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串联并联混联哪种方式更省油

2018-09-17 19:00:25 作者: 0人读过 | 我要赞

串联、并联、混联 哪种方式更省油?

笔者曾经撰文称:只要汽车采用内燃机,混合动力汽车就会成为必然。简而言之,混合动力与内燃机共生存。如今,发展外充电混合动力(包括增程式)汽车,大有成为新能源汽车主流产品的趋势。但是,串联、并联、混联三种混合动力,哪种技术路线更节油?这一直是人们争论的焦点。另外,由于汽车的用途、运行环境、设计水平和技术路线的不同,对混合动力汽车油耗的影响很大,因此一直没有一个比较科学的答案。

众说纷纭之中,日本自动车研究所(JARI)进行的对比实验,不仅给出了较为明确的答案,而且对技术方案及关键零部件对油耗的影响因素,也作了详细对比与技术分析这些信息,对选择新能源汽车的技术路线和进行相应的技术开发,都具有十分重要的参考价值。

一、试验车型

被称为ACE(AutoCAD Electrical)的技术研究,其能耗对比实验选用了两款车型。一款是整备质量为2500kg、额定载荷2000kg的小型载货汽车;另一款是整备质量为10000kg、额定载客人数为65人的大型城市客车。

1.车型设计依据

车型设计所依据基本原则与技术要求是:

(1)以节能技术指标先进为第一选项,而对于车辆空间布置和成本不做考虑;

(2)与混合动力相关的总成及零件,均以满足车辆基本性能为条件;

(3)能够满足城市道路工况的动力要求,而对其它使用条件下的动力性要求不作考虑;

(4)汽车性能应满足日本M15模式且坡道平均比例为4%;

(5)采用电机应满足日本M15试验模式下全过程的能量回收;

(6)蓄电池能够满足电机的全负荷的正常运转(并联混合动力汽车包括内燃机带发电机的能量输出);

(7)满足最高车速运行的传动比;

(8)能够维持车辆以最高车速运行的发动机动力或发电机电力;

(9)考虑到小型载货汽车不仅能够在市内运行,也需满足城市间道路的行驶要求,所以将最高车速设定为100km/h;

(10)大型城市客车在城区道路行驶的最高车速限定在60km/h,同时兼顾公交汽车的使用特点,充分满足起步、加速所需的大转矩、高转速要求。

2.日本M15和JE05试验模式

试验采用日本标准,M15和JE05工况模式如图1所示。

图1 日本M15和JE05工况模式

3.车辆技术参数

以2款车型为基础改装成的6种混合动力汽车、共8种车的主要技术参数如表1和表2所示。其中:

(1)混合动力汽车采用与基准柴油汽车相同的空气阻力系数;

(2)运转部分的等值惯性质量,一律确定为整备质量的7%;

(3)考虑到不同动力类型会引起零件质量变化,对车辆进行等质量载荷配置时,允许配载误差范围为:小型载货汽车为6%、大型客车为3%;

(4)大型客车采用的柴油机,优选最大转矩和最高效率方案;

(5)串联式混合动力汽车的电机为高转速型,并联式混合动力汽车为低转速型电机,转速与发动机转速相当;电机转矩与效率参数采用ACE技术研究成果;

(6)串联式混合动力汽车的发电机为高转速型,发电机的转矩与效率参数采用ACE技术成果;

