混合動力汽車系統(tǒng)由什么組成？電路架構(gòu)是什么樣的？

所謂混合動力汽車，是指擁有兩種不同動力源的汽車。這兩種動力源在不同的行駛工況下(如起步、中低速、勻速、加速、高速、減速或制動等)分別或共同工作。)，并且通過這種組合，可以達(dá)到最低的油耗和尾氣排放，從而達(dá)到節(jié)油和環(huán)保的目的。更多新能源汽車專業(yè)知識在《卓越工程師》，由易到難，由淺入深，全方位學(xué)習(xí)，薇信關(guān)注。

分類和結(jié)構(gòu)原則

1.系列混合動力電動汽車(SHEV)

串聯(lián)混合動力系統(tǒng)利用發(fā)動機(jī)動力發(fā)電，從而帶動電機(jī)驅(qū)動車輪。

其基本結(jié)構(gòu)由電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、高壓蓄電池和變壓器組成。發(fā)電機(jī)由輸出功率小的發(fā)動機(jī)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行驅(qū)動，發(fā)動機(jī)直接向電動機(jī)供電，或者在給高壓蓄電池充電的同時運(yùn)行。因為內(nèi)燃機(jī)的動力是串聯(lián)供給電動機(jī)的，所以稱為“串聯(lián)混合動力系統(tǒng)”。

2.并聯(lián)混合動力電動汽車(PHEV)

并聯(lián)混合動力系統(tǒng)利用電機(jī)和發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輪，發(fā)動機(jī)用于給高壓電池充電。其基本結(jié)構(gòu)由電機(jī)、發(fā)動機(jī)、高壓電池、變壓器和變速器組成。

在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中，高壓電池的電能用于驅(qū)動電機(jī)。因為電機(jī)也是做發(fā)電機(jī)用的，不能一邊發(fā)電一邊驅(qū)動。動力的流動方向是平行的，所以稱為“并聯(lián)混合動力系統(tǒng)”。

3.混聯(lián)式混合動力電動汽車

混聯(lián)式混合動力利用電機(jī)和發(fā)動機(jī)驅(qū)動車輪，電機(jī)在行駛的同時也能發(fā)電。

根據(jù)行駛條件的不同，可以只靠電機(jī)的驅(qū)動力行駛，也可以是發(fā)動機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動。此外，還安裝了發(fā)電機(jī)，因此可以在行駛過程中為高壓電池充電。基本結(jié)構(gòu)由電動機(jī)、發(fā)動機(jī)、高壓蓄電池、發(fā)電機(jī)、功率分離裝置和電子控制單元(變壓器、變流器)組成。發(fā)動機(jī)的動力被動力分離裝置分成兩部分，一部分用來直接驅(qū)動車輪，另一部分用來發(fā)電，給電機(jī)供電，給高壓電池充電。

電機(jī)擅長從低速帶發(fā)力，發(fā)動機(jī)擅長高速帶。該系統(tǒng)可通過理想進(jìn)行控制，在任何情況下都能提供高效的駕駛。

混合動力汽車的動力系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)和電池組組成。

控制系統(tǒng)

以計算機(jī)為核心的現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于HEV，包括自適應(yīng)控制技術(shù)(MRAC)、模糊控制技術(shù)、專家控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的各種智能控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于EV、FCEV和HEV，使HEV更加安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適。

能量管理系統(tǒng)采用分級控制：最上層是車輛能量管理系統(tǒng)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制所有低端控制器;中間層包括五個低端控制器，分別是發(fā)動機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)控制器、電機(jī)控制器、離合器和制動控制器以及電池能量管理系統(tǒng)(BMS)。最底層是各個執(zhí)行器，也就是發(fā)動機(jī)、電機(jī)、離合器等部件。

高壓蓄電池

高壓電池組包括高壓電池模塊、電池電腦、系統(tǒng)主繼電器和維修插座，組裝在一個外殼內(nèi)，布置在后排座椅后面。

電池組的電池部分由28個模塊串聯(lián)而成，每個模塊由6節(jié)1.2伏的單體電池串聯(lián)而成，共計168節(jié)單體電池，從中可獲得201.6伏的高電壓。電池計算機(jī)將完成以下控制，同時將充電狀態(tài)保持在適當(dāng)?shù)闹担?

