2.4　液驱混合动力汽车构型方案与特点

依据蓄能元件的储能机理不同，可以将混合动力汽车分为油电混合和液驱混合。本节将对液驱混合动力汽车展开介绍。与油电混合动力汽车不同，液驱混合动力汽车的能量元件为液压蓄能器，使用液压泵/马达作为能量转换元件。由图2-38可知，与液压蓄能器相比，燃料电池和蓄电池有较高的能量密度，所以，一般油电混合动力汽车的续驶里程较长，比较适合应用于中、小型车辆上；而液压蓄能器具有功率密度大的特点，能够快速、高效地存储和释放大量能量，所以在回收制动能量时，可以回收和利用绝大部分被传统汽车以热能耗散掉的制动动能，适用于城市公交车、运输车及军用卡车等大型且频繁启停的车辆。另外，液压再生系统结构简单、工作可靠、使用寿命长。但是液压蓄能器的能量密度较低，所以液压系统单独驱动时的续驶里程较短。图2-39为各种储能装置的质量比较结果，由图可知，在相同条件下，液压储能系统质量明显小于钠氯化镍电池系统、镍氢电池系统和超级电容系统，有利于减轻汽车整备质量，降低汽车行驶阻力，更大限度地提高液驱混合动力汽车的有效载荷和燃油经济性。此外，液压蓄能器生产制造技术较为成熟，维护及回收过程也简单，并且不会污染环境。但对蓄电池和电气装置进行操作时，可能会有受伤、侵蚀和火灾的危险。同时，蓄电池中含有大量的电解液和铅等有害物质，回收过程中可能会出现泄漏而严重污染环境。液压泵/马达具有比功率高、结构紧凑、质量小、所需安装空间小、输出转矩大、控制精度高、响应速度快等优点。凭借其突出优势，液压驱动系统在某些车辆上得到应用，如Eaton的HLA系统、Volvo的L30G、Caterpillar的906H2等。

国内对液驱混合动力汽车技术的研究起步较晚，近年来，随着能源危机和环境污染的加剧，深入研究节能环保汽车势在必行，国内多所高校及科研机构纷纷开展了该项技术的研发，并取得了良好的进展。其中，南京理工大学是国内从事液压驱动汽车技术研发工作较早的高校之一，其研究内容主要包括二次调节静液传动系统的控制、液压元件特性分析以及整车能量管理策略等，并基于实车平台进行了该技术的应用研究；哈尔滨工业大学针对恒压网络车辆静液驱动系统及其控制规律开展了深入的研究；上海交通大学以及北京理工大学针对制动能量回收单元进行了元件匹配、制动能量回收策略的研究，并将该项技术应用于城市公交车制动系统的改进，取得了良好的效果；吉林大学对载重汽车液压驱动混合动力系统方案和控制技术进行了研究；北京嘉捷博大汽车节能技术有限公司和北京创世奇科技公司等企业相继开展了对液驱混合动力汽车的研发工作，并取得了一些研发成果。如北京嘉捷博大汽车节能技术有限公司成功研制出了液驱混合动力公交车样车，并在北京公交线路上试行，北京创世奇科技公司完成了汽车无级变速混合驱动装置的开发工作。

对于液驱混合动力汽车，液压驱动系统在车辆启动和加速的过程中释放能量以满足系统间歇性、大功率的要求；通过改变斜盘的摆动方向可实现液压泵/马达在转矩-转角域内的四象限内工作，既可作为马达驱动负载，又可作为泵对负载进行制动，并具有容易实现正反转、操纵性强及可靠性高等优点。然而，液压元件的运行区域对其工作效率有很大影响，需要制定合适的控制规则，使液压元件保持较高的效率。

