单元一：混合动力汽车构造与工作原理

混合动力汽车 构造与维修,“十三五”职业教育汽车类创新应用型教材 新能源汽车运用与维修专业规划教材,主编 陈社会 副主编 孙旭 参编 陈星光 谢伟清 李志军 李文涛 主审 张启森,单元一 混合动力汽车构造与工作原理,混合动力汽车的发展,课题一,混合动力汽车的基本概念与分类,课题二,典型混合动力电动汽车的构造,课题三,混合动力汽车的电能储存装置,课题四,混合动力汽车驱动电机,课题五,混合动力汽车控制系统,课题六,混合动力汽车的发展,课题一,国外混合动力汽车的发展,一,1899 年巴黎美术展览馆展出了世界最早的两款混合动力汽车, 一款是由比利时Pieper 研究院开发的并联式混合动力汽车，该车装有一台由电机和铅酸蓄电池组辅助的小型空冷汽油发动机。当该混合动力汽车滑行或停车时, 发动机给蓄电池组充电; 当所需驱动功率大于发动机额定值时, 电机即时提供辅助的功率。,国外混合动力汽车的发展,一,另一款是由法国Vendovelli 与Priestly 公司制造的第一辆串联式混合动力汽车, 它由纯商品化的电动汽车衍生而来。该车是一辆三轮车, 在其两个后轮上分别装有独立的电机。与1. 1kW 发电机相组合的一台559. 28W 的汽油发动机安装在拖车上, 并被拖带在该车后面, 以通过对蓄电池组的再充电扩展其续航里程。,国外混合动力汽车的发展,一,从1899 年到1914 年, 这期间出现了兼有并联和串联的其他形式的混合动力汽车。早期混合动力汽车的制造是为了辅助功率偏小的内燃机汽车, 或是为了增进电动汽车的续航里程。混合动力汽车利用了基本的电动汽车应用技术, 且使之实用化。,国外混合动力汽车的发展,一,Victor Wouk 博士被公认为是推进混合动力汽车的近代研究者。1975 年, 他与同事们一起制造了一辆Buick Skylark 型并联式混合动力汽车。该车发动机是马自达旋转式发动机, 它与手动变速器配合, 并由一台固定于传动装置前端的11. 19kW 的他励直流电机予以辅助, 8个12V 的汽车蓄电池组用于能量的储存, 最高速度可达129km / h, 0 96km / h 加速时间约16s。,国外混合动力汽车的发展,一,1973 年和1977 年的两次石油危机以及不断增加的环境忧虑并没有促使混合动力汽车成功地进入市场。研究工作主要集中在纯电动汽车, 许多纯电动汽车的原型在20 世纪80 年代制成。期间, 由于实用的电子技术、现代电机和蓄电池应用技术的欠缺, 所以才导致了对混 合动力汽车兴趣的不足。,国外混合动力汽车的发展,一,20 世纪90 年代, 当纯电动汽车难以达到实用化目标的事实变得很明朗时, 人们对混合动力汽车的概念产生了很大的兴趣。福特汽车公司启动了福特混合动力汽车挑战计划。全世界汽车制造业生产的混合动力汽车原型取得了巨大的进步, 它们在燃油经济性方面超过了对应的内燃机汽车。,国外混合动力汽车的发展,一,在美国, 道奇汽车公司制造了Intrepid (无畏) ESX-1、ESX-2 和ESX-3型混合动力汽车。ESX-1 型混合动力汽车是串联式混合动力汽车, 它装备有一个小型涡轮增压的三气缸柴油机和一个蓄电池组; 在后轮上安置有两个7. 46kW 的电机。当时, 美国政府提出“新一代汽车合作伙伴计划( PNGV)”, 它包含燃油经济性可达80mile/ gal (1gal =3. 78541dm3 ) 的中型轿车的目标。,国外混合动力汽车的发展,一,福特公司的Prodigy (奇迹) 和通用公司的Precept (方案) 均是起因于该计划的成果。Prodigy (图1-1) 和Precept (图1-2) 两车都是并联式混合动力汽车, 装备有与无润滑油离合器的手动变速器相配合的小型涡轮增压的柴油机。,图1- 1福特Prodigy,国外混合动力汽车的发展,一,图1- 2通用Precept,国外混合动力汽车的发展,一,1997 年丰田公司在日本推出了普锐斯(Prius) 混合动力汽车, 截至2015 年7 月全球销量突破800 万辆。在2005 年, 将混合动力系统运用到雷克萨斯上。2006 年丰田公司在美国推出凯美瑞混合动力汽车。,国外混合动力汽车的发展,一,本田公司也推出了Insight 和Civic 混合动力汽车。这些混合动力汽车目前在全世界得到了有效的应用, 实现了燃油消耗量的优化。丰田公司的Prius 和本田公司的Insight 混合动力汽车具有历史性的价值, 它们是解决私家车燃油消耗难题的当代首批商品化的混合动力汽车。,我国混合动力汽车的发展现状,二,目前, 我国各大汽车集团都在进行混合动力汽车的研发。