3混合动力电动汽车-3混合动力电动汽车

第三章混合动力电动汽车主要内容概述概念、发展简史、优点、关键技术混合动力系统的分类混合方式、混合度、动力耦合数学模型丰田THS混合动力系统本田IMA混合动力系统通用雪佛兰Volt四模混合动力系统混合动力汽车：是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或多个驱动系共同提供。混合动力电动汽车：是指由两种和两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的汽车称为混合动力电动汽车。HEV,指能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车：－可消耗的燃料；－可再充电能/能量储存装置。1、概述1.1概念车载能量源动力装置辅助系统发动机传动系能源存储系统能源存储和调节转化系统电动机驱动轮用于能源存储或进行能源的初始转化以向动力生成装置直接供能的所有部件的总称。用于把其他形式的能量转化为机械动能(旋转动能)的装置，直接作为动力传递系的输入从动力装置中获取动力，用于维持汽车良好的操控特性、舒适性等的所有部件的总称，如转向助力系统、制动助力系统、空调系统、辅助电气系统等车辆上所有的用于存储、转化和传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称。具体由车载能量源、动力装置、传动系以及其他辅助系统组成。动力传动系传动系辅助系统用于传递和调节动力生成装置输出的旋转机械动能，并输送给车辆驱动车轮，实现车辆正常行驶的所有部件的总称1.2混合动力电动汽车发展简史1894年，第一辆混合动力电动汽车诞生；1905年，H.Piper在美国申请了混合动力电动汽车专利，随后有多种混合动力汽车推出，但一直没有量产；20世纪90年代，重新得到重视；1997年，第一代Prius上市；2011年2月，突破300万辆。1.3混合动力电动汽车的优点(1)整车重量小（由于电池的容量减小）。(2)续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。(3)保证驾车和乘坐的舒适性（空调、暖风、动力转向的使用）。与纯电动汽车比较：与内燃机汽车比较：(1)可使发动机在最佳的工况区域稳定运行，从而降低排污和油耗。(2)在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现“零排放”。(3)通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的能量消耗和排放污染。1.4混合动力电动汽车的关键技术1)动力耦合系统2)动力总成控制系统3)电机及控制系统4)动力电池及其管理系统5)混合动力系统专用发动机6)仿真分析技术1.4.1动力耦合系统关键技术：布置方案，不同结构的动力耦合方式不仅决定了混合动力系统的工作模式，而且也是制定动力分配策略的基础，对整车的动力性、经济性、排放性和制造成本有重大影响。要求：结构合理、制造容易、效率高动力耦合方式：转矩耦合、速度耦合、功率耦合具体结构：由变速器耦合、离合器耦合、主减速器耦合等向行星齿轮耦合方向发展。1.4.2动力总成控制系统车辆行驶的核心单元！HEV的控制需要根据驾驶人操纵状态、车速、电池荷电状态和相关设备的状态确定发动机与电机功率分配策略，以保证满足汽车动力性、经济性、排放性的性能指标。1.4.3电机及控制系统电机类型：主要有交流感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。对电机的要求：在较宽的速度范围内具有高转矩密度、高功率密度，高效率、高可靠性、良好的控制性能，能够适应发动机频繁起停和电机电动/发电状态的切换。国外以永磁同步电机为主，国内应用较多的是交流感应电机。1.4.4动力电池及其管理系统使用特点：HEV的动力电池需要频繁充放电，在充放电过程中，电压、电流会有较大变化。要求：1、具有较大功率充放电能力和较高的比功率，以满足汽车加速和爬坡时的大功率需求；具有快速充电能力，以满足制动时的大功率能量回收需要。