降低内燃机能耗与排放的混合动力系统研究

袁 清，李 强，赵国强，连凤霞，张佳骥

（潍柴动力股份有限公司新科技研究院电控技术部，山东 潍坊 261000）

1 引言

现代生活中，汽车成为人们不可或缺的一部分， 车辆的购买数量也在逐年递增，直接导致的问题就是尾气排放加重，燃油消耗增多。为了响应法规要求，减少大气中二氧化碳的排放量，各个研究机构及企业针对内燃机的能耗与排放问题加大了研究力度。而在未来很长的一段时间内，内燃机车辆依然难以被完全取代，而单纯的电动汽车在行驶里程上又很难达标，产业升级难以实现，因此，目前主要的研究趋势就是希望在内燃机的基础上利用新能源技术来发展节能技术，在这样的背景下，混合动力技术应运而生，其有效结合了传统车辆与电动车辆二者的优点，并且巧妙规避其缺点，在实现新能源高效利用的同时，保证能源节约，对于车辆的节能减排非常科学合理，助力很大，可实现社会可持续发展的目标。表1给出了各个类型动力汽车的性能比较。

2 混合动力系统节能思想

本文讨论的混合动力系统是指车辆在原有的内燃机的基础上以电池和电机作为辅助动力源，进而对车辆进行驱动的系统，内燃机和电机既可单独又可共同对车辆进行驱动，其具体的行驶动力根据当前的行车状态和行车工况决定。该系统相比于传统的燃油车，可提高车辆的燃油经济性，降低尾气排放，其主要原理可归结为以下几点。

表1 各种类型动力汽车的性能比较

第一，混合动力汽车允许采用较小的发动机来满足整车的巡航功能，相比于纯内燃机车辆来说，提高了发动机的负荷率，对于爬坡或者加速等其他行车工况可利用另一动力源电机作为辅助动力。

第二，传统内燃机车辆，在市内行车工况经常需要发动机怠速造成不必要的燃油消耗和尾气排放，而混合动力车辆由于增加了电机电池，可避免上述情况，实现怠速停机和再生能量回收。

第三，可以调节电机的转速来辅助内燃机的工作落点更多地落在高效和低污染的区域内运行，当行车所需功率大于内燃机可提供功率时，缺少的功率可由辅助动力源电机来进行补充；当行车工况所需功率小于发动机提供的功率时，剩余功率可通过发电机给车辆电池进行充电，从而可实现内燃机能耗与排放的降低。

混合动力系统根据结构的不同，被分为串联式混动系统、并联式混动系统和混联式混动系统，下面将从节能角度分别对其进行介绍。

2.1 串联式混合动力系统

如图1所示，串联式混合动力系统由蓄电池、控制器、发动机、发电机和电动机等组成，其中，蓄电池提供的电能通过控制器提供给电动机，发动机驱使发电机产生电能，通过控制器同样提供给电动机，电能通过电动机转换为机械能传输给驱动轮。由于发动机和驱动轮之间没有机械连接，进而在发动机的转速扭矩图上可通过调节使发动机落在任意工作点上，因此可根据实际工况来控制发动机总是工作在最优工作区间，以此来减小内燃机的能耗与排放。

图1 串联式混合动力系统

2.2 并联式混合动力系统

如图2所示，并联式混合动力系统由蓄电池、控制器、电动机、发动机、变速器等组成，车辆行驶所需要的动力既可以由发动机来单独提供，也可以由电动机单独提供，或者是两个动力源共同进行提供。

对于并联混合动力系统来说，其实现节能的主要方式就是对车辆行驶过程中的制动能量通过电机进行回收并存储到储能系统当中；传统的纯内燃机车辆，驾驶员通过控制车辆的油门踏板开度来直接控制内燃机的输出扭矩，车辆制动时，大量的动能通过摩擦片等转换为热能消耗掉了，造成了能源浪费；而对于并联混动车辆来说，驾驶员通过车辆的油门踏板控制的是两动力源共同的输出扭矩，之前制动回收所存储的能量被利用来驱动车辆行驶，减少了发动机的负荷，提升了内燃机的燃油经济性，进而通过新能源手段实现内燃机的节能减排功能。

图2 并联式混合动力系统

2.3 混联式混合动力系统

图3 混联式混合动力系统

如图3所示，混联式混合动力系统由蓄电池、控制器、电动机、发电机、发动机、行星齿轮组等构成，其中，发动机所产生的动力经过行星齿轮组后被分流到机械通道和电力通道。在机械通道上，发动机直接将动力用来驱动车辆的行驶，在电力通道上，发动机产生的动力通过发电机转换成电能输出给控制器，控制器控制电动机输出动力进而驱动车辆。发动机产生的电力传输通道与蓄电池以电力方式形成了动力耦合，传输方式为串联；发动机产生的机械通道与电动机产生的动力以机械方式形成了动力耦合，传输方式为并联，因此称该系统为混联式混动系统。

