汽车新技术——混合动力汽车

,混合动力电动汽车,现代电动汽车技术,1混合动力电动汽车的结构 2功率流的控制 3混合动力电动汽车实例,章节,现代电动汽车技术,混合动力电动汽车的定义 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车辆称为混合动力电动汽车。一般认为混合动力电动汽车就是既有内燃机又有电动机驱动的车辆。,混合动力电动汽车,混合动力电动汽车的形式 汽油机和蓄电池混合 柴油机和蓄电池混合 蓄电池和燃料电池混合 蓄电池和超大容量电容器混合 蓄电池和飞轮混合 蓄电池和蓄电池混合等,混合动力电动汽车,混合动力电动汽车的形式 内燃机和蓄电池混合的动力来代表混合动力电动汽车 燃料电池和蓄电池的混合动力称为燃料电池电动车 蓄电池和电容器的混合动力称为超大容量电容器辅助动力电动车,混合动力电动汽车,6,混合动力的特点,混合动力电动汽车的优点是把纯电动汽车的行驶里程延长了2一4倍，而且能快速添加汽油或柴油。 其缺点是结构复杂且不是零排放。 不过与燃油车相比，在相同行驶里程的条件下，混合动力电动汽车的燃油消耗和排放要小得多，因为混合动力电动汽车中的内燃机以最有效的模式工作，燃油消耗少，产生的排放也小，而且，混合动力电动汽车也可以像电动汽车一样工作于零排放区。,混合动力电动汽车的结构,7,混合动力车辆分类,1按照推进系统能量流和功率流的配置结构关系，分为串联、并联、串并联 2按照两种不同的能量的搭配比例不同，混合动力车辆则有四种类型，即： 微混合（micro hybrids）有时也叫“起停混合” 轻度混合（mild hybrids） 全混合（full hybrids） 外电源插座充电混合（plugin hybrids）,混合动力电动汽车的结构,8,混合动力分类,串联式混合动力电动汽车; 并联式混合动力电动汽车； 混联式混合动力电动汽车; 复合式电动车,混合动力电动汽车的结构,9,微混合与轻度混合,轻度混合的发动机比微混合的小，但各电气元件比微混合大,混合动力电动汽车的结构,10,全混合与Plug In 混合,混合动力电动汽车的结构,11,Plug In 混合动力系统是一种可以极大地减少汽油使用量的技术。,什么是Plug In 混合动力 ？,混合动力电动汽车的结构,12,PHEV是Plug-in Hybrid Electric Vehicle的缩写,PHEV是指可以使用家用电源插座（例如220V电源）对混合动力车电池充电的混合动力汽车，同时这种混合动力汽车应能单独依靠电池就能行驶较长距离，但需要时仍然可以象通常的全混合动力汽车一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50km的PHEV，可利用电池行驶40km，到旅程终点后，插入电源对电池充电；如果旅程超过50km，则开始的50km可以用电池来行驶，超过50km后则可以以通常的混合动力方式行驶，到了旅程终点则再插入电源对电池充电。 目前由于电池尺寸、重量以及其他因素使得PHEV的成本很高，但是随着电池和混合动力技术的进步，PHEV可能会成为未来的一种汽车。,混合动力电动汽车的结构,13,HPEV的优越性, 加满油箱，PHEV 行驶里程不受限制； 在局部地区或上下班行驶，可以纯电动的方式工作，不需使用汽油，而且无污染；对国家而言，减少石油进口。 可以用家里的电对车上电池充电；去加油站加油次数，可降至每月12次。 电比油便宜，使用成本低，假设每加仑汽油3美元，使用传统汽车，根据MPG的不同，每英里需820美分，改用PHEV的全电动模式上下班或在局部地区行驶，燃料费降至每英里24美分。 由于主要以纯电动工作，车辆寿命期间的维修成本低。,混合动力电动汽车的结构,14,双线表示机械连接； 粗实线表示电气连接； 细线表示液流连接；,串联式混合动力电动汽车,B-蓄电池;E-内燃机;F-油箱；G-发电机；M-电动机; P-功率转换器；T一传动装置(包括制动、离合器和齿轮箱）,串联混合型的主要特点是在纯电动模式下，内燃机和发电机一起工作产生所需的电能。