混合动力汽车技术基础知识（一）

    在汽车工业中，混合动力是指装备两种驱动类型（能量类型）和两个蓄能器的车辆，其特点是，针对这类解决方案组合使用元件，但是通过组合使用可以产生所要求的新特性。不同车辆制造商通常采用的这两种驱动类型组合，是以燃油箱和蓄电池作为能量来源的内燃机和电机组合为基础。
    混合动力总成的优点主要是耗油量较低，同时在内燃机的所有不利运行范围内电机可以为其提供支持。此外还可以对所使用的电机和内燃机的功率特性曲线进行较好的补充，因为电机的较高扭矩可以为（低转速范围内）内燃机的较小扭矩进行最佳补充。因为电机可以起到起动机和发电机的功能，所以取消了起动机和发电机（以现有的混合动力车型为依据）。此外，制动能量回收系统可以对制动器磨损起到积极的影响（尽量减少现有的制动器磨损）。
    车辆中能量回收利用的原理以能量守恒定律为基础。能量守恒定律表明，在一个封闭的系统中总能量不会随时间而改变。也就是说能量只能在不同的能量形式之间转换，例如从热量转换为动能。但是不可能在封闭的系统内产生或销毁能量。在封闭系统中的总能量始终保持不变，能量不能从无到有也不能简单消失，能量以不同的能量形式例如动能、热能、辐射能、结合能等相互转换，但是在技术上明显很难进一步使用。
    混合动力车辆则可以用动能或势能替代制动时产生的热能，然后再通过电机将其转换为电能存储在蓄电池内，这种存储的电能可以在需要时（例如起动内燃机或电动驱动时）使用。

    一、混合动力的分类
    1．按功率划分
    根据所使用电机的功率可以将混合动力车辆分为微混合动力车辆、部分混合动力车辆和全混合动力车辆三种类型，各组混合动力车辆的主要特性列于表1。

（1）微混合动力
    微混合动力车指的是初级混合动力车辆，采用了普通12V蓄电池技术的微混合动力车辆其电机功率为2～3kW。由于功率和电压较小，因此限制了制动和滑行阶段中能量回收利用的效率。将微混合动力车辆回收的电能提供给12V车载网络，该系统包括使用传统起动机或集成式起动电机的部分起动／停止功能。起动／停止功能的缺点是由于经常启动所以会对按照持续旋转无摩擦轴承设计的曲轴产生较大的磨损。微混合动力的车辆会产生附加的重量和成本，所以相应的费用也会增加，但是整个费用将低月约10％的耗油量费用。根据定义，严格的讲微混合动力车辆并不能算是混合动力车辆，因为它仅有一种驱动类型。
（2）部分混合动力
    传统部分混合动力系统工作时的电压会超过42V，目前该系统中的部分电压已经超过160V。电机所提供的功率在10～15kW范围内。电机通常被安装在部分混合动力系统中，通过它可以将减速／制动时的部分动能转换为电能。混合动力系统中通常含有启停功能，通过使用电机实现内燃机关闭后的再次开启。
    部分混合动力系统中的电机可以在车辆起步和制动时可以为内燃机提供支持。在一些部分混合系统中，当高压蓄能器处于足够的充电状态且以约50km/h的速度匀速行驶时可以停止为内燃机提供燃油。此时仅使用电机驱动车辆，因此可以节省燃油。
（3）全棍合动力
    全混合动力系统的特点是可以在完全不启动内燃机的情况下进行车辆起步和行驶。全混合动力系统中部分高压蓄能器的电压超过200V。通过该系统车辆可以在起动时使用纯电动驱动，并且在高速加速时同时使用内燃机和电机所提供的扭矩。该过程也被称为“助力功能”。

    2．按动力总成布置划分
    根据传动装置的布置方案可以将混合动力车辆分为串联式混合动力、并联式混合动力、功率分支式混合动力、插入式混合动力四种类型。
（1）串联式混合动力
    如图1所示，使用串联混合动力车辆驱动方案的混合动力车辆包括一个电机和一个内燃机，其特点是仅由电机直接对驱动轮产生影响。因为所有组件须依次安装，所以这种结构被称为串联。由内燃机驱动一个可以为电动行驶传动装置和电存储器提供能量的发电机。通过供电电子装置控制电能量流。根据蓄电池和充电策略、作用范围以及动力性确定发电机与电存储器的大小。由于附加发电机的结构非常复杂，因此取消了手动变速箱。可以对串联混合动力中的组件进行非常灵活的布置。串联式混合动力车辆的最大缺点是需要进行两次能量转换，因此导致效率下降。必须按照最大驱动功率设计内燃机和发电机。与并联式混合动力车辆相比在内燃机效率相同的情况下会产生更多的排放量并造成耗油量增大。

