混合动力车辆中动力系统的参数选择及研究

俞骏

摘要：随着现代科技的高速发展，环境污染的情况正在日愈恶劣，因为城市车辆排气造成的温室效应现象也严重威胁到了人们的生存环境，在目前还未有较好的解决方案的情况下，只能降低城市车辆的尾气排放量，为了解决这一情况发明了混合式动力汽车，混合式动力汽车对比传统的内燃机汽车经济效益更高，在动力系统方面能源转换性能好，能够有效解决城市拥挤以及降低尾气排放，本文就现代三种混合动力车辆的使用情况进行分析，并且从实际应用情况出发，为混合动力车辆的动力系统参数选择优化提出建议。

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.

關键词：参数选择;动力系统;混合动力车辆

Key words： parameter selection;powertrain;hybrid electric vehicle

中图分类号：U472.43                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0085-03

1  混合动力车辆概述

混合动力车辆的动力系统的功能包括能源存储、能源转换和能源传输等等，主要设备由发电机、发动机、传动系三部分作为核心，发电机将原始能量进行转换，经过驱动装置直接向发动机提供动力，传统的内燃机的储能转换装置为油箱，但混合式动力汽车的发电机拥有能源转换功能，所以可以实现电力转换和燃油转换两种形式的供给，发动机是动力系统中可直接控制车轮的机械能装置，与发动机紧密相关，而传动系可以确保整个动力系统各个部件之间的协调配合，其中通过调整发电机与发动机的运行功率值，可以使整个动力系统在满足负载需求的情况下，能耗维持在一个相对较低的水平（见图1）。

目前，不同型号的混合动力车辆的动力系统在设计上各有差异，设备之间的优缺点以不同的组合模式区分，在实际使用情况中所观察到的效果也不同，具体可分为串联式混合动力车辆，并联式混合动力车辆以及混连式混合动力车辆。

1.1 串联式混合动力车辆动力系统控制模式

串联式混合动力车辆的发电机仅作为发电装置，产生的能量直接可以供给发动机，而传动系与两者之间的连接构成并不复杂，主要由发动机和发电机构成动力系统，传动系在这其中只是发挥辅助作用，因为构成简单，所以串联式混合动力车辆的能源控制模式并不复杂，例如当发动机功率超标时，发电机将会把部分电能转换到充电状态，以此来控制发动机的工作状态，因为这部分的特殊设计，所以串联式混合动力车辆的蓄电池也可以单独作为供电系统，蓄电池与发电机之间的协调配合是串联式混合动力车辆的特点所在。

不过串联式混合动力车辆的动力系统虽然具备了高性能、高容量和高质量的三大特点，并且实际操控非常简单，但是缺点在于动力系统相关的设备安装困难，并且因为通过优化发电机与发动机的连接方式，所以传动系的能源转换功能并不能有效的发挥，在能源转换方面主要由发电机负责，这就导致热能极大部分会在工作过程中被转换为机械能，串联式混合动力车辆的燃油消耗量会大幅提升。

串联式混合动力系统的图示如图2。

1.2 并联式混合动力车辆动力系统控制模式

并联式混合动力车辆的动力系统拥有许多机电控制部件作为辅助，核心部件与串联式混合动力车辆相同，但是在设计方向上有所出入，并联式混合动力车辆的动力系统构成较为复杂，与驱动系统的部分装置直接连接，例如发动机与驱动轴就是直接进行支架连接，所以可以组合成多个高能耗的动态模型。

并联式混合动力系统的图示如图3。

由于发动机与驱动轴是直接相连的，所以并联式混合动力车辆的发电机同样可以作为推进系统中的一环，当发动机进入工作状态时，为整车提供的动力会通过驱动轴更好地发挥性能，发动机的负载条件好，使其可以在更高的功率区间进行工作，加速性能与爬坡性能更加优秀。

1.3 混连式混合动力车辆动力系统控制模式

混连式混合动力车辆动力系统的工作性能结合了串联式混合动力车辆与并联式混合动力车辆的特点，发电机机械能的功能途径增加（多于串联式），电能的传输路线增加（多于并联式），这部分设计让混连式混合动力车辆的整体性能最佳，实际使用过程中的特点体现在低速启动时或是正常运行时会将发动机关闭，依靠发电机与驱动装置结合而成的电动机设备进行驱动，从而可以有效节能，具有极高的经济效益。

混连式混合动力系统的图示如图4。

混连式混合动力车辆的发电机与发动机之间的连接特点在于采用了行星齿轮，行星齿轮在机械连接方面精密性强，稳定性高，比起一般的支架结构更为坚固，连接部位不容易出现断裂或松懈的情况，将行星齿轮应用于发动机与发电机的结构之间，能够让动力系统与驱动装置以及变速器之间的协调性大大提升，而发动机与驱动轴直接对应，这样就可以增强车辆的驱动性能，不过因为连接方式过于复杂，动力系统需要更多的支架部件作为辅助，所以安装起来极其困难，整体设计尤为繁琐。

2  混合动力车辆不同类型之间的动力系统使用情况

通过不同类型的混合动力车辆的动力系统特点以及实际工作状态，可以了解到设计方面不同的优势与劣势，基于这种情况才能合理进行动力系统的结构分析，采取科學直观的比较方法来制定混合动力车辆动力系统的参数选择优先事项。

2.1 串联式混合动力车辆的工作状态有以下常见四种分类

①当车辆处于正常行驶或是加速的状态时（功率不超标），串联式混合动力车辆的发电机独立向动力系统提供能源，特殊情况下会与蓄电池一同发电，在这个过程中两者需要能源转换器作为中间协调，部分机械能通过转换器可以转换为电能，以此起到节能功效。

