混合動力車輛中動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇及研究

俞駿

摘要：隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，環(huán)境污染的情況正在日愈惡劣，因為城市車輛排氣造成的溫室效應(yīng)現(xiàn)象也嚴重威脅到了人們的生存環(huán)境，在目前還未有較好的解決方案的情況下，只能降低城市車輛的尾氣排放量，為了解決這一情況發(fā)明了混合式動力汽車，混合式動力汽車對比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車經(jīng)濟效益更高，在動力系統(tǒng)方面能源轉(zhuǎn)換性能好，能夠有效解決城市擁擠以及降低尾氣排放，本文就現(xiàn)代三種混合動力車輛的使用情況進行分析，并且從實際應(yīng)用情況出發(fā)，為混合動力車輛的動力系統(tǒng)參數(shù)選擇優(yōu)化提出建議。

Abstract： With the rapid development of modern science and technology， the situation of the environment is becoming worse and worse. The greenhouse effect caused by vehicle exhaust phenomenon is a serious threat to people's living environment. Hybrid vehicle is one of the good solutions to reduce exhaust emissions. Compared with the traditional internal combustion engine， hybrid system has the higher economic benefits and the better energy conversion performance in power system. Which can effectively solve the city congestion and reduce emissions. Hybrid system is analyzed according to the practical application in this paper. Parameter selection and optimization of hybrid electric vehicle power system are proposed.

關(guān)鍵詞：參數(shù)選擇;動力系統(tǒng);混合動力車輛

Key words： parameter selection;powertrain;hybrid electric vehicle

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0085-03

1 ?混合動力車輛概述

混合動力車輛的動力系統(tǒng)的功能包括能源存儲、能源轉(zhuǎn)換和能源傳輸?shù)鹊龋饕O(shè)備由發(fā)電機、發(fā)動機、傳動系三部分作為核心，發(fā)電機將原始能量進行轉(zhuǎn)換，經(jīng)過驅(qū)動裝置直接向發(fā)動機提供動力，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機的儲能轉(zhuǎn)換裝置為油箱，但混合式動力汽車的發(fā)電機擁有能源轉(zhuǎn)換功能，所以可以實現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換和燃油轉(zhuǎn)換兩種形式的供給，發(fā)動機是動力系統(tǒng)中可直接控制車輪的機械能裝置，與發(fā)動機緊密相關(guān)，而傳動系可以確保整個動力系統(tǒng)各個部件之間的協(xié)調(diào)配合，其中通過調(diào)整發(fā)電機與發(fā)動機的運行功率值，可以使整個動力系統(tǒng)在滿足負載需求的情況下，能耗維持在一個相對較低的水平（見圖1）。

目前，不同型號的混合動力車輛的動力系統(tǒng)在設(shè)計上各有差異，設(shè)備之間的優(yōu)缺點以不同的組合模式區(qū)分，在實際使用情況中所觀察到的效果也不同，具體可分為串聯(lián)式混合動力車輛，并聯(lián)式混合動力車輛以及混連式混合動力車輛。

1.1 串聯(lián)式混合動力車輛動力系統(tǒng)控制模式

串聯(lián)式混合動力車輛的發(fā)電機僅作為發(fā)電裝置，產(chǎn)生的能量直接可以供給發(fā)動機，而傳動系與兩者之間的連接構(gòu)成并不復(fù)雜，主要由發(fā)動機和發(fā)電機構(gòu)成動力系統(tǒng)，傳動系在這其中只是發(fā)揮輔助作用，因為構(gòu)成簡單，所以串聯(lián)式混合動力車輛的能源控制模式并不復(fù)雜，例如當發(fā)動機功率超標時，發(fā)電機將會把部分電能轉(zhuǎn)換到充電狀態(tài)，以此來控制發(fā)動機的工作狀態(tài)，因為這部分的特殊設(shè)計，所以串聯(lián)式混合動力車輛的蓄電池也可以單獨作為供電系統(tǒng)，蓄電池與發(fā)電機之間的協(xié)調(diào)配合是串聯(lián)式混合動力車輛的特點所在。

