混合动力车辆的归类方法研究_孙逢春

第22卷　第1期2002年2月北京理工大学学报Jour nal o f Beijing I nstitute of T echno lo gy V ol.22　N o.1F eb.2002 文章编号:1001-0645(2002)01-0040-05混合动力车辆的归类方法研究孙逢春,　何洪文(北京理工大学车辆与交通工程学院,北京　100081)摘　要:为进一步了解混合动力车辆的组成,明确混合动力车辆的种类,从联接元件在驱动系中的位置、混合比的大小以及驱动系的复杂程度等3个层面对混合动力车辆进行了归类研究和讨论.通过对实例的分析,说明该归类方法合理可行.研究结果对深入认识混合动力车辆和混合动力车辆驱动系的设计具有指导意义.关键词:混合动力车辆;驱动系;归类方法中图分类号:U 463.2 文献标识码:AA Study on the Method of Classification of Hybrid VehiclesSUN Feng-chun,　HE Ho ng -wen(Schoo l of V ehicle and T r anspor tat ion Engineer ing ,Beijing Institute o f T echnolog y,Beijing 100081,China )Abstract :T o reach a further understanding on hy br id vehicle drives and their classification ,three paths of classification are put forw ard and discussed in this paper viz.based r espectively on the co mbined component's position in the hybrid drive,on the difference in ratio s of hy br idizatio n and on the com plex ity o f the hybrid drive line.T hr oug h the results of analy sis o n num er ous cases,the validity o f this classificatio n is verified .As a result ,the method of classificatio n is prov ed to be useful to guide the design of hybrid vehicle drives and in the understanding o f hybrid vehicles.Key words :hybrid vehicles ;drive line ;classification method 收稿日期:20010521基金项目:部级基金资助项目(C172000C002)作者简介:孙逢春(1958-),男,教授,博士生导师,长江学者. 在当今世界对环保意识和节能要求越来越强烈的形势下,混合动力车辆的节能、低排放等特点引起了汽车界的极大关注并成为目前汽车研究与开发的一个重点[1,2].混合动力车辆的驱动系统从能源输入、原动机到机械能的传递,其组成方式多种多样,具体的结构设计也各不相同[3].对驱动系统的组成方式和结构方案进行归类与评价,并应用它指导混合动力车辆的研制与开发是一个重要课题.1　基本概念驱动系:所有的用于传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称,包括车载能源、原动机和传动系3个部分.车载能源:在车辆驱动系中,用于能源存储或用于能源存储并进行能源的初始转化以向原动机直接供能的所有部件的总称,由能源存储系统或能源存储和转化调节系统组成.例如:内燃机车辆的车载能源为油箱(能源存储系统),直接为原动机(内燃机)供能;燃料电池车辆的车载能源由氢气罐或储氢金属(能源存储系统)以及燃料电池反应堆(能源转化调节系统)两部分组成.原动机:在车辆驱动系中,原动机是指用于把其他形式的能转化为可以直接驱动车轮转动的机械动能的装置,如普通车辆上的内燃机、纯电动车辆上的电动机等.传动系:在车辆驱动系中,用于传递和调节原动机输出的机械动能,并输送给车辆驱动车轮,实现车辆正常行驶的所有部件的总称.主要包括离合器、减速/变速器、传动轴、主减速器、差速器、半轴以及驱动车轮等.根据上述定义,车辆驱动系可抽象为图1所示的典型结构.混合动力车辆:混合动力车辆是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆.车辆的行驶功率依据车辆实际行驶状态由单个驱动系单独或共同提供.串联混合动力车辆:串联混合动力车辆是混合动力车辆的一种基本结构,其单个驱动系间的联合是车载能源环节的联合,也即非机械动能的联合,并同时向原动机供能.具体特点可描述如下: 能源的混合; 单一的原动机传动系; 车载能源由两个以上的能源联合组成.并联混合动力车辆:并联混合动力车辆是混合动力车辆的一种基本结构.其单个驱动系间的联合是车辆传动系环节的联合,通过对不同的车辆原动机输出的机械动能的联合并经过相应的传动系输出到驱动轮,用于满足车辆的行驶要求.具体特点可描述为: 机械动能的混合; 具有两个或多个原动机; 每一个原动机都有自己单独的车载能源.