一汽研发的红旗HQ3 于2006年投产; 东风集团的混合动力公交车已于2005 年7 月完成最终产品定型样车试验并通过验收; 奇瑞集团成立了国家节能环保汽车工程技术研究中心，2007 年11 月底, 10 辆奇瑞BSG (Belt Driven Starter Generator 传送带驱动启动发电机) 混合动力轿车率先销售到奇瑞出租车公司, 小批量投放出租车市场; 奇瑞A5 混合动力轿车为奥运提供服务, 也有出色表现。,我国混合动力汽车的发展现状,二,2007 年12 月13 日, 长安汽车集团自主研发了首款量产杰勋混合动力汽车。深圳五洲龙汽车有限公司将建立, 中国规模最大、投放车辆最多的混合动力示范运营线路, 该线路将在深圳市龙岗区开通。,我国混合动力汽车的发展现状,二,上汽集团与通用签署协议, 将联手开发混合动力轿车和公交客车。上海别克君越eco-hybrid 油电混合动力汽车是国内第一款中高档量产混合动力车型, 采用独立的电机-镍氢电池组动力辅助系统, 配有2. 4L 发动机, 在车辆减速和静止状态下发动机自动切断燃油供应, 实现零排放。,我国混合动力汽车的发展现状,二,2011 年上市的荣威750 混合动力汽车是基于1. 8T 车型平台上, 采用高压混动电机, 搭载的是磷酸铁锂电池。综合节油率在20%左右, 百公里综合油耗为7. 5L。,我国混合动力汽车的发展现状,二,2013 年11 月, 上汽荣威550 插电式混合动力汽车在广州车展上正式亮相, 其百公里油耗仅为2. 7L, 续航里程可达500km。技术路线上采用的是发动机+P1 电机+P2 电机+AMT,可实现纯电动、纯发动机、串联、并联和混联等多种工作模式。,我国混合动力汽车的发展现状,二,比亚迪F3DM 插电式混动车型已经实现量产。比亚迪秦搭载的为比亚迪第二代DM (混动) 系统, 相比第一代, 在动力性和经济性上都有大幅提升。,混合动力汽车的技术发展,三,1) 轿车混合动力系统的模块化愈加明显, 逐步推进汽车动力的电气化。,混合动力汽车的技术发展,三,2) 城市客车混合动力系统出现平台化趋势。发电机组+驱动电机+储能装置构成了混合动力系统的基本技术平台。通过换用不同的发电机组, 使从内燃机到气体燃料发动机各种不同的能源动力转化装置, 形成油-电、气-电、电-电各种不同的混合动力系统, 促进动力系统的平稳过渡与转型。,混合动力汽车的技术发展,三,3) 插电式混合动力技术越来越引起人们的关注。通用汽车公司在2007 年年底展示了插电式混合动力概念车Volt Concept。该车配备了新一代驱动系统, 混合形式为串联型, 采用通过两个额定功率为40kW 的轮边电机驱动前轮的驱动方式, 配合1. 0L 排量3 缸涡轮增压汽油发动机, 以及最大输出功率为53kW 的电机。,混合动力汽车的基本概念与分类,课题二,混合动力汽车的基本概念,一,根据国际能源组织(IEA) 的有关文献, “能量与功率传送路线” 具有如下特点的车辆称为混合动力汽车: 1) 传送到车轮推进车辆运动的能量, 至少来自两种不同的能量转换装置(例如: 内燃机、燃气涡轮、斯特林发动机、电机、液压马达和燃料电池等)。,混合动力汽车的基本概念,一,2) 这些能量转换装置至少要从两种不同的能量储存装置(例如: 燃油箱、蓄电池、飞轮、超级电容和高压储氢罐等) 吸取能量。,混合动力汽车的基本概念,一,3) 从储能装置流向车轮的这些通道, 至少有一条是可逆的。 如果可逆的储能装置供应的是电能时, 则称作混合动力电动汽车。,混合动力汽车的基本概念,一,对于混合动力汽车而言, 一般在一辆汽车上同时配备电力驱动系统(Traction Motor) 和辅助动力单元APU (Auxiliary Power Unit), 其中APU 是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组。 混合动力汽车可分为两大类, 即液压蓄能式混合动力汽HHV(Hydraulic Hybrid Vehicle) 和混合动力电动汽车HEV (Hybrid Electric Vehicle)。,液压蓄能式混合动力汽HHV,二,HHV 最初由VOLVO Flygmotor 在20 世纪80 年代开发, 主要用于巴士、货车等重型车辆。HHV 使用的动力是液力马达及传统的燃油(气) 车的发动机。,液压蓄能式混合动力汽HHV,二,液力系统主要由液压泵(马达)、液力储存器和液体罐等组成。,液压蓄能式混合动力汽HHV,二,HHV 的特点是可使用液压泵(马达) 单独驱动或与发动机共同驱动汽车行驶。,液压蓄能式混合动力汽HHV,二,该类汽车带有液压式能量回收系统, 可回收汽车制动、减速过程中的能量。在汽车制动、减速时,用液压泵将汽车的动能转换为液压能, 储存在装有氮气的储能器中, 在汽车前进或加速时,使储存在储能器中的液压能通过液压马达释放出来, 辅助发动机运转或单独驱动汽车行驶。,混合动力电动汽车HEV,三,国标GB / T 195962004 电动汽车术语对于混合动力电动汽车是这样定义的。 