2、高的充放电效率，对保证整车效率具有至关重要的作用。3、电池在快速充放电的工况条件下保持性能的相对稳定。电池管理系统的任务：考虑热能控制管理、荷电状态判定、充放电模式选择、电池充放电平衡、电池过充电或过放电控制、电池组的温度控制等。1.4.5混合动力系统专用发动机发动机技术：电控燃油喷射、排气再循环、增压中冷、可变进气涡轮、高压共轨和催化后处理。在HEV中，发动机的工况可控制在一定范围内，可以进行优化设计进一步提高燃油经济性，减低排放。1.4.6仿真分析技术在HEV开发过程中，需要建立先进的驱动系统数学模型，这是计算机仿真和分析的基础。在系统选择上，可依靠高效的建模工具，通过交替使用候选的子系统进行模拟仿真，从而找到最佳的方案。计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格和设计参数，从而提高设计效率，且有助于为设计和制造样车定制工程目标和计划。162.1根据混合方式的不同2、混合动力系统的分类串联式并联式混联式串联混合动力车辆是混合动力车辆的一种基本结构，其单个驱动系间的联合是车载能源环节的联合，也即非直接用于驱动车辆的能量的联合并同时向动力生成装置供能。车载能源环节的混合；单一的动力生成装置；车载能源的多样化。车辆的驱动力只来源于电动机的混合动力(电动)汽车2.1.1串联式混合动力串联混合动力电动汽车的工作模式列表工作模式发动机-发电机组动力电池组电动机/发电机整车状态纯电池组驱动关机放电电动驱动再生制动充电关机充电发电制动混合动力驱动发电放电电动驱动强制补充充电发电充电电动驱动混合补充充电发电充电发电制动纯发动机驱动发电既不充电也不放电电动驱动停车补充充电发电充电停机停车并联混合动力车辆是混合动力车辆的一种基本结构，其单个驱动系间的联合是车辆动力传递系环节的联合，通过对不同的动力生成装置输出的动能的联合或耦合，并经过相应的特性场转化装置输出到驱动轮，满足车辆行驶要求。机械动能的混合；具有两个或多个动力生成装置；每一个动力生成装置都有自己单独的车载能源。车辆的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给的混合动力(电动)汽车2.1.2并联式混合动力并联混合动力电动汽车的工作模式列表工作模式发动机动力电池组电动机/发电机整车状态纯电机驱动关机放电电动驱动再生制动充电关机充电发电制动混合动力驱动机械动力输出放电电动驱动强制补充充电机械动力输出充电发电驱动纯发动机驱动机械动力输出既不充电也不放电不工作驱动停车补充充电机械动力输出充电发电停车为优化驱动系的综合效率和充分发挥车辆的节能、低排放潜力，在实际的应用中，混合动力车辆驱动系并非单纯是简单的串联式结构或并联式结构，而是由串联式结构和并联式结构复合组成的串并联综合式结构，即所谓的混联式结构。同时具有串联式、并联式驱动方式的混合动力(电动)汽车2.1.3混联式混合动力开关式混联系统混联式混合动力电动汽车的类别功率分流式混联系统混联混合动力电动汽车的工作模式列表工作模式发动机发电机动力电池组电动机/发电机整车状态纯电机驱动关机关机放电电动驱动再生制动充电关机关机充电发电制动纯发动机驱动机械动力输出发电既不充电也不放电电动驱动混合动力驱动机械动力输出发电放电电动驱动强制补充充电机械动力输出发电充电电动驱动2.1.4串联式、并联式、混联式特点对比串联式并联式混联式1、发动机可以工作在最大效率点上；2、在车上配置自由，客车容易实现低地板；3、排放好，但系统效率较低。1、结构复杂，两个系统连接，控制难度高；2、系统效率较好；3、如果某一系统出现故障，另一系统还可以驱动车辆。1、结构复杂，集成性高，效率高；2、节能、环保效果明显；3、发展空间大。2.2根据混合度的不同R=Pelec/PtotalX100%=Pelec/(Pe+Pelec)X100%混合度R定义为：电系统功率Pelec占动力源总功率Ptotal的百分比。式中:Pelec为电系统功率,kW;Ptotal为动力源总功率,kW;Pe为发动机的功率,kW。？