混合動(dòng)力汽車技術(shù)基礎(chǔ)知識(一)

◆文/山東 劉春暉 張學(xué)忠 魏東坡

在汽車工業(yè)中，混合動(dòng)力是指裝備兩種驅(qū)動(dòng)類型(能量類型)和兩個(gè)蓄能器的車輛，其特點(diǎn)是，針對這類解決方案組合使用元件，但是通過組合使用可以產(chǎn)生所要求的新特性。不同車輛制造商通常采用的這兩種驅(qū)動(dòng)類型組合，是以燃油箱和蓄電池作為能量來源的內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)組合為基礎(chǔ)。

混合動(dòng)力總成的優(yōu)點(diǎn)主要是耗油量較低，同時(shí)在內(nèi)燃機(jī)的所有不利運(yùn)行范圍內(nèi)電機(jī)可以為其提供支持。此外還可以對所使用的電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的功率特性曲線進(jìn)行較好的補(bǔ)充，因?yàn)殡姍C(jī)的較高扭矩可以為(低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi))內(nèi)燃機(jī)的較小扭矩進(jìn)行最佳補(bǔ)充。因?yàn)殡姍C(jī)可以起到起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功能，所以取消了起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)(以現(xiàn)有的混合動(dòng)力車型為依據(jù))。此外，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)可以對制動(dòng)器磨損起到積極的影響(盡量減少現(xiàn)有的制動(dòng)器磨損)。

車輛中能量回收利用的原理以能量守恒定律為基礎(chǔ)。能量守恒定律表明，在一個(gè)封閉的系統(tǒng)中總能量不會隨時(shí)間而改變。也就是說能量只能在不同的能量形式之間轉(zhuǎn)換，例如從熱量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。但是不可能在封閉的系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生或銷毀能量。在封閉系統(tǒng)中的總能量始終保持不變，能量不能從無到有也不能簡單消失，能量以不同的能量形式例如動(dòng)能、熱能、輻射能、結(jié)合能等相互轉(zhuǎn)換，但是在技術(shù)上明顯很難進(jìn)一步使用。

混合動(dòng)力車輛則可以用動(dòng)能或勢能替代制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱能，然后再通過電機(jī)將其轉(zhuǎn)換為電能存儲在蓄電池內(nèi)，這種存儲的電能可以在需要時(shí)(例如起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)驅(qū)動(dòng)時(shí))使用。

一、混合動(dòng)力的分類

1.按功率劃分

根據(jù)所使用電機(jī)的功率可以將混合動(dòng)力車輛分為微混合動(dòng)力車輛、部分混合動(dòng)力車輛和全混合動(dòng)力車輛三種類型，各組混合動(dòng)力車輛的主要特性列于表1。

表1 各組混合動(dòng)力車輛的主要特性

(1)微混合動(dòng)力

微混合動(dòng)力車指的是初級混合動(dòng)力車輛，采用了普通12V蓄電池技術(shù)的微混合動(dòng)力車輛其電機(jī)功率為2～3kW。由于功率和電壓較小，因此限制了制動(dòng)和滑行階段中能量回收利用的效率。將微混合動(dòng)力車輛回收的電能提供給12V車載網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)包括使用傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)或集成式起動(dòng)電機(jī)的部分起動(dòng)/停止功能。起動(dòng)/停止功能的缺點(diǎn)是由于經(jīng)常啟動(dòng)所以會對按照持續(xù)旋轉(zhuǎn)無摩擦軸承設(shè)計(jì)的曲軸產(chǎn)生較大的磨損。微混合動(dòng)力的車輛會產(chǎn)生附加的重量和成本，所以相應(yīng)的費(fèi)用也會增加，但是整個(gè)費(fèi)用將低月約10%的耗油量費(fèi)用。根據(jù)定義，嚴(yán)格的講微混合動(dòng)力車輛并不能算是混合動(dòng)力車輛，因?yàn)樗鼉H有一種驅(qū)動(dòng)類型。

(2)部分混合動(dòng)力

傳統(tǒng)部分混合動(dòng)力系統(tǒng)工作時(shí)的電壓會超過42V，目前該系統(tǒng)中的部分電壓已經(jīng)超過160V。電機(jī)所提供的功率在10～15kW范圍內(nèi)。電機(jī)通常被安裝在部分混合動(dòng)力系統(tǒng)中，通過它可以將減速/制動(dòng)時(shí)的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)中通常含有啟停功能，通過使用電機(jī)實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)關(guān)閉后的再次開啟。

