串联式混合动力汽车架构解析与性能优化指南

Introduction

混合动力电动汽车（HEV）是向可持续交通转型的关键技术，它结合了内燃机与电力驱动系统。在众多构型中，串联式混合动力电动汽车因其独特的架构和运行理念而备受关注。本文将深入探讨串联式混合动力系统的结构、核心特点、优缺点以及典型工作模式，为理解这一关键动力总成技术奠定基础。

1. Architecture of a Series Hybrid System

串联式混合动力电动汽车的核心原理在于内燃机与驱动轮在机械上是解耦的。如图2-8所示，发动机的唯一功能是驱动发电机产生电能。随后，电能由电机控制器管理并输送至一个或多个牵引电机，由电机将其转化为机械能来驱动车辆。储能系统（通常是高压电池包，也可能是超级电容或飞轮）充当发电机和电机之间的缓冲装置。

这种架构起到了关键的功率平衡作用：

• 功率过剩： 当发电机的输出超过牵引电机的即时功率需求时——例如在车辆减速、低速巡航或短暂停车期间——多余的电能为储能系统充电。
• 功率不足： 相反，在加速、爬坡或高速行驶等高功率需求场景下，储能系统通过向电机提供额外的电能来补充发电机的输出，从而满足峰值功率要求。

这种解耦的一个显著优势是发动机的运行独立于变化剧烈的道路负荷。这使得发动机可以被优化，使其持续在单一、固定的工作点或其最高效的转速和负荷区域附近运行。这种设计灵活性也拓宽了“发动机”的定义。虽然通常是内燃机，但它也可以是其他不适用于直接驱动车轮的原动机，例如微型燃气轮机或斯特林发动机。发动机-发电机组由发动机和发电机组成的车载发电单元，在串联式混合动力系统中将燃料的化学能（通过发动机）转化为电能（通过发电机）。甚至可以被燃料电池系统完全取代。

1.1 Design Philosophies

串联式混合动力汽车一种混合动力汽车结构，其发动机与车轮无机械连接，仅用于驱动发电机发电，电能再驱动电动机或为储能系统充电，由电动机直接提供车辆驱动力。主要遵循两种设计理念来规划部件规模：

a) Small Generator Unit + Large Battery Pack

小发电单元 + 大容量电池组合
在此理念中，大容量电池包是驱动的主要能量来源。一个小型的车载发电单元（发动机+发电机）主要作为增程器，为电池充电并平衡其荷电状态（SOC）的峰谷。发电单元仅在电池SOC降至预设下限时启动，并在达到上限时关闭。这种设计提供了安静的运行环境和优异的排放性能，因为发动机运行时间最少且处于最佳工况点。然而，大容量电池包增加了成本。大多数增程式电动汽车通常指采用串联式混合动力结构，且以“小发电单元+大容量动力电池组合”为设计理念的车辆，电池为主要驱动能源，发动机仅作为增程器为电池充电以延长续航。采用这种架构。

b) Large Generator Unit + Small Battery Pack

大发电单元 + 小电池组合
此理念利用了串联式混合动力能使发动机保持峰值效率的能力。在这里，较大的发动机-发电机组提供车辆所需的大部分平均能量，将燃料转化为电能作为主要能量流。较小的电池包主要用于处理瞬态峰值功率需求并回收制动能量。与第一种设计相比，这种方法降低了成本（因为电池更小），并且可以在为辅助系统供电的同时提供更长的续航里程。其代价是安静度降低，并且在持续运行期间排放可能更高，因为发动机运行更频繁。这种配置常见于优先考虑动力性和特定运行工况的应用，例如某些混合动力公交客车。

发电机提供的平均功率与电池提供的补充峰值功率之间的最佳比例，取决于车辆的具体应用和运行工况（例如，频繁启停的城市配送车辆）。

2. Characteristics of Series Hybrid Systems

2.1 Advantages

2.1 优点

• 低排放： 串联式混合动力汽车使用电池中的电能作为主要驱动方式。它们可以在发动机关闭的情况下以纯电动模式运行，实现“零排放”行驶。即使发动机运行，也工作在其最高效点，从而最小化单位发电量的有害排放。
• 灵活的驱动形式： 驱动系统可以采用中央电机或分布式轮毂电机。这允许灵活的车辆布局，包括前轮驱动、后轮驱动或全轮驱动配置。
• 布置方便： 由于发电单元和驱动电机之间仅有电气连接，没有机械联动，与并联式混合动力相比，部件布置更加灵活，使其布局更接近纯电动汽车。

2.2 Disadvantages

2.2 缺点

• 对部件要求高： 牵引电机必须能满足车辆的最大功率需求，导致电机体积更大、更重。同样，电池包必须具备足够的容量和功率能力。发动机-发电机组也必须规模适当，这可能带来布置上的挑战，尤其是在小型车辆中。因此，串联式混合动力系统通常更适合公交车等大型车辆。
• 能量转换效率较低： 能量经历多次转换：从化学能（燃料）到热能（发动机）到机械能（发电机）到电能，最后再转换回机械能（牵引电机）。每个转换步骤都会产生损失，与具有直接机械路径的系统相比，可能会降低整体系统效率。
• 对电池管理要求严格： 为了保护电池并确保其寿命，控制系统必须精细管理电池的荷电状态（SOC）。这包括自动启停发动机-发电机组以防止过度放电，要求发动机-发电机组和电池包之间进行精确的协调与匹配。

3. Operating Modes

3. 工作模式

如图2-9所示，串联式混合动力电动汽车可以在几种不同的模式下运行。车辆的控制策略用于管理混合动力系统工作模式的算法或逻辑，旨在优化发动机工作点、电池SOC、能量分配等，以实现最佳燃油经济性、低排放和电池保护。根据功率需求、电池SOC和效率目标动态选择最佳模式。

纯电驱动： 发动机关闭。车辆完全由电池包供电，实现零本地排放。（图2-9a）
纯发动机驱动（串联模式）： 车辆的驱动功率完全来自发动机-发电机组。电池包不工作，既不供电也不接收电能。当电池SOC充足且发动机能高效满足需求时使用此模式。（图 2-9b）
混合驱动（功率辅助）： 牵引电机同时从电池包和发动机-发电机组获取电能，以满足高功率需求，例如急加速或爬陡坡时。（图 2-9c）
行车充电： 发动机-发电机组产生的功率超过即时驱动所需。多余的电能在车辆行驶时用于为电池包充电。（图 2-9d）
制动能量回收： 在减速或制动期间，牵引电机作为发电机运行，将车辆的动能转化为电能为电池包充电，从而提高整体能效。（图 2-9e）
停车充电： 车辆停放，牵引电机不工作。发动机-发电机组运行，仅为电池包充电。（图 2-9f）

车辆控制单元对这些模式的智能协调至关重要。其目标是在整个驾驶循环中满足性能要求，同时保护电池、最大化燃油经济性并最小化排放。