按照能量再生系统与发动机的不同配置形式，液驱混合动力汽车可分为四种：串联式、并联式、混联式和轮边式。这四种不同形式的液驱混合动力系统各具特点，下面分别具体介绍。

2.4.1　串联式液驱混合动力汽车

图2-40所示为串联式液驱混合动力汽车原理。传动系统由发动机、变量液压泵、液压蓄能器、双向变量马达（液压泵/马达）和驱动桥组成。其动力传输路线为发动机通过带动变量液压泵，将机械能转化为液压能输送至液压泵/马达，再由液压泵/马达产生驱动转矩驱动汽车行驶。可以看出串联式液驱混合动力汽车是基于纯液压传动的混合动力传动形式，属于重度混合动力的范畴。这一构型是由发动机和液压蓄能器基于能量的混合，液压泵/马达作为驱动执行元件，通过离合器与驱动桥连接来驱动汽车行驶。当汽车制动或者下坡时，液压泵/马达作为泵工作来吸收汽车的制动动能，并将回收的制动能量存储在液压蓄能器中；当汽车加速时，汽车可同时从发动机和液压蓄能器获得驱动功率，此时汽车的动力性达到最佳；汽车达到正常行驶速度后，仅由发动机驱动汽车。与串联式油电混合动力汽车相似，由于发动机和驱动轮之间没有直接的机械连接，串联式液驱混合动力汽车使发动机与路面负荷解耦，可以根据汽车结构和需求驱动功率，来实现无级变速的精细速度调节。依据适当的整车能量管理策略，可以使发动机始终工作在最优工作区域，这对降低燃油消耗、减少排放量等有着积极贡献。由于汽车驱动桥只与液压泵/马达连接，所以控制技术较为简单，可以方便地实现制动能量回收，该布置形式适合于路况复杂的城市公路行驶的汽车。在环保要求高的市区，汽车在低速行驶时，也可以关闭发动机进入纯液压驱动状态，使汽车达到零排放的要求。但是，系统中发动机发出的所有能量都必须经过动能-液压能-动能的转换过程，因转换环节多而导致能量损失较多。串联式液驱混合动力传动的典型代表是美国EPA的全液压混合动力系统。

多年以来，美国环保署（EPA）一直与其合作伙伴致力于液压驱动技术的应用和推广，取得了多项专利和研究成果。2004年美国福特公司将EPA为其提供的节能技术应用在F-550拖车上，结果表明城市工况下该技术提高燃油经济性25％～45％，有害气体的排放量降低了20％～45％，并预计可将有害气体排放量的数值减少到70％。同，EPA在全球汽车工程师会议（SAE）上，展示了与其合作机构共同研发的一款基于液压节能技术的串联式多功能商务用车SUV，新技术及能量控制策略的采用使其制动能量回收的效率优化至82％～90％。并称投入较少的单车成本，在使车辆动力性增强的同时，可令燃油经济性提高55％。

2005年EPA与Eaton公司联合开发了一种液压混合传动系统，并将其应用在UPS（United Parcel Service）的邮递车上，可使燃油经济性提高60％～70％。从1995年起，瑞典的Volvo公司就开始致力于节能汽车的研究，并于1997年成功研制了液压储能式公共汽车。Volvo公司成功研制的Cumulo动力驱动系统有并联式和串联式两种构型。

串联式液驱混合动力系统的一大优点就是便于对发动机进行控制，但其结构特点也决定了能量转化效率一般比较低，若液压元件的工作区域恶化，系统效率会变得更低。同串联式相比，下文要介绍的并联式液驱混合动力系统能够提高系统效率。

2.4.2　并联式液驱混合动力汽车

同油电混合相似，并联式液驱混合动力系统也存在多种构型，各种构型的主要区别体现在液压泵/马达在离合器输入输出、变速器输入输出等耦合位置的不同。以变速器输出端耦合为例，其结构形式如图2-41所示。并联式液驱混合动力汽车以发动机作为主要动力源，液压蓄能器作为辅助动力源驱动车辆，它可以根据元件参数匹配及整车改造成本，灵活调节液压蓄能器与发动机的功率比。与串联式结构不同的是，并联式液驱混合动力汽车的发动机可以通过机械传动系统直接驱动车辆行驶，在这一机械路径中，由于没有液压能的中间转换，因而其能量的利用率得到提高。并联式液驱混合动力汽车对传统汽车动力传动系统的改动较小，改装成本较低，控制环节相对简单，因此并联式结构比较适合应用于对成熟车型进行改造，在公交车和重型卡车上的应用较多。

