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并联、混联动力汽车的解释及比较(详细)

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发布:liuxianglong 来源: 汽车技术课程
PostTime:7-1-2019 09:07
本文介绍混合动力汽车的两种主要结构:并联式混合动力、混联式混合动力,并以两种典型传动系统丰田THS和本田IMA加以说明。

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


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本文介绍混合动力汽车的两种主要结构:并联式混合动力、混联式混合动力,并以两种典型传动系统丰田THS和本田IMA加以说明。

一、混联式混合动力系统Series-Parallel Combined HEV

1)系统构成(system composition)

丰田THS系统是典型的混联式混合动力系统。THS是“Toyota Hybrid System”的缩写,最早被用于97年10月发布的第一代普锐斯(Puris)上。下面我们就以THS-II系统对混联式混合动力系统进行解释。

THS-II系统主要部件有汽油发动机、永磁交流同步电机、发电机、高性能金属氢化物电池盒以及功率控制单元。

2)部件解析(Component deion)

采用THS-II系统的第三代普锐斯使用的发动机是1.8L的5ZR-FXE发动机,而2012款凯美瑞尊瑞采用的是2.5L的4AR-FXE发动机。上面提到的这两款发动机均采用了能效相对较高的阿特金森循环。

THS-II系统的关键也是最为复杂的部件就是由两台永磁同步电机及行星齿轮组成的动力分配系统。

THS-II系统中带有两台电动机——MG1和MG2。MG1主要用于发电,必要时可推动汽车。MG2主要用于推动汽车。而MG1、MG2以及发动机输出轴被连接到一套行星齿轮机构的太阳轮、齿圈和行星架上。

3)工作逻辑(Work logic)

下面我们来看看THS-II的核心部件——动力分配系统的工作原理。在下面解析中,发电机MG1我们简称为MG1,电动机MG2我们简称为MG2。

发动机启动时,电流流进MG2通过电磁力固定行星齿轮的齿圈,MG1作为启动机转动太阳轮,太阳轮带动行星架转动,与行星架连接的发动机曲轴转动,发动机启动。

怠速时,电流流进MG2固定行星齿轮的齿圈,发动机带动行星架转动,行星架带动太阳轮转动,与太阳轮连接的MG1发电给电池充电。

车辆起步时,发动机停转,行星架被固定。MG2驱动行星齿轮齿圈,推动车辆前进。此时,MG1处于空转状态。

车辆起步时,如需要更多动力(驾驶员深踩油门或检测到负载过大),MG1转动启动发动机。

车辆起步时,发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能。

在轻负荷下加速时,发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能,MG2提供附加的驱动力用以补充发动机动力。

在重负载下加速时,发动机驱动MG1发电并供给推动MG2运转的电能。MG2提供附加的驱动力用以补充发动机动力。电池会根据加速程度给MG2提供电流。

降挡(D挡)时,发动机停转,MG1空转,MG2被车轮驱动发电给电池充电。

减速(B挡)时,MG2产生的电能供给MG1,MG1驱动发动机。此时发动机断油空转。MG1输出的动力成为发动机制动力。

倒车时,只使用MG2作为倒车动力。

二、并联式混合动力系统Parallel hybrid power system

1)系统构成(system composition)

本田IMA(Integrated Motor Assist)系统是非常典型的并联式混合动力系统。下面,我们就以IMA系统为例来说明一下并联式混合动力系统的结构。

IMA系统由4个主要部件构成,其中包括:发动机、电机、CVT变速箱以及IPU智能动力单元组成。电动机取代了传统的飞轮用于保持曲轴的运转惯性。整套系统的结构非常紧凑,和传统汽车相比仅是IPU模块占用了额外的空间。

2)部件解析(Component deion)

IMA系统中的发动机和传统车型中的发动机并没有太大区别,只是在调校上更偏向于节省燃料。

IMA系统的电机安装在发动机与变速箱之间,由于电机较薄且结构紧凑,俗称“薄片电机”。国内销售的CR-Z上采用的薄片电机最大功率10kW,最大扭矩78Nm。显然,这样的电机只能起到辅助的作用。而由于IMA系统能够在特定情况下(如低速巡航)单独驱动汽车,而被划分到中型混合动力汽车行列。

