混合动力汽车技术解析：环保节能的未来趋势及分类方法

目前，世界汽车行业可持续发展面临的两个主要问题是环境污染和缺乏石油资源。环境保护和节能是21世纪汽车技术的重要开发方向。同时，各个国家的排放法规变得越来越严格。混合动力汽车（HEVS）是新一代的清洁能源车辆，污染低，燃油消耗率低。混合动力汽车的实施形式是多种多样的。传统分类根据内燃机是否与驱动轮直接连接，将传统分类分为串联，平行和混合动力汽车。更逻辑的分类方法是一种基于任务的分类方法，该方法将混合方法分为三类，即轻度混合，动力混合和能量混合动力。

与轻度混合方法相比，功率混合方法和能量混合方法具有以下缺点：（1）结构很复杂，汽车底盘的变化很大； （2）系统很复杂。例如，丰田普锐斯（ Prius）的功率分配机理是一种非常复杂的行星齿轮结构，总体需要控制两个电动机和一个发动机。 （3）成本很高，这主要是由于电池能量和电源要求高。

当前，制造成本最低且最容易实现批量生产的是使用启动器发电机/电动机集成（ISG）技术的温和混合动力汽车（1SG-MHV）。它仅需要内燃机的转换，这在现有的传统内燃机汽车上相对易于实施，其混合度低和低电动机功率，这特别适合在汽车中实现。

1组成结构

ISG轻度混合动力汽车电动机主要包括发动机，牵引电机，能源管理系统和电力传输系统。

较低的动力发动机通常在ISG-MHV中使用，因为发动机在加速和攀爬过程中不能单独提供电源，而是通过电动驱动设备和储能单元（电池组，储能飞轮或超级电容器）驱动汽车与发动机一起驱动汽车来驾驶汽车。发动机的额定功率通常约为50 kW。

电动机是电气驱动系统的核心，电动机的性能和效率直接影响电动汽车的性能。另外，电动机的尺寸和重量也会影响汽车的整体效率。由于空间布局有限，因此最好采用平坦的结构长安混合动力汽车，并且功率不能太大。当前成功开发的ISG-MHV大多使用DC永久磁铁无刷电动机，峰值功率约为10〜15 kW。

能源管理系统是改善经济，权力和降低混合动力汽车排气排放水平的关键。该系统包括储能，能源管理和混合系统中央控制单元。常用的能源存储单元包括电化学电池，燃料电池，飞轮电池和超大容量电容器。 ISG-MHV大多使用电化学电池，包括铅酸电池，镍氢电池，银离子电池和钠硫电池。他们的技术相对成熟，成本相对较低。

电力传输系统用于平衡，传输和调整混合动力源的输出扭矩和功率，以满足整个车辆的电动驱动器的需求。它主要包括扭矩或速度合成器，离合器，变速箱，变速箱，驱动轮等。

以上4个单元有自己的控制经理。所有控制子系统通过CAN总线将子系统操作信息发送到多能动力总成系统，同时接受多能动力总成管理系统的控制命令。如图1所示，通过多能动力总成系统实现了混合系统的控制协调。

发动机和电动机的布置也不同。一种是将电动机直接安装在内燃机的曲轴端的输出端，必须将ISG转子与曲轴合并，以替换图2所示的飞轮和原始的起动器和发电机，如图2所示。一种是在发动机的前端使用皮带变速箱机制来连接ISG电动机，并将其连接到ISG机构，并将ISG的机制连接到ISG，并连接IS的机能，并将其连接起来。

