混合动力电动汽车混合动力电动汽车

第三章混合动力电动汽车主要内容概述概念、发展简史、优点、关键技术混合动力系统的分类混合方式、混合度、动力耦合数学模型丰田THS混合动力系统本田IMA混合动力系统通用雪佛兰Volt四模混合动力系统混合动力汽车：是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或多个驱动系共同提供。混合动力电动汽车：是指由两种和两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的汽车称为混合动力电动汽车。HEV,指能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车：－可消耗的燃料；－可再充电能/能量储存装置。1、概述1.1概念车载能量源动力装置辅助系统发动机传动系能源存储系统能源存储和调节转化系统电动机驱动轮用于能源存储或进行能源的初始转化以向动力生成装置直接供能的所有部件的总称。用于把其他形式的能量转化为机械动能(旋转动能)的装置，直接作为动力传递系的输入从动力装置中获取动力，用于维持汽车良好的操控特性、舒适性等的所有部件的总称，如转向助力系统、制动助力系统、空调系统、辅助电气系统等车辆上所有的用于存储、转化和传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称。具体由车载能量源、动力装置、传动系以及其他辅助系统组成。动力传动系传动系辅助系统用于传递和调节动力生成装置输出的旋转机械动能，并输送给车辆驱动车轮，实现车辆正常行驶的所有部件的总称1.2混合动力电动汽车发展简史1894年，第一辆混合动力电动汽车诞生；1905年，H.Piper在美国申请了混合动力电动汽车专利，随后有多种混合动力汽车推出，但一直没有量产；20世纪90年代，重新得到重视；1997年，第一代Prius上市；2011年2月，突破300万辆。1.3混合动力电动汽车的优点(1)整车重量小（由于电池的容量减小）。(2)续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。(3)保证驾车和乘坐的舒适性（空调、暖风、动力转向的使用）。与纯电动汽车比较：与内燃机汽车比较：(1)可使发动机在最佳的工况区域稳定运行，从而降低排污和油耗。(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)通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的能量消耗和排放污染。1.4混合动力电动汽车的关键技术动力耦合系统动力总成控制系统电机及控制系统动力电池及其管理系统混合动力系统专用发动机仿真分析技术1.4.1动力耦合系统关键技术：布置方案，不同结构的动力耦合方式不仅决定了混合动力系统的工作模式，而且也是制定动力分配策略的基础，对整车的动力性、经济性、排放性和制造成本有重大影响。要求：结构合理、制造容易、效率高动力耦合方式：转矩耦合、速度耦合、功率耦合具体结构：由变速器耦合、离合器耦合、主减速器耦合等向行星齿轮耦合方向发展。1.4.2动力总成成控制系系统车辆行驶驶的核心心单元！！HEV的控制需需要根据据驾驶人人操纵状状态、车车速、电电池荷电电状态和和相关设设备的状状态确定发动动机与电电机功率率分配策策略，以保证证满足汽汽车动力力性、经经济性、、排放性性的性能能指标。。1.4.3电机及控控制系统统电机类型型：主要有有交流感感应电机机、永磁磁同步电电机和开开关磁阻阻电机。。对电机的的要求：在较宽宽的速度度范围内内具有高高转矩密密度、高高功率密密度，高高效率、、高可靠靠性、良良好的控控制性能能，能够够适应发发动机频频繁起停停和电机机电动/发电状态态的切换换。国外以永磁同步步电机为主，国国内应用用较多的的是交流感应应电机。1.4.4动力电池池及其管管理系统统使用特点点：HEV的动力电电池需要要频繁充放放电，在充放放电过程程中，电电压、电电流会有有较大变变化。要求：1、具有有较大大功率率充放放电能能力和和较高高的比比功率率，以以满足足汽车车加速速和爬爬坡时时的大大功率率需求求；具具有快快速充充电能能力，，以满满足制制动时时的大大功率率能量量回收收需要要。2、高的的充放放电效效率，，对保保证整整车效效率具具有至至关重重要的的作用用。3、电池池在快快速充充放电电的工工况条条件下下保持持性能能的相相对稳稳定。。