6混合动力汽车基础知识

混合动力汽车基础什么是混合动力汽车？混合动力汽车的节能机理混合动力汽车分类与工作原理一、什么是混合动力汽车？HEV（HybridElectricVehicle)定义:至少有两种储能装置（如油箱、蓄电池、储氢罐、超级电容、飞轮电池等），其中至少有一种能提供电能；并且，至少有两种能量转换装置（如内燃机、燃气涡轮机、电机），其中至少有一种为电机的车辆。典型HEV是指既有内燃机又有电机的车辆。二、HEV的节能机理汽车燃油消耗除与行驶阻力、发动机燃油消耗率以及传动系效率有关之外，还与停车怠速油耗、汽车附件（空调等）消耗及制动能量损耗有关。在城市循环工况中，后三个因素消耗的能量总计达燃油化学能的25.2％。传统结构的汽车在这些方面尚未找到突破性的提高燃油经济性的措施。HEV节油机理（1）消除和大大减少发动机怠速，例如，红灯时可关闭发动机，利用电机可非常迅速地重启发动机。（2）制动时，利用电机的发电机模式来回收制动能量。传统汽车的机械制动中这些能量转化为热量散发。（3）设计时，发动机功率可选择的比传统汽车小，发动机在高效率区稳定工作，加速、爬坡的峰值功率大部分由电机提供。混合动力电动汽车的优势：与纯电动汽车比较：(1)电池的容量减小，而使整车自重减小、成本有所降低。(2)续驶里程和动力性可达到内燃机汽车的水平。(3)无需建设庞大的充电设施，无需每天的充电维护。混合动力电动汽车的优势：与传统内燃机汽车比较：(1)可使发动机在最佳的工作区域稳定运行，降低发动机的油耗、排放污染和噪声。(2)在商业区、居民区等环保要求严格的地区，可关闭发动机，采用纯电动模式，实现“零排放”。(3)通过电机回收制动时的能量，提高能量利用率，进一步降低汽车的能量消耗和排放污染。避免缺点，保留优点项目电动汽车燃料电池汽车混合动力车内燃机汽车尾气排放无无少量多能量来源广较窄较广窄能量转换率高高较高低高效工况区范围宽宽较宽窄能量回收（再生制动）有有有无行驶里程短较长长长电动汽车，燃料电池汽车，混合动力汽车和内燃机汽车的比较三、混合动力汽车的类型与工作原理常用两种分类方法:按动力系统布置分类:串联式HEV(SeriesHEV，SHEV)并联式HEV(ParallelHEV)混联式HEV按“混合度”分类:微混合轻混合全混合插电式混合动力(plug-inHEV)按动力系统布置分类:(1)串联式HEV发动机的机械能通过发电机转化为电能，该电能通过功率变换器为蓄电池充电，或者供给电机驱动汽车。发动机只用来发电，发电机供电能给电机，只有电机直接驱动汽车。同时，发电机发出的部分电能存储到蓄电池里，在有需求的时候，蓄电池同时给电机供电来实现更大的功率.串联式HEV优点适合于城市工况。城市工况中有频繁起步、停车、加速和低速工况，发动机效率低、排放性能差，SHEV发动机受行驶工况影响小或不受影响，可工作于稳定、高效的运行状态。发动机/发电机与传动系无机械连接，布置较灵活。结构和工作原理比较简单，系统的设计、实现相对简单。能量转换、传输环节多，能量转换效率比较低。电机的额定功率比较大，体积和质量也较大。这是因为电机是唯一直接驱动车辆的动力装置，要满足高速、加速、爬坡等所有工况的功率要求。串联式HEV缺点SHEV控制策略控制系统根据根据驾驶员意图和行驶工况,以及各部件的特性和状态来确定车辆的运行模式和各部件功率大小。好的控制策略可以充分发挥各动力部件效率潜力，尽量避免各部件低效率，优化混合驱动效率，达到最佳的整体效率。HEV控制策略有两种极端模式：“发动机开关式”和“发动机功率跟随式”。SHEV控制策略——发动机开关式具体控制逻辑是：发动机开启时，设置在经济点稳定地运行，带动发电机发电向电池充电；当电池SOC超过SOCmax时，发动机关闭，车辆以ZEV模式运行；当电池SOC小于SOCmin时，发动机开启，带动发电机向电池充电。特点：发动机处于经济点稳定运行，燃烧充分，排放低。