(7)混合动力汽车的能量储藏装置,一律采用市售的镍氢电池,其充放电效率符合日本JARI标准。

用于测试的8种车型的主要技术参数如表1和表2所示。其中,SHEV为串联式混合动力,PHEV为并联式混合动力,SPHEV为混联式混合动力。

表1 四款小型载货汽车的主要技术参数

项目

单位

柴油车

SHEV车

PHEV车

SPHEV车

车身长度

mm

1800

1800

1800

1800

发动机质量

kg

333

200

216

216

电机控制器﹢逆变器等

kg

0

130

46

92

发电机﹢逆变器

kg

0

72

0

0

变速+传动

kg

170

120

170

290

能量贮存装置

kg

0

176

132

132

燃料及燃料箱

kg

100

100

100

100

试验加载

kg

1055

1055

1055

1055

其他

kg

42

42

42

42

试验总质量

kg

3500

3695

3561

3727

发动机

最高转速

r/min

3500

3500

3500

3500

最大输出转矩

Nm

279

167

180

180

最大输出功率

kW

100

60

65

65

怠速转数

r/min

500

500

500

500

串联、混联用驱动电机

最高转速

r/min

13000

13000

最大输出转矩

Nm

281

94

最大输出功率

kW

100

35

并联、混联用驱动电机

最高转速

r/min

3500

3500

最大输出转矩

Nm

359

359

最大输出功率

kW

35

35

串联、混联用发电机

最高转速

r/min

13000

3500

最大输出转矩

Nm

140

359

最大输出功率

kW

55

35

能量贮存装置

最大输出功率密度

W/kg

300

300

300

最大容量

Wh

7200

5400

5400

发电终了时的SOC

%

65

65

65

发电开始时的SOC

%

55

55

55

最小SOC

%

40

40

40

最大SOC

%

95

95

95

最大输出功率

kW

50

40

40

串联、混联用齿轮传动系统

减速器传动比

2.581

2.581

传动效率

0.95

0.95

减速机传动比

6.217

6.217

传动效率

0.95

0.95

发动机与发电机传动比

1.59

1

传动效率

0.95

1

并联、混联齿轮传动系统

减速器传动比

6.045

6.045

6.045

传动效率

0.95

0.95

0.95

变速器前进挡位

4

4

4

1挡传动比

3.028

3.028

3.028

传动效率

0.95

0.95

0.95

2挡传动比

1.7

1.7

1.7

传动效率

0.95

0.95

0.95

3挡传动比

1

1

1

传动效率

0.98

0.98

0.98

4挡传动比

0.722

0.722

0.722

传动效率

0.95

0.95

0.95

发动机与电机传动比

1

1

传动效率

1

1

全部与车轮关联参数

驱动轮滚动半径

m

0.347

0.347

0.347

表2 四款大型城市客车的主要技术参数

项目

单位

柴油车

SHEV车

PHEV车

SPHEV车

车身长度

mm

9278

9278

9278

9278

发动机质量

kg

533

251

333

333

电机控制器﹢逆变器等

kg

0

208

82

160

发电机﹢逆变器

kg

0

94

0

0

变速+传动

kg

400

220

400

620

能量贮存装置

kg

0

352

220

220

燃料及染料箱

kg

200

200

200

200

试验载荷

kg

1815

1815

1815

1815

其他

kg

150

150

150

150

试验总质量

kg

12376

12568

12478

12776

发动机

最高转速

r/min

2500

2500

2500

2500

最大输出转矩

Nm

656

292

390

390

最大输出功率

kW

160

75

100

100

怠速转数

r/min

500

500

500

500

串联、混联用驱动电机

最高转速

r/min

13000

13000

最大输出转矩

Nm

430

172

