第5章_1_混合动力电动汽车

1、HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 1 页5 5.1 1 概述概述5 5.2 2 混合动力电动汽车动力系统设计混合动力电动汽车动力系统设计 5 5.3 3 混合动力电动汽车制动能量回收系统混合动力电动汽车制动能量回收系统HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 2 页1. 混合动力电动汽车的分类混合动力电动汽车的分类 （1）按连接方式分类：）按连接方式分类： 串联式混合动力电动汽车（串联式混合动力电动汽车（SHEV） 并联式混合动力电动汽车（并联式混合动力电动汽车（PHEV） 混联式混合动力电动汽车（混联式混合动

2、力电动汽车（PSHEV）（2）按混合程度分类）按混合程度分类 微混混合动力电动汽车微混混合动力电动汽车 轻混混合动力电动汽车轻混混合动力电动汽车 强混混合动力电动汽车强混混合动力电动汽车 全混混合动力电动汽车全混混合动力电动汽车HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 3 页2. 串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车组成：组成： 发动机、发电机和驱动电动机发动机、发电机和驱动电动机各部件功用：各部件功用： 发动机仅仅用于发电发动机仅仅用于发电 发电机发出的电能直接输送到电动机部分发电机发出的电能直接输送到电动机部分 电能向电池充电电能向电池充电 电

3、动机产生的电磁力矩驱动汽车行走电动机产生的电磁力矩驱动汽车行走HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 6 页优点：优点：（1）发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的）发动机能够经常保持在稳定、高效、低污染的运转状态，使有害排放气体控制在最低范围；运转状态，使有害排放气体控制在最低范围；（2）总体结构上看，比较简单，易于控制，只有电）总体结构上看，比较简单，易于控制，只有电动机的电力驱动系统，其特点更加趋近于纯电动汽动机的电力驱动系统，其特点更加趋近于纯电动汽车；车；（3）三大部件总成在电动汽车上布置起来，有较大）三大部件总成在电动汽车上布置起来，有较大

4、的自由度。的自由度。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 7 页缺点：缺点：（1）三大部件总成各自的功率较大，外形较大，质）三大部件总成各自的功率较大，外形较大，质量也较大，在中小型电动汽车上布置有一定的困难；量也较大，在中小型电动汽车上布置有一定的困难；（2）另外在发动机）另外在发动机发电机发电机电动机驱动系统中的电动机驱动系统中的热能热能电能电能机械能的能量转换过程中，能量损失机械能的能量转换过程中，能量损失较大。较大。 串联式混合动力驱动系统较适合在大型客车上使用串联式混合动力驱动系统较适合在大型客车上使用HARBIN INSTITUTE OF

5、TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 8 页组成：组成： 并联式结构是由发动机、电动机并联式结构是由发动机、电动机/发电机两大发电机两大部件总成组成部件总成组成HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 11 页（1）驱动力合成式）驱动力合成式 驱动力合成式并联混合动力电动汽车采用一个小功率的发动机，单独地驱动汽车的前轮。 另外一套电动机驱动系统单独地驱动汽车的后轮，可以在汽车启动、爬坡或加速时增加混合动力电动汽车的驱动力。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 12 页（2）转矩合成式）转矩合成式(双轴式和单轴式双

6、轴式和单轴式) 转矩合成式并联混合动力汽车的发动机通过传动系统直接驱动混合动力电动汽车，并直接（单轴式）或间接（双轴式）带动电动机/发电机转动向蓄电池充电。 蓄电池也可以向电动机/发电机提供电能，此时电动机/发电机转换成电动机，可以用来启动发动机或驱动汽车。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 13 页（3）转速合成式）转速合成式 转速合成式并联混合动力汽车的发动机和电动机通过离合器和一个“动力组合器”来驱动汽车。 可以利用普通内燃机汽车的大部分传动系统的总成，电动机只需通过“动力组合器”与传动系统连接，结构简单，改制容易，维修方便。HARBIN I

7、NSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 16 页 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合。发动混联式驱动系统是串联式与并联式的综合。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。一部分则驱动发电机发电。 发电机发出的电能输送给电动机或蓄电池，电动发电机发出的电能输送给电动机或蓄电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 19 页与纯电动汽车比较：（1）由于有原动

8、机作为辅助动力，蓄电池的数量和质量可减少；（2）汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平；（3）借助原动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，无需消耗蓄电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 20 页与内燃机汽车比较：（1）可使原动机在最佳的工况区域稳定运行，避免或减少了发动机变工况下的不良运行，使得发动机的排污和油耗大为降低；（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）可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，并可通过电动机回收汽车减速和制动时的

9、能量，进一步降低了汽车的能量消耗和排污。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 21 页HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 22 页1驱动电动机及其控制技术驱动电动机及其控制技术 混合动力电动汽车对驱动电动机的要求是能量密度高、体积小、重量轻、效率高。 从发展趋势来看，电驱动系统的研发主要集中在交流感应电动机和永磁同步电动机上，对于高速、匀速行驶工况，采用感应电动机驱动较为合适；而对于经常起动停止、低速运行的城市工况，永磁电动机驱动效率较高。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源