在并联式液驱混合动力汽车中，保留了传统汽车的动力传动链，只是在原传动链上，增加了由双向变量液压泵/马达和液压蓄能器组成的液驱系统，从而形成了双动力系统。当汽车制动时，双向变量液压泵/马达工作于液压泵状态，此时液驱系统转换为制动能量回收系统，利用传动轴上的动能，将低压液压蓄能器中的工作油压入高压液压蓄能器中，由双向变量液压泵/马达完成高、低压蓄能器之间的能量交换。当高压液压蓄能器储满高压油或紧急制动时，控制器自动切换到传统摩擦制动模式，以保证制动的安全性。发动机启动时，将所有液压元件的变量倾角调到零位，以减小启动时的阻力。

并联式液驱混合动力汽车中，很大一部分能量以机械传动的方式高效地传递给驱动轴，只有小部分能量转化为液压能，因此液压元件功率较低，体积和质量较小，整体效率高，噪声小。但是，并联布置方式不能实现液压传动无级变速，发动机与驱动轮直接连接，要求对发动机进行瞬态操作，燃油经济性较差。并联式液压混合动力传动系统的代表有Permo-Drive公司的RDs和Eaton公司的HLA等。

上海交大神州汽车设计有限公司在原有公交车基础上通过加装一套液压动力系统，成功开发了并联式液驱混合动力客车，如图2-42所示，该车在城市工况下可节能15％～30％，同时尾气排放物可减少15％～25％，并于2006年5月起相继在上海、宁波试运行。吉林大学、哈尔滨工业大学等高校也对并联式液驱混合动力汽车进行了深入的研究，图2-43是哈尔滨工业大学经过多年潜心研究，自主开发的并联式液驱混合动力汽车。

2.4.3　混联式液驱混合动力汽车

混联式液驱混合动力汽车原理如图2-44所示。这一构型是串联式结构与并联式结构的综合，它同时具有串联和并联的特点。混联式结构能够使发动机、液压泵、双向变量马达等部件进行更多的组合，从而在结构上可实现更多的工作模式，使车辆在复杂的工况下系统工作在最优状态成为可能，更容易实现低排放和低油耗目标，这一点类似于混联式油电混合动力汽车。虽然混联式结构在理论上最容易实现性能最优，但是由于系统过于复杂，系统对部件性能要求高，存在车辆可靠性难以保证、设计加工困难、造价高等缺点。因此，混联式混合动力系统在研究、开发和应用中都受到很大的限制。

同样，混联式液驱混合动力汽车也存在多种形式，包括离合器开关式和行星齿轮功率分流式等。

开关式混联就是通过离合器的锁止与分离来实现串联工作模式与并联工作模式间的相互切换，其结构形式如图2-45所示。发动机发出的能量既可以通过机械传动输送给变速器、主减速器，以并联结构的方式驱动车辆行驶，也可以将发出的能量通过液压变量泵转换为液压能输送给液压泵/马达，以串联结构的方式驱动车辆行驶。具体而言，当离合器1、离合器2都分离时，系统以串联模式运行；当离合器1、离合器2都结合时，系统以并联模式运行。这种混联式构型通过离合器的开关状态实现，相对比较容易，但不能发挥混联式液驱混合动力汽车的最佳性能。

图2-46所示为一种双行星排液驱混联式混合动力系统，这一结构包括前行星排、后复合行星排、液压泵/马达A、液压泵/马达B、高压蓄能器及低压蓄能器等。该系统通过双行星排耦合，液压泵/马达A可以根据工况的动力需求通过前行星排调节发动机的转速，使发动机的转速从车速中解耦出来，这样使发动机就可以工作于理想的转速区域；同时，在后行星排与驱动桥相连的输出轴上安装了大功率的液压泵/马达B，可以使发动机的转矩从路面负荷转矩中解耦出来，这样就使发动机可以运行于理想的转矩区域。该构型中取消了传统变速器，使整车系统得到极大简化。不仅其自身的传动效率高，而且也能够使发动机工作在最佳的转速-转矩点，即最佳的燃油经济性区域。

