混合動(dòng)力車（HEV）系統(tǒng)及控制方式剖析

     混合動(dòng)力車（HEV）系統(tǒng)完美融合了發(fā)動(dòng)機(jī)汽車和電動(dòng)汽車（EV）的技術(shù)，對(duì)EV采用的馬達(dá)及電池技術(shù)進(jìn)行了充分利用。EV盡管從汽車?yán)杳髌诰鸵殉霈F(xiàn)，并在1900年以前達(dá)到了實(shí)用水平，但迄今為止一直未能實(shí)現(xiàn)全面普及。

　　在第二次世界大戰(zhàn)后的汽油緊缺時(shí)期，EV作為替代能源汽車開始在日本上市。1949年日本國(guó)內(nèi)EV產(chǎn)量達(dá)到3299輛，占到當(dāng)時(shí)日本汽車保有量的3％。但是，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)汽車的改進(jìn)以及加油站的普及，EV的勢(shì)頭開始在日本逐漸衰退。

　　之后，汽車業(yè)界從1971年起將EV定位于環(huán)保汽車展開了開發(fā)。當(dāng)時(shí)日本的通商產(chǎn)業(yè)省工業(yè)技術(shù)院利用大型項(xiàng)目制度（由汽車、電機(jī)及電池廠商參加）啟動(dòng)了EV的研發(fā)，眾多汽車廠商及部件廠商投入了極大的精力。但在1980年以后，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)汽車尾氣凈化技術(shù)的進(jìn)步，EV再次消失了蹤影。

　　在20年過后的1990年，美國(guó)加利福尼亞州制定了尾氣排放規(guī)定“ZEV法案”（零排放車輛法）。當(dāng)時(shí)，除了EV以外，沒有任何一種汽車能夠達(dá)到這一規(guī)定，因此EV的開發(fā)再一次被啟動(dòng)。

　　ZEV法案的實(shí)施時(shí)間為1998年，由于必須要銷售規(guī)定比例的EV，因此各公司開始奮力開發(fā)。但是該規(guī)定并未按期實(shí)行，最終以數(shù)年的限量生產(chǎn)而告終。

　　采用EV要素技術(shù)的HEV

　　如上所述，EV存在行駛距離、充電時(shí)間及成本方面的課題，迄今只在叉車等特定用途領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了普及。

　　而解決了EV的上述課題，燃效比發(fā)動(dòng)機(jī)汽車出色且實(shí)現(xiàn)了低排放的汽車就是1990年下半年面市的HEV。豐田于1997年上市了“普銳斯（Prius）”，本田也于1999年推出了“Insight”。

　　這些HEV采用了為符合ZEV法案而開發(fā)的EV要素技術(shù)。尤其是鎳氫充電電池，在1996年實(shí)用化的豐田“RAV4EV”及本田“EV PLUS”上得到了采用。由于有助于延長(zhǎng)EV的持續(xù)行駛距離，因此即使說HEV沒有鎳氫充電電池就無法實(shí)現(xiàn)也不為過。另外，不僅是電池，為EV開發(fā)的使用稀土類磁鐵的永久磁鐵（PM）式同步馬達(dá)也為HEV性能的提高做出了貢獻(xiàn)。

　　在介紹HEV的系統(tǒng)之前，先來談?wù)劄榉蟌EV法案而開發(fā)的EV。圖1列出了豐田RAV4 EV的系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)根據(jù)油門傳感器檢測(cè)的踩入量，由EV·ECU（電子控制單元）控制逆變器，驅(qū)動(dòng)行駛馬達(dá)。馬達(dá)采用永久磁鐵式馬達(dá)。

圖1：豐田“RAV4 EV”的系統(tǒng)構(gòu)成 1996年實(shí)用化的、配備鎳氫充電電池的EV。

　　驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電池采用288V鎳氫充電電池，通過用電池ECU和EV·ECU監(jiān)測(cè)充放電狀態(tài)來隨時(shí)計(jì)算行駛時(shí)的剩余容量。為電池充電時(shí)利用車載充電器通過交流200V商用電源進(jìn)行。以下將驅(qū)動(dòng)行駛馬達(dá)的高電壓充電電池稱為主電池，將輔助驅(qū)動(dòng)用充電電池稱為12V電池。

　　在EV行駛控制中，根據(jù)油門開度、制動(dòng)信號(hào)、檔位及車速等信息，利用驅(qū)動(dòng)扭矩圖來決定所需要的車輛驅(qū)動(dòng)扭矩。由EV·ECU的車輛控制部向馬達(dá)控制部發(fā)出扭矩指令，通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)向逆變器傳輸指令。馬達(dá)控制采用加速或正常行駛時(shí)用作電動(dòng)機(jī)、減速時(shí)用作發(fā)電機(jī)的方式（圖2）?！?/P>

圖2：EV的行駛控制
根據(jù)油門開度及制動(dòng)信號(hào)等，決定車輛驅(qū)動(dòng)扭矩。

　　混合動(dòng)力系統(tǒng)的概要

　　混合動(dòng)力系統(tǒng)的分類方法有二種。一種是根據(jù)可實(shí)現(xiàn)的功能的不同來進(jìn)行分類，另一種是以驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的方式來分類。

