单元一：混合动力汽车构造与工作原理

混合动力汽车构造与维修“十三五”职业教育汽车类创新应用型教材新能源汽车运用与维修专业规划教材主编陈社会副主编孙旭参编陈星光谢伟清李志军李文涛主审张启森单元一混合动力汽车构造与工作原理混合动力汽车的发展课题一混合动力汽车的基本概念与分类课题二典型混合动力电动汽车的构造课题三混合动力汽车的电能储存装置课题四混合动力汽车驱动电机课题五混合动力汽车控制系统课题六混合动力汽车的发展课题一国外混合动力汽车的发展一1899年巴黎美术展览馆展出了世界最早的两款混合动力汽车,一款是由比利时Pieper研究院开发的并联式混合动力汽车，该车装有一台由电机和铅酸蓄电池组辅助的小型空冷汽油发动机。当该混合动力汽车滑行或停车时,发动机给蓄电池组充电;当所需驱动功率大于发动机额定值时,电机即时提供辅助的功率。国外混合动力汽车的发展一另一款是由法国Vendovelli与Priestly公司制造的第一辆串联式混合动力汽车,它由纯商品化的电动汽车衍生而来。该车是一辆三轮车,在其两个后轮上分别装有独立的电机。与1.1kW发电机相组合的一台559.28W的汽油发动机安装在拖车上,并被拖带在该车后面,以通过对蓄电池组的再充电扩展其续航里程。国外混合动力汽车的发展一从1899年到1914年,这期间出现了兼有并联和串联的其他形式的混合动力汽车。早期混合动力汽车的制造是为了辅助功率偏小的内燃机汽车,或是为了增进电动汽车的续航里程。混合动力汽车利用了基本的电动汽车应用技术,且使之实用化。国外混合动力汽车的发展一VictorWouk博士被公认为是推进混合动力汽车的近代研究者。1975年,他与同事们一起制造了一辆BuickSkylark型并联式混合动力汽车。该车发动机是马自达旋转式发动机,它与手动变速器配合,并由一台固定于传动装置前端的11.19kW的他励直流电机予以辅助,8个12V的汽车蓄电池组用于能量的储存,最高速度可达129km/h,0~96km/h加速时间约16s。国外混合动力汽车的发展一1973年和1977年的两次石油危机以及不断增加的环境忧虑并没有促使混合动力汽车成功地进入市场。研究工作主要集中在纯电动汽车,许多纯电动汽车的原型在20世纪80年代制成。期间,由于实用的电子技术、现代电机和蓄电池应用技术的欠缺,所以才导致了对混合动力汽车兴趣的不足。国外混合动力汽车的发展一20世纪90年代,当纯电动汽车难以达到实用化目标的事实变得很明朗时,人们对混合动力汽车的概念产生了很大的兴趣。福特汽车公司启动了福特混合动力汽车挑战计划。全世界汽车制造业生产的混合动力汽车原型取得了巨大的进步,它们在燃油经济性方面超过了对应的内燃机汽车。国外混合动力汽车的发展一在美国,道奇汽车公司制造了Intrepid(无畏)ESX-1、ESX-2和ESX-3型混合动力汽车。ESX-1型混合动力汽车是串联式混合动力汽车,它装备有一个小型涡轮增压的三气缸柴油机和一个蓄电池组;在后轮上安置有两个7.46kW的电机。当时,美国政府提出“新一代汽车合作伙伴计划(PNGV)”,它包含燃油经济性可达80mile/gal(1gal=3.78541dm3)的中型轿车的目标。国外混合动力汽车的发展一福特公司的Prodigy(奇迹)和通用公司的Precept(方案)均是起因于该计划的成果。Prodigy(图1-1)和Precept(图1-2)两车都是并联式混合动力汽车,装备有与无润滑油离合器的手动变速器相配合的小型涡轮增压的柴油机。图1-1福特Prodigy国外混合动力汽车的发展一图1-2通用Precept国外混合动力汽车的发展一1997年丰田公司在日本推出了普锐斯(Prius)混合动力汽车,截至2015年7月全球销量突破800万辆。在2005年,将混合动力系统运用到雷克萨斯上。2006年丰田公司在美国推出凯美瑞混合动力汽车。国外混合动力汽车的发展一本田公司也推出了Insight和Civic混合动力汽车。这些混合动力汽车目前在全世界得到了有效的应用,实现了燃油消耗量的优化。