿轮齿圈,推动车辆前进。此时,MG1处于空转状态。

车辆起步时,如需要更多动力(驾驶员深踩油门或检测到负载过大),MG1转动启动发动机。

车辆起步时,发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能。

在轻负荷下加速时,发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能,MG2提供附加的驱动力用以补充发动机动力。

在重负载下加速时,发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能。MG2提供附加的驱动力用以补充发动机动力。电池会根据加速程度给MG2提供电流。

降挡(D挡)时,发动机停转,MG1空转,MG2被车轮驱动发电给电池充电。

减速(B挡)时,MG2产生的电能供给MG1,MG1驱动发动机。此时发动机断油空转。MG1输出的动力成为发动机制动力。

倒车时,只使用MG2作为倒车动力。

● 串联式混合动力系统解析

沃蓝达内置了1.4L汽油发动机、主电动机(最大功率111kW,最大扭矩368Nm)以及辅助电动机/发电机。其汽油发动机仅用于对电池充电,并不直接驱动车辆。而由于沃蓝达可以仅使用电池供电推动车辆行驶80公里,从某种意义上已属于纯电动车范畴。

1)系统构成

Voltec混合动力系统是通用汽车的E-Flex插座充电式混合动力驱动系统的最新版本,采用1台小型的发动机、2台电动机对车辆进行综合驱动的系统。沃蓝达上采用的是容量为16kWh的360V锂电池组,电池组成T型布置,隐藏于后排座椅下及车身中部,纯电动最高行驶里程可达80km。整个Voltec混合动力系统包括汽油发动机、综合动力分配系统、高容量锂电池以及电力控制单元。

2)部件解析

沃蓝达的动力系统由2台电动机(最大功率分别为111kW和55kW)和1台发动机(最大功率为63kW)组成,发动机仅用于发电。其中功率较大的电动机主要用于驱动车辆,而功率较小的电动机主要用于发电。

2台电动机和1台发动机通过1个行星齿轮机构以及3个离合器组成了动力产生/回收/分配系统。和上文提到的丰田THS系统一样,Voltec系统同样使用行星齿轮组巧妙地实现了动力的综合分配。所不同的是,在Voltec系统中,太阳轮连接到电动机,行星架连接到减速机构直接输出动力到车轮,而齿圈则根据实际情况连接到动力分配系统的壳体(固定)或者连接到发电机和发动机。

3)工作逻辑

要了解系统的工作逻辑,首先要了解动力分配系统的结构。从Voltec的动力分配系统的控制方式与THS系统有一定的区别,Voltec系统通过3个离合器来控制动力的分配。我们把这三个离合器分别命名为C1、C2、C3。C1用于连接行星齿轮齿圈与动力分配机构壳体(固定);C2用于连接发电机与行星齿轮齿圈;C3用于连接发动机与发电机。系统结构简图可参看下图。

Voltec混合动力系统一共有5种工作模式,分别为:EV低速模式、EV高速模式、EREV混合低速模式、EREV混合高速模式以及能量回收模式。

处于EV低速模式时,C1吸合,C2、C3松开,发动机停转。齿圈被固定,电动机推动太阳轮转动,行星架因太阳轮的转动而转动,把动力传输到减速齿轮并传递到车轮。

处于EV高速模式时,C2吸合,C1、C3松开,发动机停转。发电机此时充当电动机工作,推动齿圈转动。同时,功率较大的另一个电动机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传到车轮。发电机充当电动机推动齿圈转动,降低了与太阳轮连接的另一电动机的转速,提高了其能源使用率。

处于EREV低速模式时,C1、C3吸合,C2松开,发动机运转。此时,发动机推动发电机发电,并为电池充电;同时电池为电动机供电推动太阳轮转动,由于齿圈固定,行星架跟随太阳轮转动,从而把动力传到车轮。

处于EREV高速模式时,C2、C3吸合,C1松开,发动机运转。此时,发动机与发电机转子连接后推动齿圈转动同时发电,电动机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传到车轮。发动机推动齿圈转动,降低了与太阳轮连接的另一电动机的转速,提高了其能源使用率。

处于能量回收模式时,C1吸合,C2、C3松开,发动机停转。车轮带动行星架转动,由于齿圈固定,太阳轮随着行星架转动。此时,功率较大的电动机作为发电机对电池充电。返回搜狐,查看更多

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