混合动力电动汽车

第五章混合动力电动汽车第一节概述第二节混合动力电动汽车组成与原理第三节混合动力电动汽车的主要系统设计2019/8/162019/8/16第一节概述一、混合动力电动汽车分类一般情况下，混合动力电驱动系含有一个可双向能量流的动力系，如图５-１所示。第一节概述混合动力电动汽车按照能量合成的形式主要分为串联式(ＳＨＥＶ)、并联式(ＰＨＥＶ)和混联式三种。根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，混合动力系统还可以分为以下四类:１.微混合动力系统２.轻混合动力系统轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的起动和停止，还能够实现:(１)在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；(２)在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。这种混合动力系统在传统内燃机上的起动电机上加装了皮带驱动起动电机，用来控制发动机的起动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。３.中混合动力系统中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能:在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好地提高整车的性能。第一节概述４.完全混合动力系统该混合动力系统中电机和内燃机都可以独立(或在一起)驱动车辆。因此在低速、缓加速行驶(如交通堵塞、频繁起步-停车)、车辆起步行驶和倒车等情况下，车辆可以纯电动行驶；急加速时电机和内燃机一起驱动车辆，并有制动能量回收的能力。二、混合动力电动汽车基本结构串联式混合动力的结构如图５-２所示：第一节概述并联式混合动力的结构如图５-３所示：第一节概述混联式混合动力的结构如图５-４所示：第二节混合动力电动汽车组成与原理一、串联式混合动力电动汽车典型的串联式混合动力电驱动系统的构造如图５-５所示：第二节混合动力电动汽车组成与原理１.单发动机电动机模式在该模式下，电动机所需的能源完全由发动机带动发电机产生，即２.单蓄电池组电动机模式在该模式下，电动机所需的能源完全由发动机带动发电机产生，即３.混合牵引模式在突然加速时电动机所需的能源大于由发动机(运行在最佳工作区时)带动发电机产生的功率，这时将有蓄电池组来提供一部分功率，该运行模式下功率关系为第二节混合动力电动汽车组成与原理４.发动机充电模式当电池组的能量小于某个容量时，且电动机所需的能源小于由发动机(运行在最佳工作区时)带动发电机产生的功率，这时发电机产生的电能将有一部分用来给蓄电池组充电，该运行模式下功率关系为５.再生制动模式当车辆制动时，电动机运行在发电机模式，将车辆的动能转化为一部分电能，通过蓄电池组存储起来。二、并联式混合动力电动汽车１.转矩耦合在转矩耦合中，发动机和电动机的转矩可以根据需要分别独立控制，但是两者的转速需要互成比例，机械耦合器将发动机和电动机的转矩按照一定的比例关系加在一起，然后把合成后的转矩传递给驱动轮。可以用一个三端口的机械配置图说明，如图５-６所示。第二节混合动力电动汽车组成与原理假设耦合效率为η，端口２工作在驱动状况下，则端口３得到的驱动功率为从而可得转矩耦合器端口３输出的转矩为式中:ｋ1、ｋ2———转矩耦合参数，由转动比确定，当该装置确定后，ｋ1，ｋ2为确定的值。同时从式(５-６)中可以看到角速度ω1、ω2、ω3存在着如下关系，不能独立控制。第二节混合动力电动汽车组成与原理齿轮耦合是通过啮合齿轮将多个输入动力合成在一起，如图５-７所示。第二节混合动力电动汽车组成与原理链或带耦合是通过链条或者皮带将两个动力源输出的动力进行合成，链或带耦合结构简单、冲击小，但耦合效率较低。其结构如图５-８所示。第二节混合动力电动汽车组成与原理磁场耦合是将电动机的转子与发动机的输出轴做成一体，通过磁场作用力将电机输出动力与发动机输出的动力直接或者间接的耦合在一起，如图５-９所示，图中ｋ1，ｋ2均等于１。第二节混合动力电动汽车组成与原理以齿轮耦合为例，一种配置方式是两个传动装置分别位于发动机于转矩耦合器之间和电动机与转矩耦合器之间，如图５-１０所示。