不過串聯(lián)式混合動力車輛的動力系統(tǒng)雖然具備了高性能、高容量和高質(zhì)量的三大特點，并且實際操控非常簡單，但是缺點在于動力系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備安裝困難，并且因為通過優(yōu)化發(fā)電機與發(fā)動機的連接方式，所以傳動系的能源轉(zhuǎn)換功能并不能有效的發(fā)揮，在能源轉(zhuǎn)換方面主要由發(fā)電機負責，這就導(dǎo)致熱能極大部分會在工作過程中被轉(zhuǎn)換為機械能，串聯(lián)式混合動力車輛的燃油消耗量會大幅提升。

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的圖示如圖2。

1.2 并聯(lián)式混合動力車輛動力系統(tǒng)控制模式

并聯(lián)式混合動力車輛的動力系統(tǒng)擁有許多機電控制部件作為輔助，核心部件與串聯(lián)式混合動力車輛相同，但是在設(shè)計方向上有所出入，并聯(lián)式混合動力車輛的動力系統(tǒng)構(gòu)成較為復(fù)雜，與驅(qū)動系統(tǒng)的部分裝置直接連接，例如發(fā)動機與驅(qū)動軸就是直接進行支架連接，所以可以組合成多個高能耗的動態(tài)模型。

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的圖示如圖3。

由于發(fā)動機與驅(qū)動軸是直接相連的，所以并聯(lián)式混合動力車輛的發(fā)電機同樣可以作為推進系統(tǒng)中的一環(huán)，當發(fā)動機進入工作狀態(tài)時，為整車提供的動力會通過驅(qū)動軸更好地發(fā)揮性能，發(fā)動機的負載條件好，使其可以在更高的功率區(qū)間進行工作，加速性能與爬坡性能更加優(yōu)秀。

1.3 混連式混合動力車輛動力系統(tǒng)控制模式

混連式混合動力車輛動力系統(tǒng)的工作性能結(jié)合了串聯(lián)式混合動力車輛與并聯(lián)式混合動力車輛的特點，發(fā)電機機械能的功能途徑增加（多于串聯(lián)式），電能的傳輸路線增加（多于并聯(lián)式），這部分設(shè)計讓混連式混合動力車輛的整體性能最佳，實際使用過程中的特點體現(xiàn)在低速啟動時或是正常運行時會將發(fā)動機關(guān)閉，依靠發(fā)電機與驅(qū)動裝置結(jié)合而成的電動機設(shè)備進行驅(qū)動，從而可以有效節(jié)能，具有極高的經(jīng)濟效益。

混連式混合動力系統(tǒng)的圖示如圖4。

混連式混合動力車輛的發(fā)電機與發(fā)動機之間的連接特點在于采用了行星齒輪，行星齒輪在機械連接方面精密性強，穩(wěn)定性高，比起一般的支架結(jié)構(gòu)更為堅固，連接部位不容易出現(xiàn)斷裂或松懈的情況，將行星齒輪應(yīng)用于發(fā)動機與發(fā)電機的結(jié)構(gòu)之間，能夠讓動力系統(tǒng)與驅(qū)動裝置以及變速器之間的協(xié)調(diào)性大大提升，而發(fā)動機與驅(qū)動軸直接對應(yīng)，這樣就可以增強車輛的驅(qū)動性能，不過因為連接方式過于復(fù)雜，動力系統(tǒng)需要更多的支架部件作為輔助，所以安裝起來極其困難，整體設(shè)計尤為繁瑣。

2 ?混合動力車輛不同類型之間的動力系統(tǒng)使用情況

通過不同類型的混合動力車輛的動力系統(tǒng)特點以及實際工作狀態(tài)，可以了解到設(shè)計方面不同的優(yōu)勢與劣勢，基于這種情況才能合理進行動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析，采取科學直觀的比較方法來制定混合動力車輛動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇優(yōu)先事項。

