混合动力汽车技术3(总体与部件技术)

1、混合动力汽车技术-电动车辆国家工程实验室何洪文 教授车辆电动技术教学提纲混合动力汽车总体设计技术；我国的混合动力汽车技术分析； 混合动力汽车的发动机技术；混合动力汽车的电动机技术；混合动力汽车总体设计技术 传统内燃机车辆能量利用情况 节油机理分析混合动力汽车总体设计技术节油机理分析公路工况换挡机会少且很少使用制动，怠速损失少；空气阻力损失约为各种行驶阻力所需能量的一半。20.2%城市工况怠速和制动损失相当高，怠速17.2/制动5.8%空气阻力损失约为各种行驶阻力所需能量的1/5。12.65%内燃机自身热效率最佳热效率3138%兼顾动力性需求，发动机后备功率较大，比如加速功率可达巡航行驶功率的5

2、倍以上混合动力汽车总体设计技术混合动力系统的节能潜力分析再生制动；车载动力总成可以更有效地工作，甚至可以消除或大大减少怠速工作状态；车载动力总成可以更轻更小；有选择多种动力总成的余地。混合动力汽车总体设计技术混合动力系统的节能潜力分析举例整车制动工况下节能分析: 混合动力客车可回收的制动能量占驱动消耗总能量的5.6%8.5% ,由此而节省的燃油消耗达4.5%6.7%;取消发动机怠速的节能分析:混合动力客车由于取消发动机怠速可节省17%44%的燃油。其中,北京城市循环工况能够节省33.6%的燃油,而纽约城市循环工况节省最多达44%;发动机downsize的节能分析:由于混合动力客车的发动机dow

3、nsize,各循环工况下的发动机部分负荷效率因数均得到了改善。downsize使发动机的负荷率得到了提高, 从而整车效率提高了2% 14% ,燃油经济性改善了13% 19%.发动机区域控制的节能分析:,混合动力客车燃油消耗降低了16%21%。单独考查发动机区域控制时的节能贡献,油耗减少1%3%。发动机downsize与取消发动机怠速对整车的节能效果最为明显。发动机downsize是混合动力汽车的设计技术,而取消发动机怠速是其控制技术电机能在低速和低负荷时提供助力, 使发动机在停车、怠速等工作效率较低的情况下关闭, 减少油耗和降低排放,实现零排放；车辆在高速行驶时, 由于电机的高转矩特性使发动机

4、在转速较低、效率较高时仍能维持足够的加速度, 电机助力也可减少发动机的瞬态工况电机和变速器的优化匹配使发动机可以运行于高效的工况区域电机的助力便于在进行发动机设计时采用一些革新技术。混合动力汽车总体设计技术 提高发动机效率 提高发动机附件的工作效率采用电机驱动发动机附件可以使其相对于发动机独立地工作。传统车辆的电器附件最高电压只有14V, 电路系统的损耗较大, 导线的成本也较高。而混合动力系统则采用高压电, 可以减少能量损失, 提高车辆的燃油经济性。混合动力汽车总体设计技术混合动力汽车总体设计技术GM 42V Flywheel Alternator Starter Honda Integrat

5、ed Motor Assist Toyota Hybrid System power split混合动力汽车总体设计技术混合动力汽车总体设计技术混合动力汽车总体设计技术 微混合系统： 启停混合，电机仅作为内燃机的启动机/发电机使用 510% 轻混合系统： 电机可向内燃机提供辅助的驱动力矩，但无纯电动工况，1015% 全混合系统： 整车具有纯电动工况， 3050 插电式混合系统： 整车具有纯电动工况， 3050混合动力汽车总体设计技术 混合动力系统存在的不足重量较大；电气效率损失大；存在车辆某些性能降低的可能；结构复杂，成本高。 混合动力汽车的排放问题纯电动模式运行；降低发动机排放。混合动力汽车

6、总体设计技术 优点发动机具有良好的经济性和低的排放性能；发动机与电机之间无机械连接，整车结构布置自由度较大；制动能量回收潜力大。 缺点发动机输出的能量利用率比较低；蓄电池和电机的体积和总量都比较大，整车重量较大；系统功率冗余度大。更适用于市区低速运行的工况。 串联混合动力系统混合动力汽车总体设计技术 优点发动机输出能量的利用率相对较高；发动机、电机、电池的功率可适当减小，电池的容量较小。 缺点为满足市区低速行驶工况，以纯电动行驶对电机、电池要求高；需要机电复合传动装置，整车传动系统复杂；发动机受车辆行驶工况直接影响，难以做到系统优化。 并联混合动力系统更适用于汽车在中、高速工况稳定行驶。混合动