②当车辆处于慢行或是轻载状态时，对于驱动车轮的发动机功率要求不高，所以发电机供电电压较低，就会配合发动机的功率而将能源供给蓄电池充电，当串联式混合汽车的蓄电池容量达标后会自行停止。

③当车辆制动或是减速时，串联式混合动力车辆的发电机发电功率在短时间内会呈现出大幅降低的情况，降低以后会配合发动机的功率而将能源供给蓄电池，这就是车辆的串联混合动力系统的性能特点，以此达到节能目的，虽然其它类型的混合动力车辆同样具备这个功能，但串联式混合动力车辆的作用更加灵敏。

④当车辆处于停止状态时，用户可以通过蓄电池储能情况，启动发电机，向发动机提供电力，期间因为发动机功率提升会需要功率转换器作为缓冲，以保障串联式混合电动车的使用安全。

主要动力分配如图5所示。

2.2 并联式混合动力车辆的工作状态有以下常见几类

①当车辆处于正常行驶或是轻载状态时，并联式混合动力车辆的发动机独立工作，功率提升较大时需要发电机一起进行车辆驱动，一般状态下发电机不会参与驱动工作。

②当车辆处于紧急制动或是慢行时，发动机功率过低，能源转换器发挥作用，将发电机的部分能源转换到蓄电池进行充电。

③当车辆处于快行或是重载状态，并联式混合动力车辆的发动机功率大幅提升，发电机在提供能源的同时参与驱动工作。

主要动力分配如图6所示。

2.3 混连式混合动力车辆的工作状态有以下常见四种分类

①当车辆处于正常行驶或是轻载状态时，混连式混合动力车辆的发电机可以完全关闭，仅仅依靠蓄电池的电能容量进行工作即可，能源消耗低，或是蓄电池关闭，发电机负责主要供能。

②当混连式混合动力车辆进行加速时，动力系统会联合起来一同负责进行车辆驱动，能够更为平均的承担车辆所需要的驱动动力。

③当车辆处于慢行状态时，混连式混合动力车辆的发电机因为发动机功率过低，会将大部分电源转换到蓄电池充电模式。

④当车辆处于停车状态时，表盘会显示出蓄电池的电源情况，司机可以以此作为参考，选择合适的发动机启动功率作为不同动力输出模式的切换条件。

主要动力分配如图7所示。

3  混合动力车辆动力系统参数分析

3.1 发动机参数选择考虑因素

发动机作为核心功能装置，是混合动力车辆驱动的关键部件，发动机的参数选择应当选择扭矩范围小的型号，因为扭矩范围小在驱动过程中转速快，运行效果更有效率，发动机主要由电气设备与控制部件组成，其性能质量会对车辆的动态运行起到直接影响的关系，选择发动机参数的考虑因素应当以控制稳定作为基础，然后再去考虑设备运行的高功率与高密度。

如何判断发动机的性能指标具体可以参考生产方提供的最高速度，最高速度能够较为直观的反应发动机的加速能力与驱动能力，对于使用需求的功率有着一定的保障。一般发动机的选型，先参考整车的性能要求来确定发动机的最大功率及相应的转速。发动机的参数选择流程参考图8。

3.2 发电机参数选择考虑因素

发电机在动力系统中作为主要能源供给部件，其地位不言而喻，因为发电机与驱动系统有着直接的机构连接关系，所以在工作过程中可以将一部分机械能转换成电能，必要时通过能源转换器对蓄电池进行充电，而且其本身还属于驱动装置的一环可以独立工作，所以关于发电机的参数选择，首要应当关注发电机的发电效率，然后再到型号体积，因为较高的发电效率对于车辆驱动而言能够拥有更多的能源供给，而体积较小的发动机尺寸在进行机械连接方面更为轻巧便捷，能够有效提高能源传输特性，除此之外，发电机的参数选择还需要考虑发动机的参数是如何选择的，要以发动机的功率参数作为基础，二者之间协调统一才能发挥经济效益。一般选发电机都是先确认总的负载功率，再选定发电机的额定功率来维持整个互动系统运行（见图9）。

3.3 蓄电池类型以及参数选择考虑因素

蓄电池主要作用于能源存储功能，配合发电机一起为混合动力车辆一起供能，其与能源转换装置紧密联系，可以在储存能源的同时进行能源转换，例如在前文中提及到三种类型混合动力车辆中都可以看出，不同状态下蓄电池与发电机的工作模式也会同时变化，而关于蓄电池的选型主要以电池容量与性能作为参考即可，例如现在所开发出来的铅酸蓄电池是最佳的选型之一，优点在于成本低，工艺可靠以及电压高与容量大等等，适用于发电机进行功率转换时的能源输出，因为铅酸蓄电池拥有较为良好的耐高温性能，并且在发电机给蓄电池进行充电时候的速度更快，除此之外，关于蓄电池参数选择具体可以参考电池容量，电池容量越大说明能量储存能力也越强，但是蓄电池的容量越大也意味着体积相应要增大，因此需要综合考虑到整体动力系统的布置设计进行选择，配合发电机相互协调从全局出发。

电池的选择因素有很多，图10可作为参考。

4  总结

混动动力系统的参数选择需要结合系统实际运行需求确认，其最终目的是通过调整混合动力系统中的参数，在系统运行的全过程中，保证混合动力系统中的各单元持续按照最佳经济性的输出比例进行工作，达到整体系统的最低能耗。

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