降低內(nèi)燃機能耗與排放的混合動力系統(tǒng)研究

袁 清，李 強，趙國強，連鳳霞，張佳驥

（濰柴動力股份有限公司新科技研究院電控技術(shù)部，山東 濰坊 261000）

1 引言

現(xiàn)代生活中，汽車成為人們不可或缺的一部分， 車輛的購買數(shù)量也在逐年遞增，直接導(dǎo)致的問題就是尾氣排放加重，燃油消耗增多。為了響應(yīng)法規(guī)要求，減少大氣中二氧化碳的排放量，各個研究機構(gòu)及企業(yè)針對內(nèi)燃機的能耗與排放問題加大了研究力度。而在未來很長的一段時間內(nèi)，內(nèi)燃機車輛依然難以被完全取代，而單純的電動汽車在行駛里程上又很難達(dá)標(biāo)，產(chǎn)業(yè)升級難以實現(xiàn)，因此，目前主要的研究趨勢就是希望在內(nèi)燃機的基礎(chǔ)上利用新能源技術(shù)來發(fā)展節(jié)能技術(shù)，在這樣的背景下，混合動力技術(shù)應(yīng)運而生，其有效結(jié)合了傳統(tǒng)車輛與電動車輛二者的優(yōu)點，并且巧妙規(guī)避其缺點，在實現(xiàn)新能源高效利用的同時，保證能源節(jié)約，對于車輛的節(jié)能減排非?？茖W(xué)合理，助力很大，可實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。表1給出了各個類型動力汽車的性能比較。

2 混合動力系統(tǒng)節(jié)能思想

本文討論的混合動力系統(tǒng)是指車輛在原有的內(nèi)燃機的基礎(chǔ)上以電池和電機作為輔助動力源，進(jìn)而對車輛進(jìn)行驅(qū)動的系統(tǒng)，內(nèi)燃機和電機既可單獨又可共同對車輛進(jìn)行驅(qū)動，其具體的行駛動力根據(jù)當(dāng)前的行車狀態(tài)和行車工況決定。該系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的燃油車，可提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低尾氣排放，其主要原理可歸結(jié)為以下幾點。

表1 各種類型動力汽車的性能比較

第一，混合動力汽車允許采用較小的發(fā)動機來滿足整車的巡航功能，相比于純內(nèi)燃機車輛來說，提高了發(fā)動機的負(fù)荷率，對于爬坡或者加速等其他行車工況可利用另一動力源電機作為輔助動力。

第二，傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛，在市內(nèi)行車工況經(jīng)常需要發(fā)動機怠速造成不必要的燃油消耗和尾氣排放，而混合動力車輛由于增加了電機電池，可避免上述情況，實現(xiàn)怠速停機和再生能量回收。

第三，可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來輔助內(nèi)燃機的工作落點更多地落在高效和低污染的區(qū)域內(nèi)運行，當(dāng)行車所需功率大于內(nèi)燃機可提供功率時，缺少的功率可由輔助動力源電機來進(jìn)行補充；當(dāng)行車工況所需功率小于發(fā)動機提供的功率時，剩余功率可通過發(fā)電機給車輛電池進(jìn)行充電，從而可實現(xiàn)內(nèi)燃機能耗與排放的降低。

混合動力系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，被分為串聯(lián)式混動系統(tǒng)、并聯(lián)式混動系統(tǒng)和混聯(lián)式混動系統(tǒng)，下面將從節(jié)能角度分別對其進(jìn)行介紹。

2.1 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

如圖1所示，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由蓄電池、控制器、發(fā)動機、發(fā)電機和電動機等組成，其中，蓄電池提供的電能通過控制器提供給電動機，發(fā)動機驅(qū)使發(fā)電機產(chǎn)生電能，通過控制器同樣提供給電動機，電能通過電動機轉(zhuǎn)換為機械能傳輸給驅(qū)動輪。由于發(fā)動機和驅(qū)動輪之間沒有機械連接，進(jìn)而在發(fā)動機的轉(zhuǎn)速扭矩圖上可通過調(diào)節(jié)使發(fā)動機落在任意工作點上，因此可根據(jù)實際工況來控制發(fā)動機總是工作在最優(yōu)工作區(qū)間，以此來減小內(nèi)燃機的能耗與排放。

