混合動力車輛中動力系統的參數選擇及研究

俞駿

摘要：隨著現代科技的高速發展，環境污染的情況正在日愈惡劣，因為城市車輛排氣造成的溫室效應現象也嚴重威脅到了人們的生存環境，在目前還未有較好的解決方案的情況下，只能降低城市車輛的尾氣排放量，為了解決這一情況發明了混合式動力汽車，混合式動力汽車對比傳統的內燃機汽車經濟效益更高，在動力系統方面能源轉換性能好，能夠有效解決城市擁擠以及降低尾氣排放，本文就現代三種混合動力車輛的使用情況進行分析，并且從實際應用情況出發，為混合動力車輛的動力系統參數選擇優化提出建議。

Abstract： With the rapid development of modern science and technology， the situation of the environment is becoming worse and worse. The greenhouse effect caused by vehicle exhaust phenomenon is a serious threat to people's living environment. Hybrid vehicle is one of the good solutions to reduce exhaust emissions. Compared with the traditional internal combustion engine， hybrid system has the higher economic benefits and the better energy conversion performance in power system. Which can effectively solve the city congestion and reduce emissions. Hybrid system is analyzed according to the practical application in this paper. Parameter selection and optimization of hybrid electric vehicle power system are proposed.

關鍵詞：參數選擇;動力系統;混合動力車輛

Key words： parameter selection;powertrain;hybrid electric vehicle

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0085-03

1 ?混合動力車輛概述

混合動力車輛的動力系統的功能包括能源存儲、能源轉換和能源傳輸等等，主要設備由發電機、發動機、傳動系三部分作為核心，發電機將原始能量進行轉換，經過驅動裝置直接向發動機提供動力，傳統的內燃機的儲能轉換裝置為油箱，但混合式動力汽車的發電機擁有能源轉換功能，所以可以實現電力轉換和燃油轉換兩種形式的供給，發動機是動力系統中可直接控制車輪的機械能裝置，與發動機緊密相關，而傳動系可以確保整個動力系統各個部件之間的協調配合，其中通過調整發電機與發動機的運行功率值，可以使整個動力系統在滿足負載需求的情況下，能耗維持在一個相對較低的水平（見圖1）。

目前，不同型號的混合動力車輛的動力系統在設計上各有差異，設備之間的優缺點以不同的組合模式區分，在實際使用情況中所觀察到的效果也不同，具體可分為串聯式混合動力車輛，并聯式混合動力車輛以及混連式混合動力車輛。

1.1 串聯式混合動力車輛動力系統控制模式

串聯式混合動力車輛的發電機僅作為發電裝置，產生的能量直接可以供給發動機，而傳動系與兩者之間的連接構成并不復雜，主要由發動機和發電機構成動力系統，傳動系在這其中只是發揮輔助作用，因為構成簡單，所以串聯式混合動力車輛的能源控制模式并不復雜，例如當發動機功率超標時，發電機將會把部分電能轉換到充電狀態，以此來控制發動機的工作狀態，因為這部分的特殊設計，所以串聯式混合動力車輛的蓄電池也可以單獨作為供電系統，蓄電池與發電機之間的協調配合是串聯式混合動力車輛的特點所在。

不過串聯式混合動力車輛的動力系統雖然具備了高性能、高容量和高質量的三大特點，并且實際操控非常簡單，但是缺點在于動力系統相關的設備安裝困難，并且因為通過優化發電機與發動機的連接方式，所以傳動系的能源轉換功能并不能有效的發揮，在能源轉換方面主要由發電機負責，這就導致熱能極大部分會在工作過程中被轉換為機械能，串聯式混合動力車輛的燃油消耗量會大幅提升。

串聯式混合動力系統的圖示如圖2。

1.2 并聯式混合動力車輛動力系統控制模式

并聯式混合動力車輛的動力系統擁有許多機電控制部件作為輔助，核心部件與串聯式混合動力車輛相同，但是在設計方向上有所出入，并聯式混合動力車輛的動力系統構成較為復雜，與驅動系統的部分裝置直接連接，例如發動機與驅動軸就是直接進行支架連接，所以可以組合成多個高能耗的動態模型。