电池管管理系系统的的任务务：考虑虑热能能控制制管理理、荷荷电状状态判判定、、充放放电模模式选选择、、电池池充放放电平平衡、、电池池过充充电或或过放放电控控制、、电池池组的的温度度控制制等。。1.4.5混合动动力系系统专专用发发动机机发动机机技术术：电控控燃油油喷射射、排排气再再循环环、增增压中中冷、、可变变进气气涡轮轮、高高压共共轨和和催化化后处处理。。在HEV中，发发动机机的工工况可可控制制在一一定范范围内内，可可以进进行优优化设设计进进一步步提高高燃油油经济济性，，减低低排放放。1.4.6仿真分分析技技术在HEV开发过过程中中，需需要建建立先先进的的驱动动系统统数学学模型型，这这是计计算机机仿真真和分分析的的基础础。在系统统选择择上，，可依依靠高高效的的建模模工具具，通通过交交替使使用候候选的的子系系统进进行模模拟仿仿真，，从而而找到到最佳佳的方方案。。计算机机模型型为每每个候候选子子系统统提供供了详详细规规格和和设计计参数数，从从而提提高设设计效效率，，且有有助于于为设设计和和制造造样车车定制制工程程目标标和计计划。。162.1根据混混合方方式的的不同同2、混合合动力力系统统的分分类串联式式并联式式混联式式串联混混合动动力车车辆是是混合合动力力车辆辆的一一种基基本结结构，，其单单个驱驱动系系间的的联合合是车车载能能源环环节的的联合合，也也即非非直接接用于于驱动动车辆辆的能能量的的联合合并同同时向向动力力生成成装置置供能能。车载能能源环环节的的混合合；单一的的动力力生成成装置置；车载能能源的的多样样化。。车辆的的驱动动力只只来源源于电电动机机的混混合动动力(电动)汽车2.1.1串联式式混合合动力力串联混混合动动力电电动汽汽车的的工作作模式式列表表工作模式发动机-发电机组动力电池组电动机/发电机整车状态纯电池组驱动关机放电电动驱动再生制动充电关机充电发电制动混合动力驱动发电放电电动驱动强制补充充电发电充电电动驱动混合补充充电发电充电发电制动纯发动机驱动发电既不充电也不放电电动驱动停车补充充电发电充电停机停车并联混混合动动力车车辆是是混合合动力力车辆辆的一一种基基本结结构，，其单单个驱驱动系系间的的联合合是车车辆动动力传传递系系环节节的联联合，，通过过对不不同的的动力力生成成装置置输出出的动动能的的联合合或耦耦合，，并经经过相相应的的特性性场转转化装装置输输出到到驱动动轮，，满足足车辆辆行驶驶要求求。机械动动能的的混合合；具有两两个或或多个个动力力生成成装置置；每一个个动力力生成成装置置都有有自己己单独独的车车载能能源。。车辆的的驱动动力由由电动动机及及发动动机同同时或或单独独供给给的混混合动动力(电动)汽车2.1.2并联式式混合合动力力并联混混合动动力电电动汽汽车的的工作作模式式列表表工作模式发动机动力电池组电动机/发电机整车状态纯电机驱动关机放电电动驱动再生制动充电关机充电发电制动混合动力驱动机械动力输出放电电动驱动强制补充充电机械动力输出充电发电驱动纯发动机驱动机械动力输出既不充电也不放电不工作驱动停车补充充电机械动力输出充电发电停车为优化化驱动动系的的综合合效率率和充充分发发挥车车辆的的节能能、低低排放放潜力力，在在实际际的应应用中中，混混合动动力车车辆驱驱动系系并非非单纯纯是简简单的的串联联式结结构或或并联联式结结构，，而是是由串串联式式结构构和并并联式式结构构复合合组成成的串串并联联综合合式结结构，，即所所谓的的混联联式结结构。。同时具具有串串联式式、并并联式式驱动动方式式的混混合动动力(电动)汽车2.1.3混联式式混合合动力力开关式式混联联系统统混联式式混合合动力力电动动汽车车的类类别功率分分流式式混联联系统统混联混混合动动力电电动汽汽车的的工作作模式式列表表工作模式发动机发电机动力电池组电动机/发电机整车状态纯电机驱动关机关机放电电动驱动再生制动充电关机关机充电发电制动纯发动机驱动机械动力输出发电既不充电也不放电电动驱动混合动力驱动机械动力输出发电放电电动驱动强制补充充电机械动力输出发电充电电动驱动2.1.4串联式式、并并联式式、混混联式式特点点对比比串联式并联式混联式1、发动机可以工作在最大效率点上；2、在车上配置自由，客车容易实现低地板；3、排放好，但系统效率较低。1、结构复杂，两个系统连接，控制难度高；2、系统效率较好；3、如果某一系统出现故障，另一系统还可以驱动车辆。1、结构复杂，集成性高，效率高；2、节能、环保效果明显；3、发展空间大。2.2根据混混合度度的不不同R=Pelec/PtotalX100%=Pelec/(Pe+Pelec)X100%混合度度R定义为为：电系统统功率率Pelec占动力源源总功功率Ptotal的百分分比。。式中:Pelec为电系系统功功率,kW;Ptotal为动力力源总总功率率,kW;Pe为发动动机的的功率率,kW。？