,混合动力电动汽车的结构,15,串联式混合动力电动汽车,16,串联式混合动力电动汽车,串联式是混合动力电动汽车中最简单的一种，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。 和燃油车比较，它是一种发动机辅助型的电动车，主要是为了增加车辆的行驶里程；由于在发动机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器，因而它有一定的灵活性。尽管其传动结构简单，但它需要三个驱动装置:发动机、发电机和电动机。 如果串联混合型电动车设计时考虑爬长坡，为提供最大功率三个驱动装置的尺寸就会较大，如果用作短途运行如当通勤车用或只是用于购物，相应的内燃机-发电机装置应采用低功率的。,混合动力电动汽车的结构,17,并联式混合动力电动汽车,并联混合型的主要特点是内燃机和与变速器相连的电动机都通过各自的驱动轴驱动车轮。,混合动力电动汽车的结构,18,并联式混合动力电动汽车,19,并联式混合动力电动汽车,并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。 发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮，可以采用发动机单独驱动，电力单独驱动或者发动机和发电机混合驱动。 它是电力辅助型的燃油车，目的是为降低排放和燃油消耗。,混合动力电动汽车的结构,20,并联式混合动力电动汽车,当发动机提供的功率大于驱动电动车所需的功率或者再生制动时，电动机可作在发电机状态，将多余的能量充入电池。 与串联式混合动力电动汽一车比较，它只需两个驱动装置发动机和电动机，而且，在蓄电池放完电之前，如果要得到相同的性能，并联式比串联式混合动力电动汽车的发动机和电动机的体积要小。 即使在长途行驶时，发动机的功率可以达到最大而电动机的功率只需发出一半即可。,混合动力电动汽车的结构,21,混联式混合动力电动汽车,混联混合型就是直接把串联和并联相结合,混合动力电动汽车的结构,22,混联式混合动力电动汽车,混联式混合动力电动汽车在结构上综合了串联式和并联式的特点，与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线，与并联式相比，它增加了电能的传输路线。 尽管混联式混合动力电动汽车同时具有串联式和并联式的优点，但其结构复杂，成本高； 不过，随着控制技术和制造技术的发展，一些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。,混合动力电动汽车的结构,23,复合式混合动力电动汽车,复合式则能提供更多更广的工作模式。,混合动力电动汽车的结构,24,复合式混合动力电动汽车,复合式混合动力电动汽车结构更复杂，与混联式混合型电动车相比，二者的主要区别在于复合型中的电动机允许功率流双向流动，而混联式混合型中的发电机只允许功率流单向流动 双向流动的功率流可以有更多的运行模式，这对于采用三个驱动动力装置的混联式电动汽车是达不到的。 复合式混合动力电动汽车同样具有结构复杂，成本高的缺点。 现在有些新型的混合动力电动汽车也采用这种双轴驱动的复合式系统。,混合动力电动汽车的结构,25,功率流的控制,不同控制策略的目的是为了达到不同的目标，其主要目标主要有以下四个:,最佳的燃油经济性; 最低的排放; 最低的系统成本; 最佳的驱动性能。,26,功率流的控制,车辆启动、正常行驶或加速行驶时，发动机通过发电机和蓄电池一起输出电能并传递给功率转换器，然后驱动电动机，通过机械传动装置驱动车轮,串联式混合动力电动汽车的功率流控制,启动/正常行驶/加速,27,功率流的控制,车辆轻载时，发动机发出的功率大于车辆所需功率，多余的能量通过发电机给蓄电池充电直到SOC达到顶定的限值,串联式混合动力电动汽车的功率流控制,轻载,28,功率流的控制,车辆制动或减速时，电动机把驱功轮的动能转化为电能，并通过功率转换器给蓄电池充电,串联式混合动力电动汽车的功率流控制,减速/制动,29,功率流的控制,车辆停车时，发动机也可以通过发电机和功率转换器给蓄电池充电。