    如图2所示，纯电动传动装置在特定情况下同样也是一种串联传动装置。但是，发电机不是安装在车辆中而是车辆外部。车辆驻车期间通过供电系统为蓄电池充电。

（2）并联式混合动力
    如图3所示，与串联式混合动力不同，在并联式混合动力系统中内燃机和电机都要与驱动轮进行机械连接，驱动车辆时不仅可以单独而且也可以同时使用两种动力传动系统。因为可以同时将作用力输送至传动系统，所以将该系统称为并联式混合动力系统。由于可以将两个发动机的功率进行叠加，所以这两个发动机可以采用更小和更轻的设计。这样可以在例如重量、耗油量和CO2排放量方面更加节约。设计时可以通过其他方法获得最大的行驶动力性，当内燃机功率相同时通过电机提高功率。同时甚至还可以降低耗油量。电机也可以作为发电机使用，因此可以将其统称为“电动机”。在滑行阶段或制动时电机会产生电能，通过供电电子装置的控制将其存储在高压蓄电池内，同时还能降低耗油量。并联式混合动力车辆与部分混合动力相比成本更加低廉。

 （3）功率分支式混合动力
    如图4所示，因为在这种混合动力传动装置中可以用串联和并联的方式传递作用力，所以该系统也被称为串并联或功率分支式混合动力系统。

    针对不同行驶状态提供以下运行模式：由内燃机驱动发电机（电机1）以便为高压蓄电池充电；由内燃机驱动发电机（电机1），使用其所产生的电能驱动电机2（串联式混合动力）；与电机一样，内燃机以机械方式与驱动轴相连，由两个传动装置同时驱动车辆（并联式混合动力）。
    在这种组合式混合动力传动装置中只需使用一个离合器就可以完成两种运行模式的切换。使用功率链接混合动力传动装置的车辆可以在某一特定速度下以纯电动方式行驶。此外，通过两种传动装置良好的组合可以使内燃机始终在其最佳运行范围内工作。功率分支式混合动力传动装置的缺点是传动控制复杂且成本较高。通常只有在全混合动力中才会使用功率分支式混合动力系统。
 （4）插入式混合动力
    混合动力技术的一种扩展被称为插入式混合动力。如图5所示，使用插入式混合动力可以进一步降低耗油量，为电蓄能器充电时不再使用内燃机，而是可以通过附加的供电系统为其进行充电。电蓄能器有足够电容时可以在短距离内实现无排放且安静的电动驱动，当行驶距离较长或电蓄能器没有电容时将再次启用内燃机。为了能够存储更多来自供电系统的电能，在插入式混合动力系统中使用了尺寸较大的电蓄能器，以便可以增加电动驱动的比例。

    二、行驶状态
    汽车各行驶状态可分为加速、行驶、超车、制动四个阶段。加速阶段是指车辆处于静止状态时，电动驱动控制系统将使用高电压蓄电池的功率移动车辆。在该阶段内以纯电动方式移动车辆。行驶阶段是指在某一规定速度时电机将达到其功率和转速限值，此时将切换至由内燃机驱动的传动装置。超车阶段是指为了能够提供较高的总功率，在超车或加速时由电机和内燃机共同驱动。制动阶段是指制动时首先进行电动（能量回收）制动。如果制动不足，还会使用机械式制动器进行制动。在电动制动时电机将作为发电机进行工作，部分制动能量将被转换为电能存储在高压蓄电池内。
    1．启／停功能
    当内燃机处于运行温度停车时（例如红灯等待时），将关闭内燃机。这样可以减少CO2排放量并降低耗油量。车辆处于静止状态时高压蓄电池还可以为空调系统、车辆照明装置等提供能量。当高压蓄电池充电状态不足时将会启动内燃机，以便通过电机为高压蓄电池充电和为用电器使用提供足够的电能。当行驶的车辆靠近某一交通信号灯时，制动过程中内燃机已准备好在车辆静止前（达到规定速度时）关闭。
    2．起步
    起步时将使用电机在低转速范围内所提供的较高扭矩。从静止状态到起步仅由电机驱动车辆，而且使用由高压蓄电池提供的能量，内燃机处于关闭状态（处于运行温度时的发动机）。
    3．加速（助推功能）
    在交通信号灯处、斜坡或超车操作进行高速加速时，如果高压蓄电池处于足够的充电状态则可以为其提供额外能量并且通过电机将其作为驱动功率使用。此过程称为Boost功能。通过内燃机和电机的功率组合可以实现与使用强劲发动机车辆一样的行驶动力性和高速加速度。
    4．行驶
    行驶过程中根据车速和蓄电池充电状态确定内燃机和电机的不同驱动比例。在低速至中速时内燃机无法在最佳范围内工作。电机正好相反可以在较低转速时提供最大扭矩。当高压蓄电池处于足够的充电状态时可以从高压蓄电池获取车辆电动驱动所需的电能。只有当高压蓄电池处于较低的充电状态时才会经常启动内燃机，以便为高压蓄电池充电。
    恒定高速行驶时内燃机能够以最佳效率进行工作。而电机在该功率范围内则需要从高压蓄电池获取过多的能量。因此需通过内燃机获得大部分的驱动力。当高电压蓄电池处于较低的充电状态时内燃机的部分功率还将通过电机用于蓄电池充电。
    5．制动
    混合动力传动装置的主要优点是可以使用滑行或制动时释放出的动能。这也被称为能量回收利用或制动能量回收。通过可作为发电机使用的电机将车轮制动器上的无用能量转换为电能以替代热能转换，并将所产生的电能存储在高压蓄电池内。

