一、混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)(Series-Parallel Combined HEV)
1)系統(tǒng)構(gòu)成(system composition)
豐田THS系統(tǒng)是典型的混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。THS是“Toyota Hybrid System”的縮寫,最早被用于97年10月發(fā)布的第一代普銳斯(Puris)上。下面我們就以THS-II系統(tǒng)對混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)進行解釋。
THS-II系統(tǒng)主要部件有汽油發(fā)動機、永磁交流同步電機、發(fā)電機、高性能金屬氫化物電池盒以及功率控制單元。汽車仿真教學(xué)軟件
2)部件解析(Component description)
采用THS-II系統(tǒng)的第三代普銳斯使用的發(fā)動機是1.8L的5ZR-FXE發(fā)動機,而2012款凱美瑞尊瑞采用的是2.5L的4AR-FXE發(fā)動機。上面提到的這兩款發(fā)動機均采用了能效相對較高的阿特金森循環(huán)。新能源汽車教學(xué)設(shè)備。
THS-II系統(tǒng)的關(guān)鍵也是最為復(fù)雜的部件就是由兩臺永磁同步電機及行星齒輪組成的動力分配系統(tǒng)。
THS-II系統(tǒng)中帶有兩臺電動機——MG1和MG2。MG1主要用于發(fā)電,必要時可推動汽車。MG2主要用于推動汽車。而MG1、MG2以及發(fā)動機輸出軸被連接到一套行星齒輪機構(gòu)的太陽輪、齒圈和行星架上。
3)工作邏輯(Work logic)
下面我們來看看THS-II的核心部件——動力分配系統(tǒng)的工作原理。在下面解析中,發(fā)電機MG1我們簡稱為MG1,電動機MG2我們簡稱為MG2。
發(fā)動機啟動時,電流流進MG2通過電磁力固定行星齒輪的齒圈,MG1作為啟動機轉(zhuǎn)動太陽輪,太陽輪帶動行星架轉(zhuǎn)動,與行星架連接的發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)動,發(fā)動機啟動。汽車運用維修設(shè)備
怠速時,電流流進MG2固定行星齒輪的齒圈,發(fā)動機帶動行星架轉(zhuǎn)動,行星架帶動太陽輪轉(zhuǎn)動,與太陽輪連接的MG1發(fā)電給電池充電。
車輛起步時,發(fā)動機停轉(zhuǎn),行星架被固定。MG2驅(qū)動行星齒輪齒圈,推動車輛前進。此時,MG1處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。
車輛起步時,如需要更多動力(駕駛員深踩油門或檢測到負載過大),MG1轉(zhuǎn)動啟動發(fā)動機。
車輛起步時,發(fā)動機驅(qū)動MG1發(fā)電并供給推動MG2運轉(zhuǎn)的電能。
在輕負荷下加速時,發(fā)動機驅(qū)動MG1發(fā)電并供給推動MG2運轉(zhuǎn)的電能,MG2提供附加的驅(qū)動力用以補充發(fā)動機動力。
在重負載下加速時,發(fā)動機驅(qū)動MG1發(fā)電并供給推動MG2運轉(zhuǎn)的電能。MG2提供附加的驅(qū)動力用以補充發(fā)動機動力。電池會根據(jù)加速程度給MG2提供電流。
降擋(D擋)時,發(fā)動機停轉(zhuǎn),MG1空轉(zhuǎn),MG2被車輪驅(qū)動發(fā)電給電池充電。
減速(B擋)時,MG2產(chǎn)生的電能供給MG1,MG1驅(qū)動發(fā)動機。此時發(fā)動機斷油空轉(zhuǎn)。MG1輸出的動力成為發(fā)動機制動力。
倒車時,只使用MG2作為倒車動力。
二、并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)(Parallel hybrid power system)
1)系統(tǒng)構(gòu)成(system composition)
本田IMA(Integrated Motor Assist)系統(tǒng)是非常典型的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。下面,我們就以IMA系統(tǒng)為例來說明一下并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
IMA系統(tǒng)由4個主要部件構(gòu)成,其中包括:發(fā)動機、電機、CVT變速箱以及IPU智能動力單元組成。電動機取代了傳統(tǒng)的飛輪用于保持曲軸的運轉(zhuǎn)慣性。整套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常緊湊,和傳統(tǒng)汽車相比僅是IPU模塊占用了額外的空間。
2)部件解析(Component description)
IMA系統(tǒng)中的發(fā)動機和傳統(tǒng)車型中的發(fā)動機并沒有太大區(qū)別,只是在調(diào)校上更偏向于節(jié)省燃料。
IMA系統(tǒng)的電機安裝在發(fā)動機與變速箱之間,由于電機較薄且結(jié)構(gòu)緊湊,俗稱“薄片電機”。國內(nèi)銷售的CR-Z上采用的薄片電機最大功率10kW,最大扭矩78Nm。顯然,這樣的電機只能起到輔助的作用。而由于IMA系統(tǒng)能夠在特定情況下(如低速巡航)單獨驅(qū)動汽車,而被劃分到中型混合動力汽車行列。