IMA系统的变速箱采用的是普通CVT变速箱。在国内销售的CR-Z上采用的变速箱是模拟7速CVT变速箱,以获得平顺的换挡体验及较高的换挡效率。

IMA系统的IPU智能动力单元是由PCU动力控制单元和电池组成。其中PCU又包括BCM电池监控模块、MCM电机控制模块以及MDM电机驱动模块组成。

3)工作逻辑(Work logic)

IMA系统的工作逻辑包括起步加速、急加速、低速巡航、轻加速和高速巡航、减速以及停车。

起步加速时,发动机以低速配气正时状态运转,同时电机提供辅助动力,以实现快速加速性能,同时达到节油的目的。

急加速时,发动机以高速配气正时状态运转,此时电池给电机供电,电机与发动机共同驱动车辆,提高整车的加速性能。

低速巡航时,发动机的四个气缸的进排气阀全部关闭,发动机停止工作,车辆以纯电动方式驱动车辆。

轻加速和高速巡航时,发动机以低速配气正时状态运转,此时发动机工作效率较高,单独驱动车辆,电动机不工作。

减速或制动时,发动机关闭,电机此时以发电机方式工作,将机械能最大限度地转化为电能,储存到电池包中。车辆制动时,制动踏板传感器给IPU一个信号,计算机控制制动系统,使机械制动和电机能量回馈之间制动力协调,以得到最大程度的能量回馈。

车辆停止时,发动机自动关闭,减少燃料损失和排放。当制动踏板松开时,发动机自动启动。

三、二者比较Comparison between the two

1、混合程度(Mixing degree)

如果在丰田THS混合动力系统里面,油和电的动力分成是6:4的话,那么在本田IMA系统里面这一比例就是8:2,这也是为什么前者被称为“强混”而后者则被称为“轻混”或者“弱混”的原因。

丰田期望达到的效果是,汽油动力和电力各自都能够独当一面,可以单独依靠电动机起步或者低速巡航。而本田的理念是,电力仅仅作为辅助汽油发动机的角色出现,必要的时候出来帮一把,达至整体动力水平不变的前提下可以使用排量更小的汽油发动机,同时借助能量回收和自动启停等手段来提高燃油的利用率。

一个很强烈的对比,丰田第三代普锐斯Hybrid的电动机能够输出60kW最大功率和207Nm最大扭矩,足够让车辆起步和低速运行了。而本田旗下多款Hybrid车型都使用的MF6电动机,只能给出10kW和78Nm,明显不足够支持车辆起步。

虽然相比起来本田IMA“混”得不够彻底,但它的显著优势在于结构简单、占用空间小、重量轻、成本低,而且更容易普及到现有汽油车型上面。在美国市场,普锐斯Hybrid的价格区间是24,000-29,805美元,而本田Insight则是18,500-23,690美元。

2、结构区别(Structural distinction)

IMA混合动力系统的结构有多简单?恐怕就算是普通汽油飞度的车主都未必能够一眼看出FIT Hybrid的发动机舱有何异样。超薄设计的电动机安放在汽油发动机和变速箱之间,既输出动力又同时担当发电机的角色,厚度大概就跟一个电视遥控器参不多,然后通过橙色的高压线路跟车尾箱的电池与动力控制单元(IPU)连接起来。IPU的体积很紧凑,只占据了原本尾箱放置备胎的位置而已。

没错,就仅此而已,但如果要实现丰田的“强混”效果,则需要一个专门的发电机、一个动力输出很不错的电动机、一个动力分割机构(这个很关键),以及蓄电池和控制单元。这里说的动力分割机构不是变速箱,而是类似于四驱车分动箱的东西,可以把一部分引擎的动力分配给发电机发电去了。

于是本田IMA系统的工作方式也相对“简单”一些,首先需要你像普通汽油车那样扭动钥匙点着引擎,然后挂到D挡,变速箱的界面和操作方式跟普通汽油车一模一样,值得一提的是,本田IMA混合动力系统还可以搭配手动变速箱。

怠速状态汽油发动机一直运转着,踩下油门起步,电动机也一并运转,与汽油发动机一起出力驱动车辆。到了大约40km/h左右,如果车子处于巡航状态的话,FIT Hybrid会由电动机单独驱动,发动机不再燃烧汽油而是关闭气门保持空转。不过CR-Z这时候仍然会单独由汽油发动机供给动力。

正常情况下本田IMA系统只有在减速的时候通过回收能量给电池充电,但丰田THS系统既可以在减速时回收能量充电,也能在车辆加速时利用汽油发动机富余的动力带动独立发电机给电池充电。

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