7、力系统保持整车良好的动力性能 混合动力系统动力性能指标评价电动机驱动系统:起步加速、0z60, 0z85,ZEV里程；发动机驱动系统:最大爬坡度,持续爬坡能力, WOT混合动力汽车总体设计技术Engine is sized by steady state requirements of sustained grade and WOT performance.Electrics are sized by dynamic requirements for acceleration and “Zero Emission Vehicle, ZEV” range混合动力汽车总体设计技术Accelerat

8、ion benchmarks:Prius I, 060 mph time = 12.5sPrius II, 060 mph time = 10.5sHybrid Escape, 060 mph time = 11.2sRX400h, 060 mph time = 7.3sGS450h, 060 mph time = 5.2sPerformanceEconomy混合动力汽车总体设计技术 混合动力汽车的混合度根据发动机和电动机自身特点, 即发动机的惯量较大, 响应较慢, 而电动机的响应较快, 应当让发动机提供变化较慢的稳态功率, 而电动机提供瞬态变化的峰值功率。而稳态功率包括以巡航车速行驶的功率要

9、求、爬坡功率要求, 循环工况的平均功率要求 以及极限加速过程的平均功率要求。混合动力汽车总体设计技术电动机功率与整车价格基本符合线性关系, 电动机功率越大, 要求的电池容量也越大, 从而使整车价格成比例地增加。因此从降低成本角度看, 电动机功率应尽可能减小, 但电动机功率不能无限小, 它必须满足以下几个条件: 启动发动机能力: 在规定时间内启动发动机达到规定转速。 单独启动整车能力: 在规定时间内电动机单独启动整车到规定车速。 纯电动行驶能力: 以纯电动车速行驶的功率要求。 整车加速能力校验: 满足整车加速时间的要求。 混合动力汽车的混合度混合动力汽车总体设计技术 混合动力汽车的混合度混合动力

10、汽车总体设计技术Gasoline (or diesel fueled) Electric HEVMeta One diesel1932 kg crossover, V6, 2.7 liter, CI with 1600 bar common rail injection.325 V, 35 kW M/G 325 V, 6.5 Ah, NiMH battery pack混合动力汽车总体设计ComponentUnitsPrius THS-IPrius, THS-IIRX400hGS450hCamryYear introCY1997200320052006.22006.5EngineLiters1.

11、1 L41.5 L43.3 V63.5 V62.4 L4kW/rpm52/450057/5000155/5600218/6000110/5000BatterykW*25254545kW2121363630V274201.6288288244SystemV274500650650650tz60s12.510.57.35.28.9City/Hwy/Combinedmpg52/45/4960/51/5531/27/29*/*/2743/37/40混合动力汽车总体设计教学提纲混合动力汽车总体设计技术；我国的混合动力汽车技术分析； 混合动力汽车的发动机技术；混合动力汽车的电动机技术；专门二次开发的电控发

12、动机产品，启停控制、扭矩控制和断油控制AMT变速器一体化变速器壳体,集电机和变速器于一体一汽混合动力汽车高速CAN网络系统 (分布式控制)电动助力转向(EPS),电动空调系统混合动力的ABS系统(再生制动)15/30kW,5/10kW永磁同步电机6.5Ah镍氢动力电池组 混合动力轿车(强混合构型)一汽混合动力汽车 混合动力轿车(强混合构型)无动力中断换档,该车0100km/h的加速时间小于12s；怠速停机、发动机单独驱动、串联驱动、并联驱动、混联驱动、再生制动、联合制动；在起车和小负荷工况采用纯电驱动模式，而在中等负荷工况下则采用发动机单独驱动模式，若此时电池电量(SOC)不足，则发动机还可同

13、时给电池充电。而在急加速等大负荷工况下，B70HEV可实现混合驱动模式，发动机和电机同时驱动整车行驶。达到了6.0L/100km的水平，相对同类传统内燃机自动档轿车节油高达42.8%，比手动档轿车节油率为31.8%整车满足欧IV排放标准；一汽混合动力汽车 混合动力客车(双轴并联强混合总成构型)一汽大连柴油机厂生产的全电控欧IV发动机机械式自动变速器交流异步感应电机、镍氢动力电池组控制器局域网(CAN)总线发动机起停、纯电动驱动、混合驱动、发动机单独驱动、再生制动等各种工作模式整车动力性060km/h 的加速时间为27s北京城市循环工况下的燃油经济性为25.7L/100km 比传统客车节油38%

