2.4　液驅混合動力汽車構型方案與特點

依據蓄能元件的儲能機理不同，可以將混合動力汽車分為油電混合和液驅混合。本節將對液驅混合動力汽車展開介紹。與油電混合動力汽車不同，液驅混合動力汽車的能量元件為液壓蓄能器，使用液壓泵/馬達作為能量轉換元件。由圖2-38可知，與液壓蓄能器相比，燃料電池和蓄電池有較高的能量密度，所以，一般油電混合動力汽車的續駛里程較長，比較適合應用于中、小型車輛上；而液壓蓄能器具有功率密度大的特點，能夠快速、高效地存儲和釋放大量能量，所以在回收制動能量時，可以回收和利用絕大部分被傳統汽車以熱能耗散掉的制動動能，適用于城市公交車、運輸車及軍用卡車等大型且頻繁啟停的車輛。另外，液壓再生系統結構簡單、工作可靠、使用壽命長。但是液壓蓄能器的能量密度較低，所以液壓系統單獨驅動時的續駛里程較短。圖2-39為各種儲能裝置的質量比較結果，由圖可知，在相同條件下，液壓儲能系統質量明顯小于鈉氯化鎳電池系統、鎳氫電池系統和超級電容系統，有利于減輕汽車整備質量，降低汽車行駛阻力，更大限度地提高液驅混合動力汽車的有效載荷和燃油經濟性。此外，液壓蓄能器生產制造技術較為成熟，維護及回收過程也簡單，并且不會污染環境。但對蓄電池和電氣裝置進行操作時，可能會有受傷、侵蝕和火災的危險。同時，蓄電池中含有大量的電解液和鉛等有害物質，回收過程中可能會出現泄漏而嚴重污染環境。液壓泵/馬達具有比功率高、結構緊湊、質量小、所需安裝空間小、輸出轉矩大、控制精度高、響應速度快等優點。憑借其突出優勢，液壓驅動系統在某些車輛上得到應用，如Eaton的HLA系統、Volvo的L30G、Caterpillar的906H2等。

國內對液驅混合動力汽車技術的研究起步較晚，近年來，隨著能源危機和環境污染的加劇，深入研究節能環保汽車勢在必行，國內多所高校及科研機構紛紛開展了該項技術的研發，并取得了良好的進展。其中，南京理工大學是國內從事液壓驅動汽車技術研發工作較早的高校之一，其研究內容主要包括二次調節靜液傳動系統的控制、液壓元件特性分析以及整車能量管理策略等，并基于實車平臺進行了該技術的應用研究；哈爾濱工業大學針對恒壓網絡車輛靜液驅動系統及其控制規律開展了深入的研究；上海交通大學以及北京理工大學針對制動能量回收單元進行了元件匹配、制動能量回收策略的研究，并將該項技術應用于城市公交車制動系統的改進，取得了良好的效果；吉林大學對載重汽車液壓驅動混合動力系統方案和控制技術進行了研究；北京嘉捷博大汽車節能技術有限公司和北京創世奇科技公司等企業相繼開展了對液驅混合動力汽車的研發工作，并取得了一些研發成果。如北京嘉捷博大汽車節能技術有限公司成功研制出了液驅混合動力公交車樣車，并在北京公交線路上試行，北京創世奇科技公司完成了汽車無級變速混合驅動裝置的開發工作。

對于液驅混合動力汽車，液壓驅動系統在車輛啟動和加速的過程中釋放能量以滿足系統間歇性、大功率的要求；通過改變斜盤的擺動方向可實現液壓泵/馬達在轉矩-轉角域內的四象限內工作，既可作為馬達驅動負載，又可作為泵對負載進行制動，并具有容易實現正反轉、操縱性強及可靠性高等優點。然而，液壓元件的運行區域對其工作效率有很大影響，需要制定合適的控制規則，使液壓元件保持較高的效率。