,串联式混合动力电动汽车的功率流控制,蓄电池充电,30,功率流的控制,并联式混合动力电动汽车的功率流控制,(a)启动/加速 (b)正常行驶,（A）车辆启动或节气门全开加速时，发动机和电动机同时工作，共同分担驱动车辆所需的动力； （B）车辆正常行驶时，电动机关闭，仅由发动机工作提供车辆行驶所需动力；,31,功率流的控制,并联式混合动力电动汽车的功率流控制,(c)减速/制动 (d)行驶中给蓄电池充电,（C）车辆制动或减速行驶时，电动机工作于发电机模式，通过功率转换器给蓄电池充电。 （D）由于发动机和电动机驱动同一根驱动轴，因此当车辆轻载时，发动机发出的功率也可以通过电动机转化为电能给蓄电池允电。,32,功率流的控制,发动机主动型混联式混合动力电动汽车的功率流控制,基本分成两种，一种称为发动机主动型，另一种称为电力主动型。车辆运行时，前一种主要是发动机起作用，而后一种主要是电动机起作用。 (b) 加速 （A）车辆启动时，发动机关闭，蓄电池工作提供车辆行驶所需的动力; （B）节气门全开车辆加速行驶时，发动机和电动机同时工作，共同分担车辆行驶所需的动力;,(a)启动,33,功率流的控制,（C）车辆正常行驶时，电动机关闭，发动机工作，提供车辆所需动力; （D）车辆制动或减速行驶时，电动机工作于发电机模式，通过功率转换器给蓄电池充电;,发动机主动型混联式混合动力电动汽车的功率流控制,(c)正常行驶;(d)减速/制动,34,功率流的控制,(e)行驶中给蓄电池充电;(f)蓄电池充电,(E)车辆行驶给蓄电池充电时，发动机一部分动力用于驱动车辆，另一部分动力由发电机经功率转换器给蓄电池充电; (F)当停车时，发动机也可以通过发电机给蓄电池充电。,发动机主动型混联式混合动力电动汽车的功率流控制,35,功率流的控制,电力主动型混联式混合动力电动汽车的功率流控制,(a)启动/轻载;(b) 加速;(c)正常行驶;(d)减速/制动,36,功率流的控制,（A）车辆启动或轻载运行时，发动机关闭，由蓄电池给电动机提供电能驱动车辆; （B,电力主动型混联式混合动力电动汽车的功率流控制,37,功率流的控制,(E)车辆行驶给蓄电池充电时，发动机一部分动力用于驱动车辆，另一部分动力用于驱动发电机给蓄电池充电; (F)停车时，发动机也叮以通过发电机给蓄电池充电,电力主动型混联式混合动力电动汽车的功率流控制,(e)行驶中给蓄电池充电;(f)蓄电池充电,38,功率流的控制,复合式混合动力电动汽车的发展主要集中于双轴驱动混合动力系统 在这种系统中，前轴和后轴独立驱动，前轮和后轮之间没有任何驱动轴或转换器相连 可以减轻驱动系统的质量，增加车辆装配的灵活性 可以回收四个车轮的制动动能，大大提高车辆的燃油利用率和燃油经济性。,复合式混合动力电动汽车的功率流控制,39,功率流的控制,前轴混合驱动后轴电驱动混合动力电动汽车的功率流控制,(a)启动;(b) 加速;(c)正常行驶/蓄电池充电;(d)轻载,B-蓄电池; E-内燃机; F-油箱; FM-前轮电动机; FP-前轮功率转换器 FT-前轴传动装置; RM-后轮电动机; RP-后轮功率转换器 RT-后轴传动装置,40,功率流的控制,一种双轴复合式混合动力系统，其中前轮混合动力驱动，后轮电动机驱动的六种工作模式： （A）启动时，发动机关闭，由电池组分别向车辆前、后驱动轴的电动机供电并驱动前、后轴; （B）节气门全开车辆加速行驶时，发动机和两个电动机同时工作提供车辆行驶所需的功率; （C）车辆正常行驶或电池充电时，发动机发出的功率被分流，一部分用于驱动前轴，一部分通过工作于发电机模式的电动机给蓄电池充电，发动机与前轴的电动机、发动机与前轴通常用行星齿轮机构连接; （D）轻载时，发动机和后电动机关闭，前驱动轴由蓄电池和前轴电动机驱动;,前轴混合驱动后轴电驱动混合动力电动汽车的功率流控制,41,功率流的控制,(E)减速制动时，前、后电动机均以发电机模式工作，实现四个车轮同时再生制动; (F)这种双轴驱动系统具有轴平衡的功能，若前驱动轴打滑，与该驱动轴相连的电动机以发电机摸式工作，吸收发动机输出的部分能量，并转化为电能输出到与后驱动轴相连的电动机，由电池组实现功率流之间的分配调整。