第二节混合动力电动汽车组成与原理一种配置方式是传动装置位于转矩耦合器与驱动轮之间，如图５-１１所示。第二节混合动力电动汽车组成与原理对于电磁耦合，传动装置可以放置在发动机和电动机之间，也可以放在电动机之后，如图５-１２和图５-１３所示。第二节混合动力电动汽车组成与原理第二节混合动力电动汽车组成与原理还有一种特殊的转矩耦合方式，称为牵引力耦合，在这种耦合方式下，发动机驱动汽车的前轮(或者后轮)，而电动机驱动汽车的后轮(或者前轮)，通过前后车轮驱动力将两个动力源提供的动力耦合在一起，如图５-１４所示。第二节混合动力电动汽车组成与原理动力合成的规则如何２.转速耦合转速耦合是指在动力系统中两个动力源的输出动力在耦合过程中，两个动力源输出的转速相互独立，而转矩符合一定的比例关系，最终合成转速是两个动力源输出转速的耦合叠加，合成转矩则不满足这个叠加关系。以图５-１５所示的三端口配置为例:第二节混合动力电动汽车组成与原理该三端口网络符合能量守恒转速耦合可以表示为由上式可以看出，转矩之间应该满足以下关系第二节混合动力电动汽车组成与原理依据驱动结构的不同，转速耦合又可以分为行星齿轮式(图５-１６)和差速器式(图５-１７)两种。第二节混合动力电动汽车组成与原理三、混联式混合动力电动汽车串联式混合动力、并联式混合动力、混联式混合动力三种混合动力驱动系统中发动机和电动机使用的比例如图５-１８所示。第二节混合动力电动汽车组成与原理混联式混合动力电动汽车与串联式和并联式混合动力电动汽车比较，混联式混合动力电动汽车的结构特点如下:(１)将串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力电动汽车相结合，具有两者的优点；(２)与串联式混合动力电动汽车相比，增加了机械动力的传递路线；(３)与并联式混合动力电动汽车相比，增加了电能的传输路线。混联式混合动力电动汽车具有以下优点:(１)三个动力总成比串联式混合动力电动汽车三个动力总成的功率、质量和体积小；(２)有多种工作模式，节能最佳，有害气体排放达到“超低污染”；(３)发动机可直接驱动车辆，没有机械能￣电能￣机械能的转换过程，能量转换的综合效率比内燃机汽车高；(４)电动机可独立驱动车辆行驶。电动机利用低速大转矩特性，带动车辆起步，可在城市中实现“零污染”行驶。当车辆需最大输出功率时，电动机可给发动机提供辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃料经济性比串联式混合动力电动汽车好。第二节混合动力电动汽车组成与原理因为以上原因，混联式混合动力系统在电动汽车中使用的更为广泛，下面以普锐斯(prius)的混合动力系统(图５-１９)的结构为例进行分析。第二节混合动力电动汽车组成与原理从图５-１９可以看出混合传动系统由动力分配装置、发电机、电动机和减速齿轮等装置组成。其中动力分配装置的结构如下图５-２０所示。第二节混合动力电动汽车组成与原理下面以普锐斯为例进行说明。１.起动和中低速运行当车辆起动出发，或者以低速运行时候，主要牵引电动机提供原动力，若蓄电池处于低荷电状态时候，则发动机立即起动(图５-２１)。第二节混合动力电动汽车组成与原理２.正常工况运行在正常工况下行驶的时候，发动机功率经过动力分配装置分配为两个功率流通路:一部分直接驱动车轮，另一部分通过发电机产生电能再驱动电动机，通过电动机来驱动车轮。通过控制两个能量通道分配的比例，可以获得最大的运行效率，见图５-２２。第二节混合动力电动汽车组成与原理３.全加速工况在全加速工况下，功率除了由发动机提供外，蓄电池组还提供额外的功率，通过发动机和牵引电动机的转矩耦合，来提供加速所需要的功率，见图５-２３。第二节混合动力电动汽车组成与原理４.减速或制动这时牵引电动机工作在发电状态下，用于回收再生制动能量，并把回收的能量存储到蓄电池组内，提高能量的利用率，见图５-２４。第二节混合动力电动汽车组成与原理５.电池组充电若蓄电池处于低荷电状态时候，则发动机立即起动，见图５-２５。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计一、驱动电机及其控制技术目前在交流伺服系统中应用的各种控制策略大致可以分为如下三类:(１)针对交流电动机数学模型的控制策略(２)基于现代控制理论的控制策略(３)基于智能控制思想的控制策略常规的模拟ＰＩＤ控制系统原理框图如图５-２６所示。