[发明专利]串联式混合动力车辆的动力系统

说明书

技术领域

本发明涉及混合动力车辆，特别是涉及一种串联式混合动力车辆的动力系统。

背景技术

20世纪90年代以来，世界范围内的能源危机和环境污染问题日趋严重。石油在世界总能源消费中占比40％以上，按目前的探明储量和消耗速度估计，地球上的石油资源可能在未来几十年内消耗殆尽。

机动车辆是石油的主要消耗者和大气污染的主要制造者。机动车辆尾气中的CO₂是地球温室效应的主要来源之一，而尾气中的其它成分也是重要的城市大气污染物。

多年来的实践证明，使用新型燃料和新型动力系统是解决车辆能源瓶颈与尾气污染的一个重要途径。在新型燃料方面，实践证明，使用较汽油、柴油更清洁的代用燃料是解决能源危机和排放污染问题的可行方案。在新型动力系统方面，尽管使用铅酸、镍氢或锂等动力蓄电池的纯电动车辆具有零排放、低噪音和高效率的优点，但由于电能存储技术的制约，导致纯电动车辆不但制造成本高，而且续航里程短和充电时间长，目前以及未来相当长的一段时间内尚不能真正满足人们的使用需求，没有足够的市场竞争力。混合动力车辆是一种介于传统车辆和纯电动车辆之间的过渡型车辆，兼有两者的一些优点，如超低排放、高效率和续航里程长等，只是成本较采用传统动力系统的车辆稍高。

混合动力车辆的动力系统包括串联式、并联式和混联式等多种类型，其中串联式混合动力系统结构设计相对简单、稳定性好，能有效地实现各种能源的分配和合成，是混合动力车辆动力系统目前研究开发的热点技术路线之一。

串联混合电动车辆（SHEV）一般把动力蓄电池和燃料发电机组作为两种基本的能量存储转换装置，其中燃料发电机组（发动机＋发电机）也称为辅助动力单元（APU）。在现有技术的串联式混合动力车辆中，一般仅仅设置一个辅助动力单元，在这个辅助动力单元中主要包含仅仅一个燃油发动机（汽油发动机或柴油发动机）作为发动机以及仅仅一个将发动机输出的动能转变为电能的发电机，燃油发动机与驱动车辆运行的牵引电机之间没有机械连接。然而，这种现有技术的串联式混合动力车辆虽然能够较好地降低车辆的尾气排放，获得较好的燃油经济性，但是其仍然是以汽油或柴油作为燃料，并未解决石油资源紧缺枯竭的问题。究其原因，这是因为目前的代用燃料例如天然气、甲烷等能量密度普遍较低，而串联式混合动力车辆的动力系统中一般存在三次能量转换过程（化学能—>机械能—>电能—>机械能），能量转换效率相对并联式混合动力系统低，因而本领域技术人员一般认为不宜在串联式混合动力车辆中使用能量密度较低的代用燃料。

串联式混合动力车辆辅助动力单元的功能包括直接输出电能并通过牵引电机驱动车辆运行、输出电能为高压动力电池充电、以及通过DC/DC为车辆低压蓄电池充电等。辅助动力单元的基本工作机制为：在控制系统的作用下，发动机通过机械连接带动发电机转子转动，同时通过控制发电机转子上线圈中的电流强度在发电机内部得到适当磁场强度，发电机定子上的线圈在形成的交变磁场作用下产生电能。在应用于车辆驱动之前，这样的中小型燃料发电机组多被作为移动式临时供电系统使用，其特点为工作状态相对稳定、转速波动较小、起停不频繁。然而，串联式混合动力车辆中使用的辅助动力单元在电路上同动力电池并联，通过电机驱动车辆运转，这就要求燃料发电机组具有运行工况覆盖范围大、响应迅速、过渡过程平顺等特点，其控制水平直接影响整个动力系统的动力性、安全性及寿命。也就是说，传统上作为移动式临时供电系统使用的燃料发电机组与串联式混合动力车辆中燃料发电机组性能要求完全不同，因而其结构设计、系统连接以及控制策略上均不相同，其在技术上不能显而易见地进行换用。

如本领域技术人员已知的，兼顾排放和燃油消耗这两方面的因素，串联式混合动力车辆辅助动力单元的基本工作方式目前一般有如下两种：第一种是单点恒功率工作方式（亦被称为开关模式），第二种是沿最低燃料消耗曲线工作方式。

采用单点恒功率工作方式的辅助动力单元只有稳定工作在某油耗同排放都很低的工况点和停机两种状态，车辆的动态负载完全由动力电池来平衡。这样，辅助动力单元的排放和油耗都很低，但对动力电池的损害较大。

采用沿最低燃料消耗线工作方式的辅助动力单元可以跟踪车辆实际负荷的变化，有效降低了车辆行驶对动力电池输出容量和功率的要求，动力电池可以较小的功率循环工作，有利于延长动力电池的使用寿命和选择较小功率的动力电池。但辅助动力单元必须跟随车辆功率要求而做出快速响应，因此会影响发动机的效率和排放特性，而且准确预测车辆未来行驶阶段的功率需求也是比较困难的。