IMA系統(tǒng)的變速箱采用的是普通CVT變速箱。在國內(nèi)銷售的CR-Z上采用的變速箱是模擬7速CVT變速箱,以獲得平順的換擋體驗及較高的換擋效率。
IMA系統(tǒng)的IPU智能動力單元是由PCU動力控制單元和電池組成。其中PCU又包括BCM電池監(jiān)控模塊、MCM電機控制模塊以及MDM電機驅(qū)動模塊組成。
3)工作邏輯(Work logic)
IMA系統(tǒng)的工作邏輯包括起步加速、急加速、低速巡航、輕加速和高速巡航、減速以及停車。
起步加速時,發(fā)動機以低速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn),同時電機提供輔助動力,以實現(xiàn)快速加速性能,同時達到節(jié)油的目的。
急加速時,發(fā)動機以高速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn),此時電池給電機供電,電機與發(fā)動機共同驅(qū)動車輛,提高整車的加速性能。
低速巡航時,發(fā)動機的四個氣缸的進排氣閥全部關(guān)閉,發(fā)動機停止工作,車輛以純電動方式驅(qū)動車輛。
輕加速和高速巡航時,發(fā)動機以低速配氣正時狀態(tài)運轉(zhuǎn),此時發(fā)動機工作效率較高,單獨驅(qū)動車輛,電動機不工作。
減速或制動時,發(fā)動機關(guān)閉,電機此時以發(fā)電機方式工作,將機械能最大限度地轉(zhuǎn)化為電能,儲存到電池包中。車輛制動時,制動踏板傳感器給IPU一個信號,計算機控制制動系統(tǒng),使機械制動和電機能量回饋之間制動力協(xié)調(diào),以得到最大程度的能量。
車輛停止時,發(fā)動機自動關(guān)閉,減少燃料損失和排放。當制動踏板松開時,發(fā)動機自動啟動。
三、二者比較(Comparison between the two)
1、混合程度(Mixing degree)
如果在豐田THS混合動力系統(tǒng)里面,油和電的動力分成是6:4的話,那么在本田IMA系統(tǒng)里面這一比例就是8:2,這也是為什么前者被稱為“強混”而后者則被稱為“輕混”或者“弱混”的原因。
豐田期望達到的效果是,汽油動力和電力各自都能夠獨當一面,可以單獨依靠電動機起步或者低速巡航。而本田的理念是,電力僅僅作為輔助汽油發(fā)動機的角色出現(xiàn),必要的時候出來幫一把,達至整體動力水平不變的前提下可以使用排量更小的汽油發(fā)動機,同時借助能量回收和自動啟停等手段來提高燃油的利用率。
一個很強烈的對比,豐田第三代普銳斯Hybrid的電動機能夠輸出60kW最大功率和207Nm最大扭矩,足夠讓車輛起步和低速運行了。而本田旗下多款Hybrid車型都使用的MF6電動機,只能給出10kW和78Nm,明顯不足夠支持車輛起步。
雖然相比起來本田IMA“混”得不夠徹底,但它的顯著優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、重量輕、成本低,而且更容易普及到現(xiàn)有汽油車型上面。在美國市場,普銳斯Hybrid的價格區(qū)間是24,000-29,805美元,而本田Insight則是18,500-23,690美元。
2、結(jié)構(gòu)區(qū)別(Structural distinction)
IMA混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有多簡單?恐怕就算是普通汽油飛度的車主都未必能夠一眼看出FIT Hybrid的發(fā)動機艙有何異樣。超薄設(shè)計的電動機安放在汽油發(fā)動機和變速箱之間,既輸出動力又同時擔(dān)當發(fā)電機的角色,厚度大概就跟一個電視遙控器參不多,然后通過橙色的高壓線路跟車尾箱的電池與動力控制單元(IPU)連接起來。IPU的體積很緊湊,只占據(jù)了原本尾箱放置備胎的位置而已。
沒錯,就僅此而已,但如果要實現(xiàn)豐田的“強混”效果,則需要一個專門的發(fā)電機、一個動力輸出很不錯的電動機、一個動力分割機構(gòu)(這個很關(guān)鍵),以及蓄電池和控制單元。這里說的動力分割機構(gòu)不是變速箱,而是類似于四驅(qū)車分動箱的東西,可以把一部分引擎的動力分配給發(fā)電機發(fā)電去了。
于是本田IMA系統(tǒng)的工作方式也相對“簡單”一些,首先需要你像普通汽油車那樣扭動鑰匙點著引擎,然后掛到D擋,變速箱的界面和操作方式跟普通汽油車一模一樣,值得一提的是,本田IMA混合動力系統(tǒng)還可以搭配手動變速箱。
怠速狀態(tài)汽油發(fā)動機一直運轉(zhuǎn)著,踩下油門起步,電動機也一并運轉(zhuǎn),與汽油發(fā)動機一起出力驅(qū)動車輛。到了大約40km/h左右,如果車子處于巡航狀態(tài)的話,F(xiàn)IT Hybrid會由電動機單獨驅(qū)動,發(fā)動機不再燃燒汽油而是關(guān)閉氣門保持空轉(zhuǎn)。不過CR-Z這時候仍然會單獨由汽油發(fā)動機供給動力。
正常情況下本田IMA系統(tǒng)只有在減速的時候通過回收能量給電池充電,但豐田THS系統(tǒng)既可以在減速時回收能量充電,也能在車輛加速時利用汽油發(fā)動機富余的動力帶動獨立發(fā)電機給電池充電。