并联结构及其应用于混合动力汽车的制动能量回收技术

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：并联结构要稍复杂一些，如图2-5所示。并联结构基于机械耦合，它常见于外摆线轮系，虽然三个轴各自具有不同的转速，但其转矩仍可以叠加。内燃机只能向车轮或者发电图2-5 并联的混合动力结构机提供机械能，后者用于向电池充电或者为辅助功能设备供电，或者通过机械耦合向作为发电机的电动引擎供能，而最后这一条能量流动路线使制动能量回收得以实现。图2-6 具有四种电压等级的电动汽车结构图DC-DC变换器可以改变电压等级。

图2-4给出了基本原理，解释了起停的含义。如图中所示，电机可以直接安装在发动机的轴上，或者通过传动轮和传动带与机械系统连接。电机有两个作用：为电池充电和起动汽车，甚至在需要零排放时作为驱动发动机使用。电机的性能取决于其功率以及电池的容量大小。这种方式给用户带来的增益非常有限（约为5%），并且仅在城市中运行有效，而制动能量回收基本无法实现。

图2-4 起停运行模式原理图

电力驱动的作用减小了内燃机的尺寸，也因此减少了摩擦和损耗。为了改进汽车的功率输出性能，比如在加速运行时，电机可以作为辅助动力，提高了发动机的加速性能。

并联结构要稍复杂一些，如图2-5所示。并联结构基于机械耦合，它常见于外摆线轮系，虽然三个轴各自具有不同的转速，但其转矩仍可以叠加。必要时可以接上离合器使机械耦合系统解耦，从而让汽车运行在传统汽车的模式或者零排放的全电动模式。图2-5中的箭头表示能量流动的方向。内燃机只能向车轮或者发电

图2-5 并联的混合动力结构

机提供机械能，后者用于向电池充电或者为辅助功能设备供电，或者通过机械耦合向作为发电机的电动引擎供能，而最后这一条能量流动路线使制动能量回收得以实现。

在这个系统中，所有的能量均来自于内燃机和制动回馈的能量，由于各个不同的变换器都工作在最优点，使得整体的能量管理效果很好。若增加一个由外部电网供电的电池充电机，则会使能量的来源更加多样。

这个结构最早由丰田（Toyota）公司提出并用于其普锐斯（Prius）车型。其他制造商也沿用该技术路线推出了各自的车型，而且提高了技术的复杂程度，将一台或两台电机严密地接入机械耦合系统中，如此以产生出多种不同的能量分配方式。

应该注意到，机械耦合、电机、变换器和蓄电池都会导致汽车重量的增加。唯一的好处就是内燃机尺寸的减小。因此，混合动力技术目前仅限于顶级汽车是不足为奇的。

车内直流母线的电压等级尚无标准。采用高电压等级以减少电机中导体的直径是很有好处的，但是高电压对电池又很不利。如果需要一个540V的直流母线电压，就要对一个400V的交流供电电源进行整流，并且需要将150只锂离子电池或者镍氢电池串联组合起来。电池的串联就会带来充电时的均压问题，因为我们希望所有的电池都工作在同等的状态。因此，在同一辆车上设置三个或者四个不同的电压等级正成为发展趋势，图2-6所示的原理图就受到了丰田公司Lexus车型的启发。

图2-6 具有四种电压等级的电动汽车结构图

DC-DC变换器可以改变电压等级。电动机和发电机都采用三相交流制式，而采用标准的交流电压使得原先为传统配电网设计的设备可以直接使用，因而，无需为空调器系统开发专门的设备。由于电气和机械元件都很复杂，就需要在能量管理系统增加一个监控单元，以使蓄电池有能力回收制动能量（举例来说，电池不可充满，否则它将无法吸收任何过剩的电量）。

由于制动能量回收，电动汽车比传统汽车在城市交通或普通公路上所消耗的能量要少。但是在高速公路上，由于电动汽车比传统汽车重，其耗能与后者相等甚至更多。

并联结构及其应用于混合动力汽车的制动能量回收技术

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