至少能从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车: 1) 可消耗的燃料。 2) 可再充电能/ 能量储存装置。,混合动力电动汽车HEV,三,HEV 的特点是燃油( 气) 发动机动力与电动机动力两种动力的组合。通常把燃油(气) 发动机与电动机两种动力组合而成的混合动力电动汽车简称为油(气)-电混合动力电动汽车, 把汽(柴) 油发动机与电机两种动力组合而成的混合动力电动汽车简称为汽(柴)油-电力混合动力电动汽车等。,混合动力电动汽车HEV,三,HEV 的突出优点是: 1) 发动机可工作在经济工况区, 排放低, 燃油消耗少。 2) 发动机不在全负荷和加速工况下工作, 噪声小。 3) 可以回收制动时的能量和利用已有的燃油设施等。,混合动力电动汽车HEV,三,HEV 与传统汽车的区别主要是驱动系统, HEV 通常至少由两种动力源组成。一种是由发动机提供的、与传统汽车类似的动力系统。从理论上讲, 所有可以用于传统汽车的发动机(包括各种内燃机和外燃机) 都可用于HEV; 另一种是传统汽车上所没有的电驱动系统。,混合动力电动汽车HEV,三,电驱动系统通常由电能储存器(蓄电池、超级电容器和飞轮电池)、电源变换器(逆变器和变压器) 和电机(直流电机、三相异步感应电机、永磁电机和开关磁阻电机) 等组成, 为了能够利用发动机发电或回收汽车的制动能量等, 电驱动系统的电机一般都可作为发电机使用, 也有电机和发电机分别设置的。HEV 的组成可以说是上述两种驱动系统的组合, 由于组合方式和选用的装置种类的不同, 就形成了各具特色的HEV。,混合动力电动汽车的类型,四,1. 按照动力系统划分 (1) 串联式混合动力电动汽车(Series Hybrid Vehicle)车辆行驶系统的驱动力只来源于电机。 串联式混合动力电动汽车的结构特点是发动机带动发电机发电, 电能通过电机控制器输送给电机, 由电机驱动车辆行驶。另外, 动力蓄电池可以单独向电机提供电能驱动车辆行驶。,混合动力电动汽车的类型,四,(2) 并联式混合动力电动汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle)车辆行驶系统的驱动力由电机及发动机同时或单独供给。 并联式混合动力电动汽车的结构特点是并联式驱动系统可以单独使用发动机或电机作为动力源, 也可以同时使用电机和发动机作为动力源驱动车辆行驶。,混合动力电动汽车的类型,四,(3) 混联式混合动力电动汽车(Combined Hybrid ElectricVehicle)具备串联式和并联式两种混合动力系统。 混联式混合动力电动汽车的结构特点是可以在串联混合模式下工作, 也可以在并联混合模式下工作, 同时兼顾了串联式和并联式混合动力电动汽车的特点。,混合动力电动汽车的类型,四,2. 按照混合度划分 (1) 微混合型混合动力电动汽车(Micro Hybrid Electric Vehicle)以发动机为主要动力源, 电机作为辅助动力, 具备制动能量回收功能的混合动力电动汽车。电机的峰值功率和总功率的比值小于10%。 仅具有怠速停机功能的汽车也可称为微混合型混合动力电动汽车。,混合动力电动汽车的类型,四,(2) 轻度混合型混合动力电动汽车(Mild Hybrid Electric Vehicle)以发动机为主要动力源, 电机作为辅助动力, 在车辆加速和爬坡时, 电机可向车辆行驶系统提供辅助驱动力矩。一般情况下, 电机的峰值功率和总功率的比值大于10%。,混合动力电动汽车的类型,四,(3) 重度混合(强混合) 型混合动力电动汽车(Full Hybrid Electric Vehicle)以发动机和/ 或电机为动力源(一般情况下, 电机的峰值功率和总功率的比值大于30%) 且电机可以独立驱动车辆正常行驶。,混合动力电动汽车的类型,四,4. 按照行驶模式的选择方式划分 (1) 有手动选择功能的混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle with Selective Switch)具备行驶模式手动选择功能。车辆可选择的行驶模式包括发动机模式、纯电动模式和混合动力模式三种。,混合动力电动汽车的类型,四,(2) 无手动选择功能的混合动力电动汽车( Hybrid Electric Vehicle without SelectiveSwitch)不具备行驶模式手动选择功能。车辆的行驶模式根据不同工况自动切换。,混合动力电动汽车的类型,四,5. 其他划分形式 1) 按照可再充电能量储存系统不同可以划分为(但不限于) 以下类型。 动力蓄电池混合动力电动汽车(Traction Battery Hybrid Electric Vehicle)。 