10、汽车技术 第 23 页2动力电池及其管理系统动力电池及其管理系统 动力电池是混合动力电动汽车的基本组成单元，其性能直接影响到驱动电动机的性能，从而影响整车的燃油经济性和排放。 混合动力电动汽车用的电池工作负荷大，对功率密度要求较高。但体积和容量小，而且电池的SOC工作区间较窄，对循环寿命要求高。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 24 页3整车能量管理控制系统整车能量管理控制系统 混合动力电动汽车的整车能量控制系统的主要功能是进行整车功率控制和工作模式切换的控制。 整车能量控制系统如同混合动力电动汽车的大脑，指挥各个子系统的协调工作，以达到效率、排放

11、和动力性的最佳，同时兼顾行驶车辆的平顺性。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 25 页4动力传动系统匹配动力传动系统匹配 包括合理的选择和匹配发动机功率、动力电池容量和电动机的功率等，以确定车辆的混合度，组成性能最优的混合驱动系统。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 26 页5能量再生制动回收系统能量再生制动回收系统 由于制动关系到行车安全性，如何在最大限度回收制动时的车辆动能与保证安全的制动距离和车辆行驶稳定性之间取得平衡，是再生制动系统需要解决的难题之一，再生制动系统与车辆防抱死制动系统的结合可以完

12、美地解决这一难题。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 27 页6先进车辆控制技术在混合动力电动汽车上的应用先进车辆控制技术在混合动力电动汽车上的应用 传统汽车的车辆动力学控制系统与混合动力系统控制以及制动能量回收控制的结合，将是混合动力电动汽车控制技术的下一个研究热点。 传统汽车的驱动控制系统、车辆稳定性控制系统等如何与混合动力电动汽车的能量管理及动力系统控制相结合，将越来越显示其重要性与必要性。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 28 页 混合动力电动汽车获得高的燃油经济性主要通过以下原则来实现：（1）

13、将较小型发动机安装在汽车上并使发动机在较高负荷下工作（获取较高的效率）；（2）将制动时产生的能量转化为电能用于汽车加速或为其提供动力；（3）采用高效率的电动机将汽车从静止状态起动起来等。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 29 页 ADVISOR采用了实验数据建模法，即通过对大量的实验数据（如发动机的万有特性图和排放特性数据）分析处理获得描述发动机工作特性的近似方程。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 30 页HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 31 页 在混联

14、式混合动力电动汽车上对以电动和发电模式工作的电机有更高的要求：恒转矩、恒功率（弱磁控制）工作，高效率的大功率输出，接近双倍功率的过载量（出现于车辆再生制动时的发电模式，此时电动机转速变化范围可达几转到上万转）。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 32 页1逆变器逆变器/电动机控制策略电动机控制策略HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 33 页 电动机的转矩电动机的转矩速度曲线给出了牵引驱动期望的速度曲线给出了牵引驱动期望的宽调速范围轮廓，它具有三个特征工作区：宽调速范围轮廓，它具有三个特征工作区： （1）恒

15、转矩：从零转速到基速）恒转矩：从零转速到基速 （2）恒功率：基速到最大速度（恒功率区结束）恒功率：基速到最大速度（恒功率区结束时刻的速度）时刻的速度） （3）有限转差）有限转差 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 34 页2电动机功率设计电动机功率设计 在额定转速以下，电动机以恒转矩模式工作，在额定转速以上，以恒功率模式工作。 相应参数选取包括： （1）电动机额定功率 （2）电动机额定转速 （3）电动机最高转速 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 35 页 依据控制策略，电动机起动功率应满足汽车的依据控制策

16、略，电动机起动功率应满足汽车的最大爬坡度和加速时间要求最大爬坡度和加速时间要求 由最大爬坡度要求得由最大爬坡度要求得 由原地起步加速时间要求得 015.21sincos2maxmaxmaxFdtAuCmgmgfF0d)(6 . 310uFFFmtuwftHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 36 页 目前，电化学蓄电池仍是多源混合驱动的一个基本组成元素，无论是在串联、并联还是在混联的混合传动结构中，电化学蓄电池都被用做辅助能源。 大多数混合电动车辆在再生制动时就像通常的电动车一样：牵引电动机工作于发电模式，汽车的动能通过牵引电动机传递给电池。 HARB

17、IN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 37 页 蓄电池的等效电路图蓄电池的等效电路图 放电时：充电时：waaRiEU waaRiEUHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 38 页蓄电池放电：蓄电池放电： itanaAauttiQtictiQ0d),()(),( ttiitiQtiQattaAauaumiid,),(),(1 ttiQickitanaAd),()(01 ttiiQkkmiittaaAnd,11 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 39 页)()(),(naaAI

18、tii 111d,)()(),(miittaaAmaawttiiQkltikEbktiR),()()(),(ktiRtikEktuawa11),()()(miiiAdktukEtHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 40 页 蓄电池充电：蓄电池充电： HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 41 页蓄电池不工作时：蓄电池不工作时： HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 42 页 具体的汽车行驶功率的变化与蓄电池的瞬时负载电流、电压和内阻的变化，特别是与蓄电池中得出能量变化

