混合动力汽车研究.ppt

混合动力汽车研究,作者：安月强 指导老师：李根宝,混合动力汽车研究,一、电动汽车简介 二、混合动力车的主要形式 三、混合动力汽车的技术难点 四、混合动力汽车的设计方案 五、混合动力汽车典型车型介绍,一、电动汽车简介,1.电动汽车的主要类型a.纯电动汽车（Electric Vehicle，EV）：是满足零排放的最好汽车；能量密度低、续驶里程短、充电时间长等，其性能价格比太低，充电站网的建设困难可能要大于研制、生产电动汽车本身 。 b.燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）：具有极高的效率、低排放、低噪音，其甲醇燃料有广泛的来源，并可再生等重大优势，但产业化仍需较长时间。 c.混合电动汽车（ Hybrid E1ectric Vehic1e，HEV）：混合电动汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。,混合电动汽车是车上装有内燃机和电动机两种动力源。将产生动力的部件与电能储存元件以不同的方式结合起来，可以形成不同类型的HEV。 辅助动力单元（APU）的选用使汽车的续驶里程和动力性能可以达到内燃机汽车的水平； 减少了汽车变工况（特别是低速、怠速）时的排放 可回收制动能量，达到节能目的； 产业化前景广阔： 不用改变现有汽车企业的产业结构 不必改变现有能源（燃油）的生产供给体系 不会改变驾驶员对汽车的使用习惯,2. 混合动力汽车的设计目标： 综合考虑燃油经济性，排放，成本，达到令人满意的性能。,3.国内外发展现状与趋势 90年代以来，日本、美国、欧洲汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽车。 在日本，丰田、本田、日产等大公司分别研制了自己的混合动力轿车，技术水平世界领先。 美国能源部与三大汽车公司签订了混合动力汽车开发合同，“它预示了未来汽车的发展方向”。 在欧洲，法国PSA集团推出了贝灵格型和XSARA型混合动力汽车，德国西门子和波许（BOSCH）等著名零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力汽车技术。 在我国，90年代中期开始对混合动力汽车技术表示了极大的关注，并积极着手研制开发样车。目前规模较小，技术方案大多雷同。99年以后，东风集团着手研制混合动力汽车，目前已经取得了一定进展。,二、混合动力汽车的布置形式及特点,1串联式混合动力汽车 2并联式混合动力汽车 3混联式混合动力汽车,1、串联式混合动力汽车,串联式混合驱动系统由电动机驱动汽车行驶，发动机与发电机集成为辅助动力单元（APU）。发动机在最佳工况点附近驱动发电机以相对稳定的工况运行。 当发电机发出的功率无法满足汽车行驶时对功率的需求时（如起动、高速行驶、爬坡等），电池组可以向电动机提供额外的电能； 当发电机发出的功率超过汽车行驶时对功率的需求时（如低速、滑行、停车等），发电机向电池组充电。 串联式混合动力汽车具有以下特点： 由于发动机与电动机之间没有直接的机械连接，使整车布置自由度较大；汽车具有良好的经济性和低的排放指标；并可采用燃气轮机、转子发动机等其他型式的发动机。 电力驱动模式是其唯一的驱动模式，控制技术较为简单。但三大动力总成的功率较大，外形和质量都较大，这种布置形式在中小型汽车上不易实现。 在热能电能机械能的能量转换过程中，能量损失较大，能量利用率比内燃机汽车低。 该布置形式更适合于路况复杂的城市内公路和山区公路行驶的车辆。在环保要求高的市区，汽车在起步和低速时也可关闭发动机，进入电动状态，使汽车达到零排放的要求。,2、并联式混合动力汽车,并联式布置保留了发动机和后续驱动系统的机械连接，由储能装置所提供的动力在原驱动系统的某一处和主动力汇合，或者发动机和电动机产生的力完全分开用以驱动不同的驱动桥。即汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。 并联式混合电动汽车的结构形式更象是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。并联混合动力系统同串联混合动力系统的布置比较起来，其布置结构相对复杂，实现形式也趋多样化。 并联式混合动力汽车具有以下特点： 发动机保持了与机械驱动系统的机械联系，因而发动机一般依然选用传统的往复式内燃机，使整车的动力性能得到了保证；但这种联系使发动机可能较多地在不良工况下运行，发动机的排放要略差。发动机工作点的优化相对困难，整车控制技术较复杂。 系统可采用小功率的发动机与电动/发电机，使得整车动力总成尺寸小、质量较轻。但发动机与机械驱动系统的机械联系，增加了整车布置的难度。 发动机输出能量的利用率较高。 该布置形式适合于路况简单的城市间公路及高速公路行驶的车辆。