混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

曹硯奎（禹城市職業(yè)教育中心，山東 德州　251200）

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混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

曹硯奎
（禹城市職業(yè)教育中心，山東 德州251200）

在石油能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出的今天，零排放的純電動(dòng)汽車(chē)無(wú)疑是解決以上問(wèn)題的最佳方案。但在當(dāng)前純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程和配套設(shè)施不能滿足人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ餍枨蟮那闆r下，強(qiáng)混合動(dòng)力汽車(chē)雖然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)零排放，但其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等綜合指標(biāo)均得到了很大改善，是滿足人們?nèi)粘Ｐ枨笞罹哂泄こ袒蛯?shí)用化的交通工具。

強(qiáng)混合動(dòng)力汽車(chē) （HEV）是指驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率裝配在20 kW以上，在低功率運(yùn)行模式下可關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)純電力驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的汽車(chē)。將發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)控制系統(tǒng)與傳動(dòng)系組合，實(shí)現(xiàn)了縮小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸并使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效率區(qū)，從而大幅度降低整車(chē)油耗、減少污染物排放。同時(shí)，由于裝配一定容量的動(dòng)力蓄電池，可以在制動(dòng)時(shí)回收部分制動(dòng)能量，還可以補(bǔ)償車(chē)輛在起步、加速等工況時(shí)所需要的扭矩。

下面簡(jiǎn)析幾款混合動(dòng)力汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1 通用公司GM&VOLT沃藍(lán)達(dá)

通用公司GM&VOLT沃藍(lán)達(dá)是世界上首款量產(chǎn)的增程式混合動(dòng)力汽車(chē)，位于底特律的通用公司生產(chǎn)，2010年7月在北美上市。該車(chē)采用串聯(lián)增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)電池和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。如圖1所示，它通過(guò)一個(gè)16 kWh的鋰電池來(lái)儲(chǔ)存電能，可以行駛64 km，當(dāng)電池電能即將耗盡前，控制系統(tǒng)使E85型1.4 L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)工作給電池充電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用電池的能量繼續(xù)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛483km，使車(chē)輛抵達(dá)目的地或充電站。

發(fā)動(dòng)機(jī)不能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，不難想象在電量低時(shí)的油耗較高。有數(shù)據(jù)表明，低電量情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗可達(dá)11L／100km以上。

這種串聯(lián)增程式驅(qū)動(dòng)模式在國(guó)內(nèi)也有某些公司在研制生產(chǎn)。這種模式構(gòu)思簡(jiǎn)單，看似能使燃油發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效率區(qū)域，但在長(zhǎng)距離運(yùn)行中驅(qū)動(dòng)力要經(jīng)過(guò)機(jī)械—電—機(jī)械兩次轉(zhuǎn)換，實(shí)際驅(qū)動(dòng)效率并不高，這也是導(dǎo)致油耗較高的原因所在。在純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí)還要背負(fù)著發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的質(zhì)量，效率可想而知。雪佛蘭VOLT后來(lái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改成了混聯(lián)式。

圖1　　VOLT動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2TOYOTA PRIUS普銳斯

如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)既可以通過(guò)行星齒輪組單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，又可以通過(guò)1號(hào)電機(jī)發(fā)電。齒圈與2號(hào)電機(jī)連接并且輸出到減速齒輪直至到驅(qū)動(dòng)輪端，齒圈的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的不同扭矩、轉(zhuǎn)速組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。豐田PRIUS的這種動(dòng)力組合方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用的空間及質(zhì)量少，成本低。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最佳工況點(diǎn)是連續(xù)變化的，工作效率高，是強(qiáng)混合動(dòng)力車(chē)輛中一種高效精巧的解決方案。

這種行星齒輪動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：①在高速巡航的工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)，1號(hào)太陽(yáng)輪的電機(jī)始終需要轉(zhuǎn)動(dòng)并消耗一部分發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷用來(lái)發(fā)電，所以在高速巡航時(shí)效率不高。②純電驅(qū)動(dòng)工況高速受限于電機(jī)轉(zhuǎn)速，只能到80 km／h左右，0—100

1997年12月第一代豐田普銳斯是世界首款批量生產(chǎn)并投放市場(chǎng)的混合動(dòng)力轎車(chē)。

豐田普銳斯插電式混合動(dòng)力車(chē)在結(jié)構(gòu)上有巧妙的組合，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力扭矩的疊加和轉(zhuǎn)速的有效組合，但其缺陷是無(wú)法高速純電驅(qū)動(dòng)行駛。豐田PRIUS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后來(lái)改成了混聯(lián)式，因此獲得了眾多傳動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。有跡象表明，TOYOTA高層待中國(guó)對(duì)新能源車(chē)補(bǔ)貼取消后，再大舉進(jìn)攻中國(guó)市場(chǎng)。

圖2　　普銳斯動(dòng)力分配裝置

3　奧迪公司Audi&A3 e-tron

如圖3所示，該公司A3混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器C1和集成了電機(jī)的6速電驅(qū)DCT變速器 （C2是雙離合器）組成。這種動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，電機(jī)可以同時(shí)起到TM驅(qū)動(dòng)電機(jī)和ISG同軸電機(jī)的功能。當(dāng)純電運(yùn)行情況下C1離合器打開(kāi)，只由電機(jī)和6S tronic變速器驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，變速器可以給電機(jī)提供轉(zhuǎn)速優(yōu)化的工作。沒(méi)有電的情況下，或者需要電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作的時(shí)候，C1離合器閉合，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速最佳工況點(diǎn)可以由6S tronic變速器進(jìn)行優(yōu)化，而發(fā)動(dòng)機(jī)由電機(jī)通過(guò)扭矩分配控制實(shí)現(xiàn)最佳的扭矩組合。

