混合动力新技术

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,混合动力新技术,济南交通高级技工学校,周立平,电动汽车的发展背景与方向,电动汽车三种模式对比,混合动力电动汽车,(HEV),发展趋势,混合动力电动汽车,(HEV),概念,混合动力电动汽车选型策略,混合动力电动汽车工作原理,整车能量控制系统,混合动力新技术,电动汽车的发展背景与方向,未来的汽车应当向清洁、环保的方向发展，经过对各种新燃料，新能源和新动力的探索，电动汽车成为最主要的选择之一。,电动汽车包括纯电动汽车,(EV,Electrical Vehicle),、混合电动汽车,(HEV,Hybrid Electrical Vehicle),和燃料电池汽车,(FCV,，,Fuel Cell Vehicle),三种形式，它是理想的零排放或低排放车辆。,未来需要,发展趋势及方向,返回,纯电动汽车：,具有无污染、低噪音、结构简单、维修方便等优点，但在发展中受到了技术上的制约，有限的行驶里程和较长的充电时间使得它们的普及非常困难，产业化前景并不看好。,燃料电池汽车：,具有极高的效率、低排放、低噪音，其甲醇燃料有广泛的来源，并具有可再生等重大优势，已成为世界各大汽车集团新世纪激烈竞争的焦点，被喻为,21,世纪改变人类生活的十大高科技之首，但产业化仍需要较长的时间。,混合动力电动汽车：,它是由两种或两种以上的能源提供动力的汽车，是将新技术和老技术结合的最可行的产物，它同时具有纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点，既具有纯电动汽车的高效率和低排放的性能，还具有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料的性能。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,电动汽车三种模式对比,返回,混合动力电动汽车,(HEV),发展趋势,美国政府在,1993,年提出“新一代汽车合作计划”，其中的目标之一是“开发一种燃油经济性三倍于现有车辆的中型轿车，即每加仑燃油行驶,80,英里（折合,3L/100km,）。”从目前的研究来看，混合动力汽车是实现上述指标的主要途径。最近几年，美、日、欧等国家和地区的政府部门、研究机构纷纷将其研究重点转到更具实用性与发展前途的混合动力电动汽车上来。丰田仅全球销量已达万辆，并预计年销售破万辆。本田全球销量达万辆，并计划年销售占,。,在电动汽车的能源系统中，如蓄电池、超大电容器及储能高速飞轮等，目前还没有一种能源能够使电动汽车的性能完全与燃油汽车相匹敌，其主要原因在于这些能源系统不能提供足够高的比能量和比功率。为了解决这个问题，人们在电动汽车上加入辅助动力单元。这个辅助动力单元实际上是一个动力发电机组或某种原动机。原动机可以是内燃机、燃气轮机等热机。这就构成了目前所说的混合动力电动汽车。,返回,通用？,年左右三足鼎立,混合动力电动汽车,(HEV),概念,国际电子技术委员会,(International Electro-technical Commission,IEC),对混合动力车辆的定义为：在特定的工作条件下，可以从两种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。其中至少一种存储器或转化器要安装在汽车上。,混合动力电动汽车,(HEV),至少有一种能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能。,混合动力动汽车是将电力驱动与辅助动力驱动结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生的优势的车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组。,返回,混合动力电动汽车选型策略,现在大部分的,HEV,是在传统的发动机汽车上增加蓄电池组作为电能存储装置，通过电动,/,发电机将电能转化为机械能。根据,HEV,零部件的种类、数量和连接关系可以将,HEV,的动力系统分为三种基本结构类型,:,串联式混合动力电动汽车,(SHEV,，,Series Hybrid Electric Vehicle),、并联式混合动力电动汽车,(PHEV,，,Parallel Hybrid Electric Vehicle),和混联式混合动力电动汽车,(PSHEV,，,Split Hybrid Electric Vehicle),。,不同的结构类型随着具体结构模型和驱动模式的不同，又有不同的选型策略。,串联式混合动力电动汽车,串联式混合动力电动汽车结构,由发动机、发电机和驱动电机三大主要部件总成组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。,串联式混合动力电动汽车,由发动机带动发电机所产生的电能和电池输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶，,电力驱动是唯一的驱动模式,。,动力流程图如上图所示。只有电动机直接与驱动桥相连接,(,这一点与纯电动汽车相同,),，而发动机与发电机直接连接产生电能，来驱动电动机或者给蓄电池充电。,当蓄电池的荷电状态,(SOC,State Of Charge),下降到一个预定值时，发动机即开始对蓄电池进行充电。发动机与驱动系统并没有机械地连接在一起，这种方式可以很大程度地减少发动机所受到的车辆的瞬态响应。瞬态响应的减少可以使发动机进行最优的喷油和点火控制，使其在最佳工况点附近工作。,串联式混合动力电动汽车驱动模式,并联式混合动力电动汽车,并联式混合动力电动汽车的结构,由发动机、电动,/,发电机两大部件总成组成，有多种组合型式，可以根据使用要求选用。,两大动力总成的功率可以互相叠加，发动机功率和电动,/,发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的,0.51,倍，因此，可以采用小功率的发动机与电动,/,发电机，使得整个动力系统的装配尺寸、质量都较小，造价也更低，行程也可以比串联式混合动力电动汽车的长一些，其特点更加趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统通常被应用在小型混合动力电动汽车上。