并聯式混合動力系統的圖示如圖3。

由于發動機與驅動軸是直接相連的，所以并聯式混合動力車輛的發電機同樣可以作為推進系統中的一環，當發動機進入工作狀態時，為整車提供的動力會通過驅動軸更好地發揮性能，發動機的負載條件好，使其可以在更高的功率區間進行工作，加速性能與爬坡性能更加優秀。

1.3 混連式混合動力車輛動力系統控制模式

混連式混合動力車輛動力系統的工作性能結合了串聯式混合動力車輛與并聯式混合動力車輛的特點，發電機機械能的功能途徑增加（多于串聯式），電能的傳輸路線增加（多于并聯式），這部分設計讓混連式混合動力車輛的整體性能最佳，實際使用過程中的特點體現在低速啟動時或是正常運行時會將發動機關閉，依靠發電機與驅動裝置結合而成的電動機設備進行驅動，從而可以有效節能，具有極高的經濟效益。

混連式混合動力系統的圖示如圖4。

混連式混合動力車輛的發電機與發動機之間的連接特點在于采用了行星齒輪，行星齒輪在機械連接方面精密性強，穩定性高，比起一般的支架結構更為堅固，連接部位不容易出現斷裂或松懈的情況，將行星齒輪應用于發動機與發電機的結構之間，能夠讓動力系統與驅動裝置以及變速器之間的協調性大大提升，而發動機與驅動軸直接對應，這樣就可以增強車輛的驅動性能，不過因為連接方式過于復雜，動力系統需要更多的支架部件作為輔助，所以安裝起來極其困難，整體設計尤為繁瑣。

2 ?混合動力車輛不同類型之間的動力系統使用情況

通過不同類型的混合動力車輛的動力系統特點以及實際工作狀態，可以了解到設計方面不同的優勢與劣勢，基于這種情況才能合理進行動力系統的結構分析，采取科學直觀的比較方法來制定混合動力車輛動力系統的參數選擇優先事項。

2.1 串聯式混合動力車輛的工作狀態有以下常見四種分類

①當車輛處于正常行駛或是加速的狀態時（功率不超標），串聯式混合動力車輛的發電機獨立向動力系統提供能源，特殊情況下會與蓄電池一同發電，在這個過程中兩者需要能源轉換器作為中間協調，部分機械能通過轉換器可以轉換為電能，以此起到節能功效。

②當車輛處于慢行或是輕載狀態時，對于驅動車輪的發動機功率要求不高，所以發電機供電電壓較低，就會配合發動機的功率而將能源供給蓄電池充電，當串聯式混合汽車的蓄電池容量達標后會自行停止。

③當車輛制動或是減速時，串聯式混合動力車輛的發電機發電功率在短時間內會呈現出大幅降低的情況，降低以后會配合發動機的功率而將能源供給蓄電池，這就是車輛的串聯混合動力系統的性能特點，以此達到節能目的，雖然其它類型的混合動力車輛同樣具備這個功能，但串聯式混合動力車輛的作用更加靈敏。

④當車輛處于停止狀態時，用戶可以通過蓄電池儲能情況，啟動發電機，向發動機提供電力，期間因為發動機功率提升會需要功率轉換器作為緩沖，以保障串聯式混合電動車的使用安全。

主要動力分配如圖5所示。

2.2 并聯式混合動力車輛的工作狀態有以下常見幾類

①當車輛處于正常行駛或是輕載狀態時，并聯式混合動力車輛的發動機獨立工作，功率提升較大時需要發電機一起進行車輛驅動，一般狀態下發電機不會參與驅動工作。

②當車輛處于緊急制動或是慢行時，發動機功率過低，能源轉換器發揮作用，將發電機的部分能源轉換到蓄電池進行充電。

③當車輛處于快行或是重載狀態，并聯式混合動力車輛的發動機功率大幅提升，發電機在提供能源的同時參與驅動工作。

主要動力分配如圖6所示。

2.3 混連式混合動力車輛的工作狀態有以下常見四種分類

①當車輛處于正常行駛或是輕載狀態時，混連式混合動力車輛的發電機可以完全關閉，僅僅依靠蓄電池的電能容量進行工作即可，能源消耗低，或是蓄電池關閉，發電機負責主要供能。