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计图中，ｒ(ｔ)是给定值，ｙ(ｔ)是系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差ｅ(ｔ)为ｅ(ｔ)作为ＰＩＤ控制器的输入，ｕ(ｔ)为ＰＩＤ控制器的输出和被控对象的输入。可得模拟ＰＩＤ控制器的控制规律为:其中，Ｋｐ为控制器的比例系数；Ｋｉ为控制器的积分系数；Ｋｄ为控制器的微分系数。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计二、动力电池及其管理系统１.充电方法１)恒压充电法恒定电压充电法是指在充电过程中以恒定电压对电池进行充电。在这个过程中，充电电流满足公式:２)恒定电流充电法恒定电流充电法是指在充电过程中电压在变化，从而保证全程以恒定不变电流进行充电。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计３)恒流/恒压充电法这种充电方法将充电过程分为三个阶段。(１)预充电阶段(２)恒流充电阶段(３)恒压充电阶段４)变流充电法锂离子电池可接受的充电电流随充电时间呈指数规律下降，若充电电流曲线在电池可接受充电电流曲线(图５-２７中曲线１)以上会导致电池电解液发生析气反应，影响电池寿命。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计５)间歇充电法间歇充电法是指在充电一段时间后增加一段间歇时间，减少极化现象。６)脉冲充电法在脉冲充电过程中，在充电电流大小逼近电池充电可接受电流的基础上，用脉冲电流对电池充电，充电电流时有时无，充电状态和暂停状态相互交替。２.停止充电时机１)慢充停止判断(１)半定电流法:半定电流法是当充电电流达到起始充电电流一半的时候停止充电，如图５-２８所示第三节混合动力电动汽车的主要系统设计(２)定时器控制充电法:定时器控制充电法是由时间来确定，当连续充电达到一定时间后停止充电，如图５-２９所示第三节混合动力电动汽车的主要系统设计２)快充停止判断(１)－ΔＶ终止充电方式:该方法是镍镉电池最常用的快充方法，电池以恒定的电流进行充电，在电池未充满前，电池的电压持续的上升，当电池充满时，电池的电压达到顶峰，继续持续充电，电池的电压将会下降，如图５-３０所示。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计(２)ｄＴ/ｄｔ终止充电方式:对于镍氢电池，在达到充电周期结束的时候，并没有明显的－ΔＶ现象，所以上述的－ΔＶ终止充电方式对于镍氢电池来说不是一种可靠的充电停止方法。当镍氢电池即将充满的时候，电池的温度会迅速的上升，如图５-３１所示。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计(３)恒流充电:锂电池和其他一些电池当充电电压过高的很容易损坏，此时采取在充电开始时候，采用电池可以容忍的最大充电电流进行恒流充电，这个过程中充电电压不断升高克服电池的反电动势，当电压升高到电池可以承受的极限电压时候保持不变，进行恒压充电，这时充电电流将逐渐减少，当充电电流小于预先设定值的时候，表明电池已经充满，停止充电(图５-３２)。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计３.动力电池管理系统在TeslaRoadster中选择的是日本Sanyo电池，共使用了6831节，采用分层次管理的办法:(１)69节电池构成一个Brick，每个Brick中的电池全部并联；(２)9个Brick构成一个Sheet，每个Sheet中的9个Brick串联；(３)11个Sheet再串联，构成整个电池包，如图５-３３所示。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计三、动力传动系统匹配各参数匹配的基本步骤是:(１)发动机功率；(２)电动机各参数(包括电动机额定功率、额定转速、最高转速)；(３)电池参数选择(功率及容量)；(４)传动系的传动比。１.发动机功率满足最大车速:满足最大爬坡度:取(５-１４)和(５-１５)中较大值作为发动机功率。第三节混合动力电动汽车的主要系统设计２.电动机