,。,并联式混合动力电动汽车,典型动力流程图如上图所示，发动机和电动机通过某种变速装置同时与驱动桥直接相连接。,电动机可以用来平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作，因为通常发动机工作在满负荷,(,中等转速,),下燃油经济性最好。,当车辆在较小的路面载荷下工作时，传统车辆的发动机的燃油经济性比较差，而并联式混合动力汽车的发动机此时可以被关闭掉而只用电动机来驱动汽车，或者增加发动机的负荷使电动机作为发电机，给蓄电池充电以备后用,(,即一边驱动汽车，一边充电,),。,由于并联式混合动力电动汽车在稳定的高速下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量，所以它在高速公路上行驶具有比较好的燃油经济性。,并联式驱动系统有两条能量传输路线，可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车，如果其中的一条驱动线路出了问题，另一个仍然可以驱动汽车。这种设计方式可以使其以纯电动汽车，或低排放汽车的状态运行，但是此时不能提供全部的动力能源,并联式混合动力电动汽车驱动系统的驱动模式,混联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式混合动力电动汽车的结构组成，主要由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机基本保持稳定、高效、节能的运转，发电机和电池供给驱动电动机电能以驱动电动汽车行驶。,混联式混合动力电动汽车,混联式混合动力电动汽车,丰田,Prius,所采用的混合驱动方式，将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。这种机构有两个自由度，可以自由地控制两个不同的速度,(,例如：发动机的转速与差速器输入轴的转速,),。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。丰田,Prius,混合动力电动汽车的动力流程，如下图所示。,返回,Prius,轿车动力系统工作方式,(1),发动机效率低时，如起动、中等转速时，只有电动机提供动力，消耗电池储存的能量。,(2),正常行驶时，发动机的一部分动力用于带动发电机发电，一部分动力用于带动车轮旋转，动力系统整体效率达到最优化。,(3),若加速需要额外动力，发电机不向电池供电，而是直接给电动机供电，电动机得到充足电能。,(4),减速和制动时，电动机起到发电机作用，由车轮驱动，将汽车的动能转变为电能。,(5),发电机根据电池的电量存储状况决定是否给电池充电。,(6),汽车停驶或发动机转速其负荷超过一定范围，发动机自动熄火。,结构模式,串联式,并联式,混联式,动力总成,发动机、发电机、驱动电机等三大部件,发动机、电动,/,发电机两大动力总成,发动机、电动,/,发电机、驱动电机等三大部件,发动机,发动机的选择范围,发动机功率,发动机排放,发动机的选择有多种形式,发动机功率较大,发动机工作稳定，排放净化性较好,发动机一般为传统的内燃机,发动机功率较小,发动机工况变化大，排放净化性较差,发动机的选择有多种形式,发动机功率较小,发动机排放介于串联与并联之间,传动系统,驱动模式,传动效率,制动能量回收,电动机是唯一的驱动动力,能量传递效率较低,能够实现,发动机、电动机都是驱动动力,能量传动效率较高,根据结构不同，有个别不能回收,发动机、电动机都是驱动动力,能量传动效率较高,能够实现,整车总布置,三大总成部件之间没有机械连接装置，结构布置的自由度大，但各总成的质量、尺寸都较大，小型车上不好布置，一般适用于大型车,发动机驱动系统保持机械式传动系统，发动机与电动机两大动力总成之间采用机械装置连接起来，结构复杂，使布置受到一定的限制,三大动力总成之间采用机械式连接装置，三大动力总成的质量、尺寸都较小，能够在小型车辆上，但结构更加复杂，要求结构更加紧凑,适用条件,适用于大型客车或货车，更加适应于在路况较复杂的城市道路和普通道路上行驶,适用于小型汽车，更加适应在城市道路和高速公路上行驶,适用于各种类型的汽车，适应于各种道路行驶性能更加接近于内燃机汽车,成本造价,制造成本较高,制造成本较低,制造成本较高,HEV,蓄电池,蓄电池是混合动力电动汽车发展的关键技术,目前，在混合动力电动汽车上使用的蓄电池主要是铅酸电池、镍氢电池（,MH-Ni,）和锂离子电池，如克莱斯勒,ESX2,采用铅酸电池，丰田,Prius,和本田,Insight,用镍氢电池，日产,Tino,用锂离子电池。,永磁电动机目前是车用电动机的主流，一般可分为,永磁直流有刷电动机与永磁无刷电动机，,两者的主要差别在于永磁放置的位置。,永磁式直流有刷电动机是将永磁放于不转动的定子上并在转子上安置线圈，因此须经碳刷与换向片将电流传递至转子上。此结构的优点是以机械接触的方式使电动机随时处于最大转矩的输出条件，缺点是碳刷、换向片间的磨损与转子线圈散热不易等因素，限制电动机在高速、大电流状况下的应用。此类电动机在车辆应用多集中在,3000r,min,与数百瓦的输出功率以下的装置。,永磁无刷电动机则将永磁放在转子上并使用其它感测组件以达到类似碳刷、换向片的功能，其优点为散热容易且无碳刷磨损，因此摆脱高速与大功率化的限制，唯一需注意的是如何选配适合的换相感测组件与其安装位置，因为该类电动机需要匹配专用的驱动电路与换相感测组件。目前在混合动力汽车的应用越来越多，例如丰田与本田混合动力汽车采用此类电动机，瞬间输出功率达到数十千瓦与最高转速需求在,5000r,min,以上。,HEV,电动机,永磁同步电动机的结构如图所示，分为定子、转子与转子磁场位置检测机构等三部份。,永磁同步电动机需要转子磁场位置的信息，以便在最佳的位置引入定子电流，形成所需的磁场，由此可得到最佳转矩或输出最大效率。一般多在电动机转子上安置传感组件作为磁场位置检测用，检测机构一般为编码器、霍尔感测组件与旋转变压器等,3,类，后两种常用。,磁场检测机构,汽车行驶时，蓄电池输出高电位直流电（,200v,），经变频器的三相桥式电路，变为高压交流电（,500v,），驱动体积小、功率高的交流电动机输出转矩,M,，经传动系驱动车轮。,混合动