按照能量再生系統與發動機的不同配置形式，液驅混合動力汽車可分為四種：串聯式、并聯式、混聯式和輪邊式。這四種不同形式的液驅混合動力系統各具特點，下面分別具體介紹。

2.4.1　串聯式液驅混合動力汽車

圖2-40所示為串聯式液驅混合動力汽車原理。傳動系統由發動機、變量液壓泵、液壓蓄能器、雙向變量馬達（液壓泵/馬達）和驅動橋組成。其動力傳輸路線為發動機通過帶動變量液壓泵，將機械能轉化為液壓能輸送至液壓泵/馬達，再由液壓泵/馬達產生驅動轉矩驅動汽車行駛。可以看出串聯式液驅混合動力汽車是基于純液壓傳動的混合動力傳動形式，屬于重度混合動力的范疇。這一構型是由發動機和液壓蓄能器基于能量的混合，液壓泵/馬達作為驅動執行元件，通過離合器與驅動橋連接來驅動汽車行駛。當汽車制動或者下坡時，液壓泵/馬達作為泵工作來吸收汽車的制動動能，并將回收的制動能量存儲在液壓蓄能器中；當汽車加速時，汽車可同時從發動機和液壓蓄能器獲得驅動功率，此時汽車的動力性達到最佳；汽車達到正常行駛速度后，僅由發動機驅動汽車。與串聯式油電混合動力汽車相似，由于發動機和驅動輪之間沒有直接的機械連接，串聯式液驅混合動力汽車使發動機與路面負荷解耦，可以根據汽車結構和需求驅動功率，來實現無級變速的精細速度調節。依據適當的整車能量管理策略，可以使發動機始終工作在最優工作區域，這對降低燃油消耗、減少排放量等有著積極貢獻。由于汽車驅動橋只與液壓泵/馬達連接，所以控制技術較為簡單，可以方便地實現制動能量回收，該布置形式適合于路況復雜的城市公路行駛的汽車。在環保要求高的市區，汽車在低速行駛時，也可以關閉發動機進入純液壓驅動狀態，使汽車達到零排放的要求。但是，系統中發動機發出的所有能量都必須經過動能-液壓能-動能的轉換過程，因轉換環節多而導致能量損失較多。串聯式液驅混合動力傳動的典型代表是美國EPA的全液壓混合動力系統。

多年以來，美國環保署（EPA）一直與其合作伙伴致力于液壓驅動技術的應用和推廣，取得了多項專利和研究成果。2004年美國福特公司將EPA為其提供的節能技術應用在F-550拖車上，結果表明城市工況下該技術提高燃油經濟性25％～45％，有害氣體的排放量降低了20％～45％，并預計可將有害氣體排放量的數值減少到70％。同，EPA在全球汽車工程師會議（SAE）上，展示了與其合作機構共同研發的一款基于液壓節能技術的串聯式多功能商務用車SUV，新技術及能量控制策略的采用使其制動能量回收的效率優化至82％～90％。并稱投入較少的單車成本，在使車輛動力性增強的同時，可令燃油經濟性提高55％。

2005年EPA與Eaton公司聯合開發了一種液壓混合傳動系統，并將其應用在UPS（United Parcel Service）的郵遞車上，可使燃油經濟性提高60％～70％。從1995年起，瑞典的Volvo公司就開始致力于節能汽車的研究，并于1997年成功研制了液壓儲能式公共汽車。Volvo公司成功研制的Cumulo動力驅動系統有并聯式和串聯式兩種構型。

串聯式液驅混合動力系統的一大優點就是便于對發動機進行控制，但其結構特點也決定了能量轉化效率一般比較低，若液壓元件的工作區域惡化，系統效率會變得更低。同串聯式相比，下文要介紹的并聯式液驅混合動力系統能夠提高系統效率。

2.4.2　并聯式液驅混合動力汽車

同油電混合相似，并聯式液驅混合動力系統也存在多種構型，各種構型的主要區別體現在液壓泵/馬達在離合器輸入輸出、變速器輸入輸出等耦合位置的不同。以變速器輸出端耦合為例，其結構形式如圖2-41所示。并聯式液驅混合動力汽車以發動機作為主要動力源，液壓蓄能器作為輔助動力源驅動車輛，它可以根據元件參數匹配及整車改造成本，靈活調節液壓蓄能器與發動機的功率比。與串聯式結構不同的是，并聯式液驅混合動力汽車的發動機可以通過機械傳動系統直接驅動車輛行駛，在這一機械路徑中，由于沒有液壓能的中間轉換，因而其能量的利用率得到提高。并聯式液驅混合動力汽車對傳統汽車動力傳動系統的改動較小，改裝成本較低，控制環節相對簡單，因此并聯式結構比較適合應用于對成熟車型進行改造，在公交車和重型卡車上的應用較多。