部分混合動(dòng)力系統(tǒng)中的電機(jī)可以在車輛起步和制動(dòng)時(shí)可以為內(nèi)燃機(jī)提供支持。在一些部分混合系統(tǒng)中，當(dāng)高壓蓄能器處于足夠的充電狀態(tài)且以約50km/h的速度勻速行駛時(shí)可以停止為內(nèi)燃機(jī)提供燃油。此時(shí)僅使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，因此可以節(jié)省燃油。

(3)全混合動(dòng)力

全混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以在完全不啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的情況下進(jìn)行車輛起步和行駛。全混合動(dòng)力系統(tǒng)中部分高壓蓄能器的電壓超過200V。通過該系統(tǒng)車輛可以在起動(dòng)時(shí)使用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，并且在高速加速時(shí)同時(shí)使用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)所提供的扭矩。該過程也被稱為“助力功能”。

2.按動(dòng)力總成布置劃分

根據(jù)傳動(dòng)裝置的布置方案可以將混合動(dòng)力車輛分為串聯(lián)式混合動(dòng)力、并聯(lián)式混合動(dòng)力、功率分支式混合動(dòng)力、插入式混合動(dòng)力四種類型。

(1)串聯(lián)式混合動(dòng)力

如圖1所示，使用串聯(lián)混合動(dòng)力車輛驅(qū)動(dòng)方案的混合動(dòng)力車輛包括一個(gè)電機(jī)和一個(gè)內(nèi)燃機(jī)，其特點(diǎn)是僅由電機(jī)直接對驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生影響。因?yàn)樗薪M件須依次安裝，所以這種結(jié)構(gòu)被稱為串聯(lián)。由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)可以為電動(dòng)行駛傳動(dòng)裝置和電存儲器提供能量的發(fā)電機(jī)。通過供電電子裝置控制電能量流。根據(jù)蓄電池和充電策略、作用范圍以及動(dòng)力性確定發(fā)電機(jī)與電存儲器的大小。由于附加發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此取消了手動(dòng)變速箱。可以對串聯(lián)混合動(dòng)力中的組件進(jìn)行非常靈活的布置。串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的最大缺點(diǎn)是需要進(jìn)行兩次能量轉(zhuǎn)換，因此導(dǎo)致效率下降。必須按照最大驅(qū)動(dòng)功率設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)。與并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛相比在內(nèi)燃機(jī)效率相同的情況下會產(chǎn)生更多的排放量并造成耗油量增大。

如圖2所示，純電動(dòng)傳動(dòng)裝置在特定情況下同樣也是一種串聯(lián)傳動(dòng)裝置。但是，發(fā)電機(jī)不是安裝在車輛中而是車輛外部。車輛駐車期間通過供電系統(tǒng)為蓄電池充電。

(2)并聯(lián)式混合動(dòng)力

如圖3所示，與串聯(lián)式混合動(dòng)力不同，在并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)都要與驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行機(jī)械連接，驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)不僅可以單獨(dú)而且也可以同時(shí)使用兩種動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。因?yàn)榭梢酝瑫r(shí)將作用力輸送至傳動(dòng)系統(tǒng)，所以將該系統(tǒng)稱為并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。由于可以將兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行疊加，所以這兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用更小和更輕的設(shè)計(jì)。這樣可以在例如重量、耗油量和CO2排放量方面更加節(jié)約。設(shè)計(jì)時(shí)可以通過其他方法獲得最大的行駛動(dòng)力性，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)功率相同時(shí)通過電機(jī)提高功率。同時(shí)甚至還可以降低耗油量。電機(jī)也可以作為發(fā)電機(jī)使用，因此可以將其統(tǒng)稱為“電動(dòng)機(jī)”。在滑行階段或制動(dòng)時(shí)電機(jī)會產(chǎn)生電能，通過供電電子裝置的控制將其存儲在高壓蓄電池內(nèi)，同時(shí)還能降低耗油量。并聯(lián)式混合動(dòng)力車輛與部分混合動(dòng)力相比成本更加低廉。