圖1 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

2.2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

如圖2所示，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動機、發(fā)動機、變速器等組成，車輛行駛所需要的動力既可以由發(fā)動機來單獨提供，也可以由電動機單獨提供，或者是兩個動力源共同進(jìn)行提供。

對于并聯(lián)混合動力系統(tǒng)來說，其實現(xiàn)節(jié)能的主要方式就是對車輛行駛過程中的制動能量通過電機進(jìn)行回收并存儲到儲能系統(tǒng)當(dāng)中；傳統(tǒng)的純內(nèi)燃機車輛，駕駛員通過控制車輛的油門踏板開度來直接控制內(nèi)燃機的輸出扭矩，車輛制動時，大量的動能通過摩擦片等轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉了，造成了能源浪費；而對于并聯(lián)混動車輛來說，駕駛員通過車輛的油門踏板控制的是兩動力源共同的輸出扭矩，之前制動回收所存儲的能量被利用來驅(qū)動車輛行駛，減少了發(fā)動機的負(fù)荷，提升了內(nèi)燃機的燃油經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而通過新能源手段實現(xiàn)內(nèi)燃機的節(jié)能減排功能。

圖2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

2.3 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

圖3 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

如圖3所示，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由蓄電池、控制器、電動機、發(fā)電機、發(fā)動機、行星齒輪組等構(gòu)成，其中，發(fā)動機所產(chǎn)生的動力經(jīng)過行星齒輪組后被分流到機械通道和電力通道。在機械通道上，發(fā)動機直接將動力用來驅(qū)動車輛的行駛，在電力通道上，發(fā)動機產(chǎn)生的動力通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能輸出給控制器，控制器控制電動機輸出動力進(jìn)而驅(qū)動車輛。發(fā)動機產(chǎn)生的電力傳輸通道與蓄電池以電力方式形成了動力耦合，傳輸方式為串聯(lián)；發(fā)動機產(chǎn)生的機械通道與電動機產(chǎn)生的動力以機械方式形成了動力耦合，傳輸方式為并聯(lián)，因此稱該系統(tǒng)為混聯(lián)式混動系統(tǒng)。

對于混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)來說，其主要的節(jié)能思想為通過調(diào)節(jié)內(nèi)燃機的工作點來降低燃油消耗和尾氣排放。內(nèi)燃機的最佳燃油工作區(qū)主要是集中在中速中負(fù)荷區(qū)，其他區(qū)域工作效率則比較低?；炻?lián)系統(tǒng)的主要思想是：當(dāng)內(nèi)燃機工作在低速低負(fù)荷區(qū)域時，通過ISG發(fā)電來提高發(fā)動機的工作點；當(dāng)內(nèi)燃機工作在高速高負(fù)荷區(qū)域時，此時利用另一動力源電機來進(jìn)行車輛動力輔助，進(jìn)而降低內(nèi)燃機的工作點，使內(nèi)燃機更多可能地工作在最佳工作區(qū)，以此降低能耗與車輛的尾氣排放。

總結(jié)來說，混合動力系統(tǒng)是在傳統(tǒng)內(nèi)燃機的基礎(chǔ)上，結(jié)合新能源技術(shù)來實現(xiàn)再生制動能量回收、消除內(nèi)燃機怠速、內(nèi)燃機小型化和內(nèi)燃機工作點調(diào)節(jié)，以此來實現(xiàn)降低內(nèi)燃機能耗與排放的目的。

3 混合動力專用變速器DHT

變速器作為汽車的核心組成部件，對整車的能耗有著重要影響。本文在并聯(lián)混合動力車的基礎(chǔ)上，介紹一種新型混合動力技術(shù)，旨在通過全新開發(fā)的雙輸入AMT（Automated Mechanical Transmission）變速器以及空心軸電機來進(jìn)一步輔助降低內(nèi)燃機的能耗與排放，從而提升車輛動力總成在動力性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面的競爭力。