在并聯式液驅混合動力汽車中，保留了傳統汽車的動力傳動鏈，只是在原傳動鏈上，增加了由雙向變量液壓泵/馬達和液壓蓄能器組成的液驅系統，從而形成了雙動力系統。當汽車制動時，雙向變量液壓泵/馬達工作于液壓泵狀態，此時液驅系統轉換為制動能量回收系統，利用傳動軸上的動能，將低壓液壓蓄能器中的工作油壓入高壓液壓蓄能器中，由雙向變量液壓泵/馬達完成高、低壓蓄能器之間的能量交換。當高壓液壓蓄能器儲滿高壓油或緊急制動時，控制器自動切換到傳統摩擦制動模式，以保證制動的安全性。發動機啟動時，將所有液壓元件的變量傾角調到零位，以減小啟動時的阻力。

并聯式液驅混合動力汽車中，很大一部分能量以機械傳動的方式高效地傳遞給驅動軸，只有小部分能量轉化為液壓能，因此液壓元件功率較低，體積和質量較小，整體效率高，噪聲小。但是，并聯布置方式不能實現液壓傳動無級變速，發動機與驅動輪直接連接，要求對發動機進行瞬態操作，燃油經濟性較差。并聯式液壓混合動力傳動系統的代表有Permo-Drive公司的RDs和Eaton公司的HLA等。

上海交大神州汽車設計有限公司在原有公交車基礎上通過加裝一套液壓動力系統，成功開發了并聯式液驅混合動力客車，如圖2-42所示，該車在城市工況下可節能15％～30％，同時尾氣排放物可減少15％～25％，并于2006年5月起相繼在上海、寧波試運行。吉林大學、哈爾濱工業大學等高校也對并聯式液驅混合動力汽車進行了深入的研究，圖2-43是哈爾濱工業大學經過多年潛心研究，自主開發的并聯式液驅混合動力汽車。

2.4.3　混聯式液驅混合動力汽車

混聯式液驅混合動力汽車原理如圖2-44所示。這一構型是串聯式結構與并聯式結構的綜合，它同時具有串聯和并聯的特點。混聯式結構能夠使發動機、液壓泵、雙向變量馬達等部件進行更多的組合，從而在結構上可實現更多的工作模式，使車輛在復雜的工況下系統工作在最優狀態成為可能，更容易實現低排放和低油耗目標，這一點類似于混聯式油電混合動力汽車。雖然混聯式結構在理論上最容易實現性能最優，但是由于系統過于復雜，系統對部件性能要求高，存在車輛可靠性難以保證、設計加工困難、造價高等缺點。因此，混聯式混合動力系統在研究、開發和應用中都受到很大的限制。

同樣，混聯式液驅混合動力汽車也存在多種形式，包括離合器開關式和行星齒輪功率分流式等。

開關式混聯就是通過離合器的鎖止與分離來實現串聯工作模式與并聯工作模式間的相互切換，其結構形式如圖2-45所示。發動機發出的能量既可以通過機械傳動輸送給變速器、主減速器，以并聯結構的方式驅動車輛行駛，也可以將發出的能量通過液壓變量泵轉換為液壓能輸送給液壓泵/馬達，以串聯結構的方式驅動車輛行駛。具體而言，當離合器1、離合器2都分離時，系統以串聯模式運行；當離合器1、離合器2都結合時，系統以并聯模式運行。這種混聯式構型通過離合器的開關狀態實現，相對比較容易，但不能發揮混聯式液驅混合動力汽車的最佳性能。

圖2-46所示為一種雙行星排液驅混聯式混合動力系統，這一結構包括前行星排、后復合行星排、液壓泵/馬達A、液壓泵/馬達B、高壓蓄能器及低壓蓄能器等。該系統通過雙行星排耦合，液壓泵/馬達A可以根據工況的動力需求通過前行星排調節發動機的轉速，使發動機的轉速從車速中解耦出來，這樣使發動機就可以工作于理想的轉速區域；同時，在后行星排與驅動橋相連的輸出軸上安裝了大功率的液壓泵/馬達B，可以使發動機的轉矩從路面負荷轉矩中解耦出來，這樣就使發動機可以運行于理想的轉矩區域。該構型中取消了傳統變速器，使整車系統得到極大簡化。不僅其自身的傳動效率高，而且也能夠使發動機工作在最佳的轉速-轉矩點，即最佳的燃油經濟性區域。