丰田公司的Prius和本田公司的Insight混合动力汽车具有历史性的价值,它们是解决私家车燃油消耗难题的当代首批商品化的混合动力汽车。我国混合动力汽车的发展现状二目前,我国各大汽车集团都在进行混合动力汽车的研发。一汽研发的红旗HQ3于2006年投产;东风集团的混合动力公交车已于2005年7月完成最终产品定型样车试验并通过验收;奇瑞集团成立了国家节能环保汽车工程技术研究中心，2007年11月底,10辆奇瑞BSG(BeltDrivenStarterGenerator传送带驱动启动发电机)混合动力轿车率先销售到奇瑞出租车公司,小批量投放出租车市场;奇瑞A5混合动力轿车为奥运提供服务,也有出色表现。我国混合动力汽车的发展现状二2007年12月13日,长安汽车集团自主研发了首款量产杰勋混合动力汽车。深圳五洲龙汽车有限公司将建立,中国规模最大、投放车辆最多的混合动力示范运营线路,该线路将在深圳市龙岗区开通。我国混合动力汽车的发展现状二上汽集团与通用签署协议,将联手开发混合动力轿车和公交客车。上海别克君越eco-hybrid油电混合动力汽车是国内第一款中高档量产混合动力车型,采用独立的电机-镍氢电池组动力辅助系统,配有2.4L发动机,在车辆减速和静止状态下发动机自动切断燃油供应,实现零排放。我国混合动力汽车的发展现状二2011年上市的荣威750混合动力汽车是基于1.8T车型平台上,采用高压混动电机,搭载的是磷酸铁锂电池。综合节油率在20%左右,百公里综合油耗为7.5L。我国混合动力汽车的发展现状二2013年11月,上汽荣威550插电式混合动力汽车在广州车展上正式亮相,其百公里油耗仅为2.7L,续航里程可达500km。技术路线上采用的是发动机+P1电机+P2电机+AMT,可实现纯电动、纯发动机、串联、并联和混联等多种工作模式。我国混合动力汽车的发展现状二比亚迪F3DM插电式混动车型已经实现量产。比亚迪秦搭载的为比亚迪第二代DM(混动)系统,相比第一代,在动力性和经济性上都有大幅提升。混合动力汽车的技术发展三1)轿车混合动力系统的模块化愈加明显,逐步推进汽车动力的电气化。混合动力汽车的技术发展三2)城市客车混合动力系统出现平台化趋势。发电机组+驱动电机+储能装置构成了混合动力系统的基本技术平台。通过换用不同的发电机组,使从内燃机到气体燃料发动机各种不同的能源动力转化装置,形成油-电、气-电、电-电各种不同的混合动力系统,促进动力系统的平稳过渡与转型。混合动力汽车的技术发展三3)插电式混合动力技术越来越引起人们的关注。通用汽车公司在2007年年底展示了插电式混合动力概念车VoltConcept。该车配备了新一代驱动系统,混合形式为串联型,采用通过两个额定功率为40kW的轮边电机驱动前轮的驱动方式,配合1.0L排量3缸涡轮增压汽油发动机,以及最大输出功率为53kW的电机。混合动力汽车的基本概念与分类课题二混合动力汽车的基本概念一根据国际能源组织(IEA)的有关文献,“能量与功率传送路线”具有如下特点的车辆称为混合动力汽车:1)传送到车轮推进车辆运动的能量,至少来自两种不同的能量转换装置(例如:内燃机、燃气涡轮、斯特林发动机、电机、液压马达和燃料电池等)。混合动力汽车的基本概念一2)这些能量转换装置至少要从两种不同的能量储存装置(例如:燃油箱、蓄电池、飞轮、超级电容和高压储氢罐等)吸取能量。混合动力汽车的基本概念一3)从储能装置流向车轮的这些通道,至少有一条是可逆的。如果可逆的储能装置供应的是电能时,则称作混合动力电动汽车。混合动力汽车的基本概念一对于混合动力汽车而言,一般在一辆汽车上同时配备电力驱动系统(TractionMotor)和辅助动力单元APU(AuxiliaryPowerUnit),其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组。混合动力汽车可分为两大类,即液压蓄能式混合动力汽HHV(HydraulicHybridVehicle)和混合动力电动汽车HEV(HybridElectricVehicle)。