引言

混合動(dòng)力汽車(chē)具有發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源系統(tǒng)，車(chē)輛具有多種行駛模式如：發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，并可以根據(jù)不同的行駛工況選擇合適的驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)模式以實(shí)現(xiàn)良好的燃油經(jīng)濟(jì)性及動(dòng)力性。

混合動(dòng)力汽車(chē)根據(jù)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速耦合方式的不同，分為串聯(lián)式 、并聯(lián)式 和混聯(lián)式 。

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)中車(chē)輪由電力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)只作為能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)用作電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)不直接參與驅(qū)動(dòng)，理論上可以工作在任意低油耗區(qū)或者低排放區(qū)，但是能量轉(zhuǎn)化次數(shù)較多，能量利用率低 。

圖2給出了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)可共同或分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，降低了能量轉(zhuǎn)化的損失，但發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)無(wú)法在理論上工作于任意低排放或低油耗區(qū)。

混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)中，如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在動(dòng)力系統(tǒng)有兩路能量傳遞路線，既可通過(guò)機(jī)械路徑驅(qū)動(dòng)車(chē)輪又可轉(zhuǎn)換成電功率，通過(guò)動(dòng)力耦合裝置實(shí)現(xiàn)電功率和機(jī)械功率的匯合。因此，該構(gòu)型又稱(chēng)功率分流式混合動(dòng)力汽車(chē)。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)

圖中，F(xiàn)為燃油箱；E為發(fā)動(dòng)機(jī)；M為電機(jī)；G為發(fā)電機(jī)；B為電池；T為變速箱；I為整流器；Spl為動(dòng)力耦合裝置

2 串聯(lián)式混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的行駛狀態(tài)：

正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠始終運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳運(yùn)轉(zhuǎn)工況，燃油消耗率低，排放少。發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)

圖3 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)

車(chē)輛行駛速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率小，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率超過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)功率需求，多余的功率儲(chǔ)存在蓄電池中；車(chē)輛行駛速度較高，所需驅(qū)動(dòng)功率較大，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的電能來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池。

2.2 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)缺點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：

1低負(fù)荷行駛時(shí)，可只用電能驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能實(shí)現(xiàn)“零污染”行駛；

2發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間沒(méi)有機(jī)械上的連接，原則上可以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在任意轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩區(qū)域，提高燃油經(jīng)濟(jì)性；

3只有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，且易于控制，布置靈活的高；

5有利于制動(dòng)能量的回收

存在缺點(diǎn) ：

1汽車(chē)啟動(dòng)需要由電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)克服行駛最大阻力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求功率較大，電機(jī)效率低；

2存在兩次能量轉(zhuǎn)換，能量利用率低，能量轉(zhuǎn)換總的效率低；

3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的匹配要求較嚴(yán)格，應(yīng)能自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以避免動(dòng)力電池組過(guò)放電，這就需要更大的電池容量。

2.3 總結(jié)

串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般使用在大型客車(chē)，行駛在道路復(fù)雜的市區(qū)，可以完全以純電動(dòng)行駛，不適用發(fā)動(dòng)機(jī)，有效降低尾氣排放。隨著對(duì)蓄電池的研究，蓄電池的能量密度隨之加大，更加符合純電動(dòng)的要求，因此串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)使用發(fā)動(dòng)機(jī)的次數(shù)越來(lái)越少，最終會(huì)向純電動(dòng)汽車(chē)的目標(biāo)邁進(jìn)。

3 并聯(lián)式混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系

3.1 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)模式：

并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速耦合裝置耦合后驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。在并聯(lián)式傳動(dòng)系統(tǒng)中，功率傳遞路線有兩條，兩條路線獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，互不干擾。若其中一條故障，另一條仍可以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。這種結(jié)構(gòu)可以使汽車(chē)以純電動(dòng)行駛，或讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低排放區(qū)。

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)有四種組合驅(qū)動(dòng)方式：

1轉(zhuǎn)矩結(jié)合式

該結(jié)構(gòu)形式中，發(fā)動(dòng)機(jī)直接經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)，同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向蓄電池充電。當(dāng)需要大功率時(shí)，蓄電池提供電能帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。電動(dòng)機(jī)也可以用來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

2轉(zhuǎn)速結(jié)合式

該結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)中存在一個(gè)離合器，用來(lái)連接發(fā)動(dòng)機(jī)和“動(dòng)力耦合器”，發(fā)動(dòng)機(jī)或者電動(dòng)機(jī)通過(guò)“動(dòng)力耦合器”來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。與傳動(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相比變化不大，電動(dòng)機(jī)的連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?！皠?dòng)力耦合器”可以使發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速可以靈活的分配。

3驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式

該結(jié)構(gòu)可以使用小功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)前輪，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)后輪。兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車(chē)又能相互配合，使車(chē)輛實(shí)現(xiàn)四驅(qū)。此種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)具有四輪驅(qū)動(dòng)的特性。