,(e)减速/制动;(f)轴间平衡,前轴混合驱动后轴电驱动混合动力电动汽车的功率流控制,42,功率流的控制,源自：北京理工大学出版社 陈清泉 孙逢春,前轴电驱动后轴混合驱动混合动力电动汽车的功率流控制,(a)启动;(b) 启动发动机;(c) 加速;(d)正常行驶,43,功率流的控制,一种的双轴复合式混合动力系统，其中前轮电动机驱动，后轮混合动力驱动，该系统共有六种驱动模式： （A）车辆启动时，电池组只向前电动机供电驱动前轴，而发动机和后电动机均关闭; （B）当车辆开始前移时，电池组也向后电动机供电使发动机加速运转，从而启动发动机; （C）节气门全开车辆加速行驶时，前电动机驱动前驱动轴，而后轴由发动机和后电动机一起驱动，这时，共有 三个驱动装置(一个发动机，两个电动机)一起驱动车辆; （D）车辆正常行驶时，仅由发动机驱动后轴;,前轴电驱动后轴混合驱动混合动力电动汽车的功率流控制,44,功率流的控制,(E)车辆减速/制动时，电动机以发电机模式工作，四个车轮同时再生制动; (F)车辆行驶给电池组充电时，发动机发出的功率一部分用于驱动后轴，一部分通过发电机给蓄电池充电。,(e)减速/制动;(f)行驶中给蓄电池充电,前轴电驱动后轴混合驱动混合动力电动汽车的功率流控制,45,混合动力电动汽车实例,46,混合动力电动汽车实例,47,混合动力电动汽车实例,48,混合动力电动汽车实例,混联式混合动力 利用电动机和发动机来驱动车轮，并可用发电机来发电及自行充电。混联式混合动力利用电动机和发动机这两个动力来驱动车轮，同时电动机在行驶当中还可以发电。 根据行驶条件的不同，可以仅靠电动机驱动力来行驶，或者利用发动机和电动机驱动行驶。另外还安装有发电机，所以可以一边行驶，一边给HV蓄电池充电。基本结构由电动机、发动机、HV蓄电池、发电机、动力分离装置、电子控制单元(变压器、转换器)组成。利用动力分离装置将发动机的动力分成两份，一部分用来直接驱动车轮，另一部分用来发电，给电动机供应电力和HV蓄电池充电。 电动机擅长从低速带开始发挥威力，而发动机则在高速带大显身手。本系统通过理想地控制二者，可在所有条件下提供高效率的行驶。,49,混合动力电动汽车实例,HV（镍氢）蓄电池 拥有世界最高水平的输入输出密度，且轻型、耐用 安装在TOYOTA 油电混合动力系统上的高输出镍氢蓄电池具有高输入输出密度和重量轻、寿命长等特点。无需利用外界电源进行充电，也无需定期交换。,50,混合动力电动汽车实例,高输出功率电动机 采用交流同步原动机，小型、轻量、高效率。该装置一直到高旋转带都可高效地产生高扭矩，同时可任意控制转数和产生扭矩。 另外它还拥有小型、轻量、高效等特点，具有优秀的动力性能，可进行顺畅的启动、加速等各种操作。,51,混合动力电动汽车实例,动力控制单元 拥有直流/交流变压器和可变电压转换器的动力控制单元 使用电动机行驶的TOYOTA 油电混合动力系统中安装有由变 压器、可变电压系统、DC/DC转换器组成的动力控制单元。,52,混合动力电动汽车实例,汽油发动机 低油耗、高输出的发动机 TOYOTA 油电混合动力系统中安装的发动机与以往机型相比 ，具有低油耗，高输出的特性。,53,混合动力电动汽车实例,动力分离装置 将发动机产生的动力，分配给驱动系统和发电系统使用 TOYOTA 油电混合动力系统中安装有动力分离装置，可将发动机产生的动力分配给驱动轮和发电机。采用由齿环、小齿轮、太阳齿轮、行星支架组成的行星齿轮，高效率地分配动力。 1行星支架的旋转轴与发动机连接，通过小齿轮带动外围的齿环和内侧的太阳齿轮。 2小齿轮旋转轴直接和电动机连接，将驱动力传给车轮。 太阳齿轮旋转轴直接和发动机连接，将发动机的动力转换为电能。,54,混合动力电动汽车实例,发电机 通过高旋转化来提高最大输出电力 TOYOTA 油电混合动力系统采用和电动机相同的交流同步型发电机，并且实现了高旋转化，提高了最大输出电力。