奧迪A3 e-tron動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：①電機(jī)集成到變速器里節(jié)省了空間，是一個(gè)簡(jiǎn)單、高效的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。②車(chē)輛在純電行駛過(guò)程中通過(guò)直接閉合離合器C1拖拽起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，為減小起動(dòng)過(guò)程的沖擊，C2可以暫時(shí)打滑。此處設(shè)計(jì)非常巧妙，使A3 e-tron混動(dòng)技術(shù)極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

大眾集團(tuán)公司表示，2017年后會(huì)有大批該結(jié)構(gòu)的PHEV插電式混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)。

圖3　　奧迪A3混合動(dòng)力系統(tǒng)

2014年8月奧迪官方宣布，A3 Sportback e-tron插電式混合動(dòng)力車(chē)正式在歐洲上市，售價(jià)3.79萬(wàn)歐元，約合人民幣31萬(wàn)元。該車(chē)采用純電動(dòng)能行駛50km，采用油電混合動(dòng)力百公里油耗為1.5L，搭載1.4 T FSI渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)組成混合動(dòng)力系統(tǒng)，最大功率204馬力，最大續(xù)航里程可達(dá)940km。

4　比亞迪公司BYD&秦DMII代的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖4所示，比亞迪公司混合動(dòng)力汽車(chē) “秦”，一臺(tái)傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)加一臺(tái)DCT變速器直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。沒(méi)有加裝調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩效率高區(qū)間運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)，使成本降低，在變速器之后設(shè)有一臺(tái)TM驅(qū)動(dòng)電機(jī)也可以直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。TM驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)在變速器后面，省略了換檔機(jī)構(gòu)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低廉。

圖4　　比亞迪 秦DM II代動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

比亞迪公司開(kāi)發(fā)的秦DM II代這款車(chē)，最大的優(yōu)點(diǎn)是整車(chē)性能對(duì)電池等高電壓系統(tǒng)的依賴小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便。

5　上汽集團(tuán)公司SATC&Roewe550

如圖5所示，發(fā)動(dòng)機(jī)加特制的電驅(qū)動(dòng)變速器EDU，ISG同軸電機(jī)和TM驅(qū)動(dòng)電機(jī)都集成在變速器里面，通過(guò)C1和C2離合器的接合／分離實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)力系統(tǒng)組合，尤其是同時(shí)接合的工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)和兩個(gè)電機(jī)的扭矩最優(yōu)工況點(diǎn)可以通過(guò)電控的扭矩分配實(shí)現(xiàn)最優(yōu)扭矩工況輸出。離合器C1和C2及后兩檔的變速器又可以同時(shí)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其達(dá)到最佳狀態(tài)。是非常漂亮的動(dòng)力組合。

圖5　　榮威550e混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在一定的車(chē)速下，駕駛員踩下油門(mén)踏板提出的扭矩需求的時(shí)候，通過(guò)復(fù)雜的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算最佳優(yōu)化的工作模式。比如在某一工況下是采取1檔還是2檔，接合離合器C1或者C2還是兩個(gè)都接合，發(fā)動(dòng)機(jī)和TM電機(jī)、ISG電機(jī)分別輸出多少扭矩等，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)維度要求的復(fù)雜組合方式控制。在該高度集成的電驅(qū)動(dòng)變速器上，均可以實(shí)現(xiàn)精確實(shí)時(shí)地計(jì)算最佳效率組合工作模式。

這是一款中國(guó)自主品牌擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器。上汽集團(tuán)公司擁有完全自主的TM電機(jī)、ISG電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間扭矩分配控制技術(shù)的國(guó)際專利。榮威550e插電式混合動(dòng)力轎車(chē)，百公里綜合油耗僅為2.7 L，節(jié)油率達(dá)50%，并滿足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，于2012年實(shí)現(xiàn)批量投產(chǎn)并上市。

6　寶馬公司BMWi8

如圖6所示，該混合動(dòng)力系統(tǒng)采用1.5T的發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)6速變速器及ISG電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪，發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)的配合實(shí)現(xiàn)后輪扭矩的最佳優(yōu)化輸出，6檔變速器實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速的最優(yōu)輸出。TM電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪，整車(chē)控制器分別計(jì)算前后輪的效率最優(yōu)比，決定TM電機(jī)最佳扭矩輸出，2檔變速器讓TM電機(jī)工作在高效的轉(zhuǎn)速區(qū)間。3個(gè)動(dòng)力源、兩個(gè)變速器通過(guò)復(fù)雜電控同時(shí)計(jì)算，短時(shí)間內(nèi)找出最佳的各自轉(zhuǎn)速及扭矩的組合，實(shí)現(xiàn)低能耗高效、強(qiáng)勁輸出的特點(diǎn)。大油門(mén)時(shí)，TM電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)全力輸出形成四輪驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)勁合力！

圖6　　BMWi8混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

寶馬i8體現(xiàn)了強(qiáng)混合動(dòng)力的精華，兩個(gè)變速器使全力輸出時(shí)形成四輪驅(qū)動(dòng)，為強(qiáng)混合動(dòng)力的范本。按照寶馬的規(guī)劃，全新寶馬i8量產(chǎn)車(chē)型在2013年中期開(kāi)始在位于萊比錫的工廠正式投產(chǎn)，并在2014年初上市銷售。

（編輯文珍）

中圖分類號(hào)：U464.171.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1003－8639（2016）01－0052－03

收稿日期：2015-08-03；修回日期：2015-12-10km／h加速表現(xiàn)一般。所以普銳斯插電式混合動(dòng)力汽車(chē)只是做了16英里的插電。