2.2根据混合度的不同弱混合动力系统轻度混合动力系统中度混合动力系统重度混合动力系统插电式混合动力系统2.2.1起停混合动力系统Start-Stop微混技术对于传统汽车的发动机前端轮系不进行改动，只是更改原有车辆的起动机，提高起动机的起停次数并提高其功率，保证车辆能够快速启动及在理想的使用工况下的寿命。2.2.2弱混合动力系统对传统发动机的起动机进行改造，形成由带传动的发电起动一体式电机（BSG）。BSG混合动力系统能实现怠速停机（发动机）、车辆启动时快速拖动发动机到怠速转速。在城市循环工况下节油率一般为5%~10%.BSG：Belt-drivenStarter/Generator皮带传动起动/发电一体化电机控制发动机的快速起停，可以取消发动机的怠速过程，降低油耗和排放。保证环境温度过低时发动机能正常启动2.2.3轻度混合动力系统ISG:IntergratedStarter/Generator集成起动/发电一体化电机ISG混合动力系统将一体化启动/发电机的转子与发动机曲轴的输出端连接在一起，同时取消了原有的飞轮。实现用电机控制发动机的起停外，同时在车辆制动和下坡工况下，实现部分能量回收。混合度一般在20%以下。2.2.4中度混合动力系统同样采用ISG系统。电机采用高压电机，在车辆加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助发动机驱动车辆，提高整车性能。混合度达到30%左右，城市循环工况下的节油率可以达到20%~30%，技术比较成熟，应用广泛。如：本田Insight、Accord、Civic混合动力汽车2.2.5重度混合动力系统采用高压电机，混合度达到50%以上，城市循环工况下的节油率可以达到30%~50%。特点：动力系统以发动机为基础动力，动力电池为辅助动力。电机功率大，可以满足车辆在起步和低速时的动力需求。在急加速和爬坡运行工况下车辆需要较大的驱动力时，电机和发动机同时对车辆提供动力。逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。如：丰田Pruis2.2.6插电式混合动力系统Plug-inHybridElectricVehicle,PHEV可利用电网对动力电池充电；可使用纯电动模式驱动车辆行驶，且纯电动行驶里程较长；电能不足时，车辆仍然可以重度混合模式行驶。PHEV的电机功率比纯电动汽车的稍小，动力电池的容量介于重混合系统和纯电动车辆之间。已成为主流发展方向！2.2根据混合度的不同类型功能要求弱混合动力发动机自动起停轻度混合动力发动机自动起停+回馈制动中度混合动力发动机自动起停+回馈制动+电动辅助重度混合动力发动机自动起停+回馈制动+电动辅助+纯电驱动插电式混合动力发动机自动起停+回馈制动+电动辅助+纯电驱动+电网充电2.3根据动力耦合系统数学模型的不同转矩耦合式转速耦合式功率耦合式2.3.1转矩耦合转矩耦合：系统结构简单，传动效率高。主要有定轴齿轮式、皮带轮或链式组合件、传动轴式三种结构。22112211knknnTkTkTininoutininout定轴齿轮转矩耦合传动轴转矩耦合2.3.2转速耦合转速耦合：无需无级变速器便可实现整车的无级变速，主要有行星齿轮机构、具有浮动定子的电动机两种型式。22112211kTkTTnknknininoutininout行星齿轮转速耦合C1C2传动轴转速耦合2.3.3功率耦合能同时满足转速耦合和转矩耦合的条件。如：丰田Prius的单\双行星排混合动力系统；中国汽车技术研究中心开发的双行星排混合动力系统、双转子电机耦合系统等。行星齿轮功率耦合电动机发动机C1C2C3传动装置C4传动轴功率耦合TOYOTAPRIUSRCSM/G2ICEFDwheelsPowerSplit,E-CVTM/G1Battery3、丰田THS混合动力系统内燃机发电机电动机传动箱车轮耦合装置功率分流控制器蓄电池PRIUS技术参数外形尺寸长mm4，445宽mm1，725高mm1，490轴距mm2，700轮距（前/后）mm1，510/1，480最小离地间隙mm142整备质量kg1，295车辆总质量kg1，725发动机16V1.5-升（1NZ-FXE）型式4缸直列双凸轮轴16气门发动机排气量cc1，725最大功率（SAE净值）kW/rpm57/