但动力的传递要经过电池充放电，增加了传递环节，目前电池的充放电循环效率较低，因而整个动力传动系统效率较低，油耗较高。SHEV控制策略——发动机功率跟随式控制逻辑如下：发动机一直开启，它的功率跟随着电机的功率变化而变化；设定一功率下限值，当行驶所需的发动机功率低于该值时，发动机/发电机向电池充电；发动机输出功率为最大仍不能满足驱动要求时，电池输出电能补充；当电池电量不足而发动机又有后备动力时，发动机向电池充电。特点：尽量利用发电机发出的电能驱动电机而少用电池，以减少动力传递环节，避免电池低充放电循环效率的不良影响。设发动机功率下限的目是避免发动机在低负荷工况下极高的油耗率。在该策略下如果发动机匹配的好，运行于经济区域，可获得良好的燃油经济性。它的缺点是发动机工况不断变化，排放不如开关式。SHEV控制策略——复合式控制策略为了综合开关式策略的低排放和跟随式策略的低油耗的优点，可采用将两者结合起来的复合控制策略，该策略的控制逻辑如下：（2）并联式HEV发动机和电机两套独立的驱动系统。发动机是主动力源，电机在必要时辅助发动机驱动。某些并联HEV，电机具有单独驱动能力。车辆起步一般车速，发动机有剩余动力一般车速全力行驶（如超车，爬陡坡）制动并联HEV优点发动机的机械能可直接输出驱动桥，中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统效率较高，燃油消耗也较少;可避免发动机效率低、排放差的工况。如低速运行时，可采用电驱动方式行驶。只让发动机以稳定、高效状态运行，获得很好的经济性和环保性能。驱动功率由发动机和电机共同提供，部件选型的时候，可以选择功率小一点的发动机和电机。部件体积小些，安装和布置都要容易些。动力性不低于燃油车。动力部件多，具有多种驱动组合和运行模式，使得控制系统的设计和实现难度较大。动力合成需要动力耦合装置，另外，系统还配置变速器、驱动桥等传动装置，整车的机械传动机构比较复杂，布置和控制较困难。并联HEV缺点并联式HEV的动力合成1.动力合成方式转矩合成式合成转矩是发动机转矩和电机转矩的线性组合，合成动力的输出转速、发动机转速、电机转速三者具有比例关系。22113TkTkT22113//knknnk1、k2为动力合成装置结构有关的常数。典型：圆柱齿轮传动结构、圆锥齿轮传动结构、带传动结构，此时k1、k2就是相应的传动比。转速合成方式合成转速是发动机转速和电机转速的线性组合，输出转矩、发动机转矩、电机转矩三者具有比例关系。22113nknkn22113//kTkTT常用的是行星齿轮机构。中心轮、行星架、齿圈，其中的两个部件分别与发动机和电机相连，另外一个作为输出。连接方式可以有多种组合，可根据实际情况灵活选用。2、动力合成的结构型式单轴式结构：发动机、电机动力传动路线位于同一直线。动力合成方式为转矩合成。发动机输出和电机转子同轴，发动机和电机转速相同，限制了电机的工作区域，故需合理选择电机的特性。常用小型电机，综合了起动机、辅助驱动电机、发电机的功能，有利于发动机、电机和变速箱结构的一体化模块设计。总成体积小、重量轻，便于布置和节省空间。采用了转矩复合的方式，其装备手动3挡变速器的车型创造了3L汽油行驶106km的纪录(日本10-15工况)，而装备CVT的车型3L汽油行驶96km。以汽油机为主动力，电机为辅助动力，动力分配比为9:1。此系统也被称为“集成电机辅助系统”IMA。运行模式——在起动和加速时，电动机辅助工作，发挥电动机低速大转矩的优点,弥补汽油机起动加速差的缺点。在减速和制动时电机作为发电机工作。短时停车时，发动机关闭取消怠速，以节约燃料和降低排放，在加速踏板踩下后重新起动。结构简洁紧凑，质量轻、成本低，电机只在起动和加速等少数工况下工作，镍氢电池模块仅重20kg。为了获得更高的效率，采用精心设计排量为1L的3缸12气门低摩擦的“极端稀薄燃烧”汽油机。双轴式结构发动机、电机动力传动路线位于两条不同直线。