混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)由什么組成？電路架構(gòu)是什么樣的？

所謂混合動(dòng)力汽車，是指擁有兩種不同動(dòng)力源的汽車。這兩種動(dòng)力源在不同的行駛工況下(如起步、中低速、勻速、加速、高速、減速或制動(dòng)等)分別或共同工作。)，并且通過這種組合，可以達(dá)到最低的油耗和尾氣排放，從而達(dá)到節(jié)油和環(huán)保的目的。更多新能源汽車專業(yè)知識(shí)在《卓越工程師》，由易到難，由淺入深，全方位學(xué)習(xí)，薇信關(guān)注。

分類和結(jié)構(gòu)原則

1.系列混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(SHEV)

串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)利用發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力發(fā)電，從而帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。

其基本結(jié)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、高壓蓄電池和變壓器組成。發(fā)電機(jī)由輸出功率小的發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)直接向電動(dòng)機(jī)供電，或者在給高壓蓄電池充電的同時(shí)運(yùn)行。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的動(dòng)力是串聯(lián)供給電動(dòng)機(jī)的，所以稱為“串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)”。

2.并聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(PHEV)

并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)利用電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，發(fā)動(dòng)機(jī)用于給高壓電池充電。其基本結(jié)構(gòu)由電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、高壓電池、變壓器和變速器組成。

在并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中，高壓電池的電能用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因?yàn)殡姍C(jī)也是做發(fā)電機(jī)用的，不能一邊發(fā)電一邊驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力的流動(dòng)方向是平行的，所以稱為“并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)”。

3.混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

混聯(lián)式混合動(dòng)力利用電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，電機(jī)在行駛的同時(shí)也能發(fā)電。

根據(jù)行駛條件的不同，可以只靠電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力行駛，也可以是發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。此外，還安裝了發(fā)電機(jī)，因此可以在行駛過程中為高壓電池充電?；窘Y(jié)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、高壓蓄電池、發(fā)電機(jī)、功率分離裝置和電子控制單元(變壓器、變流器)組成。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力被動(dòng)力分離裝置分成兩部分，一部分用來直接驅(qū)動(dòng)車輪，另一部分用來發(fā)電，給電機(jī)供電，給高壓電池充電。

電機(jī)擅長(zhǎng)從低速帶發(fā)力，發(fā)動(dòng)機(jī)擅長(zhǎng)高速帶。該系統(tǒng)可通過理想進(jìn)行控制，在任何情況下都能提供高效的駕駛。

混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)和電池組組成。

控制系統(tǒng)

以計(jì)算機(jī)為核心的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于HEV，包括自適應(yīng)控制技術(shù)(MRAC)、模糊控制技術(shù)、專家控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的各種智能控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于EV、FCEV和HEV，使HEV更加安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適。

能量管理系統(tǒng)采用分級(jí)控制：最上層是車輛能量管理系統(tǒng)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制所有低端控制器;中間層包括五個(gè)低端控制器，分別是發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)控制器、電機(jī)控制器、離合器和制動(dòng)控制器以及電池能量管理系統(tǒng)(BMS)。最底層是各個(gè)執(zhí)行器，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、離合器等部件。

高壓蓄電池

高壓電池組包括高壓電池模塊、電池電腦、系統(tǒng)主繼電器和維修插座，組裝在一個(gè)外殼內(nèi)，布置在后排座椅后面。

電池組的電池部分由28個(gè)模塊串聯(lián)而成，每個(gè)模塊由6節(jié)1.2伏的單體電池串聯(lián)而成，共計(jì)168節(jié)單體電池，從中可獲得201.6伏的高電壓。電池計(jì)算機(jī)將完成以下控制，同時(shí)將充電狀態(tài)保持在適當(dāng)?shù)闹担?