圖3 并聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置的組件

(3)功率分支式混合動(dòng)力

針對不同行駛狀態(tài)提供以下運(yùn)行模式：由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(電機(jī)1)以便為高壓蓄電池充電；由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)(電機(jī)1)，使用其所產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)2(串聯(lián)式混合動(dòng)力)；與電機(jī)一樣，內(nèi)燃機(jī)以機(jī)械方式與驅(qū)動(dòng)軸相連，由兩個(gè)傳動(dòng)裝置同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛(并聯(lián)式混合動(dòng)力)。

在這種組合式混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置中只需使用一個(gè)離合器就可以完成兩種運(yùn)行模式的切換。使用功率鏈接混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置的車輛可以在某一特定速度下以純電動(dòng)方式行駛。此外，通過兩種傳動(dòng)裝置良好的組合可以使內(nèi)燃機(jī)始終在其最佳運(yùn)行范圍內(nèi)工作。功率分支式混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置的缺點(diǎn)是傳動(dòng)控制復(fù)雜且成本較高。通常只有在全混合動(dòng)力中才會使用功率分支式混合動(dòng)力系統(tǒng)。

圖4 功率分支式混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置的組件

(4)插入式混合動(dòng)力

混合動(dòng)力技術(shù)的一種擴(kuò)展被稱為插入式混合動(dòng)力。如圖5所示，使用插入式混合動(dòng)力可以進(jìn)一步降低耗油量，為電蓄能器充電時(shí)不再使用內(nèi)燃機(jī)，而是可以通過附加的供電系統(tǒng)為其進(jìn)行充電。電蓄能器有足夠電容時(shí)可以在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)無排放且安靜的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)行駛距離較長或電蓄能器沒有電容時(shí)將再次啟用內(nèi)燃機(jī)。為了能夠存儲更多來自供電系統(tǒng)的電能，在插入式混合動(dòng)力系統(tǒng)中使用了尺寸較大的電蓄能器，以便可以增加電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的比例。

圖5 插入式混合動(dòng)力的組件

二、行駛狀態(tài)

汽車各行駛狀態(tài)可分為加速、行駛、超車、制動(dòng)四個(gè)階段。加速階段是指車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)將使用高電壓蓄電池的功率移動(dòng)車輛。在該階段內(nèi)以純電動(dòng)方式移動(dòng)車輛。行駛階段是指在某一規(guī)定速度時(shí)電機(jī)將達(dá)到其功率和轉(zhuǎn)速限值，此時(shí)將切換至由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。超車階段是指為了能夠提供較高的總功率，在超車或加速時(shí)由電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。制動(dòng)階段是指制動(dòng)時(shí)首先進(jìn)行電動(dòng)(能量回收)制動(dòng)。如果制動(dòng)不足，還會使用機(jī)械式制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。在電動(dòng)制動(dòng)時(shí)電機(jī)將作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作，部分制動(dòng)能量將被轉(zhuǎn)換為電能存儲在高壓蓄電池內(nèi)。

1.啟/停功能

當(dāng)內(nèi)燃機(jī)處于運(yùn)行溫度停車時(shí)(例如紅燈等待時(shí))，將關(guān)閉內(nèi)燃機(jī)。這樣可以減少CO2排放量并降低耗油量。車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)高壓蓄電池還可以為空調(diào)系統(tǒng)、車輛照明裝置等提供能量。當(dāng)高壓蓄電池充電狀態(tài)不足時(shí)將會啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，以便通過電機(jī)為高壓蓄電池充電和為用電器使用提供足夠的電能。當(dāng)行駛的車輛靠近某一交通信號燈時(shí)，制動(dòng)過程中內(nèi)燃機(jī)已準(zhǔn)備好在車輛靜止前(達(dá)到規(guī)定速度時(shí))關(guān)閉。

2.起步

起步時(shí)將使用電機(jī)在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)所提供的較高扭矩。從靜止?fàn)顟B(tài)到起步僅由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，而且使用由高壓蓄電池提供的能量，內(nèi)燃機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)(處于運(yùn)行溫度時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī))。

3.加速(助推功能)

在交通信號燈處、斜坡或超車操作進(jìn)行高速加速時(shí)，如果高壓蓄電池處于足夠的充電狀態(tài)則可以為其提供額外能量并且通過電機(jī)將其作為驅(qū)動(dòng)功率使用。此過程稱為Boost功能。通過內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的功率組合可以實(shí)現(xiàn)與使用強(qiáng)勁發(fā)動(dòng)機(jī)車輛一樣的行駛動(dòng)力性和高速加速度。