3.1 變速器整體方案

圖4所示為DHT混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

該變速器采用2×3擋雙輸入AMT，發(fā)動機2個擋，電機3個擋，只有2組換擋齒輪。該結(jié)構(gòu)主要特點是在車輛換擋過程中可實現(xiàn)動力不中斷、換擋速度快、次數(shù)少、以及效率高和低油耗等。

圖4 DHT混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4所示，掛擋機構(gòu)①所控?fù)跷粸榘l(fā)動機和電機的共用擋位，采用同步器結(jié)構(gòu)，掛擋機構(gòu)②所控?fù)跷粸殡姍C專用擋位，采用滑套結(jié)構(gòu)；其換擋機構(gòu)為2組，發(fā)動機總擋位數(shù)為2，由0車速至最高車速只需換擋一次，換擋次數(shù)少，舒適性高；同時由電機反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)倒車功能；換擋機構(gòu)①和②之間相互獨立，因此在①控制發(fā)動機換擋的同時，機構(gòu)②可控制電機在工作在純電動3擋 （直驅(qū)擋）持續(xù)輸出動力，實現(xiàn)換擋過程中的動力不中斷；換擋機構(gòu)①和②由于沒有選擋過程，因此換擋速度也較快；變速器由于齒輪組減少，阻力降低，所以電機可以掛空擋，沒有轉(zhuǎn)動慣量；該變速器的設(shè)計使得動力總成的匹配度較好，有利于在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低內(nèi)燃機能耗。

3.2 DHT混合動力系統(tǒng)換擋過程

圖5為根據(jù)車輛的行車速度進(jìn)行掛擋的過程，從圖中可看出，在車速為0至第1車速區(qū)間時，此時發(fā)動機為空擋，電機1擋，為第1傳動比；在車速為第1車速至第2車速區(qū)間時，此時需要發(fā)動機進(jìn)行動力提供，在發(fā)動機由空擋變?yōu)?擋的過程中，電機保持第1傳動比進(jìn)行動力傳輸，實現(xiàn)換擋過程動力不中斷；在該車速期間，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為第1轉(zhuǎn)速區(qū)間，電機以第1傳動比或是直驅(qū)助力；在車速為第2至第3車速區(qū)間時，發(fā)動機為2擋傳動，轉(zhuǎn)速區(qū)間為第2轉(zhuǎn)速區(qū)間，電機以第2傳動比或者直驅(qū)進(jìn)行動力傳輸；在車速第3至第4車速區(qū)間時，發(fā)動機2擋提供動力，轉(zhuǎn)速區(qū)間為第3轉(zhuǎn)速區(qū)間，電機采用直驅(qū)助力。

圖5 DHT系統(tǒng)換擋過程

本文以1擋升2擋為例給出升擋過程的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6～圖12所示。

圖6 1擋→2擋過程1示意圖

表2為通過CCBC工況仿真實驗給出的不同配置下混合動力系統(tǒng)車輛在行車過程中各項性能的對比值。從表中可以看出，采用DHT變速器的混動系統(tǒng)相比于其他系統(tǒng)可進(jìn)一步降低內(nèi)燃機的能耗，實現(xiàn)節(jié)能效果。

圖7 1擋→2擋過程2示意圖

4 總結(jié)

圖8 1擋→2擋過程3示意圖

圖9 1擋→2擋過程4示意圖

圖10 1擋→2擋過程5示意圖

圖11 1擋→2擋過程6示意圖

本文以降低內(nèi)燃機能耗和排放為宗旨，以新能源的視角出發(fā)，分別分析了以電機電池為輔助能源的串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)對降低內(nèi)燃機能耗與排放所起到的作用；另外在混合動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，介紹了一種新型的混合動力專用變速器DHT，給出了該變速器的整體方案以及采用該變速器的混動系統(tǒng)換擋的詳細(xì)過程圖，通過計算給出了不同配置下的混動系統(tǒng)行車過程中各性能的對比值，證明了采用DHT的混合動力系統(tǒng)相比于原有的混合動力系統(tǒng)可以進(jìn)一步輔助降低內(nèi)燃機的能耗與排放，提升車輛動力總成的競爭力。

圖12 1擋→2擋過程7示意圖

表2 CCBC性能試驗對比圖