②當混連式混合動力車輛進行加速時，動力系統會聯合起來一同負責進行車輛驅動，能夠更為平均的承擔車輛所需要的驅動動力。

③當車輛處于慢行狀態時，混連式混合動力車輛的發電機因為發動機功率過低，會將大部分電源轉換到蓄電池充電模式。

④當車輛處于停車狀態時，表盤會顯示出蓄電池的電源情況，司機可以以此作為參考，選擇合適的發動機啟動功率作為不同動力輸出模式的切換條件。

主要動力分配如圖7所示。

3 ?混合動力車輛動力系統參數分析

3.1 發動機參數選擇考慮因素

發動機作為核心功能裝置，是混合動力車輛驅動的關鍵部件，發動機的參數選擇應當選擇扭矩范圍小的型號，因為扭矩范圍小在驅動過程中轉速快，運行效果更有效率，發動機主要由電氣設備與控制部件組成，其性能質量會對車輛的動態運行起到直接影響的關系，選擇發動機參數的考慮因素應當以控制穩定作為基礎，然后再去考慮設備運行的高功率與高密度。

如何判斷發動機的性能指標具體可以參考生產方提供的最高速度，最高速度能夠較為直觀的反應發動機的加速能力與驅動能力，對于使用需求的功率有著一定的保障。一般發動機的選型，先參考整車的性能要求來確定發動機的最大功率及相應的轉速。發動機的參數選擇流程參考圖8。

3.2 發電機參數選擇考慮因素

發電機在動力系統中作為主要能源供給部件，其地位不言而喻，因為發電機與驅動系統有著直接的機構連接關系，所以在工作過程中可以將一部分機械能轉換成電能，必要時通過能源轉換器對蓄電池進行充電，而且其本身還屬于驅動裝置的一環可以獨立工作，所以關于發電機的參數選擇，首要應當關注發電機的發電效率，然后再到型號體積，因為較高的發電效率對于車輛驅動而言能夠擁有更多的能源供給，而體積較小的發動機尺寸在進行機械連接方面更為輕巧便捷，能夠有效提高能源傳輸特性，除此之外，發電機的參數選擇還需要考慮發動機的參數是如何選擇的，要以發動機的功率參數作為基礎，二者之間協調統一才能發揮經濟效益。一般選發電機都是先確認總的負載功率，再選定發電機的額定功率來維持整個互動系統運行（見圖9）。

3.3 蓄電池類型以及參數選擇考慮因素

蓄電池主要作用于能源存儲功能，配合發電機一起為混合動力車輛一起供能，其與能源轉換裝置緊密聯系，可以在儲存能源的同時進行能源轉換，例如在前文中提及到三種類型混合動力車輛中都可以看出，不同狀態下蓄電池與發電機的工作模式也會同時變化，而關于蓄電池的選型主要以電池容量與性能作為參考即可，例如現在所開發出來的鉛酸蓄電池是最佳的選型之一，優點在于成本低，工藝可靠以及電壓高與容量大等等，適用于發電機進行功率轉換時的能源輸出，因為鉛酸蓄電池擁有較為良好的耐高溫性能，并且在發電機給蓄電池進行充電時候的速度更快，除此之外，關于蓄電池參數選擇具體可以參考電池容量，電池容量越大說明能量儲存能力也越強，但是蓄電池的容量越大也意味著體積相應要增大，因此需要綜合考慮到整體動力系統的布置設計進行選擇，配合發電機相互協調從全局出發。

電池的選擇因素有很多，圖10可作為參考。

4 ?總結

混動動力系統的參數選擇需要結合系統實際運行需求確認，其最終目的是通過調整混合動力系統中的參數，在系統運行的全過程中，保證混合動力系統中的各單元持續按照最佳經濟性的輸出比例進行工作，達到整體系統的最低能耗。

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