液压蓄能式混合动力汽HHV二HHV最初由VOLVOFlygmotor在20世纪80年代开发,主要用于巴士、货车等重型车辆。HHV使用的动力是液力马达及传统的燃油(气)车的发动机。液压蓄能式混合动力汽HHV二液力系统主要由液压泵(马达)、液力储存器和液体罐等组成。液压蓄能式混合动力汽HHV二HHV的特点是可使用液压泵(马达)单独驱动或与发动机共同驱动汽车行驶。液压蓄能式混合动力汽HHV二该类汽车带有液压式能量回收系统,可回收汽车制动、减速过程中的能量。在汽车制动、减速时,用液压泵将汽车的动能转换为液压能,储存在装有氮气的储能器中,在汽车前进或加速时,使储存在储能器中的液压能通过液压马达释放出来,辅助发动机运转或单独驱动汽车行驶。混合动力电动汽车HEV三国标《GB/T19596—2004电动汽车术语》对于混合动力电动汽车是这样定义的。至少能从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车:1)可消耗的燃料。2)可再充电能/能量储存装置。混合动力电动汽车HEV三HEV的特点是燃油(气)发动机动力与电动机动力两种动力的组合。通常把燃油(气)发动机与电动机两种动力组合而成的混合动力电动汽车简称为油(气)-电混合动力电动汽车,把汽(柴)油发动机与电机两种动力组合而成的混合动力电动汽车简称为汽(柴)油-电力混合动力电动汽车等。混合动力电动汽车HEV三HEV的突出优点是:1)发动机可工作在经济工况区,排放低,燃油消耗少。2)发动机不在全负荷和加速工况下工作,噪声小。3)可以回收制动时的能量和利用已有的燃油设施等。混合动力电动汽车HEV三HEV与传统汽车的区别主要是驱动系统,HEV通常至少由两种动力源组成。一种是由发动机提供的、与传统汽车类似的动力系统。从理论上讲,所有可以用于传统汽车的发动机(包括各种内燃机和外燃机)都可用于HEV;另一种是传统汽车上所没有的电驱动系统。混合动力电动汽车HEV三电驱动系统通常由电能储存器(蓄电池、超级电容器和飞轮电池)、电源变换器(逆变器和变压器)和电机(直流电机、三相异步感应电机、永磁电机和开关磁阻电机)等组成,为了能够利用发动机发电或回收汽车的制动能量等,电驱动系统的电机一般都可作为发电机使用,也有电机和发电机分别设置的。HEV的组成可以说是上述两种驱动系统的组合,由于组合方式和选用的装置种类的不同,就形成了各具特色的HEV。混合动力电动汽车的类型四1.按照动力系统划分(1)串联式混合动力电动汽车(SeriesHybridVehicle)车辆行驶系统的驱动力只来源于电机。串联式混合动力电动汽车的结构特点是发动机带动发电机发电,电能通过电机控制器输送给电机,由电机驱动车辆行驶。另外,动力蓄电池可以单独向电机提供电能驱动车辆行驶。混合动力电动汽车的类型四(2)并联式混合动力电动汽车(ParallelHybridElectricVehicle)车辆行驶系统的驱动力由电机及发动机同时或单独供给。并联式混合动力电动汽车的结构特点是并联式驱动系统可以单独使用发动机或电机作为动力源,也可以同时使用电机和发动机作为动力源驱动车辆行驶。混合动力电动汽车的类型四(3)混联式混合动力电动汽车(CombinedHybridElectricVehicle)具备串联式和并联式两种混合动力系统。混联式混合动力电动汽车的结构特点是可以在串联混合模式下工作,也可以在并联混合模式下工作,同时兼顾了串联式和并联式混合动力电动汽车的特点。混合动力电动汽车的类型四2.按照混合度划分(1)微混合型混合动力电动汽车(MicroHybridElectricVehicle)以发动机为主要动力源,电机作为辅助动力,具备制动能量回收功能的混合动力电动汽车。电机的峰值功率和总功率的比值小于10%。仅具有怠速停机功能的汽车也可称为微混合型混合动力电动汽车。混合动力电动汽车的类型四(2)轻度混合型混合动力电动汽车(MildHybridElectricVehicle)以发动机为主要动力源,