超级电容器混合动力电动汽车(Super Capacitor Hybrid Electric Vehicle)。 机电飞轮混合动力电动汽车(Electromechanical Flywheel Hybrid Electric Vehicle)。 动力蓄电池与超级电容器组合式混合动力电动汽车(TractionBattery and Super CapacitorHybrid Electric Vehicle)。,混合动力电动汽车的类型,四,2) 混合动力电动汽车按照其技术特征、燃料类型、功能结构和车辆用途等因素还可有其他划分形式。,典型混合动力电动汽车的构造,课题三,串联式混合动力汽车,一,1. 基本结构 串联式混合动力系统的结构及驱动方式如图1-3 所示。串联式混合动力系统利用发动机动力发电, 从而带动电机驱动车轮。其基本结构是由电机、发动机、发电机、动力蓄电池和变压器等组成。,图1- 3串联式混合动力系统 1发动机2发电机3动力蓄电池4变压器 5电机6驱动轮7减速器,串联式混合动力汽车,一,2. 串联式混合动力系统的三种基本控制模式 1) 主要利用电池来驱动车辆, 仅当SOC (State Of Charge, 荷电状态) 降低到最小限值时, 发动机才起动, 发动机在最高效率区以输出恒定功率的方式工作, 当SOC 回升到最大限值时发动机停止运转。 这种控制模式也称为“恒温器式控制”。 2) “负荷跟随” 控制模式 3) 上述两种控制模式的一个折中方案。,串联式混合动力汽车,一,3. 通用汽车公司Series- SHEV 汽车的结构(串联式混合动力电动汽车) (1) Series-SHEV 的结构(图1-4) (2) Series-SHEV 的管理系统,图1- 4Series- SHEV 的结构 1电流转换器2充电机3驱动电机4动力蓄电池5中央控制器6发电机7发动机,串联式混合动力汽车,一,4. 串联式混合动力系统的优点与缺点 (1) 串联式混合动力系统的优点 能始终在最佳的工作区域内稳定运行,发动机具有良好的经济性和较低的排放性能。 发动机与电机之间无机械连接, 整车的结构布置自由度较大, 各种驱动系统器件可 以放在最适合的位置。 由于电机的功率大, 制动能量回收的潜力大, 可以提高能量利用效率。,串联式混合动力汽车,一,(2) 串联式混合动力系统的缺点 发电机将发动机的机械能转变为电能, 电机又将电能转变为机械能, 而且电池在充 电和放电过程中也会存在能量损失, 因此发动机输出的能量利用率比较低。 电机是唯一驱动汽车行驶的动力装置, 因此电机的功率要足够大。,并联式混合动力汽车,二,1. 基本结构 可以采用发动机单独驱动、电机单独驱动或发动机和电机混合驱动三种工作模式。,图1- 5并联式混合动力系统 1发动机2变速器3动力蓄电池 4变压器5电机6驱动轮7减速器,并联式混合动力汽车,二,2. 并联式混合动力系统典型工作模式的功率流 1) 车辆起动、低速及轻载行驶时, 发动机关闭,车辆由电机驱动, 为纯电动工况, 如图1-6 所示。,图1- 6纯电动工作模式图,并联式混合动力汽车,二,2) 车辆正常行驶、加速及爬坡时, 发动机和电机同时工作驱动车辆行驶, 如图1-7所示。,图1- 7混合动力模式,并联式混合动力汽车,二,3) 在车辆行驶过程中, 当车载电池组电量过低时, 发动机在驱动车辆行驶的同时向动力蓄电池补充充电, 如图1-8 所示。,图1- 8向动力蓄电池充电,并联式混合动力汽车,二,4) 车辆减速及制动时, 电机以发电机模式工作, 回收车辆制动能量向动力蓄电池充电, 如图1-9 所示。,图1- 9制动能量回收,并联式混合动力汽车,二,3. 并联式混合动力系统两种基本控制模式 (1) 发动机辅助混合动力模式 这种模式主要利用电池-电机系统来驱动车辆, 仅当以较高的巡航速度行驶、爬坡和急加速时才使发动机起动。 (2) 电机辅助混合动力模式 这种模式主要利用发动机来驱动车辆。,并联式混合动力汽车,二,4. 日产风雅混合动力汽车 (1) 混合动力系统的结构日产风雅混合动力汽车的混合动力系统称为单电机双离合器式混合动力系统, 如图1-10 所示。,图1- 10日产风雅混合动力系统的结构 1离合器22电子控制式7 档自动变速器3电机4离合器15发动机6逆变器7锂离子蓄电池,并联式混合动力汽车,二,(2) 工作过程 系统起动时。车辆在起动前, 发动机冷却状态下的蓄电池剩余电量低时, 离合器1接合, 电机起动, 发动机开始工作, 如图1-11 所示。发动机暖机后或蓄电池剩余电量足够的情况下, 发动机停止工作。,图1- 11系统起动时的工作过程 1锂离子蓄电池2离合器23驱动电机4离合器15发动机6逆变器,并联式混合动力汽车,二,起动、怠速、低速、中高速时(蓄电池电量足够时), 仅利用电机行驶。离合器2 为接合状态, 离合器1 断开, 发动机停止工作, 如图1-12 所示。