行星齿轮功率分流式中的串联分支与并联分支始终都处于工作状态，而由行星齿轮在串联分支和并联分支之间进行发动机输出能量的合理分配。此结构可通过辅助元件（发电机或泵）对串联分支实施需要的控制，同时又可通过并联分支来维持发动机与驱动轮间的机械连接，能够实现对发动机的转速、转矩双解耦控制，具有达到汽车最佳性能的潜能。行星齿轮功率分流式是全功率分流控制，性能优良、系统结构紧凑、集成度高，但需要制造相对复杂的行星齿轮机构，实际实现相对困难，同时控制系统相对复杂，对控制策略要求较高。这一系统虽然结构比较复杂，但可以支持足够的转矩输出，适用的范围广，如可以应用于SUV等四轮驱动混合动力汽车或中型混合动力货车等。

汽车在中低速行驶时，汽车运行所需的转矩由发动机单独提供，液压泵/马达A作为液压泵吸收能量，液压泵/马达B自由旋转，动力由发动机经前行星排与后复合行星排传至车轮。汽车在低负荷加速工况或低速行驶工况时，汽车运行所需的转矩由液压泵/马达B单独提供。在车辆需求功率大于发动机效率优化的功率时，发动机与液压泵/马达B共同驱动车辆，液压泵/马达A根据功率的不同需求及储能值的高低来判断是作为液压马达参与驱动还是作为液压泵吸收驱动剩余能量，这种工作模式下，汽车的动力性达到最佳。制动模式根据汽车的状态分为液压泵/马达B制动和联合制动两种情况：中低速情况下，由液压泵/马达B作为液压泵运行，回收制动能量，此时为纯再生制动；在高速情况下，机械制动器和液压泵/马达B联合制动，以保证制动安全性。

2.4.4　轮边式液驱混合动力汽车

图2-47所示为轮边式液驱混合动力汽车原理。该系统主要由发动机、液压泵、液压泵/马达和高、低压蓄能器等组成。可以将该系统视为由四个二次元件并联而成的串联系统，每个二次元件均具有相等的输入压力。轮边式液驱混合动力汽车的结构比较简单，与纯电动汽车的轮毂电机分散式布置形式比较类似。

轮边式液驱混合动力汽车的工作原理如下。

控制器接收驱动请求并且发出指令控制发动机工作，发动机直接驱动液压泵，给液压系统或液压蓄能器提供液压油。每个液压泵/马达均直接驱动车轮，在驱动车辆行驶时由液压泵或高压蓄能器提供压力油，驱动液压泵/马达使车轮转动；制动时将车辆的惯性能通过液压泵/马达转换为液压能存储到高压蓄能器中。该系统具有一个特别的优点，即可实现无级调速，它可单独控制每个车轮，这样就大大改善了车辆的动力性，同时也大大简化了车辆的底盘系统，可实现多样化的工作模式，具有较好的节油效果和驾驶性能。

相对传统车辆的传动系统，轮边式驱动布置方案便于引进电子控制，能够从原理上避免车桥差速器在地面附着力不足情况下打滑甚至失控，而不增加额外的能量损失，适用于行驶路面条件不固定或行驶条件较为恶劣的汽车。对驱动轮采用独立的驱动形式，也能降低集中驱动对传动系统强度的要求，因而适用于大功率工程或运输车辆。轮边式液驱混合动力汽车结构简单，但对控制的要求很高，使驱动元件成本增加，并降低了可靠性。由于存在能量的多次转化，系统总体效率偏低。此外，轮边式布置构型造成的非簧载质量增加，对车体悬挂方式的设计也提出了更高的要求。但从车辆性能和适用范围来看，轮边驱动车辆较传统轴驱车辆具有明显的优势。

轮边驱动车辆的关键技术：车辆关键部件的参数匹配和优化、合适的能量管理策略、液压泵/马达的控制策略或驱动轮协调控制技术、车辆悬架设计等。

2.4.5　小结

在国外，混合动力汽车的发展可以追溯到20世纪70年代，液驱混合动力汽车的发展在20世纪80年代已经开始。液驱混合技术作为节能环保汽车新技术的一个重要分支，其在回收车辆制动和惯性能量以及提高燃油经济性等方面表现突出，已引起各国政府、科研机构及汽车制造商的高度重视。该技术在大型车辆和经常处于频繁启停工况中的车辆上得到了广泛的应用，如重型卡车、运输车辆以及城市公交车等。目前的液驱混合动力汽车基本构型可以分为串联式、并联式、混联式和轮边式四种，本节介绍了液驱混合动力汽车的这几种基本构型，以及各构型的特点和应用情况。