1*4充電狀態(tài)管理

為了保證加速等場(chǎng)合的放電，在減速時(shí)利用制動(dòng)反復(fù)回收電荷，高壓蓄電池會(huì)一直輸出充電狀態(tài)信號(hào)給高壓蓄電池電腦，電腦會(huì)利用充放電電流的累計(jì)值，一直將充電狀態(tài)值控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。

1*5冷卻風(fēng)扇的控制

高壓電池的充放電會(huì)引起自身發(fā)熱。為了保證電池的性能，控制冷卻風(fēng)扇的工作模式。

1*6控制外部充電器

指在使用內(nèi)部充電器充電的過程中，監(jiān)控電池狀態(tài)以確保正常充電的控制。

1*7與空調(diào)通信

通過高壓控制計(jì)算機(jī)，根據(jù)空調(diào)的要求改變冷卻風(fēng)扇的工作模式。

1*8電池狀態(tài)監(jiān)控

監(jiān)控蓄電池的溫度和電壓，當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，通過限制或停止充放電來保護(hù)蓄電池。此外，根據(jù)需要打開報(bào)警燈，并輸出和記憶診斷代碼。

1*9冷卻風(fēng)扇

當(dāng)電池溫度升高時(shí)，冷卻風(fēng)扇會(huì)根據(jù)電池電腦的指令調(diào)節(jié)風(fēng)量。此外，空調(diào)的工作模式可以根據(jù)空調(diào)的需要而改變。

冷卻風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在座椅的右側(cè)。從托架吸入的空氣通過風(fēng)扇被引入電池組的右上方，使得空氣在電池模塊之間從上到下吹動(dòng)以冷卻電池模塊。冷卻后，完成熱交換的空氣從電池組右下方通過后貨艙右側(cè)的排氣管排到后貨艙和車外。

1*10系統(tǒng)主繼電器(SMR)

SMR根據(jù)高壓控制計(jì)算機(jī)的指令接通和切斷高壓電路的電源。加上正負(fù)電極的控制，SMR配備了三個(gè)繼電器，以確保行動(dòng)的可靠性。打開高壓系統(tǒng)時(shí)，首先打開SMR1和SMR3，然后打開SMR2并關(guān)閉SMR1。由于控制電流在開始時(shí)流過附加電阻，所以防止了高壓電流突然加到電路上。斷開電路時(shí)，依次斷開SMR2和SMR3，高壓控制計(jì)算機(jī)將確認(rèn)它們是否已可靠斷開。

維修插頭和逆變器蓋設(shè)有聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，用于檢測(cè)高壓部分的保護(hù)狀態(tài)，自動(dòng)斷開系統(tǒng)主繼電器。當(dāng)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)移動(dòng)時(shí)，儀表板上的主報(bào)警燈亮起，以通知駕駛員和乘客。聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)動(dòng)作后，系統(tǒng)主繼電器每?jī)纱渭せ钜淮危謴?fù)高壓電路。

1*11維修插頭

在檢查和維修時(shí)，應(yīng)拔掉維修插頭，并在高壓電池的中間位置斷開高壓，以確保安全操作。

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 1.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的性能 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)是一種新型電動(dòng)機(jī)，它的結(jié)構(gòu)是所有類型電動(dòng)機(jī)中最簡(jiǎn)單的一種，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上，沒有集電環(huán)、繞組等轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和永久磁鐵。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，只在電動(dòng)機(jī)的定子上安裝有簡(jiǎn)單的集中勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組的端部較短，沒有相間跨接線，磁通量集中于磁極區(qū)，通過定子電流來勵(lì)磁。各組磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置的不同而變化。轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)是依靠磁力來運(yùn)行，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1500r/min。在較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較寬的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)效率可以達(dá)到85%～93%，比三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要高。它的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性好，在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速可靈活控制，調(diào)速控制較簡(jiǎn)單，并可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較低的起動(dòng)功率，功率密度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，可靠性好，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，工作噪聲大，體積比同樣功率的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要大一些。

4.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)(1)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)①高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，低起動(dòng)電流。②高效率，低損耗，耐溫。③電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。④電動(dòng)機(jī)的功率電路簡(jiǎn)單。⑤可靠性好。⑥良好的適應(yīng)性，成本低。(2)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)①轉(zhuǎn)矩有脈動(dòng)現(xiàn)象。②有振動(dòng)與噪聲。③控制系統(tǒng)復(fù)雜。④脈沖電流的影響。