,图1- 12一般行驶时混合动力系统的工作过程 1锂离子蓄电池2离合器23驱动电机4离合器15发动机6逆变器,并联式混合动力汽车,二,蓄电池电量少, 离合器1 接合, 发动机开始工作。然后电机转换为发电机, 一边给蓄电池充电; 一边利用发动机使车辆行驶, 如图1-13 所示,图1- 13电量少时混合动力系统的工作过程 1锂离子蓄电池2离合器23驱动电机4离合器15发动机6逆变器,并联式混合动力汽车,二, 减速或制动时。,图1- 14制动时混合动力系统的工作过程 1锂离子蓄电池2离合器23驱动电机4离合器15发动机6逆变器,并联式混合动力汽车,二, 加速或爬坡时。,图1- 15完全加速或爬坡时混合动力系统的工作过程 1锂离子蓄电池2离合器23驱动电机4离合器15发动机6逆变器,并联式混合动力汽车,二, 离合器控制。日产风雅混合动力汽车采用电控7 档自动变速器, 与一般的行星齿轮式自动变速器构造类似。前者中的电机和两个离合器作为电控7 档自动变速器的一部分。但是前者不是使用液力变矩器, 而是使用了电机, 使用手动变速器用离合器代替锁止离合器。,并联式混合动力汽车,二,5. 并联式混合动力系统的特点 1) 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车, 无机械能、电能的转换损失,因此发动机输出能量的利用率相对较高。 2) 当电机仅起功率调峰作用时, 电机、发动机的功率可适当减小, 电池的容量也可减小。 3) 在繁华的市区低速行驶时, 并联式混合动力系统可通过关停发动机, 以纯电动方式运行, 以实现零排放。 4) 发动机与电机并联驱动时, 还需要动力复合装置, 因此, 并联驱动系统的传动机构较为复杂。 5)并联式混合动力系统最适合于汽车在中、高速工况下稳定行驶。,混联式混合动力汽车,三,1. 基本结构 混联式混合动力系统的结构和形式如图1-16 所示，在结构上综合了串联式和并联式的特点。,图1- 16混联式混合动力系统 1发动机2动力分离装置3发电机 4动力蓄电池5变压器6电机 7驱动轮8减速器,混联式混合动力汽车,三,2. 丰田混联式混合动力系统 (1) 电机起动时的低速大转矩特性,注意: 点火起动时, 发动机将进行运转, 直至充分预热。,图1- 17起动时,混联式混合动力汽车,三,(2) 低速-中速行驶时由高效利用能量的电机驱动行驶。 注意: 动力蓄电池的电量少时, 利用发动机来带动发电机发电, 为电机提供动力。,图1- 18低速- 中速行驶时,混联式混合动力汽车,三,(3) 一般行驶时低油耗的驾驶, 使用发动机作为主要动力源。 注意: 动力蓄电池的电量少时, 发动机输出功率会被提高以加大发电量, 来给动力蓄电池充电。,图1- 19一般行驶时,混联式混合动力汽车,三,(4) 一般行驶时/ 剩余能量充电将剩余能量用于动力蓄电池充电。,图1- 20一般行驶时/ 剩余能量充电,混联式混合动力汽车,三,(5) 全速开进(行驶) 时利用双动力来获得更高一级的加速。,图1- 21全速开进(行驶) 时,混联式混合动力汽车,三,(6) 减速/ 能量再生时将减速时的能量回收到动力蓄电池中用于再利用。,图1- 22减速/ 能量再生时,混联式混合动力汽车,三,(7) 停车时停车时动力系统全部停止。 在停车时, 发动机、电机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费能量, 如图1-23 所示。 注意: 当动力蓄电池的充电量较低时, 发动机将继续运转, 以给动力蓄电池充电。另外, 有时因与空调开关连动, 发动机会仍保持运转。,图1- 23停车时,插电式混合动力汽车,四,插电式混合动力驱动系统(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, 简写成PHEV) 是在三种混合动力系统(串联、并联、混联) 基础上发展起来的一种混合动力系统。 图1-24 为丰田普锐斯并联式Plug-in 混合动力系统结构原理图。,图1- 24丰田普锐斯并联式Plug- in 混合动力系统结构原理,插电式混合动力汽车,四,PHEV 兼顾了纯电动汽车和HEV 的优点。 1) 在局部地区或短距离上下班行驶, 可以作为纯电动汽车使用, 可用家里的电源对车上电池充电, 不使用汽油。 2) 利用晚上电网的低谷电对电池充电, 可以提高电网效率, 具有纯电动汽车的所有优点。 3) 加满油箱, PHEV 的行驶里程可以与混合动力汽车和内燃机汽车相媲美。 4) 由于主要以纯电动工作, 车辆寿命期间的维修成本低。,混合动力汽车的电能储存装置,课题四,混合动力汽车电能储存装置的种类,一,1. 二次电池 二次电池也称为可充电电池。现代混合动力汽车上最常见的二次电池有铅酸蓄电池、镍-氢电池、锂离子电池和镍-金属氢电池四类。