　　首先，按功能來分類的話，就如同圖3所示。只有無空轉(zhuǎn)功能的稱為微HEV或ISS（Idling Stop System）。在該功能的基礎(chǔ)上增加加速輔助、能量再生及發(fā)動(dòng)機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)功能等的話，就稱為弱HEV，而增加EV行駛功能的話則稱為強(qiáng)HEV。越接近強(qiáng)HEV，CO2排放量及尾氣就越少。而EV的排放全部為零。另外，插電式HEV（PHEV）及通過運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電用發(fā)動(dòng)機(jī)來延長(zhǎng)行駛距離的增程器式EV被定位于強(qiáng)HEV和EV之間。

圖3：HEV和EV的CO2減排效果 按照不同功能對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分類。

　以驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分類時(shí)，主要分為串聯(lián)式HEV、并聯(lián)式HEV、串并聯(lián)式HEV三種方式。下面來依次介紹一下三者的構(gòu)成及特點(diǎn)。

　?。?）串聯(lián)式HEV

　　串聯(lián)式HEV配備為主電池充電的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，一邊始終充電一邊用馬達(dá)行駛（圖4）。也可認(rèn)為是在EV的基礎(chǔ)上增加配備了發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。在市售車中，與私人乘用車相比，該方式在公交車上采用得較多，豐田1997年上市的“Coaster HEV”以及三菱扶桑卡客車2004年上市的“Aero Nostep HEV”就采用了該方式。

圖4：串聯(lián)式HEV的構(gòu)成 僅靠馬達(dá)行駛。配備高功率大型馬達(dá)。

　　串聯(lián)式HEV的特點(diǎn)如下。

　　·僅靠馬達(dá)行駛，因此與其他方式相比，馬達(dá)及發(fā)電機(jī)為高功率大型產(chǎn)品。

　　·將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，因此能源效率略低?/P>

　　·驅(qū)動(dòng)力控制及功率輸出控制較簡(jiǎn)單。

　　·發(fā)動(dòng)機(jī)以穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此比較容易實(shí)現(xiàn)尾氣凈化。

　?。?）并聯(lián)式HEV

　　并聯(lián)式HEV并聯(lián)配置發(fā)動(dòng)機(jī)和馬達(dá)，可由兩方供給行駛動(dòng)力（圖5）。除本田作為“IMA（Intelligent Motor Assist）”進(jìn)行實(shí)用化之外，還得到了戴姆勒“Mercedes-Benz S400 HYBRID”及寶馬“ActiveHybrid 7”等的采用。在本田的IMA中，發(fā)動(dòng)機(jī)和馬達(dá)采用直接連接構(gòu)造，同時(shí)旋轉(zhuǎn)。而與此不同的是，還有很多廠商開發(fā)了在發(fā)動(dòng)機(jī)與馬達(dá)之間夾入離合器，通過斷開離合器來實(shí)現(xiàn)EV行駛的系統(tǒng)。

圖5：并聯(lián)式HEV（直接連接）的構(gòu)成 馬達(dá)只起輔助性作用，采用小型產(chǎn)品。

　　并聯(lián)式HEV（直接連接）的特點(diǎn)如下。

　　·只需在以往車型的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱之間追加馬達(dá)，因此構(gòu)成簡(jiǎn)單。

　　·馬達(dá)的功率輸出只起輔助作用。幾乎不進(jìn)行EV行駛，因此馬達(dá)為小型產(chǎn)品。

　　·馬達(dá)兼具發(fā)電機(jī)作用，因此再生電力只有儲(chǔ)存到電池中后才能用于行駛。

　　·通過在發(fā)動(dòng)機(jī)與馬達(dá)之間夾入離合器，可進(jìn)行EV行駛，但這時(shí)需要大輸功馬達(dá)。

　?。?）串并聯(lián)式HEV

　　串并聯(lián)式HEV的代表示例是豐田普銳斯等采用的“THSⅡ（Toyota Hybrid System Ⅱ）”。該方式利用行星齒輪機(jī)構(gòu)綜合發(fā)動(dòng)機(jī)、MG1、MG2三種動(dòng)力源，根據(jù)行駛狀態(tài)來組合這些動(dòng)力源，由此進(jìn)行驅(qū)動(dòng)（圖6）。

圖6：串并聯(lián)式HEV的構(gòu)成 同時(shí)具備串聯(lián)方式和并聯(lián)方式兩者的優(yōu)點(diǎn)。

　　這里的MG是指馬達(dá)兼發(fā)電機(jī)的縮略語。由于需要在馬達(dá)功能與發(fā)電機(jī)功能之間頻繁進(jìn)行切換，因此將原來稱為馬達(dá)或發(fā)電機(jī)的部分稱為MG。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)的作用是驅(qū)動(dòng)車輛和驅(qū)動(dòng)MG1。MG1的作用除了為主電池充電外，還包括作為馬達(dá)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以及對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輔助。MG2的作用是實(shí)現(xiàn)EV行駛、做加速輔助，以及作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量再生。

　　串并聯(lián)式HEV的特點(diǎn)如下。

　　·具備串聯(lián)方式和并聯(lián)方式兩者的優(yōu)點(diǎn)，兼顧燃效和行駛性。

　　·系統(tǒng)效率較高，因此燃效提高效果顯著。

　　·系統(tǒng)及控制較復(fù)雜。