預(yù)算編制關(guān)系高校發(fā)展大局，應(yīng)按規(guī)范程序進(jìn)行，編制人員應(yīng)熟悉預(yù)算編制相關(guān)規(guī)定及各類標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不僅做出定性分析，還要進(jìn)行定量分析，實(shí)行精細(xì)化管理，充分保障預(yù)算編制的全面和準(zhǔn)確。同時(shí)，根據(jù)規(guī)定把執(zhí)行全面預(yù)算落到實(shí)處，把學(xué)校各部門的每項(xiàng)收支都納入預(yù)算，力求充分體現(xiàn)所有業(yè)務(wù)在收支方面的需求，為提高預(yù)算編制準(zhǔn)確性提供保障。

4.行駛

行駛過程中根據(jù)車速和蓄電池充電狀態(tài)確定內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的不同驅(qū)動(dòng)比例。在低速至中速時(shí)內(nèi)燃機(jī)無法在最佳范圍內(nèi)工作。電機(jī)正好相反可以在較低轉(zhuǎn)速時(shí)提供最大扭矩。當(dāng)高壓蓄電池處于足夠的充電狀態(tài)時(shí)可以從高壓蓄電池獲取車輛電動(dòng)驅(qū)動(dòng)所需的電能。只有當(dāng)高壓蓄電池處于較低的充電狀態(tài)時(shí)才會經(jīng)常啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，以便為高壓蓄電池充電。

恒定高速行駛時(shí)內(nèi)燃機(jī)能夠以最佳效率進(jìn)行工作。而電機(jī)在該功率范圍內(nèi)則需要從高壓蓄電池獲取過多的能量。因此需通過內(nèi)燃機(jī)獲得大部分的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)高電壓蓄電池處于較低的充電狀態(tài)時(shí)內(nèi)燃機(jī)的部分功率還將通過電機(jī)用于蓄電池充電。

5.制動(dòng)

混合動(dòng)力傳動(dòng)裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是可以使用滑行或制動(dòng)時(shí)釋放出的動(dòng)能。這也被稱為能量回收利用或制動(dòng)能量回收。通過可作為發(fā)電機(jī)使用的電機(jī)將車輪制動(dòng)器上的無用能量轉(zhuǎn)換為電能以替代熱能轉(zhuǎn)換，并將所產(chǎn)生的電能存儲在高壓蓄電池內(nèi)。

三、蓄能器

蓄能器的用途是可以將以后某一時(shí)刻需要使用的能量存儲起來。通常將能量以另外一種能量形式進(jìn)行存儲，需要使用時(shí)再進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便能夠?qū)㈧o態(tài)損失的缺點(diǎn)降至最低。例如存儲在燃油箱內(nèi)的化學(xué)能(燃油)可以在內(nèi)燃機(jī)中轉(zhuǎn)換為熱能和機(jī)械能。在能量存儲和能量轉(zhuǎn)換的過程中始終會出現(xiàn)能量損失。蓄能器種類繁多(例如機(jī)械式、熱敏式、化學(xué)式、磁場式和靜電式)。

下面對化學(xué)式和靜電式蓄能器進(jìn)行詳細(xì)介紹，因?yàn)樵谀壳暗幕旌蟿?dòng)力車輛中經(jīng)常將這種蓄能器作為第二種能量來源使用。

1.化學(xué)存儲的物理基礎(chǔ)知識

如圖6所示，原電池基本上由電解液、電池殼體和連個(gè)電極構(gòu)成。此外在電極之間還有一個(gè)離子可以而電子不能透過的絕緣用隔板。在原電池內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致一側(cè)電極上的電子過剩而另一側(cè)電極上則電子不足。這樣就能夠在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生電壓。

因此電池放電時(shí)所存儲的化學(xué)能可以通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能。提供能量的反應(yīng)和放電雖然由兩個(gè)空間隔開，但是組成了相互連接的部分反應(yīng)(電極反應(yīng))。與另一個(gè)電極相比氧化還原電壓較低時(shí)發(fā)生相應(yīng)部分反應(yīng)的電極為負(fù)電極，另一個(gè)則為正電極。電池放電時(shí)將會在負(fù)極處開始氧化過程以釋放電子；同時(shí)在正極處則會通過還原過程吸收相應(yīng)數(shù)量的電子。

