第八章混合动力电动汽车教学课件.pdf

第八章混合动力电动汽车 学习目标: 了解各种类型混合动力电动汽车的组成 了解各种类型混合动力电动汽车的工作模式纯电动汽车是解决能源危机的最佳途径，但是其续航能力、充电效率以及实际充电系统的发展限制了纯电动汽车的发展。混合动力车辆的节能、低排放、 持续续航能力、动力性好的优点，汽车的热效率可提高10%以上，废气排放可改善30%以上。所以混合动力汽车成为目前最具有节能潜力和市场前景的车型之一。第一节混合动力汽车的概述与分类一、混合动力电动汽车电动汽车的概述1894年，第一台混合动力电动汽车诞生。混合动力汽车（Hybrid Vehicle）广义上是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供。通 常 所 说 的 混 合 动 力 汽 车 ， 一 般 是 指 油 电 混 合 动 力 汽 车（Hybrid Electric Vehicle, HEV），即采用传统的内燃机（柴油机或汽油机）和电动机作为动力源，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。通过在混合动力汽车上使用电动机,使得动力系统可以按照整车的实际运行工况灵活调控,而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作,从而降低油耗与排放。混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机,其目的是减少汽车的污染,增加纯电动汽车的行驶里程。混合动力汽车的发动机要使用燃油,而且在起步、加速时,由于有电动机的辅助,可以在起动的瞬间产生强大的动力,因此,车主在享受更强劲的起步、加速的同时,还能实现较高水平的燃油经济性。二、混合动力汽车的主要动力组件混合动力汽车使用的动力系统中包括高效强化的发动机、电动机、发电机、蓄电池和动力分配系统。1.发动机混合动力汽车可以广泛地采用四冲程内燃机(包括汽油机和柴油机)、二冲程(包括汽油机和柴油机)、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。利用它们各自的优势,可以构成不同特点的混合动力系统。2.电动机混合动力汽车的电动机可以选择直流电动机、交流异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻电动机等。随着混合动力汽车的发展,直流电动机已经很少采用,多采用交流异步电动机和永磁同步电动机,开关磁阻电动机的应用也得到重视,还可以采用特种电动机作为混合动力汽车的驱动电动机,如轮毂电动机。3.发电机发电机的主要作用是为动力电池进行充电，工作原理和传统汽车发电机相似，将发动机的动能转化为电能，向动力电池充电。4.动力电池混合动力汽车常用的动力电池包括飞轮蓄电池、超级电容、电化学电池、燃料电池、储能器和锌空气电池等。电池一般作为混合动力汽车的辅助能源,只有在起动发动机或电动机辅助驱动时才使用。5.动力分配装置在并联和混联系统中,机械的动力分配装置是耦合发动机和电动机的关键部件。它不仅机械复杂性高,而且直接影响整车控制策略,因而成为混合动力系统开发的重点和难点。目前采用的动力复合方式有转矩复合、速度复合和双桥动力复合。三、混合动力电动汽车的分类（一）根据混合动力驱动的联结方式、结构布置形式和动力传输路线，一般把混合动力汽车分为三类：1.串联式混合动力汽车（SHEV）串联式混合动力汽车主要由发动机、发电机、驱动电机等三大动力总成用串联方式组成了HEV的动力系统。2.并联式混合动力汽车（PHEV）发动机和驱动电机都是动力总成，两大动力总成的功率可以互相叠加输出，也可以单独输出。3.混动式混合动力汽车（PSHEV）混动式混合动力汽车综合了串联式和并联式的结构而组成的电动汽车，主要由发动机、电动-发电机和驱动电机三大动力总成组成。（二）根据在混合动力系统中混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类：1.微混合动力系统微混合动力汽车系统从严格意义上来讲不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。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启动和停止，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。轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。代表车型是通用的混合动力皮卡车。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，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30%左右，目前技术已经成熟，应用广泛。代表车型有本田旗下混合动力的Insight, Accord 和Civic。4.完全混合动力系统完全混合动力系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。代表车型有丰田的Prius 和未来的Estima。第二节几种常见混合动力汽车一、串联混合动力电动汽车1.串联式混合动力电动汽车的组成串联式混合动力汽车的动力系统由发动机、发电机和电动机三部分组成。