混合動力車（HEV）系統(tǒng)及控制方式剖析

???? 混合動力車（HEV）系統(tǒng)完美融合了發(fā)動機汽車和電動汽車（EV）的技術(shù)，對EV采用的馬達及電池技術(shù)進行了充分利用。EV盡管從汽車?yán)杳髌诰鸵殉霈F(xiàn)，并在1900年以前達到了實用水平，但迄今為止一直未能實現(xiàn)全面普及。

　　在第二次世界大戰(zhàn)后的汽油緊缺時期，EV作為替代能源汽車開始在日本上市。1949年日本國內(nèi)EV產(chǎn)量達到3299輛，占到當(dāng)時日本汽車保有量的3％。但是，隨著發(fā)動機汽車的改進以及加油站的普及，EV的勢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)時日本的通商產(chǎn)業(yè)省工業(yè)技術(shù)院利用大型項目制度（由汽車、電機及電池廠商參加）啟動了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)動機汽車尾氣凈化技術(shù)的進步，EV再次消失了蹤影。

　　在20年過后的1990年，美國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，除了EV以外，沒有任何一種汽車能夠達到這一規(guī)定，因此EV的開發(fā)再一次被啟動。

　　ZEV法案的實施時間為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)動機汽車出色且實現(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年實用化的豐田“RAV4EV”及本田“EV PLUS”上得到了采用。由于有助于延長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）式同步馬達也為HEV性能的提高做出了貢獻。

　　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)油門傳感器檢測的踩入量，由EV·ECU（電子控制單元）控制逆變器，驅(qū)動行駛馬達。馬達采用永久磁鐵式馬達。

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

　　驅(qū)動馬達的電池采用288V鎳氫充電電池，通過用電池ECU和EV·ECU監(jiān)測充放電狀態(tài)來隨時計算行駛時的剩余容量。為電池充電時利用車載充電器通過交流200V商用電源進行。以下將驅(qū)動行駛馬達的高電壓充電電池稱為主電池，將輔助驅(qū)動用充電電池稱為12V電池。

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

圖2：EV的行駛控制
根據(jù)油門開度及制動信號等，決定車輛驅(qū)動扭矩。

　　混合動力系統(tǒng)的概要

　　混合動力系統(tǒng)的分類方法有二種。一種是根據(jù)可實現(xiàn)的功能的不同來進行分類，另一種是以驅(qū)動機構(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)動機高效運轉(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HEV。越接近強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）及通過運轉(zhuǎn)發(fā)電用發(fā)動機來延長行駛距離的增程器式EV被定位于強HEV和EV之間。

圖3：HEV和EV的CO2減排效果 按照不同功能對混合動力系統(tǒng)進行分類。

　以驅(qū)動方式進行分類時，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。

　　（1）串聯(lián)式HEV

　　串聯(lián)式HEV配備為主電池充電的發(fā)動機和發(fā)電機，一邊始終充電一邊用馬達行駛（圖4）。也可認(rèn)為是在EV的基礎(chǔ)上增加配備了發(fā)動機和發(fā)電機。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 僅靠馬達行駛。配備高功率大型馬達。

　　串聯(lián)式HEV的特點如下。

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

　　·將發(fā)動機動力全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，因此能源效率略低?/P>

　　·驅(qū)動力控制及功率輸出控制較簡單。

　　·發(fā)動機以穩(wěn)定狀態(tài)運轉(zhuǎn)，因此比較容易實現(xiàn)尾氣凈化。

　?。?）并聯(lián)式HEV

　　并聯(lián)式HEV并聯(lián)配置發(fā)動機和馬達，可由兩方供給行駛動力（圖5）。除本田作為“IMA（Intelligent Motor Assist）”進行實用化之外，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)動機和馬達采用直接連接構(gòu)造，同時旋轉(zhuǎn)。而與此不同的是，還有很多廠商開發(fā)了在發(fā)動機與馬達之間夾入離合器，通過斷開離合器來實現(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）的特點如下。

　　·只需在以往車型的發(fā)動機與變速箱之間追加馬達，因此構(gòu)成簡單。

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

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

　　·通過在發(fā)動機與馬達之間夾入離合器，可進行EV行駛，但這時需要大輸功馬達。

　?。?）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構(gòu)綜合發(fā)動機、MG1、MG2三種動力源，根據(jù)行駛狀態(tài)來組合這些動力源，由此進行驅(qū)動（圖6）。

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

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

　　發(fā)動機的作用是驅(qū)動車輛和驅(qū)動MG1。MG1的作用除了為主電池充電外，還包括作為馬達起動發(fā)動機以及對車輛進行驅(qū)動輔助。MG2的作用是實現(xiàn)EV行駛、做加速輔助，以及作為發(fā)電機進行能量再生。

　　串并聯(lián)式HEV的特點如下。

　　·具備串聯(lián)方式和并聯(lián)方式兩者的優(yōu)點，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。