14、，排放降低30% 整车通过了3 万公里的可靠性试验平均故障间隔里程4220公里，首次故障里程6025 公里2005 年12 月完成了定型试验和国家汽车产品公告目录，2005年12月在一汽客车公司无锡客车厂完成了混合动力客车的下线整车具备了小批量生产的能力 混合动力客车(双轴并联强混合总成构型)一汽混合动力汽车东风混合动力汽车 混合动力轿车(混联式的机电耦合方案)16 气门多点喷射电控汽油机永磁同步驱动电机和ISG 及其控制器动力型镍氢电池及其管理系统AMT 系统多能源动力总成管理系统CAN 总线通讯系统强电保护系统及智能仪表整车最高车速160km/h 最大爬坡度30%0100km 加速时间14

15、.5s,城市工况节油率达40% 样车通过了15000公里的可靠性试验，平均故障间隔里程3336公里，首次故障里程5935km,在国内率先通过了正面碰撞试验 混合动力轿车(混联式的机电耦合方案)东风混合动力汽车东风混合动力汽车 混合动力客车11米东风客车底盘康明斯电控柴油发动机风冷式开关磁阻电机高性能镍氢电池并联方式参与驱动CAN总线控制网络机械式自动变速器最高车速80km/h 最大爬坡度25% 050km 加速时间30s 在城市5工况并保持整车动力性的基础上百公里油耗值相比基础车型降低35% 减少温室气体排放30% 安全性可靠性均通过国家汽车质量监督检验中心检测国内唯一一家拥有两个混合动力客车

16、国家公告产品的企业（2005年， EQ6110HEV混合动力客车率先通过国家公告，第二款混合动力客车EQ6110HEV1于2007年5月通过国家产品公告），东风混合动力汽车 混合动力客车 东风电动车公司管理层近日透露，2009年初下线东风自主品牌首款混合动力汽车，全年销售目标为5000辆，目前，东风电动车公司自主研发混合动力汽车完成了功能样车、性能样车的研发。按计划，公司2009初推出的混合动力车采用微混方案，每辆车大约增加3000元成本，在普通汽车上增加一套控制系统，即可实现节油57%。若市场反应达到预期，将进一步采用中轻混方案，每辆车大约增加万元成本，可实现节油30%以上. 东风混合动力汽

17、车长安混合动力汽车排放国IV 发动机JL475Q3排量1497总质量1950 长*宽*高4465mm1768mm1640mm轴距2710mm混合动力汽车ISG驱动电机额定功率10KW镍氢动力电池额定工作电压144V/电池容量6AH整备质量1501最高车速160该车排量为2.0升，加速至时速100km的时间为16秒。采用混合动力技术后，杰勋制造成本会提高15%20%，但平均油耗则会下降16%20%；经过8轮路试、改进，长安混合动力轿车技术已进入商品化倒计时；目前已实现量产。长安混合动力汽车奇瑞混合动力汽车BSG双轴并联低度混合式由“1.6L汽油机5速手动变速器1.5kW电机12V铅酸电池”组成B

18、SG系统结构简单、重量轻，对整车原有结构改动很小，成本低奇瑞混合动力汽车ISG单轴并联中度混合式系统由“1.3L汽油机5速手动变速器10kW电机144V镍氢电池”组成，电机采用永磁同步电机并带有电机控制系统、逆变器以及AC/DC转换器。ISG系统结构简单、紧凑、重量轻，可以大幅度改善燃油经济性、降低排放北汽混合动力汽车DCM混合动力军车EVT混合动力SUV北汽混合动力汽车其他厂家的混合动力汽车比亚迪双模混合动力汽车华普海尚混合动力汽车华晨尊驰混合动力汽车上汽荣威混合动力汽车其他厂家的混合动力汽车比亚迪双模混合动力汽车其他厂家的混合动力汽车别克LaCROSSE君越混合动力 36V动力电池组； 再