2.2根据混混合度度的不不同弱混合合动力力系统统轻度混混合动动力系系统中度混混合动动力系系统重度混混合动动力系系统插电式式混合合动力力系统统2.2.1起停混混合动动力系系统Start-Stop微混技技术对对于传传统汽汽车的的发动动机前前端轮轮系不不进行行改动动，只只是更更改原原有车车辆的的起动机机，提高高起动动机的的起停次次数并并提高高其功功率，保证证车辆辆能够够快速速启动动及在在理想想的使使用工工况下下的寿寿命。。2.2.2弱混合合动力力系统统对传统统发动动机的的起动动机进进行改改造，，形成成由带传动动的发发电起起动一一体式式电机机（BSG）。BSG混合动动力系系统能能实现现怠速停停机（发动动机））、车车辆启启动时时快速速拖动动发动动机到到怠速速转速速。在城市市循环环工况况下节节油率率一般般为5%~10%.BSG：Belt-drivenStarter/Generator皮带传传动起起动/发电一一体化化电机机控制发发动机机的快快速起起停，，可以以取消消发动动机的的怠速速过程程，降降低油油耗和和排放放。保证环环境温温度过过低时时发动动机能能正常常启动动2.2.3轻度混混合动动力系系统ISG:IntergratedStarter/Generator集成起起动/发电一一体化化电机机ISG混合动动力系系统将将一体体化启启动/发电机机的转转子与与发动动机曲曲轴的的输出出端连连接在在一起起，同同时取取消了了原有有的飞飞轮。。实现用用电机机控制制发动动机的的起停停外，，同时时在车车辆制制动和和下坡坡工况况下，，实现现部分分能量量回收收。混合度度一般般在20%以下。2.2.4中度混混合动动力系系统同样采采用ISG系统。。电机机采用用高压电电机，在车车辆加加速或或者大大负荷荷工况况时，，电动动机能能够辅助发动机机驱动车辆，，提高高整车车性能能。混合度度达到到30%左右，，城市市循环环工况况下的的节油油率可可以达达到20%~30%，技术术比较较成熟熟，应应用广广泛。。如：本本田Insight、Accord、Civic混合动动力汽汽车2.2.5重度混混合动动力系系统采用高压电电机，混合合度达达到50%以上，，城市市循环环工况况下的的节油油率可可以达达到30%~50%。特点：：动力力系统统以发发动机机为基基础动动力，，动力力电池池为辅辅助动动力。。电机机功率率大，，可以以满足足车辆辆在起起步和和低速速时的的动力力需求求。在在急加加速和和爬坡坡运行行工况况下车车辆需需要较较大的的驱动动力时时，电电机和和发动动机同同时对对车辆辆提供供动力力。逐渐成成为混混合动动力技技术的的主要要发展展方向向。如如：丰丰田Pruis2.2.6插电式式混合合动力力系统统Plug-inHybridElectricVehicle,PHEV可利用用电网对对动力力电池池充电电；可使用用纯电电动模模式驱驱动车车辆行行驶，，且纯纯电动动行驶驶里程程较长长；电能不不足时时，车车辆仍仍然可可以重重度混混合模模式行行驶。。PHEV的电机机功率率比纯纯电动动汽车车的稍稍小，，动力力电池池的容容量介介于重重混合合系统统和纯纯电动动车辆辆之间间。已成为为主流流发展展方向向！2.2根据混混合度度的不不同类型功能要求弱混合动力发动机自动起停轻度混合动力发动机自动起停+回馈制动中度混合动力发动机自动起停+回馈制动+电动辅助重度混合动力发动机自动起停+回馈制动+电动辅助+纯电驱动插电式混合动力发动机自动起停+回馈制动+电动辅助+纯电驱动+电网充电2.3根据动动力耦耦合系系统数数学模模型的的不同同转矩耦耦合式式转速耦耦合式式功率耦耦合式式2.3.1转矩耦耦合转矩耦耦合：：系统统结构构简单单，传传动效效率高高。主主要有有定轴轴齿轮轮式、、皮带带轮或或链式式组合合件、、传动动轴式式三种种结构构。定轴齿轮转矩矩耦合传动轴转矩耦耦合2.3.2转速耦合转速耦合：无无需无级变速速器便可实现现整车的无级级变速，主要要有行星齿轮轮机构、具有有浮动定子的的电动机两种种型式。行星齿轮转速速耦合C1C2传动轴转速耦合2.3.3功率耦合能同时满足转转速耦合和转转矩耦合的条条件。如：丰田Prius的单\双行星排混合合动力系统；；中国汽车技术术研究中心开开发的双行星星排混合动力力系统、双转转子电机耦合合系统等。行星齿轮功率率耦合C4传动轴功率耦耦合TOYOTAPRIUS3、丰田THS混合动力系统统PRIUS技术参数外形尺寸长mm4，445宽mm1，725高mm1，490轴距mm2，700轮距（前/后）mm1，510/1，480最小离地间隙mm142整备质量kg1，295车辆总质量kg1，725发动机