最大输出功率

kW

160

60

并联、混联用驱动电机

最高转速

r/min

2500

2500

最大输出转矩

Nm

874

874

最大输出功率

kW

60

60

串联、混联用发电机

最高转速

r/min

13000

2500

最大输出转矩

Nm

189

874

最大输出功率

kW

70

60

能量贮存装置

最大输出功率密度

W/kg

300

300

300

最大容量

Wh

14400

9000

9000

发电终了时的SOC

%

65

65

65

发电开始时的SOC

%

55

55

55

最小SOC

%

40

40

40

最大SOC

%

95

95

95

最大输出功率

kW

100

65

65

串联、混联用齿轮传动系统

减速器传动比

6.039

6.039

传动效率

0.95

0.95

减速机传动比

6.217

6.217

传动效率

0.95

0.95

发动机与发电机传动比

2.23

1

传动效率

0.95

1

并联、混联齿轮传动系统

减速器传动比

7.23

7.23

7.23

传动效率

0.95

0.95

0.95

变速器前进挡位

4

4

4

1挡传动比

3.679

3.679

3.679

传动效率

0.95

0.95

0.95

2挡传动比

2.197

2.197

2.197

传动效率

0.95

0.95

0.95

3挡传动比

1.341

1.341

1.341

传动效率

0.95

0.95

0.95

4挡传动比

1

1

1

传动效率

0.98

0.98

0.98

发动机与电机传动比

1

1

传动效率

1

1

全部与车轮关联参数

驱动轮滚动半径

m

0.468

0.468

0.468

二、混合动力类型对油耗的影响

1.滚动阻力对油耗影响

滚动阻力变化对油耗影响不言而喻。混合动力汽车滚动阻力增加,不仅受驱动方式的影响,受减速时能量回收的影响更加明显。

小型载货汽车和大型城市客车的滚动阻力及其对油耗的影响的试验,均采用日本M15工况模式。其结果分别如图2和图3所示。纵轴为滚动阻力系数增加1%时,两种基准柴油车与其他各种混合动力汽车每公里油耗(L/km)变化及对比情况。

对于小型载货汽车,混合动力汽车因滚动阻力增加的油耗(每公里耗油量),相当于基准柴油车的1.7~2.2倍。而对于大型城市客车而言,混合动力汽车因滚动阻力增加的油耗,则大致相当于基准柴油车的2倍。

图2 小型货车滚动阻力变化对油耗的影响

图3 大型城市客车滚动阻力变化对油耗的影响

2.工作效率对油耗的影响

各主要总成包括:电池、驱动电机、能量回收、发电机、发动机、减速器、传动系的工作效率,都会对油耗产生不同的影响。纵轴表示不同混合动力汽车所构成的工作效率变化对油耗(每公里耗油量)的影响。

与基准柴油车相比,小型载货混合动力汽车发动机、减速传动系统的工作效率,对油耗所带来的影响较大。其中,串联混合动力(SHEV)各项要素所带来的油耗影响平均可以达到2%;并联混合动力(PHEV)中,与电机、电池相比,发动机与减速、传动系统所带来的影响也较大;而混联混合动力(SPHEV)中,电机、电池、发动机、减速和传动系统所带来的影响则基本相同(图4)。

对于大型城市客车,各总成的工作效率所带来的影响与前述基本一致。不过,蓄电池效率所带来的影响要高于小型载货汽车(图5)。

图4 小型货车各总成工作效率对油耗的影响

图5 大型城市客车各总成工作效率对油耗的影响

E开发技术对油耗的影响

采用ACE(AutoCAD Electrical)技术开发,对改善混合动力客车油耗的效果十分明显。这里ACE开发要素对油耗的影响的评价,主要针对超级电容、锂离子电池、轮毂电机、低滚动阻力轮胎而进行。各种车型的经济性及其评价结果如图6和图7所示。

小型载货汽车的试验,分别采用M15和JE05两种运行模式;大型城市客车的试验采用M15运行模式。

纵轴为各主要总成每公里油耗的影响。其中,轮毂电机驱动主要用于串联或混联方式,并采用的是2级减速。如果将其变更成为1级减速,传动效率会有所提高并减少后桥的质量。此外,低滚动阻力轮胎使滚动阻力降低了25%。

对于小型载货汽车,怠速熄火装置的节油效果比较突出,尤其是停车时间较长时, M15试验模式下的节油率可以达到20%。

混合动力采用低滚动阻力轮胎的效果,可相当于基准柴油车的两倍,节油率可以达到10%。此外,对电力依赖性高的串联/混联混合动力,能量储存装置、车轮电机驱动方式,也可以分得到10%的节油率。至于M15和JE05两种试验模式的比较,JE05试验模式所取得的节油效果并不十分明显,而对于其他方面的试验效果,两种模式基本相当(图6)。

