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新能源汽车技术简介(一):混合动力汽车类型

注意:本文仅做案例参考,由于不同厂商使用规范不一,文中相应材料均用文字描述,避免引起误解,同时由于公司保密条例,一切涉密材料均使用代称或虚指,切勿对号入座。

混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle)是指有两种及以上不同类型的动力源结合并驱动车辆前进的汽车。目前国内市场上的混合动力汽车主要以油电混合为主,本文讨论的内容默认为油电混合,不包括燃料电池、太阳能等混合动力汽车。

混合动力汽车按照不同的维度可以有多种类型,目前主要是以混合度、充电方式、动力系统架构三个维度进行分类。

按混合度分类:

强混(Full Hybrid/Strong Hybrid):电池容量较大,电动机功率占比大于30%,且电动机可独立驱动车辆行进,节油效果大于50%;

中混(Mid Hybrid):电动机可辅助发动机驱动车辆,但无法单独驱动车辆行进,功率占比小于30%,节油效果小于25%;

轻混/弱混(Micro/Mild Hybrid):电池容量很小,电动机仅作为发动机的起动机以及反向充电机使用,功率占比小于10%,节油效果小于15%。

按充电方式分类:

插电式混合动力(Plug in-Hybrid Electric Vehicle):配备外部充电机构,可实现纯电模式行驶,电量耗尽后以混动模式行驶同时给电池充电;

非插电式混合动力(Hybrid Electric Vehicle):无外接充电口。

按动力系统架构分类:

串联模式(Series Hybrid Electric Vehicle):

发动机为发电机提供动力,发电价通过功率电子带动驱动电机运转,进而带动车辆行进。发动机也可以带动发电机通过功率电子为电池充电,发动机可以保持一直运行在高效工况;车辆制动或滑行时也可以由驱动电机通过功率电子反向为电池充电。

优缺点:

↑:发动机作用于发电机,没有与减速结构的机械连接,因此可以通过系统控制优化,使发动机一直运行在最高效率区域,即中高速模式。

↑:充电方便且短途通勤情况下,具备只充电不加油的特点,成本较低。

↓:能量需要进行二次转化,能量利用率会较低;电机是车辆唯一的驱动力来源,其爬坡、急加速等高动力需求与整体结构尺寸存在正相关关系。

↓:由于发动机和发电机并不作用于车轮,导致发动机与发电机功率浪费,即发动机功率70KW,发电机功率50KW,电动机功率90KW,整备总功率合计210KW,但实际车轮驱动功率只有90KW。

↓:高速路况占比较多的情况下,性价比降低。因为本身发动机在高速工况属于高效率区域,但由于串联模式需要额外进行能量转化,反而导致油耗的相对提高。

工作模式简介:

纯电模式:高压电池包-功率电子-驱动电机-动力分配系统(行星齿轮机构)-减速机构-车轮。此时发动机不参与驱动,整车接近纯电动模式。

混合低速模式:发动机-发电机-电池包-驱动电机-动力分配系统(行星齿轮机构)-减速机构-车轮。

混合高速模式:发动机-发电机-驱动电机-动力分配系统(行星齿轮机构)-减速机构-车轮,同时电池包也为驱动电机提供动力源,共同驱使车辆前进。

并联模式(Parallel Hybrid Electric Vehicle)(注意:此PHEV与Plug-in含义不同):

发动机通过机械耦合方式可以直接驱动车辆,电池包给驱动电机提供动力源,再通过机械耦合设备驱动车轮。由于机械耦合设备的存在,发动机不需要专门的发电机来带动驱动电机。发动机作为主要驱动力,可以在驱动车辆同时为电池充电。车辆制动或者滑行时可以通过机械耦合器反向驱动电机为电池充电。

优缺点:

↑:发动机和电机都通过机械连接,直接作用于车轮,没有能量的二次转化,不需要发电机,结构紧凑,功率利用率高。

↓:发动机与减速机构存在机械连接关系,因此发动机无法始终工作在最佳工作区域。

↓:驱动电机不能同时做驱动和发电机,不能一直持续工作在共同驱动模式,爬坡或持续加速等大功率工况下,电池电量耗尽后只能转为发动机驱动模式。

工作模式简介:

纯电模式:电池包-功率电子-驱动电机-机械耦合器-减速机构-车轮。

混合动力模式:发动机和驱动电机同时通过机械耦合器-减速机构-车轮。

行车充电模式:发动机一方面通过机械耦合器-减速机构-车轮驱动车辆行进,一方面通过机械耦合器-驱动电机-功率电子给电池包充电。该工况通常出现在电池电量低于设定SOC值或者驾驶员切换至电量保持模式。此外当车辆怠速时,发动机也可以运转在高效模式为电池包充电。

纯燃油模式:并联机构可以在高压系统出现故障时,单独使用发动机驱动车辆,此时车辆等同于一台普通燃油车。

混联模式(S/P Hybrid Electric Vehicle):

发动机通过机械耦合设备直接驱动车辆,同时也可以通过驱动发电机,经过功率电子驱动电机进而驱动车辆,或者通过发电机为电池包充电。发动机可以保持一直运行在高效工况且动力分配选择多元化。电池包为驱动电机提供动力源,直接驱动车辆。车辆制动或者滑行时通过机械耦合器和驱动电机均可为电池包充电。

优缺点:

↑:混联动力通常采用扭矩耦合和速度耦合结合的方式,因此发动机与车轮的扭矩和速度不再有直接对应关系,同时部分发动机动力不需要经过能量二次转化,提高了能量利用率。

↓:系统结构复杂,控制系统复杂,成本较高。

工作模式简介:

以雷凌双擎为例,其采用了丰田普锐斯车型同一套混合动力THS系统(Toyota Hybrid System),该系统到目前已开发至第四代。如下图所示,THS系统主要由发动机、混合驱动桥总成、MG1、MG2、变频器总成(功率电子)、HV电池等相关组件组成。MG1、MG2为混合动力系统中的两个电机,MG1主要作为发电机用于给电池包充电,必要时可驱动汽车,MG2主要作为驱动电机用于驱动汽车。

启动和低速行驶模式:电池包为驱动电机提供能量源,驱动电机带动车辆行进。

正常工况行驶模式:当车辆达到一定速度后,脱离发动机低效率运转范围后,发动机介入,一方面通过发电机-驱动电机路线,一方面通过机械耦合器路线,共同驱动车辆。

急加速或爬坡模式:在上述工况模式基础上,电池包为驱动电机提供动力,以整车最高功率性能驱动车辆。

减速/制动/滑行模式:驱动电机反转作为发电机,通过功率电子为电池包供电。

电池充电模式:根据用户设定需求,发动机通过发电机-功率电子为电池包充电,保证电量维持在用户设定的SOC值范围内,以备用户使用。

本篇针对混合动力汽车的各种类型进行了简单介绍,下一篇将介绍纯电动汽车的基本类型。需要说明的是新能源汽车在传统燃油车的基础上增加了整车高压系统,同时也新增了诸如EKK、PTC、功率电子等新控制器和执行器,为了避免内容展开导致读者混乱,这些内容会在后续的文章中详细介绍。同时由于我最近也一直在同步阅读相关文档,所以该块内容也是一个慢慢补充和完善的过程,如有任何词不达意之处,希望能够谅解。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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