3.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)缺點(diǎn) ：

結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：

1發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)直接向驅(qū)動(dòng)輪提供能量，能量損失較小，整體效率較高；

2發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率設(shè)計(jì)為汽車(chē)功率的50%-100%即可，因此可縮小整體的質(zhì)量和體積。

存在缺點(diǎn)：

1主要驅(qū)動(dòng)模式是靠發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此傳動(dòng)系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)基本相似，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放高于串聯(lián)式；

2傳動(dòng)系統(tǒng)除傳統(tǒng)組件，如：離合器、變速器、傳動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)器等，還有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電池組、動(dòng)力耦合裝置，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，控制困難。

3.3 總結(jié)

因此，并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最適合高速、大功率行駛，工況穩(wěn)定，價(jià)格較低，因此，在電池技術(shù)問(wèn)題徹底解決之前，它會(huì)成為新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品。

4 混聯(lián)式混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)系

4.1 混聯(lián)式混合動(dòng)力的優(yōu)缺點(diǎn) ：

結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：

1、可以有更多工作模式可供選擇，燃油經(jīng)濟(jì)性更佳；

2、傳動(dòng)系統(tǒng)整天平順性更好。

存在的缺點(diǎn)有：

1、傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，布置困難；

2、動(dòng)力部件太多，系統(tǒng)控制難度高。

4.2 混聯(lián)式混合動(dòng)力的分類(lèi)

4.2.1 同軸混聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

同軸混聯(lián)式結(jié)構(gòu)增加了起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)(ISG)，與發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在一起，可以快速啟停發(fā)動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)功率。ISG電機(jī)的另一側(cè)與離合器相連，通過(guò)離合器直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。當(dāng)離合器斷開(kāi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在高效率去工作，發(fā)動(dòng)機(jī)拖轉(zhuǎn)ISG電機(jī)為蓄電池充電，車(chē)輛由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)處于串聯(lián)狀態(tài)；當(dāng)離合器結(jié)合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)直接進(jìn)入動(dòng)力系統(tǒng)，此時(shí)處于并聯(lián)狀態(tài)。

同軸混聯(lián)式系統(tǒng)構(gòu)型的優(yōu)點(diǎn)：

1)系統(tǒng)構(gòu)型方案簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；

2)系統(tǒng)串并聯(lián)切換運(yùn)行可應(yīng)對(duì)復(fù)雜交通工況，通過(guò)不同模式切換促進(jìn)燃油經(jīng)濟(jì)性；

3)大功率電機(jī)直驅(qū)車(chē)輪保證了整車(chē)動(dòng)力性也最大化了制動(dòng)能量回收的程度。

同軸混聯(lián)式系統(tǒng)構(gòu)型的缺點(diǎn)：

1)ISG電機(jī)、大功率電機(jī)、大容量電池，使系統(tǒng)成本增加；

2)大功率電機(jī)直驅(qū)不能滿足所有道路工況，行駛在多坡道道路時(shí)適應(yīng)性下降。

4.2.2 行星齒輪傳動(dòng)混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

該結(jié)構(gòu)兼顧串聯(lián)式和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的能量傳輸路線，通過(guò)能量管理策略進(jìn)行控制，使行星齒輪傳動(dòng)混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)具有了并聯(lián)式和串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，從而能夠工號(hào)的協(xié)調(diào)各動(dòng)力部件，使動(dòng)力系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，從而保證該動(dòng)力系統(tǒng)在各種工況下使汽車(chē)運(yùn)行于最佳狀態(tài)。

行星齒輪混聯(lián)式構(gòu)型方案的優(yōu)點(diǎn)：

1)由于行星排結(jié)構(gòu)的特殊性，可以通過(guò)調(diào)節(jié)任意兩個(gè)構(gòu)件的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使另一個(gè)構(gòu)件轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩為0。這樣可以去掉離合器，通過(guò)調(diào)節(jié)行星排轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來(lái)起到發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)起步的效果。去掉離合器，不僅簡(jiǎn)化的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)使系統(tǒng)的模型簡(jiǎn)化，省去控制過(guò)程的不連續(xù)性和非線性；

2)可以實(shí)現(xiàn)純電行駛、怠速停機(jī)模式等，最大限度提升整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性。

行星齒輪傳動(dòng)混聯(lián)式構(gòu)型方案的缺點(diǎn)：

1)行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，控制難度大；

2)不適于較大負(fù)荷的轉(zhuǎn)矩傳輸，更適合小型乘用車(chē)。

綜上，行星齒輪混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)于各種道路運(yùn)行工況都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，無(wú)論是在高速公路上還是在市區(qū)工況中行駛，其經(jīng)濟(jì)性和排放都具有優(yōu)勢(shì)。