,混合动力汽车电能储存装置的种类,一,2. 超级电容 超级电容又称为电化学容器, 是一种新型的、双层面电容器, 与常见的物理电容器不同。其特点是电容量大, 比物理电容器的极限容量高34 个数量级, 达到103F/ g (电容量密度) 以上。,混合动力汽车电能储存装置的种类,一,3. 飞轮电池 飞轮电池又称为飞轮储能器, 是利用飞轮高速旋转来储能和释放电能的一种装置。这种电能储存装置目前应用较少。,基本术语,二,1. 容量(C) 2. 荷电状态SOC (State Of Charge, SOC)蓄电池放电后剩余容量与全荷电容量的百分比。 3. 能量 4. 密度 (1) 能量密度 从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的电能, 用Wh/kg 或Wh/ L 来表示。 (2) 功率密度 从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的输出功率, 用W / kg 或W / L表示。 5. 电压 6. 记忆效应 7. 过充电 8. 过放电 9. 循环次数(次) 10. 自放电率 11. 成本,混合动力汽车对动力蓄电池的性能要求,三,1. 混合动力汽车对电池的工作要求(非外接充电) 1) 电池的峰值功率要大, 能短时大功率充放电。 2) 循环寿命要长, 达到1000 次以上的深度放电循环和40 万次以上的浅度放电循环。 3) 电池的SOC 应尽可能保持在50% 85%。 4) 需要配备电池管理系统和热管理系统。,混合动力汽车对动力蓄电池的性能要求,三,2. 可外接充电式混合动力汽车(PHEV) 对电池的工作要求 PHEV 对动力蓄电池的要求要兼顾纯电动和混合动力两种模式。如图1-25 所示, PHEV既要实现在城市里以纯电动汽车模式行驶, 又要实现在高速公路上以混合动力汽车模式行驶(电池电量也在消耗)。PHEV 期望纯电动工作模式的行驶里程达到几十公里, 而且期望电池在低SOC 时也能提供很高的功率水平。,图1- 25PHEV 的工作模式,动力蓄电池,四,1. 铅酸蓄电池 以酸性水溶液为电解质的蓄电池称为酸蓄电池。由于电池电极是以铅及其氧化物为材料, 故又称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池广泛用于燃油汽车的起动。 铅酸蓄电池一般分为免维护铅酸蓄电池和阀控密封式铅酸蓄电池。 免维护铅酸蓄电池具有自身结构上的优势, 电解液的消耗量非常小, 在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。 阀控密封式铅酸蓄电池分为AGM (吸液式) 和GEL (胶体) 电池两种。,动力蓄电池,四,2. 镍氢动力蓄电池 镍氢动力蓄电池属于碱性电池, 是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池。 镍氢动力蓄电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用等优点。与铅酸蓄电池相比, 镍氢动力蓄电池具有比能量高、质量轻、体积小、循环寿命长的特点。,动力蓄电池,四,3. 锂离子动力蓄电池 锂离子动力蓄电池出现在20世纪90年代初期,与其他蓄电池比较, 锂离子动力蓄电池具有电压高、质量能量密度高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点。相比于镍氢动力蓄电池, 混合动力汽车采用锂离子动力蓄电池, 可使电池组的重量下降40%50%, 体积减小20%30%, 能源效率也有一定程度的提高。,动力蓄电池管理系统,五,动力蓄电池管理系统BMS (Battery Management System) 是整车能源管理系统的一个子系统, 为保护动力电池的电力性能, 合理地使用和管理电池组的电能, 为电动汽车驾驶人提供和显示动力电池组的动态变化参数等, 是电动汽车节能、减排和延长电动汽车续航里程的一个重要的管理机构。BMS 的主要功能见表1-1。,动力蓄电池管理系统,五,表1- 1动力蓄电池管理系统的基本功能,电动汽车蓄电池充电机,六,1. 电动汽车蓄电池充电机的基本功能 电动汽车蓄电池充电机的基本功能有3 个, 即: 对市电(即工频交流电, 交流电常用电压、电流、频率三个量来表征。世界各国的常用交流电工频频率有50Hz 与60Hz 两种,民用交流电压分布由100380V 不等) 进行电力变换并提供直流电; 供给与蓄电池额定条件相对应的电力; 当蓄电池充满后自动停止充电。,电动汽车蓄电池充电机,六,2. 