对于混联式混合动力系统来说，其主要的节能思想为通过调节内燃机的工作点来降低燃油消耗和尾气排放。内燃机的最佳燃油工作区主要是集中在中速中负荷区，其他区域工作效率则比较低。混联系统的主要思想是：当内燃机工作在低速低负荷区域时，通过ISG发电来提高发动机的工作点；当内燃机工作在高速高负荷区域时，此时利用另一动力源电机来进行车辆动力辅助，进而降低内燃机的工作点，使内燃机更多可能地工作在最佳工作区，以此降低能耗与车辆的尾气排放。

总结来说，混合动力系统是在传统内燃机的基础上，结合新能源技术来实现再生制动能量回收、消除内燃机怠速、内燃机小型化和内燃机工作点调节，以此来实现降低内燃机能耗与排放的目的。

3 混合动力专用变速器DHT

变速器作为汽车的核心组成部件，对整车的能耗有着重要影响。本文在并联混合动力车的基础上，介绍一种新型混合动力技术，旨在通过全新开发的双输入AMT（Automated Mechanical Transmission）变速器以及空心轴电机来进一步辅助降低内燃机的能耗与排放，从而提升车辆动力总成在动力性、经济性、舒适性等方面的竞争力。

3.1 变速器整体方案

图4所示为DHT混合动力系统结构示意图。

该变速器采用2×3挡双输入AMT，发动机2个挡，电机3个挡，只有2组换挡齿轮。该结构主要特点是在车辆换挡过程中可实现动力不中断、换挡速度快、次数少、以及效率高和低油耗等。

图4 DHT混合动力系统结构示意图

如图4所示，挂挡机构①所控挡位为发动机和电机的共用挡位，采用同步器结构，挂挡机构②所控挡位为电机专用挡位，采用滑套结构；其换挡机构为2组，发动机总挡位数为2，由0车速至最高车速只需换挡一次，换挡次数少，舒适性高；同时由电机反转来实现倒车功能；换挡机构①和②之间相互独立，因此在①控制发动机换挡的同时，机构②可控制电机在工作在纯电动3挡 （直驱挡）持续输出动力，实现换挡过程中的动力不中断；换挡机构①和②由于没有选挡过程，因此换挡速度也较快；变速器由于齿轮组减少，阻力降低，所以电机可以挂空挡，没有转动惯量；该变速器的设计使得动力总成的匹配度较好，有利于在原有基础上进一步降低内燃机能耗。

3.2 DHT混合动力系统换挡过程

图5为根据车辆的行车速度进行挂挡的过程，从图中可看出，在车速为0至第1车速区间时，此时发动机为空挡，电机1挡，为第1传动比；在车速为第1车速至第2车速区间时，此时需要发动机进行动力提供，在发动机由空挡变为1挡的过程中，电机保持第1传动比进行动力传输，实现换挡过程动力不中断；在该车速期间，发动机转速为第1转速区间，电机以第1传动比或是直驱助力；在车速为第2至第3车速区间时，发动机为2挡传动，转速区间为第2转速区间，电机以第2传动比或者直驱进行动力传输；在车速第3至第4车速区间时，发动机2挡提供动力，转速区间为第3转速区间，电机采用直驱助力。

图5 DHT系统换挡过程

本文以1挡升2挡为例给出升挡过程的结构示意图，如图6～图12所示。

图6 1挡→2挡过程1示意图

表2为通过CCBC工况仿真实验给出的不同配置下混合动力系统车辆在行车过程中各项性能的对比值。从表中可以看出，采用DHT变速器的混动系统相比于其他系统可进一步降低内燃机的能耗，实现节能效果。

图7 1挡→2挡过程2示意图

4 总结

图8 1挡→2挡过程3示意图

图9 1挡→2挡过程4示意图

图10 1挡→2挡过程5示意图

图11 1挡→2挡过程6示意图

本文以降低内燃机能耗和排放为宗旨，以新能源的视角出发，分别分析了以电机电池为辅助能源的串联式混合动力系统、并联式混合动力系统和混联式混合动力系统对降低内燃机能耗与排放所起到的作用；另外在混合动力系统的基础上，介绍了一种新型的混合动力专用变速器DHT，给出了该变速器的整体方案以及采用该变速器的混动系统换挡的详细过程图，通过计算给出了不同配置下的混动系统行车过程中各性能的对比值，证明了采用DHT的混合动力系统相比于原有的混合动力系统可以进一步辅助降低内燃机的能耗与排放，提升车辆动力总成的竞争力。

图12 1挡→2挡过程7示意图

表2 CCBC性能试验对比图