圖6 原電池的基本構(gòu)造

電子流通過一個(gè)外部用電器電路由負(fù)極流至正極。在電池內(nèi)部電極之間的電流通過離子進(jìn)入可以傳導(dǎo)離子的電解液內(nèi)(離子流)，從而使電極內(nèi)/上的離子和電子能夠相互連接。

原電池的用途是作為直流電壓電源使用?？梢愿鶕?jù)電極材質(zhì)的組合為原電池命名，例如鎳氫混合動(dòng)力電池。電解液和電極材質(zhì)會根據(jù)電池是否充電或放電而產(chǎn)生變化。制作電極所使用的材料種類決定了電池的額定電壓。

將多個(gè)可作為能量來源使用的原電池互聯(lián)起來被稱為“蓄電池”。但是一個(gè)單獨(dú)的原電池在普通術(shù)語中也被稱為“蓄電池”。原電池可以將其所存儲的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。蓄電池分為可再次充電和不可再次充電兩種。區(qū)別是可再次充電的蓄電池(充電型)其放電時(shí)的反應(yīng)可以逆轉(zhuǎn)，這樣就能夠始終對蓄電池進(jìn)行充電和放電。因此化學(xué)能和電能可以進(jìn)行反復(fù)轉(zhuǎn)換。如果所需電壓比實(shí)際電池電壓高時(shí)，可以將電池進(jìn)行串聯(lián)。蓄電池的總電壓與單個(gè)電池的電壓之和相同。例如圖7中的總電壓Uges= U1+ U2+ U3。

圖7 原電池的串聯(lián)

如圖8所示，通過原電池的并聯(lián)可以提高蓄電池的電容量，蓄電池電壓則保持不變。電容量就是指蓄電池內(nèi)所存儲的電荷數(shù)量。以安·時(shí)(縮寫：A·h)形式表示蓄電池的電容量。根據(jù)放電條件決定蓄電池所能提供的電容量。放電電流增大時(shí)所能提供的電容量就會隨之下降。蓄電池功率等于放電電流與放電電壓的乘積，用瓦特(W)的形式表示。通常不會對蓄電池所存儲的能量大小進(jìn)行說明，因?yàn)槌叽绾腿莘e往往是蓄電池系統(tǒng)最為重要的參數(shù)。

圖8 原電池的并聯(lián)

單位質(zhì)量的物質(zhì)中所分布的能量大小稱為能量密度，用Wh/kg形式表示。在混合動(dòng)力車輛中所用蓄能器的能量密度決定了其可達(dá)里程。單位質(zhì)量的物質(zhì)中所包含的電功率稱為蓄電池的功率密度，用W/kg形式表示。

在圖9中顯示了一些蓄能器的功率密度和能量密度。例如雙層電容器的功率密度非常高，但是與其他蓄能器相比其能量密度較低，也就是說它只能在短時(shí)間內(nèi)提供較高的功率。將鎳鎘蓄電池和鎳氫混合動(dòng)力蓄電池進(jìn)行相互比較可以看到，兩種蓄電池的功率密度幾乎相同，但是鎳氫混合動(dòng)力蓄電池的能量密度幾乎是鎳鎘蓄電池的兩倍。

圖9 蓄電池能量和功率密度

從圖9可以看出，當(dāng)鎳氫混合動(dòng)力蓄電與鎳鎘蓄電池的存儲能量相同時(shí)，其重量僅相當(dāng)于鎳鎘蓄電池的一半?；蛘邚目蛇_(dá)里程的角度來比較：蓄電池體積相同時(shí)，使用鎳氫混合動(dòng)力蓄電池車輛的可達(dá)里程是使用鎳鎘蓄電池車輛的兩倍。

如圖10所示，礦物燃料的能量密度都非常高，例如汽油或柴油的能量密度可達(dá)11.8kWh/kg。而12V鉛酸蓄電池的能量密度僅為30Wh/kg，也就是說汽油的能量密度幾乎是鉛酸蓄電池的400倍。例如，體積僅為0.03L的汽油中就包含了與一個(gè)體積約為12L的12V蓄電池相同的能量。

圖10 汽油和12V蓄電池能量密度的比較