发动机并不直接提供动力，也不能单独驱动车轮，只作为动力源带动发电机发电,电能通过控制器输送到动力电池或电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车,驱动系统只是电动机。小负荷时由动力电池驱动电动机驱动车轮,大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机，下图是串联式混合动力系统示意图和能量路线图。串联式混合动力系统示意图发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池发电机串联式混合动力系统能量路线图当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，发动机带动的发电机和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。2.串联式混合动力电动汽车的工作模式与运行工况（1）纯动力电池驱动工作模式如果动力电池充满电，则发动机关闭，车辆完全从动力电池组中获得电能，驱动车辆前进。传动系统能量流程图如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池发电机纯动力电池驱动时串联式传动系统能量流程图（2）纯发动机驱动工作模式当动力电池电量较低时，发动机被启动，此时发动机以最大功率进行工作带动发电机发电，发电机一方面为电动机提供电能驱动电动机工作，另一方面通过发电机为动力电池充电，传动系统能量流程图如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池发电机纯发动机驱动时串联式传动系统能量流程图（3）混合驱动工作模式当汽车发动机-发电机发电单元提供的最大功率低于汽车所需功率时，由电池组和发动机-发电机发电单元同时获取电能，驱动车辆；传动系统能量流程图如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池发电机混合驱动时串联混合动力系统传动系统能量流程图（4）制动能量回收工作模式在制动或减速时，电动机起到发电机的作用，由驱动电动机作为发电机收减速或制动过程的能量并向电池组充电；传动系统能量流程图如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池发电机制动能量回收时串联混合动力系统能量流程图（5）停车充电当驱动电动机不接收功率，车辆停驶，发动机-发电机组仅向蓄电池组充电。实际工作的工作模式需要经过控制策略的优化，在满足动力性能需求的前提下，保护电池的状态和性能，获得更好的燃油经济性和更低的排放。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池发电机停车充电串联混合动力能量流程图二、并联混合动力电动汽车1.并联式混合动力电动汽车的组成并联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电电动机和动力电池组、离合器等部件组成。并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套驱动系统,可以单独使用发动机或单独使用电动机作为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。所以并联式混合电动汽车采用发动机动、电动机单独驱动或发动机和电动机联合驱动三种工作模式。与串联相比,并联式混合动力电动汽车的特点是并联仅用到电动机和发动机,并且发动机和电动机的最大功率较小;缺点是由发动机与推进系统是共轴连接的,所以并联需要离合器,这使得并联结构复杂,控制难度增大。并联式混合动力系统示意图和能量传递图如下所示。并联式混合动力系统结构示意图发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池并联式混合动力系统结构示意图能量流程图2.并联式混合动力电动汽车的工作模式与运行工况并联式混合动力汽车的工作模式主要有以下几种：（1）纯电动机驱动模式在市区行驶时,如果动力电池完全充满,则选用纯动力电池驱动方式,此时发动机不工作，发动机和变速器之间的离合器分离，不传递动力。动力电池组释放电能,经逆变器将直流电转换为交流电,给动力电动机供电,动力电动机将转矩输入变速器、后桥,从而驱动车辆行驶。传动系统能量流如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池纯电动机驱动并联式动力系统能量流程图（2）纯发动机驱动模式当车辆匀速行驶，满足发动机高效工作区域时，使用纯发动机驱动，可以获得较高的效率。此时发动机工作，发动机与变速器之间的离合器结合，传递动力，驱动汽车工作。传动系统能量流程图如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池纯发动机驱动并联式动力系统能量流程图（3）混合驱动模式在起步、坡道或加速阶段,一方面发动机运转,离合器结合，将转矩输入变速器,另一方面动力电池组经逆变器将直流电转换为交流电,给动力电动机供电,动力电动机也将转矩输入变速器驱动变速器转动,发动机和电动机共同将动力输入变速器、后桥,从而驱动车辆加速行驶。系统能量流程图如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池混合驱动并联式动力系统能量流程图（4）行车充电模式当发动机输出功率大于车辆负荷，电池组荷电状态未达到最高限值时，发动机多余能量用来带动电动机给电池组充电。