2 1SC功能分析

ISG-MHV可以实现自动启动和停止，功率补偿和高效的高功率输出功能。

2.1自动开始和停止功能

传统的汽车启动器只能将内燃机加速到起始速度（例如200R/min）。 ISG作为电动机将内燃机加速到空闲速度（例如，800R/min）在短时间内（通常加速度仅为0.1〜0.2 s），然后内燃烧引擎在圆柱体中启动燃烧过程。高速电动启动过程不仅可以减少启动内燃机时的燃油消耗，而且还可以改善排放。自动起动函数的实现过程如下：如果汽车长时间没有负载状态，例如，当在交叉路口等待红灯时，内部燃烧引擎始终是空闲的，则控制系统将自动阻止内部燃烧引擎运行，并且ISG也将停止工作。当需要启动时，ISG将在短时间内完成启动任务。在城市工作条件下，在许多情况下，汽车启动和停止，内燃机闲置。自动启动和停止系统使用电动机的特性快速启动，避免了以低速和长时间空转开始的内燃机，从而改善了整个车辆的燃油经济性和排放性能。

2.2电源补偿功能

内燃机的燃油经济性较差，低速和高负载的发动机性能。在正常情况下，在此操作条件下，内燃机的扭矩输出有限。如果内燃机需要能够在低速和高负载下提供更大的功率，则必须选择具有更大位移的内燃机。尽管这符合电力要求，但它牺牲了燃油经济性。当内燃机低速且高负载时，ISG可以在电机状态下运行，这提供了辅助功率的一部分，以在低速下提高内燃机的功率性能。例如，当内燃机以较低的速度运行时，如果加速器踏板的中风大于整个中风的90％，则ISG开始补偿功率，并且当加速器踏板达到全部冲程时，ISG可提供最大的瞬时功率。

2.3高效率高功率输出功能

当用作发电机时，ISG可以提供6〜10 kW的功率输出，其效率在全速范围内超过80％。普通汽车发电机通常由内燃机的曲轴驱动，最大输出功率仅为1.5〜2.5 kW，发电机的最大效率为70％，而高速速度仅为30％，无法满足现代自动化电子产品的功率要求。 ISG的高效率和高功率输出能力要比传统的汽车发电机好得多。它不仅允许需要高功率电源（例如电动转向，电动制动器和电子阀）等新兴的汽车电子技术，而且还可以充分应用，而且还可以通过牙齿压缩机驱动的汽车配件（例如，最初由空调压缩机）驱动的汽车配件，可以由特殊的电动机驱动，并以特殊的电动机来控制最佳的汽车以提高车辆的优势。

2.4剩余功能

除了上述三个主要功能外，ISG还可以在汽车放慢速度或制动电能期间转换动能，为机上电池充电并改善燃油经济性。 ISG取代了飞轮的功能，可以通过其自身的惯性瞬间和电动机和发电机之间来回切换，以平衡内燃机内燃机的曲轴的波动，成为一种活跃的飞轮作为减震器。所有内燃机配件均由电力驱动，并且可以完全保存齿状皮带和齿轮套件。同时，可以消除传统的发电机和电动机。内燃机配件的布局可以更灵活。

3个控制政策

发动机效率在低速下较低，扭矩较小，而在中等和高负载下效率更高。当负载较大时，效率将降低。参见图4。为了使发动机尽可能高效地工作，可以根据ISG的结构特征制定特定的控制策略。

启动时，ISG在短时间内（通常为0.1〜0.2s）将内燃机加速到怠速速度，然后随着电动机状态，然后内燃烧发动机启动了缸内燃烧过程，然后离合器组合并启动驾驶周期。

当汽车以较低的速度巡航或驾驶时，如果电池BSOC的充电状态低于其定义的最大值，则ISG会切换到发电机状态并为电池组充电。但是，如果电池BSOC等于或大于其目前的有限值，以延长电池的使用寿命，则ISG无法为电池充电。

当汽车加速或爬升时，ISG被允许在运动状态下操作并提供一些辅助扭矩。但是，在第一档时，ISG无济于事。当汽车闲置且无负荷时，内燃机停止运行，ISG也停止工作。启动时，ISG作为电动机将在短时间内完成起始任务。当汽车放慢或制动时，ISG处于再生制动状态。

4国内外ISC研究的现状和实际应用

在混合动力汽车研究领域，它是国际混合动力汽车制造公司的基准。自1990年代以来，所有著名的外国汽车公司都在对电动汽车和混合动力汽车实用模型的研究和开发方面进行了大量投资。自新世纪初以来，在“ 863”计划的推动下，中国汽车制造商和科学研究机构在混合动力汽车方面也取得了长足的进步。以下是ISG各个国家当前的研发状况的摘要介绍。

