2.2 油电混合动力技术

2.2.1 油电混合动力技术概述

混合动力系统产生于19世纪末20世纪初。目前对混合动力工程机械的定义尚无通用标准，只有国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会对混合动力电动汽车定义为：混合动力电动汽车是指有两种或两种以上的储能器、能源或转换装置作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电动车辆。在这种系统中，有两个以上（包括两个）的不同类型的动力发生装置，一个（包括一个）以上的能量存储装置。在目前的混合动力系统中，动力发生装置一般为发动机、电动机，能量存储装置则种类较多。油电混合动力系统原则上应该是指采用电动机/发电机或者其他电气式能量转换单元辅助原动力驱动单元（发动机或者电动机等）驱动负载。根据能源或转换装置的类型，发动机驱动型工程机械可以分为发动机单独驱动型、油电混合动力、液压混合动力、油电液混合动力；电动机驱动型工程机械分为纯电动驱动和电液混合动力。为了描述方面，本书指的混合动力系统都是针对发动机驱动型工程机械。

油电混合动力系统的分类根据其分类标准的不同而种类繁多，不同形式的混合动力系统其参数匹配和控制策略差异较大。其中根据结构分类是最基本的分类依据，各结构的原理如图2-7～和图2-11所示。

（1）串联式混合动力系统（见图2-7）

发动机输出的机械能都通过发电机转化为电能储存在电量储存单元（电池、电容等）、电能输送到电动机，由电动机产生驱动转矩驱动负载工作。电量储存单元的作用主要在于平衡发动机的输出功率和电动机的输入功率：当发动机的输出功率大于电动机所需要的功率时，多余的能量存储在电量储存单元中；而当发动机的输出功率小于电动机的所需功率时，电量储存单元输出电能以补充不足的部分。另外电量储存单元还可以存储系统回收的势能和制动能。这种结构的优点是发动机和负载之间无机械连接，发动机工作不受负载波动的影响，燃油经济性和排放好，但能量转换环节多，所有的能量都必须通过机械能-电能-机械能的转换，整体效率不高。另外电动机和发电机的功率必须和负载相匹配，需要配备大功率的发电机和电动机。

图2-7 串联式混合动力系统

（2）并联式混合动力系统（见图2-8和图2-9）

负载可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。电量储存单元可以补充发动机能量的不足，也可以吸收发动机多余的能量，更多的是起到辅助驱动的作用，所以可以选择较小功率的电动机。并联式混合动力系统根据发动机和电动机/发电机的机械连接方式分为同轴连接和非同轴连接。目前，常用的并联式混合动力系统为同轴式，该方案避开了较为复杂的机械耦合单元，但电动机/发电机一端和发动机相连，另一端还必须承受变量泵的质量，这样发动机、电动机、变量泵装置作为一个整体，质量大约有1000kg，长度大约2m，因此要改变原来发动机单元的抗振支撑结构。

图2-8 并联式混合动力系统

a）同轴并联式 b）不同轴并联式

图2-9 同轴式并联式混合动力系统结构

与串联式结构相比，并联式混合动力系统无需单独配备发电机，并且由于发动机可以直接驱动负载，所以能量利用率较高。其缺点是发动机仍然会受负载影响大，发动机和电动机/发电机为机械连接，布置不灵活，控制复杂。

（3）混联式混合动力系统

图2-10所示为混联式混合动力系统。混联式混合动力系统是串联式与并联式的综合。发动机的输出功率一部分直接驱动负载，另外一部分通过发电机转化为电能存储在电池中或输出给电动机。这种结构形式集中了串联式和并联式的优点，控制灵活，发动机、发电机和电动机等元件能够进行更多的优化匹配。缺点是部件多，布置困难，控制复杂。

图2-10 混联式混合动力系统

当前对混联式混合动力系统的定义较为混乱，混合动力系统工作者往往认为一台机器有并联式混合动力系统和串联式混合动力系统应该就是混连式混合动力系统。但笔者认为，混联式混合动力系统可以工作在并联式和串联式模式应该是针对同一种执行元件。因此，图2-11所示的常被认为是混联式混合动力系统应该不属于混联式，严格意义上应该为回转串联式驱动和液压泵为并联式驱动。造成定义混乱的主要因素是目前的定义只有针对汽车，而汽车的混合动力单元的驱动对象只有一个，而工程机械是多执行元件系统。

图2-11 一种有争议的常用混联式混合动力系统