阅读本文需要一定的英语基础以及车辆知识。
随着石油等传统不可再生能源的短缺以及日益严峻的环境问题,新能源汽车的发展既是大势所趋,也是历史的必然。
混合动力汽车(Hybridelectricvehicle,HEV):是指除了发动机还拥有其他动力源的汽车,也称为新能源汽车,常见的搭配为:发动机+锂电池。混动技术历经三十多年的发展,技术已较成熟、固定,按照其提供动力方式又可分为:串联式(增程式)、并联式和混联式[1]。按其动力混合的程度又可分为:弱混(12V)、中混(48V)、强混(300+V)。根据电机的位置不同,又可分为:P0,P1,P2,P3,P4。这三种不同的拓扑结构均有代表性的车企及相关车型。
一、按其提供动力的方式
1.串联式(增程式),目前主要是理想汽车主推,实际上是以发动机作为电池的充电宝,不参与驱动车辆行驶,只负责带动发电机给电池充电。
工作模式:纯电
评价:发动机作为发电机给动力电池供电、电机直接驱动传动系统、在低速有优势(由电机工作特性决定)
代表性车企:日产e-power,理想汽车
控制策略(能量管理策略):较简单,更多关注锂电池的输入/输出
对于串联式汽车,笔者一直有一个疑问,发动机热效率普遍不超过45%,算是低效率,用一个低效的方式燃烧不可再生的汽油/柴油给锂电池充电,这样值得吗?总觉得如果可以反过来会合适一点,只是个人的疑问。
2.并联式结构,即发动机和电池独立提供动力,汽车既可由发动机驱动又可由电机驱动。
代表性车企:本田i-MA
评价:发动机、电机可分别或联合驱动车轮,提高燃油经济性,高速时有优势。
工作模式:纯电动、传统发动机驱动、混合驱动模式、电池充电、再生制动(制动能量回收)
控制策略(能量管理策略):相较于串联式结构,复杂一些,需考虑电池和发动机的功率分配和工作时机问题,特别是发动机由于还有一个燃油消耗曲线图,故还需要考虑尽量使发动机工作在最优工作曲线上(即耗油量较低的曲线)
3.混联式结构,结构最为复杂,工作模式最多,导致相应的控制策略也更为复杂和多变。
搭载丰田THS混动系统,于1997年上市的丰田普锐斯(Prius)是一款经典的功率分流型混动车,其结构如下:
评价:结合串并联的优点,串联在低速时高效,并联在高速时高效,减少发动机和电机的大小(功率)
工作模式:既拥有串联的模式,也有并联的模式,还可以串并联结合
代表性车企:丰田(THS)、本田(i-MMD)、现代TMED、比亚迪。
控制策略(能量管理策略):最为复杂,由于其工作模式多样,同时优化目标也较多(节能、延长寿命、提高效率等),策略的复杂度较高。
此外,还有一种常见的结构:插电式混合动力汽车(plug-inHEV,PHEV),即在HEV的基础上增加了充电装置,如下图所示:
上述几种结构的优缺点总结如下表:
二、按动力混合的程度
按照动力混合的程度,简单介绍下弱混、中混、强混。如下表所示
弱混一般是作为发动机的起动机使用,电压12V左右
2.中混
电压在48V左右
3.强混
电机参与驱动车辆行驶,其电压在300V以上。
三、按电机的位置不同
电机安装在发动机前端,通过皮带与发动机相连(也称为起动机)
2.P1
电机位于发动机后端(飞轮侧),与曲轴相连(即启动发电一体机,ISG)
3.P2
电机位于离合器和变速箱之间,既可辅助发动机驱动车辆,也可通过变速器直接驱动车辆实现纯电行驶。
4.P3
电机位于变速器后端,与主减速器相连,可直接驱动车辆以纯电的方式行驶
5.P4
电机布置在车辆前桥或后桥(即前轴或后轴)上,其可直接以纯电的方式驱动车轮。
小结:混动汽车拥有较复杂的动力系统架构,那么如何协调不同的动力源使得其较好的工作(或者说节能减排、提高系统效率、延长使用寿命)则是一个需要去解决的难题,因此,能量管理策略的出现就是为了解决该问题,在下一次专栏中,笔者将对当前常用的能量管理策略进行介绍。做个预告,目前能量管理策略可以分为基于规则、基于优化、基于机器学习的能量管理策略,下一节将介绍基于规则的能量管理策略。
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参考资料:
[1]TranDD,VafaeipourM,ElBaghdadiM,etal.Thoroughstate-of-the-artanalysisofelectricandhybridvehiclepowertrains:Topologiesandintegratedenergymanagementstrategies[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,2020,119.
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