图6 小型货车采用ACE技术带来的燃油经济性效果

对于大型城市客车,采用低滚动阻力轮胎的效果,基准柴油车勉强接近5%,而混合动力方式可以达到10%。

此外,混合动力储能装置的改善,可使节油效果提高4%~9%。串联式混合动力如果采用轮毂电机驱动,节油效果可提高11%。方式

混合动力的能量储存装置,可以收到4%~9%的节油效果。其中,串联方式SHEV中的车轮驱动电机,节油效果可达11%(图7)。

图7 小型货车采用ACE技术带来的燃油经济性效果

小型载货汽车和大型城市客车,尽管用途和使用条件不同,采用ACE技术同样能够收到不同的节油效果。尤其是采用超级电容或锂离子电池,串联、混联方式采用轮毂电机驱动,均可提高节油效果10%左右。

三、各种动力形式节油效果评价

各种动力型式的节油效果分别如图8、图9、图10所示。纵轴表示基准柴油车每公里油耗为100%,各种混合动力油耗与基准柴油车进行比较所取得的相对值。

1.小型货车M15试验模式(图8)

(1)采用锂离子电池组、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎的串联混合动力,可分别降低油耗6.8%、7.5%、4.8%,每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的47

串联并联混联哪种方式更省油

.6%。

(2)对于并联式混合动力,采用锂离子电池和低滚动阻力轮胎,可分别降低油耗0.8%和3.7%,每公里油耗(L/km)与串联混合动力相等,亦相当于基准柴油货车的47.6%。

(3)对于混联式混合动力,采用锂离子电池组、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎,可分别降低油耗6.6%、4.6%和3.9%,每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的42.7%。

图8 小型货车M15试验模式的节油效果

2.小型货车JE05试验模式

装有怠速熄火装置的柴油车节油效果明显。如果采用ACE开发技术,则燃油经济性改善效果更加明显。

(1)对于串联式混合动力,采用锂离子电池、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎,可分别降低油耗8.2%、7.3%和6.7%,每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的74.4%。

(2)对于并联式混合动力,采用锂离子电池和低滚动阻力轮胎,可分别降低油耗2.7%和6.5%,每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的71.0%。

(3)对于混联式混合动力,采用锂离子电池、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎,可分别降低油耗6.3%、4.2%和4.4%,每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的67.5%。

图9 小型货车JE05试验模式的节油效果

3.大型客车M15试验模式

(1)对于串联式混合动力,采用锂离子电池组、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎的串联混合动力,可分别降低油耗5.4%、7.9%和5.4%,每公里油耗(L/km)相当于基准柴油客车的50.1%。

(2)对于并联式混合动力,采用锂离子电池和低滚动阻力轮胎,可分别降低油耗4.9%和6.1%,每公里油耗(L/km)相当于基准柴油客车的45.60%。

(3)对于混联式混合动力,采用锂离子电池、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎,可分别降低油耗5.6%、2.7%和5.8%,每公里油耗(L/km)相当于基准柴油客车的44.8%。

图10 大型城市客车M15试验模式的节油效果

该项试验表明,由于JE05试验模式平均车速较高,所以混合动力的节油效果要相对小些。如果采用日本M15试验模式,混合动力汽车的油耗可以比基准柴油车节约30%以上;如果进一步采用ACE技术优化设计,则每公里油耗可比基准型柴油车下降1/2以上。

结论

通过对小型载货汽车和大型城市客车混合动力的模拟实验,串联、并联、混联三种混合动力形式的油耗的评价结论是:

(1)三种混合动力方式对整车质量、滚动阻力系数、工作效率以及能量回收等因素比较敏感,这些技术因素对燃油经济性的影响比较明显。

(2)根据串联、混联、并联对电力依赖程度的不同,通过电池、电机的能量及其工作效率也成为影响油耗的主要因素。

(3)测试车辆采用的是基准混合动力汽车常用的镍氢电池和普通电机。若采用专门开发的锂离子电池和轮毂驱动电机,则仅此一项就可以使每公里油耗减少10%~20%,从而使油耗降低到传统内燃机汽车油耗的1/2左右。

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