电动汽车蓄电池充电机的分类 根据给电动汽车蓄电池充电时的能量转换方式的不同, 充电机可分接触式(Conductive,也称耦合式或传导式) 和感应式(Inductive) 两种。 (1) 接触式接触式充电系统是将一根带插头的交流动力电缆线直接插到电动汽车的插座中给电池充电。接触式充电系统简单、效率高, 采用插头与插座的金属接触来导电, 充分利用了技术成熟、具有工艺简单和成本低廉的优点。接触式充电机的不足主要是充电电流小, 充电时间长。,图1- 26电动汽车的接触式充电系统,电动汽车蓄电池充电机,六,(2) 感应式感应式充电机是通过电磁感应耦合的方式进行能量转换而给电池充电的, 利用高频变压器原理, 高频变压器的一次绕组装在充电机上, 另一次绕组装在电动汽车上。充电机将5060Hz 的普通电转换成80300Hz 的高频电, 然后将高频交流电感应到电动汽车上。在整流 电路的作用下, 将高频交流电变换为能够为蓄电池充电的直流电。,图1- 27电动汽车的感应式充电系统及充电机,混合动力汽车驱动电机,课题五,电动汽车对驱动电机性能的基本要求,一,1) 电压高。 2) 高转速。 3) 转矩密度、功率密度大, 质量轻, 体积小。 4) 具有较大的起动转矩和较大范围的调速性能。 5) 需要有45 倍的过载, 以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求。 6) 具有高的可控性、稳态精度、动态性能, 以满足多部电机协调运行。 7) 机械效率高、损耗少。 8) 可兼做发电机使用。 9) 电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。 10) 能够在恶劣条件下可靠工作。 11) 结构简单, 适合大批量生产, 使用维修方便, 价格便宜等。 12) 散热性好。,电动汽车电机驱动系统的组成,二,电机驱动系统的基本组成框图如图1-28 所示。电机驱动系统是电动汽车的心脏, 它由电机、功率变换器、控制器、各种检测传感器和电源(动力蓄电池) 组成, 其任务是在驾驶人的控制下, 高效率地将动力蓄电池的电量转化为车轮的动能, 或者将车轮的动能反馈到蓄电池。,图1- 28电机驱动系统的基本组成框图,电动汽车电机的类型,三,图1- 29当代电动汽车电机的基本类型,电动汽车电机的类型,三,表1- 2各种电机的基本性能比较,直流电机,四,在早期开发的HEV 和EV 上多采用直流电机, 直流电机的优点是具有优良的电磁转矩控制特性, 控制装置简单、价廉、技术成熟。,图1- 30直流电机的结构,交流电机,五,交流电机可分为同步电机和异步电机两类。如果电机转子的转速n 与定子旋转磁场的转速n1 相等, 则转子与定子旋转磁场在空间同步地旋转, 这种电机称为同步电机。如果n 不等于n1 , 则转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步, 则称为异步电机。,图1- 31交流感应电机的结构 1轴承2定子3转子4冷却风扇5电源线,图1- 32交流感应电机横断面 1定子铁心2定子导体3转子轴4转子导体5转子端环6转子铁心,交流永磁电机,六,1. 交流永磁电机的种类及特点 (1) 种类交流永磁电机主要包括永磁同步电机(Permanent Magent Synchronous Motor,PMSM) 和无刷直流电机(Brushless DC Motor, BLDCM) 两大类。两者最主要的区别在于永磁体励磁磁场在定子绕组中感应出的电动势波形: 永磁同步电机感应出的电动势波形是正弦波, 无刷直流电机则为梯形波。,交流永磁电机,六,(2) 特点 1) 永磁同步电机。效率高、体积小、质量轻、控制精度高、转矩脉动小等, 但是控制器较复杂, 因此造成其成本偏高。 2) 无刷直流电机。无刷直流电机外特性曲线类似于永磁直流电机, 特性较硬(所谓硬是指特性曲线的斜率很小, 电机转速不易受外界条件影响), 但是由于没有电刷和换向器,所以可以在高速下运行, 因此体积和质量可以减小, 同时提高了可靠性, 而且无刷直流电机的控制相对简单。,交流永磁电机,六,2. 永磁电机的结构 永磁同步电机是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组, 从而省去了励磁线圈、集电环和电刷。永磁电机转子分为凸装式、嵌入式和内埋式三种基本结构, 前两种形式又称为外装结构。,图1- 33凸装式转子永磁体的分类 a) 圆套筒形b) 瓦片形c) 扇形,交流永磁电机,六,3. 永磁无刷直流电机 (1) 永磁无刷直流电机的结构,图1- 34永磁无刷直流电机的结构,交流永磁电机,六,(2) 永磁无刷直流电机的性能永磁无刷直流电机的优点是效率高(比交流电机高6%)、高速操作性能好、无电刷、结构简单牢固、免 维护或少维护、尺寸小、质量小。输出转矩与转动惯量的比值大于相类似的三相感应电机。