1*4充電狀態(tài)管理

為了保證加速等場合的放電，在減速時利用制動反復(fù)回收電荷，高壓蓄電池會一直輸出充電狀態(tài)信號給高壓蓄電池電腦，電腦會利用充放電電流的累計值，一直將充電狀態(tài)值控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。

1*5冷卻風(fēng)扇的控制

高壓電池的充放電會引起自身發(fā)熱。為了保證電池的性能，控制冷卻風(fēng)扇的工作模式。

1*6控制外部充電器

指在使用內(nèi)部充電器充電的過程中，監(jiān)控電池狀態(tài)以確保正常充電的控制。

1*7與空調(diào)通信

通過高壓控制計算機(jī)，根據(jù)空調(diào)的要求改變冷卻風(fēng)扇的工作模式。

1*8電池狀態(tài)監(jiān)控

監(jiān)控蓄電池的溫度和電壓，當(dāng)檢測到異常時，通過限制或停止充放電來保護(hù)蓄電池。此外，根據(jù)需要打開報警燈，并輸出和記憶診斷代碼。

1*9冷卻風(fēng)扇

當(dāng)電池溫度升高時，冷卻風(fēng)扇會根據(jù)電池電腦的指令調(diào)節(jié)風(fēng)量。此外，空調(diào)的工作模式可以根據(jù)空調(diào)的需要而改變。

冷卻風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在座椅的右側(cè)。從托架吸入的空氣通過風(fēng)扇被引入電池組的右上方，使得空氣在電池模塊之間從上到下吹動以冷卻電池模塊。冷卻后，完成熱交換的空氣從電池組右下方通過后貨艙右側(cè)的排氣管排到后貨艙和車外。

1*10系統(tǒng)主繼電器(SMR)

SMR根據(jù)高壓控制計算機(jī)的指令接通和切斷高壓電路的電源。加上正負(fù)電極的控制，SMR配備了三個繼電器，以確保行動的可靠性。打開高壓系統(tǒng)時，首先打開SMR1和SMR3，然后打開SMR2并關(guān)閉SMR1。由于控制電流在開始時流過附加電阻，所以防止了高壓電流突然加到電路上。斷開電路時，依次斷開SMR2和SMR3，高壓控制計算機(jī)將確認(rèn)它們是否已可靠斷開。

維修插頭和逆變器蓋設(shè)有聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)，用于檢測高壓部分的保護(hù)狀態(tài)，自動斷開系統(tǒng)主繼電器。當(dāng)聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)移動時，儀表板上的主報警燈亮起，以通知駕駛員和乘客。聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)動作后，系統(tǒng)主繼電器每兩次激活一次，恢復(fù)高壓電路。

1*11維修插頭

在檢查和維修時，應(yīng)拔掉維修插頭，并在高壓電池的中間位置斷開高壓，以確保安全操作。

開關(guān)磁阻電動機(jī) 1.開關(guān)磁阻電動機(jī)的性能 開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM)是一種新型電動機(jī)，它的結(jié)構(gòu)是所有類型電動機(jī)中最簡單的一種，在電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上，沒有集電環(huán)、繞組等轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和永久磁鐵。開關(guān)磁阻電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)，只在電動機(jī)的定子上安裝有簡單的集中勵磁繞組，勵磁繞組的端部較短，沒有相間跨接線，磁通量集中于磁極區(qū)，通過定子電流來勵磁。各組磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置的不同而變化。轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)是依靠磁力來運(yùn)行，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到1500r/min。在較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較寬的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)效率可以達(dá)到85%～93%，比三相感應(yīng)電動機(jī)要高。它的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性好，在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速可靈活控制，調(diào)速控制較簡單，并可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。開關(guān)磁阻電動機(jī)有較高的起動轉(zhuǎn)矩和較低的起動功率，功率密度高，結(jié)構(gòu)簡單堅固，可靠性好，但轉(zhuǎn)矩脈動大，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，工作噪聲大，體積比同樣功率的感應(yīng)電動機(jī)要大一些。

4.開關(guān)磁阻電動機(jī)的特點(diǎn)(1)開關(guān)磁阻電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)①高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流。②高效率，低損耗，耐溫。③電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。④電動機(jī)的功率電路簡單。⑤可靠性好。⑥良好的適應(yīng)性，成本低。(2)開關(guān)磁阻電動機(jī)的缺點(diǎn)①轉(zhuǎn)矩有脈動現(xiàn)象。②有振動與噪聲。③控制系統(tǒng)復(fù)雜。④脈沖電流的影響。