2.1 串聯(lián)式混合動力車輛的工作狀態(tài)有以下常見四種分類

①當車輛處于正常行駛或是加速的狀態(tài)時（功率不超標），串聯(lián)式混合動力車輛的發(fā)電機獨立向動力系統(tǒng)提供能源，特殊情況下會與蓄電池一同發(fā)電，在這個過程中兩者需要能源轉(zhuǎn)換器作為中間協(xié)調(diào)，部分機械能通過轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換為電能，以此起到節(jié)能功效。

②當車輛處于慢行或是輕載狀態(tài)時，對于驅(qū)動車輪的發(fā)動機功率要求不高，所以發(fā)電機供電電壓較低，就會配合發(fā)動機的功率而將能源供給蓄電池充電，當串聯(lián)式混合汽車的蓄電池容量達標后會自行停止。

③當車輛制動或是減速時，串聯(lián)式混合動力車輛的發(fā)電機發(fā)電功率在短時間內(nèi)會呈現(xiàn)出大幅降低的情況，降低以后會配合發(fā)動機的功率而將能源供給蓄電池，這就是車輛的串聯(lián)混合動力系統(tǒng)的性能特點，以此達到節(jié)能目的，雖然其它類型的混合動力車輛同樣具備這個功能，但串聯(lián)式混合動力車輛的作用更加靈敏。

④當車輛處于停止狀態(tài)時，用戶可以通過蓄電池儲能情況，啟動發(fā)電機，向發(fā)動機提供電力，期間因為發(fā)動機功率提升會需要功率轉(zhuǎn)換器作為緩沖，以保障串聯(lián)式混合電動車的使用安全。

主要動力分配如圖5所示。

2.2 并聯(lián)式混合動力車輛的工作狀態(tài)有以下常見幾類

①當車輛處于正常行駛或是輕載狀態(tài)時，并聯(lián)式混合動力車輛的發(fā)動機獨立工作，功率提升較大時需要發(fā)電機一起進行車輛驅(qū)動，一般狀態(tài)下發(fā)電機不會參與驅(qū)動工作。

②當車輛處于緊急制動或是慢行時，發(fā)動機功率過低，能源轉(zhuǎn)換器發(fā)揮作用，將發(fā)電機的部分能源轉(zhuǎn)換到蓄電池進行充電。

③當車輛處于快行或是重載狀態(tài)，并聯(lián)式混合動力車輛的發(fā)動機功率大幅提升，發(fā)電機在提供能源的同時參與驅(qū)動工作。

主要動力分配如圖6所示。

2.3 混連式混合動力車輛的工作狀態(tài)有以下常見四種分類

①當車輛處于正常行駛或是輕載狀態(tài)時，混連式混合動力車輛的發(fā)電機可以完全關(guān)閉，僅僅依靠蓄電池的電能容量進行工作即可，能源消耗低，或是蓄電池關(guān)閉，發(fā)電機負責主要供能。

②當混連式混合動力車輛進行加速時，動力系統(tǒng)會聯(lián)合起來一同負責進行車輛驅(qū)動，能夠更為平均的承擔車輛所需要的驅(qū)動動力。

③當車輛處于慢行狀態(tài)時，混連式混合動力車輛的發(fā)電機因為發(fā)動機功率過低，會將大部分電源轉(zhuǎn)換到蓄電池充電模式。

④當車輛處于停車狀態(tài)時，表盤會顯示出蓄電池的電源情況，司機可以以此作為參考，選擇合適的發(fā)動機啟動功率作為不同動力輸出模式的切換條件。

主要動力分配如圖7所示。

3 ?混合動力車輛動力系統(tǒng)參數(shù)分析

3.1 發(fā)動機參數(shù)選擇考慮因素

發(fā)動機作為核心功能裝置，是混合動力車輛驅(qū)動的關(guān)鍵部件，發(fā)動機的參數(shù)選擇應(yīng)當選擇扭矩范圍小的型號，因為扭矩范圍小在驅(qū)動過程中轉(zhuǎn)速快，運行效果更有效率，發(fā)動機主要由電氣設(shè)備與控制部件組成，其性能質(zhì)量會對車輛的動態(tài)運行起到直接影響的關(guān)系，選擇發(fā)動機參數(shù)的考慮因素應(yīng)當以控制穩(wěn)定作為基礎(chǔ)，然后再去考慮設(shè)備運行的高功率與高密度。