    三、蓄能器
    蓄能器的用途是可以将以后某一时刻需要使用的能量存储起来。通常将能量以另外一种能量形式进行存储，需要使用时再进行转换，以便能够将静态损失的缺点降至最低。例如存储在燃油箱内的化学能（燃油）可以在内燃机中转换为热能和机械能。在能量存储和能量转换的过程中始终会出现能量损失。蓄能器种类繁多（例如机械式、热敏式、化学式、磁场式和静电式）。
    下面对化学式和静电式蓄能器进行详细介绍，因为在目前的混合动力车辆中经常将这种蓄能器作为第二种能量来源使用。
    1．化学存储的物理基础知识
    如图6所示，原电池基本上由电解液、电池壳体和连个电极构成。此外在电极之间还有一个离子可以而电子不能透过的绝缘用隔板。在原电池内发生的化学反应导致一侧电极上的电子过剩而另一侧电极上则电子不足。这样就能够在两个电极之间产生电压。

    因此电池放电时所存储的化学能可以通过化学反应转换为电能。提供能量的反应和放电虽然由两个空间隔开，但是组成了相互连接的部分反应（电极反应）。与另一个电极相比氧化还原电压较低时发生相应部分反应的电极为负电极，另一个则为正电极。电池放电时将会在负极处开始氧化过程以释放电子；同时在正极处则会通过还原过程吸收相应数量的电子。
    电子流通过一个外部用电器电路由负极流至正极。在电池内部电极之间的电流通过离子进入可以传导离子的电解液内（离子流），从而使电极内／上的离子和电子能够相互连接。
    原电池的用途是作为直流电压电源使用。可以根据电极材质的组合为原电池命名，例如镍氢混合动力电池。电解液和电极材质会根据电池是否充电或放电而产生变化。制作电极所使用的材料种类决定了电池的额定电压。
    将多个可作为能量来源使用的原电池互联起来被称为“蓄电池”。但是一个单独的原电池在普通术语中也被称为“蓄电池”。原电池可以将其所存储的化学能直接转换为电能。蓄电池分为可再次充电和不可再次充电两种。区别是可再次充电的蓄电池（充电型）其放电时的反应可以逆转，这样就能够始终对蓄电池进行充电和放电。因此化学能和电能可以进行反复转换。如果所需电压比实际电池电压高时，可以将电池进行串联。蓄电池的总电压与单个电池的电压之和相同。例如图7中的总电压Uges= U1+ U2+ U3。

    如图8所示，通过原电池的并联可以提高蓄电池的电容量，蓄电池电压则保持不变。电容量就是指蓄电池内所存储的电荷数量。以安·时（缩写：A·h）形式表示蓄电池的电容量。根据放电条件决定蓄电池所能提供的电容量。放电电流增大时所能提供的电容量就会随之下降。蓄电池功率等于放电电流与放电电压的乘积，用瓦特（W）的形式表示。通常不会对蓄电池所存储的能量大小进行说明，因为尺寸和容积往往是蓄电池系统最为重要的参数。

    单位质量的物质中所分布的能量大小称为能量密度，用Wh/kg形式表示。在混合动力车辆中所用蓄能器的能量密度决定了其可达里程。单位质量的物质中所包含的电功率称为蓄电池的功率密度，用W/kg形式表示。
    在图9中显示了一些蓄能器的功率密度和能量密度。例如双层电容器的功率密度非常高，但是与其他蓄能器相比其能量密度较低，也就是说它只能在短时间内提供较高的功率。将镍镐蓄电池和镍氢混合动力蓄电池进行相互比较可以看到，两种蓄电池的功率密度几乎相同，但是镍氢混合动力蓄电池的能量密度几乎是镍镐蓄电池的两倍。

    从图9可以看出，当镍氢混合动力蓄电与镍镐蓄电池的存储能量相同时，其重量仅相当于镍镐蓄电池的一半。或者从可达里程的角度来比较：蓄电池体积相同时，使用镍氢混合动力蓄电池车辆的可达里程是使用镍镐蓄电池车辆的两倍。
    如图10所示，矿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达11.8kWh/kg。而12V铅酸蓄电池的能量密度仅为30Wh/kg，也就是说汽油的能量密度几乎是酸蓄电池的400倍。例如，体积仅为0.03L的汽油中就包含了与一个体积约为12L的12V蓄电池的能量。
 

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