六、電動機(jī)的控制 混合動力汽車上采用電源-電源轉(zhuǎn)換器-驅(qū)動電動機(jī)的動力系統(tǒng)，是屬于電力驅(qū)動技術(shù)范疇，因此，對混合動力汽車驅(qū)動電動機(jī)的控制和智能控制的研究，是混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)。 1.混合動力汽車電動機(jī)的控制系統(tǒng) 混合動力汽車動力系統(tǒng)和驅(qū)動力控制系統(tǒng)是由動力電池組、電流轉(zhuǎn)換器(逆變器)、發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組和驅(qū)動電動機(jī)以及-些電氣和線路共同組成，因此流合動力汽車的技術(shù)關(guān)鍵是對動力電池組、發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組、驅(qū)動電動機(jī)的控制或智能控制。

插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle，PHEV)的動力電池?zé)o論是在容量還是體積方面都小于純電動汽車，在純電動模式下續(xù)航里程僅為 60 ~ 100km，可通過外接電源進(jìn)行充電。

插電式混合動力汽車安裝有發(fā)動機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、動力耦合裝置等。部分車型安裝有雙電機(jī)，一臺電機(jī)用于驅(qū)動車輛，另一臺電機(jī)用于發(fā)電，以補(bǔ)充動力電池能量。插電式混合動力汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)相對復(fù)雜，如大眾高爾夫GTE、途觀LPHEV 車型采用驅(qū)動電機(jī)加七速雙離合器變速器的驅(qū)動形式吉利帝豪 PHEV采用雙電機(jī)加行星齒輪組動力合形式等。插電式混合動力汽車結(jié)構(gòu)組成如圖25-1~圖25-3所示。

混合動力系統(tǒng)驅(qū)動模式，混合動力系統(tǒng)可分為串聯(lián)式混合(series hybrid)動力系統(tǒng)、并聯(lián)式合(parallel hybrid)動力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合(series-parallel hybrid)動力系統(tǒng)如圖25-4所示。

插電式混合動力車型動力電池體積相對較小，便于布置，一般安裝在后排座椅下方、后備廂內(nèi)或中央扶手箱下部，如圖25-5 所示。

插電式混合動力車型動力電池結(jié)構(gòu)組成與純電動汽車動力電池相同，由單體電池經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)組成電池模塊，電池模塊再經(jīng)過串聯(lián)并安裝電池管理器、電池冷卻管路及電池殼體等部件組成動力電池總成，如圖25-6和圖25-7所示。

動力電池在對外放電或充電時會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致自身溫度過高，如不及時冷卻會造成安全隱患，另外鍵離子動力電池長期處于高溫模式下會對鯉離子活性造成影響，影響動力電池的充放電性能。因此必須設(shè)置安全可靠的電池冷卻系統(tǒng)，目前多采用液冷式冷卻系統(tǒng)。如圖25-8所示為寶馬F18 PHEV動力電池冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理。

采用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的車型，驅(qū)動電機(jī)一般與自動變速器安裝在一起。裝配行星齒輪式自動變速器的插電混合動力車型，驅(qū)動電機(jī)取代了液力變器。安裝在自動變速器殼體內(nèi)，通過一個分離離合器使發(fā)動機(jī)、電機(jī)和傳動系統(tǒng)組件分離，只要分離離合器結(jié)合，電機(jī)、變速器輸入軸和發(fā)動機(jī)就會以相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，如圖25-9和圖25-10所示。

大眾插電混合動力車型(高爾夫 GTE、途觀 LPHEV、帕薩特 GTE)動力驅(qū)動系統(tǒng)采用電機(jī)加六速雙離合器自動變速器的組合方式[圖25-11a)]。電機(jī)安裝在雙離合器總成的前部。整個驅(qū)動系統(tǒng)共有三個膜片離合器，兩個行駛離合器 K1和 K2，以及一個分離離合器 KO。

如圖25-11(b)所示，兩個行駛離合器K1和K2 將電機(jī)與兩個分變速箱連接在一起。分離離合器 KO控制電機(jī)與發(fā)動機(jī)連接。