本田自1999年11月以来一直在日本安装了ISG系统的混合动力轿车。本田的电力系统包括1.0 L燃烧的汽油发动机作为主电源（空气燃料比率为26：1）和10kW ISG作为辅助电源。 ISG使用具有耐热性强的永久磁铁，薄的线圈，风冷，超薄电动机的厚度仅为60mm。从那以后，本田推出了总共3种混合动力产品。 2001年12月，在主要模型Civic上加载混合技术的Civic开始在日本市场上出售。 2004年12月，北美启动了具有可变气缸系统的V6发动机和ISG系统。

2000年2月，Dyke在华盛顿国家博物馆推出了其温和的混合概念车，道奇ESX3.ESX3。直接注射柴油发动机具有先进的普通式柴油高压油供应系统，可变型涡轮增压器系统和多阀架空间双凸轮轴，并使用铝合金结构来减轻重量，从而达到最佳的燃油经济性。安装ISG系统可以减轻系统的重量，优化启动性能，恢复制动能量，并通过空闲关闭来减少燃油消耗和排放，从而可以将电源系统与最佳组合相匹配。

2006年1月，这两个项目“ ISG混合车辆汽油发动机的研发”和“ B-ISG关键技术和核心组件的研究与开发”成功通过了认可。 Chery ISG电源系统由“ 1.3L汽油发动机 + 5速手动变速箱 + 10kW电动机 + 144V镍氢电池组成”。电动机采用永久磁铁同步电动机，并配备电动机控制系统，逆变器和直流/直流转换器。最大稳定的车速为≥180km/h，加速度为≤11.3s，在加速期间，车辆外部的最大噪声为≤71dB，在郊区城市的全面工作条件下，燃油消耗为4.95L/100km。指的是德国联邦提议，这种类型的车辆排放符合欧洲V标准。 Chery B-ISG电源系统由“ 1.6升汽油发动机 + 5速手动变速箱 + 2kW电动机 + 12V铅酸电池组成”。电动机使用爪马达并具有电动机控制系统。最高稳定的车速为≥180km/h，加速度为≤12.8s，在综合城市和城市工作条件下，燃油消耗为6.3 L/100km，并且排放符合欧洲IV标准。

在科学技术部，重庆科学技术委员会的强烈支持下，我们与大学长安混合动力汽车，北京技术研究所，重庆大学，北京大学，其他大学和其他大学和研究机构共同承担“ ISG 车辆项目”，并已通过了全国接受。它的燃油消耗量已减少30％，其排放已达到欧洲III标准。原型车的最大速度可以达到160公里/小时，并且整个车辆成本的增加在30％以内有效控制。加速度性能等效于相同等级的汽车。里程大于500公里，最大攀爬坡度可以达到25％。

吉利·惠普（Geely Huapu MA）（ 305）在上海第七届工业博览会上首次亮相。这辆车是由上海大学独立知识产权开发的中型混合动力轿车。该汽车采用发动机曲轴ISG解决方案和1.5发动机曲轴平行电动机的集成设计。优势是紧凑的结构，高可靠性，低成本，可以节省约20％的燃料。

5结论

随着石油和能源的越来越短，环境意识的持续增强以及对排放法规的持续改善，传统的汽车行业肯定会面临新的和更大的挑战。各种新能源车的研究和开发也像火，但它也面临着诸如成本过高，基础设施疲软和促销困难等问题。混合动力汽车是针对目前面临的问题的绝佳过渡解决方案。其中，ISG混合动力法是一个重要的研究方向。 ISG混合动力汽车是轻度混合动力汽车，具有简单的系统结构和低成本。它们适合对价格更敏感的经济车辆。它们特别适合城市中某些特殊车辆，在减少特定驾驶条件下的燃油消耗方面发挥着重要作用。随着ISG技术的持续改进，我认为将来将在越来越多的车辆中使用它。