行星齒輪功率分流式中的串聯分支與并聯分支始終都處于工作狀態，而由行星齒輪在串聯分支和并聯分支之間進行發動機輸出能量的合理分配。此結構可通過輔助元件（發電機或泵）對串聯分支實施需要的控制，同時又可通過并聯分支來維持發動機與驅動輪間的機械連接，能夠實現對發動機的轉速、轉矩雙解耦控制，具有達到汽車最佳性能的潛能。行星齒輪功率分流式是全功率分流控制，性能優良、系統結構緊湊、集成度高，但需要制造相對復雜的行星齒輪機構，實際實現相對困難，同時控制系統相對復雜，對控制策略要求較高。這一系統雖然結構比較復雜，但可以支持足夠的轉矩輸出，適用的范圍廣，如可以應用于SUV等四輪驅動混合動力汽車或中型混合動力貨車等。

汽車在中低速行駛時，汽車運行所需的轉矩由發動機單獨提供，液壓泵/馬達A作為液壓泵吸收能量，液壓泵/馬達B自由旋轉，動力由發動機經前行星排與后復合行星排傳至車輪。汽車在低負荷加速工況或低速行駛工況時，汽車運行所需的轉矩由液壓泵/馬達B單獨提供。在車輛需求功率大于發動機效率優化的功率時，發動機與液壓泵/馬達B共同驅動車輛，液壓泵/馬達A根據功率的不同需求及儲能值的高低來判斷是作為液壓馬達參與驅動還是作為液壓泵吸收驅動剩余能量，這種工作模式下，汽車的動力性達到最佳。制動模式根據汽車的狀態分為液壓泵/馬達B制動和聯合制動兩種情況：中低速情況下，由液壓泵/馬達B作為液壓泵運行，回收制動能量，此時為純再生制動；在高速情況下，機械制動器和液壓泵/馬達B聯合制動，以保證制動安全性。

2.4.4　輪邊式液驅混合動力汽車

圖2-47所示為輪邊式液驅混合動力汽車原理。該系統主要由發動機、液壓泵、液壓泵/馬達和高、低壓蓄能器等組成。可以將該系統視為由四個二次元件并聯而成的串聯系統，每個二次元件均具有相等的輸入壓力。輪邊式液驅混合動力汽車的結構比較簡單，與純電動汽車的輪轂電機分散式布置形式比較類似。

輪邊式液驅混合動力汽車的工作原理如下。

控制器接收驅動請求并且發出指令控制發動機工作，發動機直接驅動液壓泵，給液壓系統或液壓蓄能器提供液壓油。每個液壓泵/馬達均直接驅動車輪，在驅動車輛行駛時由液壓泵或高壓蓄能器提供壓力油，驅動液壓泵/馬達使車輪轉動；制動時將車輛的慣性能通過液壓泵/馬達轉換為液壓能存儲到高壓蓄能器中。該系統具有一個特別的優點，即可實現無級調速，它可單獨控制每個車輪，這樣就大大改善了車輛的動力性，同時也大大簡化了車輛的底盤系統，可實現多樣化的工作模式，具有較好的節油效果和駕駛性能。

相對傳統車輛的傳動系統，輪邊式驅動布置方案便于引進電子控制，能夠從原理上避免車橋差速器在地面附著力不足情況下打滑甚至失控，而不增加額外的能量損失，適用于行駛路面條件不固定或行駛條件較為惡劣的汽車。對驅動輪采用獨立的驅動形式，也能降低集中驅動對傳動系統強度的要求，因而適用于大功率工程或運輸車輛。輪邊式液驅混合動力汽車結構簡單，但對控制的要求很高，使驅動元件成本增加，并降低了可靠性。由于存在能量的多次轉化，系統總體效率偏低。此外，輪邊式布置構型造成的非簧載質量增加，對車體懸掛方式的設計也提出了更高的要求。但從車輛性能和適用范圍來看，輪邊驅動車輛較傳統軸驅車輛具有明顯的優勢。

輪邊驅動車輛的關鍵技術：車輛關鍵部件的參數匹配和優化、合適的能量管理策略、液壓泵/馬達的控制策略或驅動輪協調控制技術、車輛懸架設計等。

2.4.5　小結

在國外，混合動力汽車的發展可以追溯到20世紀70年代，液驅混合動力汽車的發展在20世紀80年代已經開始。液驅混合技術作為節能環保汽車新技術的一個重要分支，其在回收車輛制動和慣性能量以及提高燃油經濟性等方面表現突出，已引起各國政府、科研機構及汽車制造商的高度重視。該技術在大型車輛和經常處于頻繁啟停工況中的車輛上得到了廣泛的應用，如重型卡車、運輸車輛以及城市公交車等。目前的液驅混合動力汽車基本構型可以分為串聯式、并聯式、混聯式和輪邊式四種，本節介紹了液驅混合動力汽車的這幾種基本構型，以及各構型的特點和應用情況。