六、電動(dòng)機(jī)的控制 混合動(dòng)力汽車上采用電源-電源轉(zhuǎn)換器-驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，是屬于電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)范疇，因此，對(duì)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制和智能控制的研究，是混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)。 1.混合動(dòng)力汽車電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng) 混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)力控制系統(tǒng)是由動(dòng)力電池組、電流轉(zhuǎn)換器(逆變器)、發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以及-些電氣和線路共同組成，因此流合動(dòng)力汽車的技術(shù)關(guān)鍵是對(duì)動(dòng)力電池組、發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制或智能控制。

插電式混合動(dòng)力汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)的動(dòng)力電池?zé)o論是在容量還是體積方面都小于純電動(dòng)汽車，在純電動(dòng)模式下續(xù)航里程僅為 60 ~ 100km，可通過外接電源進(jìn)行充電。

插電式混合動(dòng)力汽車安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力耦合裝置等。部分車型安裝有雙電機(jī)，一臺(tái)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)車輛，另一臺(tái)電機(jī)用于發(fā)電，以補(bǔ)充動(dòng)力電池能量。插電式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，如大眾高爾夫GTE、途觀LPHEV 車型采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)加七速雙離合器變速器的驅(qū)動(dòng)形式吉利帝豪 PHEV采用雙電機(jī)加行星齒輪組動(dòng)力合形式等。插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)組成如圖25-1~圖25-3所示。

混合動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式，混合動(dòng)力系統(tǒng)可分為串聯(lián)式混合(series hybrid)動(dòng)力系統(tǒng)、并聯(lián)式合(parallel hybrid)動(dòng)力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合(series-parallel hybrid)動(dòng)力系統(tǒng)如圖25-4所示。

插電式混合動(dòng)力車型動(dòng)力電池體積相對(duì)較小，便于布置，一般安裝在后排座椅下方、后備廂內(nèi)或中央扶手箱下部，如圖25-5 所示。

插電式混合動(dòng)力車型動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)組成與純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池相同，由單體電池經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)組成電池模塊，電池模塊再經(jīng)過串聯(lián)并安裝電池管理器、電池冷卻管路及電池殼體等部件組成動(dòng)力電池總成，如圖25-6和圖25-7所示。

動(dòng)力電池在對(duì)外放電或充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致自身溫度過高，如不及時(shí)冷卻會(huì)造成安全隱患，另外鍵離子動(dòng)力電池長(zhǎng)期處于高溫模式下會(huì)對(duì)鯉離子活性造成影響，影響動(dòng)力電池的充放電性能。因此必須設(shè)置安全可靠的電池冷卻系統(tǒng)，目前多采用液冷式冷卻系統(tǒng)。如圖25-8所示為寶馬F18 PHEV動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理。

采用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的車型，驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般與自動(dòng)變速器安裝在一起。裝配行星齒輪式自動(dòng)變速器的插電混合動(dòng)力車型，驅(qū)動(dòng)電機(jī)取代了液力變器。安裝在自動(dòng)變速器殼體內(nèi)，通過一個(gè)分離離合器使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)組件分離，只要分離離合器結(jié)合，電機(jī)、變速器輸入軸和發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖25-9和圖25-10所示。

大眾插電混合動(dòng)力車型(高爾夫 GTE、途觀 LPHEV、帕薩特 GTE)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)加六速雙離合器自動(dòng)變速器的組合方式[圖25-11a)]。電機(jī)安裝在雙離合器總成的前部。整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共有三個(gè)膜片離合器，兩個(gè)行駛離合器 K1和 K2，以及一個(gè)分離離合器 KO。

如圖25-11(b)所示，兩個(gè)行駛離合器K1和K2 將電機(jī)與兩個(gè)分變速箱連接在一起。分離離合器 KO控制電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接。