19、生制动、减速断油、起停控制、电机助力，节油1220%其他厂家的混合动力汽车0312通用汽车全球产品研发副董事长汤姆斯蒂芬斯在上海宣布在中国推出双模混合动力凯雷德，燃油经济性可提升50% 。双模式混合动力系统，包括了一个先进的电动可变变速箱(EVT Electrically Variable Transmission)以及300V的金属镍混合动力能量储存系统(ESS Energy Storage System)。该系统配合标准的6.0升V-8 Gen IV汽油发动机和主动型燃油管理装置(AFM Active Fuel Management)，延迟进气阀门关闭(LIVC Late-Intake V

20、alve Closing)，用于提高燃油效率。AFM系统能在高速巡航状态下，将V-8引擎的一半气缸关闭。运用了“双模式”强混合动力技术的ESCALADE Hybrid，既能在低速时使用电动机驱动，也能使6.0L的V-8引擎以较经济的四缸模式运转。国内上市的混合动力汽车一汽丰田旗下售价为25.98万元至27.98万元的普锐斯，普锐斯今年销售目标仅为1000辆；(国外定价21500美元)东风本田旗下进口引进、售价为26.98万元的思域，年销量定在200辆(国外定价22600美元)；上海通用别克LaCROSSE君越2.4L ECO-Hybrid油电混合动力车，售价26.99万元,价格仅比普通君越高出

21、2万元左右，还宣布对混合动力系统相关零部件实施4年或12万公里的质量保修;采用伊顿混合动力系统的福田欧V客车。教学提纲混合动力汽车总体设计技术；我国的混合动力汽车技术分析； 混合动力汽车的发动机技术；混合动力汽车的电动机技术； Otto 循环发动机不利于节能的因素部分负荷燃油消耗率高泵气损失:节气门在部分开度时造成节流, 以及曲轴箱和进气管的压差对活塞下行造成阻力, 都造成了能量损失。采用节气门控制负荷的发动机即使在高速路行驶时也存在泵气损失, 只有在全力加速或爬坡时节气门全开, 不存在额外的进气管节流损失混合动力汽车的发动机技术小膨胀比:膨胀比为排气门打开时气缸容积与混合气被点燃时气缸容积比

22、值。膨胀比越高, 转化为机械功的热能越多。对于给定燃油辛烷值的汽油机来说要避免爆震就不能有大的膨胀比。过浓的混合气:传统Otto 循环发动机通过加浓混合气满足输出功率增加的需要。浓混合气在发动机内并不能完全被利用, 作为HC 排放物被排到大气中或者在催化转化器中被氧化掉, 降低了燃油利用率。混合动力汽车的发动机技术高性能发动机：具体措施为设计减轻移动体的质量、使用小径的曲轴、减小发动机相对运动体的摩擦、采用Altkinson循环、设计非常小的燃烧室、显著的降低排气损失和节流损失Atkinson 循环发动机是在Otto 循环发动机的基础上多了一个回流过程, 包括进气、回流、压缩、膨胀和排气五个过

23、程。Atkinson 循环利用进气门晚关而不是节气门来控制负荷。进气门晚关时刻是由气缸内充量的多少来决定的, 也就是由负荷的大小来确定气门的关闭时刻。气门关闭后才是压缩冲程的实际开始点, 而膨胀冲程还是和原Otto 循环相似或稍长, 这就减少了进气过程的泵气损失和压缩冲程压缩功; 膨胀比比压缩比大能够使更大程度地将热能转换为机械能, 提高发动机的指示热效率, 降低燃油消耗。另外进气门晚关使实际压缩比降低, 所以缸内燃烧温度降低, 有利于改善NOx 排放。混合动力汽车的发动机技术Atkinson 循环热效率较高是因为降低了两方面的损耗: 一是在部分负荷时它工作在最佳膨胀比下,燃料的热效率高; 二

24、是进气冲程中没有节气门的节流作用减少了泵气损失。混合动力汽车的发动机技术虽然具有较高热效率, 但Atkinson 循环却存在功率偏低的缺点, 特别在低速低负荷下更加明显。混合动力汽车技术的出现, 在低速小负荷下可以使用蓄电池+电动机驱动, 既发挥了电动机低速大转矩的优点, 又避开了Atkinson 循环低速小负荷下的弱点, 使发动机主要工作在中高速下, 充分发挥了Atkinson 循环发动机热效率高的优点, 提高整车的燃油经济性和排放性。在大部分负荷范围( 小负荷除外) 内没有节气门作用, 因此不存在额外的泵气损失; 为了提高燃油的做功能力, Atkinson 循环发动机采用了较大的膨胀比; 在需要提供大的功率输出时,混合动力汽车通