（一般是平行或垂直）按照动力合成的位置不同，又分为两种，一种是动力合成发生在变速器之后，另一种是动力合成在变速器之前完成。动力合成装置位于变速器之后动力合成装置位于变速器之前双轴式结构1发动机和电机各有一套变速器（考虑到电机的转矩特性，电机变速器有时可设置较少挡位数或者取消）。由于具有多个挡位选择，发动机和电机的转速比例关系是可调的，通过调节，使发动机、电机的工况调节更灵活。两个变速器的多挡位和两种动力合成可形成多种驱动力曲线。可以为发动机和电机处于最佳区域提供更大机会，获得良好的动力性和系统效率。缺点是换挡复杂，传动系统结构复杂，不利于在车辆上布置。动力合成位于变速器后双轴式结构2电机与发动机的动力先合成，再输入变速器（合成发生在变速器前）。转矩耦合——转矩、转速关系如下：Tt=Te+i.Tmnt=ne=nm/iTt--变速器输入转矩;Te--发动机转矩;Tm--电机转矩;nt--变速器输入转速;ne--发动机转速;nm--电机转速。TeTmTti动力合成位于变速器前结构得到简化。发动机、电机之间的转速成比例关系。要求合理选择耦合器传动比，使发动机、电机都工作于各自合理区域，高效率地发挥出动力优势。分路式结构（驱动力合成式）发动机和电机各一套动力系统，驱动前轮或后轮，通过驱动力来复合。驱动力由两个驱动轴承担，每一轴上的驱动力减小，不易超出地面附着极限，通过性好；结构不紧凑，占用空间，布置困难，不适合于尺寸较小的车型。并联HEV的功率控制策略•制定功率控制策略，这是实现混合动力汽车低油耗低排放目标的关键所在。•任务：针对各部件性能特性及汽车行驶工况,根据SOC、加速踏板和制动踏板位置、车速等控制参数，确定发动机、电机、电池等部件的工作模式并合理地分配它们承担的功率，使它们处于最佳的工作区域，达到整车系统效率的最高,获得最佳燃油经济性和最低排放。•并联式HEV功率控制策略包括电机辅助驱动控制策略、实时控制策略和模糊逻辑控制策略。1.电机辅助驱动控制策略也称为基于规则的控制策略。发动机作为主动力源，电机在必要时辅助发动机驱动.主要思想是:根据发动机的性能特性,以一个或多个变量作为控制参数,如车速、行驶功率需求、加速信号等,设定一定的控制规则,判断和确定动力部件的工作模式与功率大小。（1）以车速为控制参数（2）以行驶载荷为控制参数（3）多控制参数（1）以车速为控制参数设定一个临界车速，将实际车速大小与临界车速进行比较，并以比较结果作为控制依据。利用了电机低速大转矩的特性，避免了发动机在低速时的低效率，当车速较高时发动机处于高效率区运行，此时采用发动机驱动可避免高速纯电动行驶时的电池快速放电损失。v≤v0发动机关闭，电机单独驱动。Pm=PrPe=0v＞v0当SOC＞SOCmin当SOC≤SOCmin发动机开启，电机关闭。Pe=PrPm=0发动机开启，除了提供行驶功率，还向电池充电。Pe=Pr+Pbcv0—临界车速，SOCmin—设定的最小SOC，Pr—需求行驶功率，Pm—电机功率，Pe—发动机功率，Pbc—电池充电功率。（2）以行驶载荷为控制参数以行驶载荷作为控制参数（常用行驶功率或驱动转矩）.思想：均衡发动机的负荷，避免低负荷工况，在大行驶载荷减小发动机负荷，使发动机始终处于经济运行区工作。设定一行驶载荷临界值，当实际行驶载荷低于该值，发动机在载荷临界点工作，多余动力给电池充电；当行驶载荷大于发动机最大动力时，电机辅助驱动。Pr≤Pe0发动机以下限功率运行，多余功率给电池充电。Pe=Pe0=Pr+PbcPe0＜Pr＜Pemax发动机单独驱动，电机关闭。Pe=PrPm=0Pr≥Pemax发动机以最大功率运行，不足功率由电机提供。Pe=PemaxPm=Pr-PemaxPr—需求行驶功率，Pe0—设置的发动机下限功率，Pemax—发动机最大功率，Pe—发动机功率，Pm—电机功率，Pbc—电池充电功率。（3）多控制参数单变量控制的工作模式少，不能保证部件匹配,和整车效率