联接部件:联接部件是指用于联接或组合两个(或多个)车辆驱动系,使之成为混合动力车辆驱动系的部件总成.2　混合动力车辆驱动系的归类2.1　按照联接部件的位置不同进行归类联接部件的存在实现了混合动力车辆驱动系的正常工作,按照其在混合动力车辆驱动系中的具体位置和功能,可把混合动力车辆归类为串联混合动力车辆和并联混合动力车辆两大类.在串联混合动力车辆驱动系中,联接部件用于完成车载能源的联合.根据具体的联接部件位置,串联混合动力车辆具有单一能源存储联合式和多种能源存储联合式两种基本的布置方案,如图2所示.单一能源存储联合式是指车辆驱动系采用同一种能源而经不同的能量调节转化装置实现向原动机的供能.对同一种能源汽油,可经过转换装置和燃料电池反应堆输出电能到电动机,同时也可经过发动机-发电机组输出电能到电动机,结构示意如图2a.多种能源存储联合式是指车辆驱动系具有多种能源存储系统和相应的多种能量存储与调节转化系统,由它们共同完成向原动机的供能,结构示意如图2b.串联混合动力车辆实现了车载能源的多样化,可充分发挥各种能源的优势,通过适当地控制达到它们的最佳组合,以满足车辆行驶的各种特殊要求.例如,采用发动机-发电机组和动力电池组两种车载能源的串联混合动力车辆可满足车辆一定的零排放行驶里程,同时通过车载充电器(发动机-发电机组)的工作为动力电池组补充充电,延长了车辆的有效续驶里程,为解决动力电池的缺陷,实现纯电动车辆的实用化提供了折中的解决方案.在并联混合动力车辆驱动系中,联接部件用于完成传动系组成部件间的联合.根据具体的联接部件位置,并联混合动力车辆具有单轴联合式、双轴联合式和单个驱动系联合式等3种基本的布置方案,如图3所示.单轴联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在原动机输出轴处实现的,齿轮箱的输入轴为单轴,结构示意如图3a,实际应用如图4.发动机的输出轴通过离合器与电动机的转子轴直接相连,而电池组通过控制器的调节作用于电动机的定子,从而41　第1期孙逢春等:混合动力车辆的归类方法研究完成发动机与电动机输出动能的叠加.单轴联合式驱动系实现了把不同原动机的输出一体化,结构紧凑,提高了系统的综合效率,但一些元件要经过特殊设计,成本较高,而且电机的控制系统要经过特殊设计,不便于模块化设计.双轴联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在齿轮箱中实现的,齿轮箱(减速/变速器)具有2个或多个输入轴,而输出轴仅有1根,结构示意如图3b .双轴联合式只是把不同原动机的输出进行动力合成,因此系统元件可选用已有的现成产品,系统的开发成本较低.单个驱动系联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在车辆驱动轮处通过路面实现的,它具有两套或多套独立的单个驱动系,结构示意如图3c.单个驱动系联合式驱动系在充分利用车辆的地面附着力方面具有优势,通过合理地控制,可大大改善车辆的驱动性能,但系统组成比较庞大,控制复杂.根据对原动机输出的机械动能的合成方式不同,并联混合动力驱动系还具有转矩合成式、转速合成式、牵引力合成式等3种类别.单个驱动系联合式属于牵引力合成式,而单轴合成式和双轴合成式均具有转矩合成式和转速合成式的典型结构.2.2　按照混合比的不同进行归类为了评价混合动力驱动系中组成部件功率间的分配比例,提出混合比的概念(以双混合动力驱动系为例):并联混合比(对应于并联混合动力驱动系)R p 为R p =P M 1P M1+P M 2,(1)串联混合比(对应于串联混合动力驱动系)R s 为R s =P S1P S1+P S2,(2)式中　P M 为原动机功率,kW ;P S 为车载能源向原动机输入的功率,kW .具体到发动机/电动机混合动力驱动系统,M 1为电动机;M2为发动机;S1为电池组;S2为发电机组.按照混合比系数的大小变化,发动机/电动机混合动力驱动系的具体归类如图5所示.按混合比系数不同,车辆驱动系可分为3种基42北京理工大学学报第22卷　本类型:续行里程延长型、双模式型和助力型.续行里程延长型混合动力车辆的设计思想是在普通电动车辆上增加一附加的车载能源(或原动机)并及时为蓄电池补充充电(或承担部分车辆行驶功率),减小蓄电池的能量消耗,延长电动车辆的续行里程.通常,续行里程延长型混合动力车辆都装备有一个较大容量的电池组和一个小型的附加车载能源(如发动机/发电机组)或小功率的原动机(如内燃发动机).其混合比较大,适用于对排放严格限制的市区车辆.助力型混合动力车辆的设计思想为在普通内燃机车辆(或无蓄电池的电传动车辆)上增加一附加的电传动系(或辅助蓄电池),以优化内燃机(或发电机组)的工作特性,提高车辆的经济性和降低排放,具有良好的节能潜力.双模式型混合动力车辆综合了上述两种类型车辆的特点,可以以零排放模式行驶相当长的距离,但系统复杂,成本较高.2.3　按照混合动力传动系的复杂程度进行归类为优化驱动系的综合效率和充分发挥车辆的节能、低排放潜力,在实际应用中,混合动力车辆驱动系并非单纯是简单的串联式结构或并联式结构,而是由简单的串联式结构和并联式结构复合组成的串并联综合式结构,即所谓的混联式结构.为描述混联式混合动力驱动系的复杂程度,引入以下定义: 混合动力驱动系的阶次:混合动力驱动系的阶次是指该驱动系所具有的可独立运转的单个驱动系数目,记为N D;混合动力驱动系的指数:混合动力驱动系的指数是指该驱动系所具有的联接部件的个数,记为N C.则混合动力驱动系的复杂程度 d可表示为d=N D N C.