如何判斷發(fā)動機的性能指標具體可以參考生產(chǎn)方提供的最高速度，最高速度能夠較為直觀的反應(yīng)發(fā)動機的加速能力與驅(qū)動能力，對于使用需求的功率有著一定的保障。一般發(fā)動機的選型，先參考整車的性能要求來確定發(fā)動機的最大功率及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。發(fā)動機的參數(shù)選擇流程參考圖8。

3.2 發(fā)電機參數(shù)選擇考慮因素

發(fā)電機在動力系統(tǒng)中作為主要能源供給部件，其地位不言而喻，因為發(fā)電機與驅(qū)動系統(tǒng)有著直接的機構(gòu)連接關(guān)系，所以在工作過程中可以將一部分機械能轉(zhuǎn)換成電能，必要時通過能源轉(zhuǎn)換器對蓄電池進行充電，而且其本身還屬于驅(qū)動裝置的一環(huán)可以獨立工作，所以關(guān)于發(fā)電機的參數(shù)選擇，首要應(yīng)當關(guān)注發(fā)電機的發(fā)電效率，然后再到型號體積，因為較高的發(fā)電效率對于車輛驅(qū)動而言能夠擁有更多的能源供給，而體積較小的發(fā)動機尺寸在進行機械連接方面更為輕巧便捷，能夠有效提高能源傳輸特性，除此之外，發(fā)電機的參數(shù)選擇還需要考慮發(fā)動機的參數(shù)是如何選擇的，要以發(fā)動機的功率參數(shù)作為基礎(chǔ)，二者之間協(xié)調(diào)統(tǒng)一才能發(fā)揮經(jīng)濟效益。一般選發(fā)電機都是先確認總的負載功率，再選定發(fā)電機的額定功率來維持整個互動系統(tǒng)運行（見圖9）。

3.3 蓄電池類型以及參數(shù)選擇考慮因素

蓄電池主要作用于能源存儲功能，配合發(fā)電機一起為混合動力車輛一起供能，其與能源轉(zhuǎn)換裝置緊密聯(lián)系，可以在儲存能源的同時進行能源轉(zhuǎn)換，例如在前文中提及到三種類型混合動力車輛中都可以看出，不同狀態(tài)下蓄電池與發(fā)電機的工作模式也會同時變化，而關(guān)于蓄電池的選型主要以電池容量與性能作為參考即可，例如現(xiàn)在所開發(fā)出來的鉛酸蓄電池是最佳的選型之一，優(yōu)點在于成本低，工藝可靠以及電壓高與容量大等等，適用于發(fā)電機進行功率轉(zhuǎn)換時的能源輸出，因為鉛酸蓄電池擁有較為良好的耐高溫性能，并且在發(fā)電機給蓄電池進行充電時候的速度更快，除此之外，關(guān)于蓄電池參數(shù)選擇具體可以參考電池容量，電池容量越大說明能量儲存能力也越強，但是蓄電池的容量越大也意味著體積相應(yīng)要增大，因此需要綜合考慮到整體動力系統(tǒng)的布置設(shè)計進行選擇，配合發(fā)電機相互協(xié)調(diào)從全局出發(fā)。

電池的選擇因素有很多，圖10可作為參考。

4 ?總結(jié)

混動動力系統(tǒng)的參數(shù)選擇需要結(jié)合系統(tǒng)實際運行需求確認，其最終目的是通過調(diào)整混合動力系統(tǒng)中的參數(shù)，在系統(tǒng)運行的全過程中，保證混合動力系統(tǒng)中的各單元持續(xù)按照最佳經(jīng)濟性的輸出比例進行工作，達到整體系統(tǒng)的最低能耗。

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