当汽车进入市区行驶时，关闭发动机，进入电动状态；当汽车在市郊公路行驶时，关闭电动机，由发动机直接驱动。,3、混合式混合动力汽车,混联式混合动力系统的布置方案是串联式布置和并联式布置的综合。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。 混联式混合动力系统的控制模式是控制器根据油门踏板的开度，一方面控制电子油门的开启程度，另一方面确定发动机的动力用于直接驱动汽车部分和用于发电部分之间的分配比例，准确控制并协调发动机和发电机驱动力，如果蓄电池电量SOC下降，控制器控制发电机发电为蓄电池充电。 具有以下特点： 该系统适合各种行驶条件，具有良好的燃油经济性和排放性能。且不需外界充电，续驶里程与内燃机汽车相当，是最理想的混合电动方案。 由于发动机与发电机、电动机以机械方式联接，机械装置较复杂，整车布置有一定的难度，发动机多为传统的车用内燃机。 混联式混合动力系统可采用小功率的电动机和发电机，减少电池的数量。但其控制系统技术含量高，控制元器件价格高，整车价格较高。,三、混合动力汽车的技术难点,整车的集成和优化匹配技术研究； 整车控制策略和整车控制器的开发研究； 动力总成的机电耦合技术研究，混合动力专用电控全自动机械变速箱的开发； 大功率、高转速、大启动扭矩风冷式开关磁阻电机及其控制器的开发与研究； 混合动力车专用高比功率镍氢电池及其管理系统的开发与研究； 混合动力车专用高效低排放电控内燃机（康明斯电控柴油机）的开发与适配； 汽车典型运行工况仿真技术的研究。 开发与研制混合动力总成。,四、混合动力汽车的设计方案,1、任 务 2、系统原理框图 3、整车驱动力分配图 4、运行工况分析 5、控制策略表 6、车载信息系统,1、任务,根据司机踏板位置，整车ECU通过计算和查表，发出指令给发动机ECU和电机ECU。 在制动时，整车ECU给电动机ECU发出能量回收再生发电控制命令。 根据蓄电池的状态，决定电动机是否处于发电状态。,2、系统原理框图,3、整车驱动力分配图,4、运行工况分析,点火开关置空档 系统不工作。 停车充电 当车速降为零，油门踏板也为零时，判断蓄电池的荷电状态，当其小于50%，发动机工作，利用空挡带动电动机（此时用作发电机）给蓄电池充电，对发动机进行转速控制；若荷电状态高于70%，系统停止工作。 起步过程 油门开度加大，发动机转速上升，驾驶员踩下离合器后，挂档，然后缓慢松开离合器，在此过程中，汽车开始起步。此时，由发动机ECU对发动机进行齿杆控制，并判断发动机转速是否在经济转速，由仪表ECU给出升降档指示。,起步加速 起步过程后，离合器踏板全松，车速不为零。在低转速下，由加速踏板位置和发动机转速ne查整车Map图得到驾驶员所需要的转矩T，再由（、ne）查表得发动机转矩Te ，由电动机提供T-Te部分的，即发动机和发电机共同工作，在低速实现等转矩；在高速时，由发动机单独驱动，电动机空转，并判断ne是否在经济转速，若不在，由仪表ECU给出升降档指示。（由查表，若ne对应TTe，ne为低转速，否则为高转速）。,全松加速踏板 油门由某值变为零，发动机ECU对发动机进行怠速控制，电动机不控制，空转。 匀速行驶 在行车过程中，若油门的变化量小于某值，认为驾驶员想匀速行驶。由（、ne）查表得发动机转矩Te和驾驶员所需要的转矩T，在发动机低转速时，若电池的荷电状态大于50%，T- Te部分转矩由电动机提供，若电池的荷电状态小于50%，由发动机单独驱动。在发动机高转速时，若电池的荷电状态大于70%，由发动机单独驱动；若电池的荷电状态小于70%，电动机ECU控制电动机为发电机工况，给蓄电池充电。整个过程中，要判断发动机转速ne是否在经济转速，若不在，由仪表ECU给出升降档指示。 制动或减速 当油门踏板全松，踩下制动踏板，发动机ECU对发动机进行怠速控制，电动机ECU控制电动机为发电机，电力制动和机械制动同时工作。,纯电动运行 在运行过程中，若车速小于10km/h，蓄电池的荷电状态大于某值，可使发动机停机，由电动机驱动汽车，实现纯电动。,5、控制策略表,6。、车载信息系统,五、混合动力汽车典型车型介绍,丰田汽车公司Prius 该车采用了独特的混联方式，行星齿轮轴（行星架）与发动机相联接，利用行星齿轮将动力传递给外圈的齿环和内圈的中心轮。齿环的轴直接与电动机和传动轴相联接，然后与驱动桥联接。中心轮轴与发电机联接。行星齿轮机构各轴转速关系如下： ng+nr=(1+) ne (1) 式中：行星齿轮比（中心轮齿数/齿圈齿数） ng中心轮转速 nr齿圈转速 ne行星架转速 由上式可知，在车辆加速和减速时，可以通过控制发电机转速协调发动机和电动机转速，从而实现动力分配，达到电控无级自动变速箱的功用，并取消了传统的汽车离合器。先进的控制系统实现了车辆的电力起步，停车，低速运行，减速时发动机自动关机确保发动机在高效率范围内工作，该车的排放与传统的汽油机车辆相比CO2下降50%，HC、CO和NOx排放可降低90%左右，燃油节省一半。,