16V1.5-升（1NZ-FXE）型式

4缸直列双凸轮轴16气门发动机排气量cc1，725最大功率（SAE净值）kW/rpm57/5000最大扭矩（SAE净值）Nm/rpm115/4000燃油系统

电子控制燃油喷射装置发动机电动机型式

同步交流电动机（永磁型）最大功率kW/rpm50/1200-1540最大扭矩Nm/rpm400/0-1200蓄电池型式

密封Ni-MH（镍氢）模块数量

28容量Ah6.5（3h）4、本田IMA混合动力系统统并联式混合动动力系统，动力以发动动机为主，结结构设计简单单、布置紧凑凑、质量较轻轻。1997年，开发出第一代IMA混合动力系统统，并在1999年搭载于在美美国销售的Insight车型上。2003年，第二代IMA混合动力系统统问世，并应应用在Civic车型上。随后，第三代IMA混合动力系统统出现在Accord车型上，第四代IMA混合动力系统统用于在Civic车型上。IMA混合动力系统统现在已经有有了第五代，目前本田公公司已经拥有有Civic、Insight、CR-Z和Fit等多款混合动动力车型。IMA（IntegratedMotorAssist）混合动力系系统该系统主要由由发动机、电电动机、CVT变速器、智能能动力单元IPU(IntelligentPowerUnit)等组成。发动机IMA用发动机主要要通过三项技技术降低油耗耗，即可变气气门正时和升升程控制技术术(i-VTEC)、双火花塞顺顺序点火技术术(i-DSI)、可变气缸管管理技术(VCM)。IMA混合动力系统统组成电机IMA电机为三相超超薄永磁同步步电机，安装装在发动机和和CVT之间，能够提提供15kW的功率和139N··m的转矩。电机机给发动机提提供辅助动力力或给车辆在在低速状态下下提供驱动力力，也可以作作为发电机在在减速和制动动时回收动能能给电池充电电。IMA混合动力系统统组成CVT无级变速通过CVT无级变速，不不但能够实现现平稳的变速速过程，而且且同传统的固固定挡位的自自动变速器相相比，能够使使发动机和IMA电机工作在最最优区域，从从而提高系统统效率；新设计的起动动离合器可以以充分发挥IMA系统的优点，，其在低速时时结合能够提提高起步加速速性能和燃油油经济性。IMA混合动力系统统组成IMA系统工作过程程主要包括起起步加速、急急加速、低速速巡航、轻加加速和高速巡巡航、减速、、停车几个主主要工况。IMA混合动力系统统工作过程起步加速工况况:发动机以低速速配气正时状状