,55,混合动力电动汽车实例,再生制动 将动能再利用到电动机发电中 TOYOTA 油电混合动力系统中采用了“再生制动器”，它利用电动机的发电来再次利用动能。 电动机通常在通电后开始转动，但是相反地让外界力量带动电动机旋转时，它又可作为发电机来发电。因此，利用驱动轮的旋转力带动电动机发电，在给HV蓄电池充电的同时，又可利用发电时的电阻来减速。 该系统在制动时与液压制动器同时控制再生制动器，完美的将原来在减速中作为摩擦热散失的动能回收为行驶用能量。 城市中行驶时反复进行的调速操作具有较高的能量回收效果，所以在低速带优先使用再生制动器。,56,混合动力电动汽车实例,电子控制系统 汽车智囊帮助实现安全、舒适和最高效率行驶 ECU*是集中控制车辆中各种系统的电子装置，可称为汽车的大脑。为了实现安全、舒适、高效率行驶，TOYOTA 油电混合动力系统采用EUC实时监控汽车各系统的运转情况和能量消耗情况，进行精密且高速的综合控制。监控混合动力组成部分（混合动力系统的发动机、发电机、电动机、HV蓄电池）的运转状态。监控通过汽车的控制网络传来的制动信息。监控从驾驶者发出的指令(加速踏板开度、变档位置)。监控辅助驾驶设备（如空调、加热器、前照灯、导向系统等）的能量消耗。,57,混合动力电动汽车实例,58,混合动力电动汽车实例,为了实现最高水准的低油耗，TOYOTA油电混合动力系统分别发挥电动机和发动机各自的特长来行驶。 1在启动及低速行驶时，TOYOTA油电混合动力系统仅利用电动机的动力来行驶，因为这时发动机的效率不高。 2在一般行驶时发动机效率很高，发动机产生的动力不仅是车轮的驱动力，同时也用来发电带动电动机，并给HV蓄电池充电。 3在减速或制动时，TOYOTA油电混合动力系统以车轮的旋转力驱动电动机发电，将能量回收到HV蓄电池中。,59,混合动力电动汽车实例,启动时，充分利用电动机启动时的低速扭矩 （1）当汽车启动时，TOYOTA油电混合动力系统仅使用由HV蓄电池提供能量的电动机的动力启动，这时发动机并不运转。 （2）因为发动机不能在低旋转带输出大扭矩，而电动机可以灵敏、顺畅、高效地进行启动。,60,混合动力电动汽车实例,低速中速行驶时，由高效利用能量的电动机驱动行驶 对于发动机而言，在低速中速带的效率并不理想，而另一面，电动机在低速-中速带性能优越。因此，在用低速-中速行驶时，油电混合动力系统使用HV蓄电池的电力，驱动电动机行驶。,61,混合动力电动汽车实例,一般行驶时，低油耗的驾驶，使用发动机作为主要动力源 （1）TOYOTA油电混合动力系统采用发动机，使它在能产生最高效功率的速度带驱动。由发动机产生的动力直接驱动车轮，依照驾驶状况部分动力被分配给发电机。 由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发动机。利用发动机和电动机这一双重传动系统，发动机产生的动力以最小消耗被传向地面。,62,混合动力电动汽车实例,一般行驶时/剩余能量充电 ，将剩余能量用于HV蓄电池充电 因为TOYOTA油电混合动力系统在高速运转时是采用发动机来驱动，而发动机有时会产生多余的能量。这时多余的能量由发电机转换成电力，用于储存在HV蓄电池中。,63,混合动力电动汽车实例,全速开进（行驶）时，利用双动力来获得更高一级的加速 在需要强劲加速力（如爬陡坡及超车）时，HV蓄电池也提供电力，来加大电动机的驱动力。通过发动机和电动机双动力的结合使用，TOYOTA油电混合动力系统得以实现与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能。,64,混合动力电动汽车实例,减速/能量再生时，将能量回收到HV蓄电池中用于再利用 在踩制动器和松油门时，TOYOTA油电混合动力系统使车轮的旋转力带动电动机运转，将其作为发电机使用。减速时通常作为摩擦热散失掉的能量，在此被转换成电能，回收到HV蓄电池中进行再利用。,65,混合动力电动汽车实例,停车时，停车时动力系统全部停止 在停车时，发动机、电动机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费能量。,