(3)混合动力驱动系的阶次越高、指数越大,则 d 越大,混合动力驱动系就越复杂,系统控制难度也就越大.3　实例分析3.1　丰田Prius混合动力车辆驱动系丰田Prius混合动力车辆驱动系的结构示意图如图6[4]. 按照图1给出的车辆驱动系定义,丰田Prius 混合动力驱动系的元件组成如表1所示.表1　丰田Prius混合动力驱动系的元件组成Tab.1　The drive line components of Toyota Prius能量存储器能量转化和调节器原动机齿轮箱差速器+驱动轮电池组逆变器电动机减速齿轮差速器+前轮油箱发动机+发电机电动机行星排+减速齿轮差速器+前轮发动机行星排+减速齿轮差速器+前轮 该混合动力驱动系的阶次为3,指数为3,复杂程度为3×3.丰田Prius混合动力驱动系为3个单个驱动系+串联式的混合动力结构,具体为多种能源存储联合式串联+双轴联合式并联.3.2　丰田FC HV混合动力车辆驱动系丰田燃料电池混合动力驱动系FCHV的结构示意如图7[5].按照图1给出的车辆驱动系定义,丰田FCHV 混合动力驱动系的元件组成如表2所示. 该混合动力驱动系的阶次为2,指数为1,复杂程度为2×1.丰田FCHV混合动力驱动系为串联式中的多种能源存储联合式结构.43　第1期孙逢春等:混合动力车辆的归类方法研究表2　丰田FCHV 的元件组成Tab .2　The drive line components of Toyota FCHV能量存储器能量转化和调节器原动机齿轮差速器+驱动轮电池组逆变器1逆变器2电动机减速齿轮差速器+前轮甲醇容器转换装置+燃料电池逆变器2电动机减速齿轮差速器+前轮3.3　丰田HV -M4混合动力车辆驱动系丰田HV-M 4混合动力驱动系的结构示意如图8所示[6].按照图1给出的车辆驱动系定义,丰田HV -M4混合动力驱动系的元件组成如表3所示.该混合动力驱动系的阶次为4,指数为3,复杂程度为4×3.丰田HV-M 4混合动力驱动系为4个单个驱动系+串联结构,具体为多种能源存储联合式串联+双轴联合式并联+单个驱动系联合式并联.表3　丰田HV -M 4的元件组成Tab .3　The drive line components of Toyota HV -M4能量存储器能量转化和调节器原动机齿轮箱差速器+驱动轮电池组前电动机CVT 差速器+前轮气罐发动机CVT 差速器+前轮电池组后电动机减速齿轮差速器+后轮气罐发动机+前电动机后电动机减速齿轮差速器+后轮4　结　论给出了车辆驱动系、传动系、车载能源、混合动力车辆、串联混合动力车辆、并联混合动力车辆、联接部件、混合比、混合动力驱动系指数和混合动力驱动系阶数等概念的定义; 对混合动力车辆进行了归类分析和讨论,提出了3种分类标准:按联接部件的不同位置、混合比的大小以及驱动系的复杂程度进行分类;结合实例对该归类方法进行了详细说明; 该归类方法合理可行,用该方法有助于对混合动力车辆的深入认识和指导混合动力车辆驱动系的设计分析.参考文献:[1]　孙逢春,张承宁,祝嘉光.电动汽车——21世纪的重要交通工具[M ].北京:北京理工大学出版社,1997.68-78.Sun Feng chun,Zhang Chengning ,Zhu Jiaguang.Electric vehicle ——Impor tant tr affic to ol in 21st centu-r y [M ].Beijing :Beijing Instit ut e of T echno lo g y P ress,1997.68-78.(in Chinese)[2]　何洪文.混合动力汽车传动系合理匹配的研究[D].长春:吉林工业大学车辆工程学院,2000.9-17.He Hong wen .Study o n HEV pow ert rain's rea so nable m atching [D].Changchun:College o f Vehicle Engi-neer ing,Jilin U niv ersit y of T echnolog y ,2000.9-17.(in Chinese )[3]　Ber etta J .N ew classification o n electr ic -thermal hy -br id vehicles [A ].A V ERE,EVA A ,EVA A P.P ro -ceeding s of EV S-15[C].Brussels:A V ERE,1998.1-11.[4]　T o shihiro O i ,Sat oshi O giso .I nt ro ductio n to t he newPr ius[J].T O Y OT A T echnical Review ,2000,50(1):12-17.[5]　Shig eyuki K awat su .Fuel cell hy br id vehicles [J ].T O Y OT A T echnical Rev iew ,2000,50(1):24-29.[6]　Shig eru M atsuhashi,N o buy oshi T akag i,Ko uichiOkamo to ,et al.D evelopment of the long awaited hy -br id miniv an [J ].T O Y OT A T echnical R eview ,2000,50(1):18-23.44北京理工大学学报第22卷　。