系统能量流程图如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池行车充电并联式动力系统能量流程图（5）制动能量回收模式车辆减速制动时电动机作为发电机使用，提供供电制动力矩，同时回收电能给电池组充电。制动能量回收结构图与工作原理图如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池制动能量回收结构图与工作原理图（6）停车充电模式若停车前电池组的电量不足，为了保证下一次起动时可以使用纯电动机启动，增加纯电驱动续驶里程，可以在停车时利用发动机给电池组充电。系统能量流程图如图所示。发动机电动机变速器车辆逆变器蓄电池停车充电并联式动力系统能量流程图三、混联动力电动汽车1.混联式混合动力电动汽车的组成混联式混合动力电动汽车 Power-Split Hybrid Electric Vehicle (PSHEV)在结构上结合了SHEV和PHEV的特点，混联式混合动力利用电动机和发动机这两个动力来驱动车轮，同时电动机在行驶当中还可以发电。根据行驶条件的不同，可以仅靠电动机驱动力来行驶，或者利用发动机和电动机驱动行驶。另外还安装有发电机，所以可以一边行驶，一边给动力电池充电。基本结构由电动机、发动机、动力电池、发电机、动力分离装置、电子控制单元(变压器、转换器)组成。 混联式混合动力系统结构示意图和传动系统能量图如图所示。并联式混合动力系统结构示意图发动机行星轮组电动机变速器车辆发电机逆变器蓄电池混联式混合动力系统的传动系统能量图利用动力分离装置将发动机的动力分成两份，一部分用来直接驱动车轮，另一部分用来发电，给电动机供应电力和动力电池充电。混联式驱动系统的一般控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联时为主。混合动力电动汽车的优点是驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机等部件进行更优化的匹配，在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态;与串联式混合动力汽车相比动力系统更小、成本降低;多种工作模式获得更好的性能;发动机参与驱动减少能量转换损失;纯电行驶降低排放。缺点是发动机工作时的有害气体的排放高于串联式混合动力汽车;与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂;整车多能源控制系统要求更高、更复杂。因此在机械结构和控制方面对动力复合装置提出了更多的要求。目前的混联式结构一般以行星齿轮机构作为动力复合装置。混联式混合动力电动汽车有丰田普锐斯。2.混联式混合动力电动汽车的工作模式与运行工况混联式混合动力汽车兼具并联和串联混合动力汽车的工作模式。（1）纯电动机驱动工作模式在市区行驶时,如果动力电池完全充满,则选用纯动力电池驱动方式,利用电池的电能，通过驱动电动机单独驱动汽车行驶。系统能量流程图如图所示。发动机行星轮组电动机变速器车辆发电机逆变器蓄电池纯电动就驱动混联式动力系统能量流程图（2）发动机单独驱动工作模式高速巡航时，由发动机单独驱动，此种情况和传统汽车工作状况相同，此时发动机工作在经济转速区域。系统能量流程图如图所示。发动机行星轮组电动机变速器车辆发电机逆变器蓄电池发动机单独驱动混联式动力系统能量流程图（3）行车充电工作模式当动力电池电量较低，汽车运行所需功率低时，发动机一方面驱动汽车行驶，另一方面对动力电池进行充电。系统能量流程图如图所示。发动机行星轮组电动机变速器车辆发电机逆变器蓄电池行车充电时混联式动力系统能量流程图（4）停车充电工作模式当电池荷电状态低于设定限值时，采用停车充电模式，发动机在经济区以输出恒定功率的方式带动ISG电动机发电，为电池补充能量。系统能量流程图如图所示。发动机行星轮组电动机变速器车辆发电机逆变器蓄电池停车充电时混联式动力系统能量流程图（5）制动能量回收工作模式汽车制动时，车轮提供反向扭矩，带动驱动电动机来作为发电机发电，以此回收能量。通过回收制动能量，混合动力车能很好地控制油耗和排放。这种模式工作在中高速滑行和制动的工况下。系统能量流程图如图所示。发动机行星轮组电动机变速器车辆发电机逆变器蓄电池制动能量回收时混联式动力系统能量流程图（7）混合驱动工作模式发动机和电动机同时工作，能提供较大的动力输出，因此这种模式通常适合于工作在中低速加速和高速区。系统能量流程图如图所示。发动机行星轮组电动机变速器车辆发电机逆变器蓄电池混合驱动混联式动力系统能量流程图（8）全加速工作模式发动机、发电机及驱动电动机同时驱动。此时，所有的能量都输出用于驱动汽车，这种模式能获得最大的驱动力。一般用于极限速度行驶、超车等情况。系统能量流程如图所示。发动机行星轮组电动机变速器车辆发电机逆变器蓄电池全加速混联式动力系统能量流程图四、插电式混合动力电动汽车插电式混合动力汽车（Plug-in hybrid electric vehicle，简称PHEV）是新型的混合动力电动汽车。插电式混合动力汽车与普通混合动力汽车的区别：普通混合动力车的电池容量很小，仅在起/停、加/减速的时候供应/回收能量，不能外部充电，不能用纯电模式较长距离行驶；插电式混合动力车的电池相对比较大，可以外部充电，可以用纯电模式行驶，电池电量耗尽后再以混合动力模式（以内燃机为主）行驶，并适时向电池充电。优点是纯电模式下行车安静，有很好的起步和加速性，油耗低，缺点是成本高，车重大。代表车型有丰田普瑞斯和保时捷918。