永磁电机在材料的电磁性能、磁极数量、磁场衰退等多方面的性能都优于其他种类的电机。,交流永磁电机,六,(3) 永磁无刷直流电机的控制系统永磁无刷直流电机具有很高的功率密度和较宽的调速范围。永磁无刷直流电机的控制系统较为复杂, 有多种控制策略。 永磁无刷直流电机的控制系统由直流电源、电容器、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、永磁无刷直流电机(PMBDC)、电机转轴位置检测器(PS)、逻辑控制单元、120导通型脉宽调制信号发生器(PWM) 驱动电路和其他一些电子器件组成。,交流永磁电机,六,4. 永磁磁阻同步电机 (1) 永磁磁阻同步电机的结构永磁磁阻同步电机是将永久磁铁取代他励同步电机的转子励磁绕组, 电机的定子与普通同步电机两层六极永磁 磁阻同步电机的定子和转子一样, 如图1-35 所示。,图1- 35两层六极永磁磁阻 同步电机的定子和转子,交流永磁电机,六,(2) 永磁磁阻同步电机的控制系统永磁磁阻同步电机采用带有矢量变换电路的逆变器系统来控制。永磁磁阻同步电机的控制系统由直流电源、电容器、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、永磁同步电机(PMSM)、电机转轴位置检测器(PS)、速度传感器、电流检测器、驱动电路和其他一些电器组成。,交流永磁电机,六,(3) 永磁磁阻同步电机的机械特性由于永磁磁阻同步电机在牵引控制中采用矢量控制方法, 在额定转速以下恒转矩运转时, 就使定子电流相位领先一个 角, 一方面可以增加电机的转矩, 另一方面由于 角领先产生的弱磁作用, 使电机额定转速点增高, 增大了电机在恒转矩运转时的调速范围。如 角继续增加, 电机将运行在恒功率状态。永磁磁阻同步电机能够实现反馈制动。,混合动力汽车控制系统,课题六,混合动力汽车控制系统的功能,一,混合动力汽车一般是内燃机汽车的替代和延伸, 继承和沿用了很大一部分内燃机汽车的传动系统, 保留了人们已经习惯的内燃机汽车的操纵装置, 包括加速踏板(控制发动机的节气门和电机)、制动踏板(控制制动反馈和机械式ABS 制动)、离合器、自动离合器、变速器的操纵装置等。 由这些操纵装置发出控制信号, 通过以计算机CPU 为核心的中央控制器和各种控制模块, 向内燃机的驱动系统或电机驱动系统发出单独驱动指令或混合驱动指令, 来获得不同的驱动模式, 按照驾驶人的意图, 实现混合动力汽车的起动、行驶、加速、爬坡、减速和制动时的驱动模式转换的控制。,混合动力汽车控制系统的基本组成,二,混合动力汽车控制系统主要包括下列重要组成: (1) 控制系统由操纵装置、中央控制器和各种控制模块共同组成。 (2) 发动机和驱动系统发动机和发动机驱动系统的控制系统。 (3) 电机和驱动系统电机和电机驱动系统的控制系统。 (4) 信号反馈及检测装置包括各电量检测装置(电压表、电流表等)、显示装置和自诊断系统等。,混合动力汽车的控制策略,三,混合动力汽车控制策略设计的主要目标是开发近似优化且实际可行的动力管理策略, 确定转矩分配方案和换档方案, 使油耗降到最低, 同时应满足下列约束: 1) 满足驾驶人的动力要求。 2) 保持电池的充电状态。 3) 满足一定的驾驶性要求。,混合动力汽车的控制策略,三,基于规则的稳态能量管理策略的主要依据是工程经验, 根据部件的稳态效率MAP 图来确定如何进行发动机和电机之间的动力分配。将混合动力汽车控制分成了3 种模式, 即正常行驶模式、充电模式及制动能量回馈模式, 同时将发动机的效率MAP 图划分为纯电动、发动机驱动和电机功率辅助3 个区域, 如图1-36 所示。,图1- 36发动机效 率MAP 图,混合动力汽车的控制策略,三,1. 正常行驶模式 在发动机效率MAP 图上分别用“发动机工作最小功率” 曲线和“电机助力最小功率”曲线将发动机效率MAP 图划分成纯电动区域、发动机驱动区域和电机辅助功率区域。 在正常行驶模式下, 发动机总是工作在“发动机工作最小功率” 和“电机助力最小功率” 之间效率最高的区域。,混合动力汽车的控制策略,三,2. 充电模式 对电池能量的管理采用了充电维持策略, 即始终保持电池的荷电状态(SOC) 值位于最高效率区的上下限值之间(设定为55% 60%)。当SOC 值小于55%时, 应切换至充电模式(当且仅当SOC 值大于60%时充电过程完成), 并计算电池的充电功率, 该功率同时也作为电机的目标功率。发动机的目标功率为需求的驱动功率与充电功率之和。,混合动力汽车的控制策略,三,3. 制动能量回馈模式 驾驶人踩下制动踏板, 表明了驾驶人对负驱动功率的需求, 应进入制动能量回馈模式,吸收混合动力汽车制动时的能量。同时, 当制动能量超过可回馈的制动能量时, 液压制动系统将提供剩余的制动能量。,