19、密切相关。 内阻为 电动势为 1 , 0)()()()()()(),(tktkkltikEkbktRaw)()(kEtEHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 43 页（1）蓄电池开路电压和内阻计算模块 （2）功率限制模块 （3）蓄电池负载电流计算模块 （4）SOC计算模块 （5）蓄电池散热模型 （6）蓄电池总成模型 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 44 页HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 45 页 动力分配装置图动力分配装置图 通过对行星机构的变速比和受力分析

20、可以得到如通过对行星机构的变速比和受力分析可以得到如下方程下方程 ：213321)1 ()1 (0)1 (TkkTkTkkPRPSPPPHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 46 页 驱动力：驱动力： 混联式混合动力系统的行星齿轮机构可以充分满足车辆用任何一种独立驱动模式或任何一种混合驱动模式，平稳有序的运转来带动车辆行驶，不会发生任何的运动干扰。riTFTtqt0HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 47 页 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 48 页 混联式混合

21、动力电动汽车的控制方法：（1）恒工作点控制方法；（2）总功率损失最小化原则；（3）维持电池的SOC值。 1) 起步或在低速下运行机械连接电力连接A：电池组电动机车轮2) 减速或制动机械连接电力连接E：车轮电动机电池组3)正常行驶机械连接电力连接B：发动机车轮C：发动机发电机电动机车轮4) 蓄电池放电机械连接电力连接B：发动机车轮C：发动机发电机电动机车轮D：发动机发电机电池组5) 全油门加速机械连接电力连接A：电池组电动机车轮B：发动机车轮C：发动机发电机电动机车轮HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 54 页 在汽车这样一个非常复杂的非线性动态系统中

22、，单纯的建立数学模型来对设计变量进行优化是很不现实的，可以使用仿真软件ADVISOR与数值计算的结合进行优化，效果显然高于简单的计算选取。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 55 页 0100km加速时间 ： 最大爬坡度 ： 燃油消耗量 ： HC排放量 ： CO排放量 ： NOx排放量 ： 发动机功率； 电动机功率； 电池组功率。 ),(1100bmePPPFt),(2maxbmePPPFi),(bmePPPGg ),(bmeHHPPPGg),(bmeCCPPPGg),(bmeNNPPPGgePmPbPHARBIN INSTITUTE OF TECH

23、NOLOGY新能源汽车技术 第 56 页 通过以上函数，对各种性能的重要性进行加权值分析，使用MATLAB中的MIN函数容易得到插值数据中的最小值，同时找出对应于最小值的设计变量值作为最终的设计结果。 得到动力源优化分配的结果之后，再次使用仿真软件对整车的性能进行仿真分析，在UDDS循环工况下分别对使用传统设计方法和优化设计方法得到的整车性能进行仿真分析。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 57 页HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 58 页 结论：结论： （1）在没有降低原车动力性的条件下，经改装的混联

24、式混合动力电动车燃油经济性与排放性能都有明显的改善，达到节能和环保的目的。 （2）采用传统设计方法改装的车在动力性上稍好于采用优化方法改装的车，但在经济性上后者要远远好于前者，在车的动力性没有降低的情况下，盲目的提高动力性是没有必要的。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 59 页制动能量回收系统：制动能量回收系统：定义：定义： 是混合动力电动汽车重要组成部分之一，又叫再生制动系统，是指汽车在制动或下坡时将储存于车身上的势能和动能，通过电动机转化为电能，并储存于储能装置中的过程。 组成：组成： 制动能量回收系统由驱动轮、主减速器、变速器、电动机、AC

25、/DC转换器、DC/DC转换器、能量储存系统以及控制器组成。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 60 页HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 61 页 三种控制策略： （1）前、后轮制动力理想分配时的控制策略 （2）前、后轮制动力比例分配时的控制策略 （3）最优能量回收控制策略 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 62 页 汽车制动时，如果前、后轮制动力理想分配，则前、后轮同时抱死，对附着条件的利用、制动时汽车的方向稳定性均有利。前、后轮制动力理想分配时的控制策略原

26、理见下图 。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 64 页 如何在尽量对原有制动系统改动小的情况下，从驱动轮分离出再生制动力，可以采用另外一种分配控制策略并行制动。 并行制动是指再生制动与机械制动以固定的关系分享驱动轮制动力。也就是说，驱动轮制动力等于再生制动力与机械制动力总和。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽车技术 第 66 页 当总制动力需求小于此时能提供的最大再生制动力时，仅由再生制动力起作用；当总制动力大于此时能提供的最大再生制动力时，总制动力减去最大再生制动力是应该提供的机械制动力，剩余的需提供的机械制动力将分配为前轮机械制动力和后轮机械制动力。 前、后轮机械制动力的分配按照尽量使总的前、后轮制动力分配接近理想制动力曲线。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOL