第三章 插电式混合动力电动汽车

新能源汽车概论,第三章插电式混合动力（增程式）电动汽车,3.1插电式混合动力（增程式）电动汽车的概述3.2插电式混合动力（增程式）电动汽车的结构3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例3.4增程式电动汽车系统及典型案例,本章主要内容：,3.1插电式混合动力（增程式）电动汽车的概述,插电式混合动力（增程式）电动汽车续驶里程则不受限制，对电池的性能要求不高。混合动力系统中，通常采用电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重来表示不同程度的混合动力系。，式中，Pelec为电机输出功率；Ptotal为动力源总功率。,3.1插电式混合动力（增程式）电动汽车的概述,根据混合度的不同，可分为：弱混合动力系统，也称微混合动力系统H10%轻度混合动力系统，H20%中度混合动力系统，H30%重度混合动力系统，也称全混合动力系统、强混合动力系统，H一般在50%插电式混合动力系统包括增程式电动汽车动力系统，H50%,3.1插电式混合动力（增程式）电动汽车的概述,不同混合度类型及功能列表,3.1插电式混合动力（增程式）电动汽车的概述,按照混合度分类的车型,不同混合度系统对应的功能及按混合度分类的车型。,3.1插电式混合动力（增程式）电动汽车的概述,插电式混合动力（增程式）电动汽车,弱混合（弱混）动力系统搭载的电机功率小，仅靠电机无法使车辆起步，起步过程需要发动机介入，是一种初级的混合动力系统。油率一般为5%10%。,轻度混合动力系统采用了起动发电一体机（ISG），除了能够实现用电机控制发动机的起停外，还能实现对部分能量进行回收；发动机的动力可以在车轮的驱动需求和发电机发电需求之间进行调节。,插电式混合动力系统是在以上三种混合动力系统的基础上发展起来的一种动力系统，可以使用家用电源在夜间用电低谷时为电池充电，有效平稳电网波动，也可以利用外接充电机充电，续驶里程较大。,重度混合动力系统采用了272650V的高压电机，动力系统以发动机为基础动力，动力电池为辅助动力。节油率可以达到30%-50%。,中度混合（中混）动力系统该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统的不同之处在采用的是高压电机，节油率可以达到20%30%。,3.1插电式混合动力（增程式）电动汽车的概述,3.1.1插电式混合动力电动汽车的概念和特点,插电式混合动力汽车（PluginHybridElectricVehicle，PHEV）是指可使用电力网（包括家用电源插座）对车载可充电动力电池进行充电的混合动力汽车。纯电动行驶里程更长，也可以以普通的混合动力汽车方式工作。,插电式混合动力电动汽车特点,3.1插电式混合动力（增程式）电动汽车的概述,3.1.2增程式电动汽车的概念和特点,增程式电动汽车的概念:是以电能为主要驱动能源、发动机为辅助动力源的一种兼有外接电源充电和车载自供电功能的电动汽车。增程式电动汽车的特点：,3.2插电式混合动力（增程式）电动汽车的结构,3.2.1串联式结构,根据混合动力系统的混合方式，PHEV的混合动力系统主要分为串联式、并联式和混联式三种类型。,右图系统中有两个电源，即动力电池和发电机。这两个电源通过逆变器串联在回路中，动力的流向为串联，所以称为串联式混合动力系统。,串联式混合动力系统,3.2插电式混合动力（增程式）电动汽车的结构,3.2.1串联式结构,串联插电式混合动力系统在早期的城市公交车上应用，该系统可以实现以下工作模式：,3.2插电式混合动力（增程式）电动汽车的结构,3.2.1串联式结构,串联式结构的PHEV的优缺点是：,优点,可控制发动机可以工作在其速度转矩图的任何点上可控制发动机总是工作在最低油耗区在电量充足时，能够完全实现零排放动力总成的控制策略简单,缺点,为满足汽车动力性需要匹配较大功率的电动机在车辆需求功率较大的工况行驶时，动力电池需要高电流放电，电能损耗大在电量低需要充电时，能量总体损失比较大，转化效率低,3.2插电式混合动力（增程式）电动汽车的结构,3.2.2并联式结构,并联式混合系统节油率高于串联式系统，一般在25%左右，在一定程度上取代了串联式系统，目前在公交车辆上还有一定应用。,并联式混合动力系统,并联式混合动力系统其中电机既可作为电动机使用，也可作为发电机使用。采用并联式混合动力系统的汽车有两个独立的驱动系统，即传统的发动机驱动系统和电机驱动系统。,3.2插电式混合动力（增程式）电动汽车的结构,3.2.2并联式结构,并联式插电式混合动力系统主要有以下五种运行模式：,单电机驱动模式：当动力电池SOC较大且汽车需求功率较小时，车辆由动力电池单独提供电能，驱动电动机从而驱动汽车,单发动机驱动模式：当动力电池SOC下降到一定目标值且车辆需求功率不大时，车辆由发动机单独驱动。此时，电机处于关闭状态,混合驱动模式：当车辆需求功率较大，发动机或电机单独驱动无法满足车辆需求功率时，车辆由发动机和电机共同牵引驱动,行车充电模式：当发动机提供的功率大于驱动车辆所需的功率时，一部分功率直接驱动车辆，另一部分供给电机使其工作在发电机状态，将多余的功率充入电池,再生制动模式：在汽车制动过程中，将一部分制动能量转化为电能并存储在动力电池中，此时电机充当发电机使用。,并联式结构的PHEV的优缺点是：,优点,发动机和电机都可以直接向传动系统提供转矩，不存在多次能量形式的转换，因而能量损失较小并联式结构存在两个动力源，因此可以匹配额定功率较小的电机、发动机，制造成本较低,缺点,发动机和驱动轮间还是机械连接，因此发动机的工作点不可能总处于最佳区域，发动机效率得不到充分发挥需要搭载变速器，且适合搭载自动变速器,3.2插电式混合动力（增程式）电动汽车的结构,3.2.2并联式结构,3.2插电式混合动力（增程式）电动汽车的结构,3.2.3混联式结构,混联式混合系统节油率普遍高于串联式和并联式的系统，一般在40%左右，在乘用车和城市公交车上都有普遍的应用。,混联式混合动力系统,混联插电式混合动力系统无论汽车的运行工况多么复杂、多变，都能使动力系统工作在最优状态，实现较好的燃油经济性和排放性，在NEDC循环工况下，采用该方式汽车的节油率可达40%。,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,PHEV在乘用车和商用车领域都有商业化的示范：在乘用车领域以丰田的插电式普锐斯为代表采用并联式以比亚迪F3DM为代表在客车领域以宇通新能源客车为代表,普锐斯PHEV透视图,丰田普锐斯汽车插电式车由动力电池、发动机、混合动力总成（电机MG1、电机MG2、动力分配机构及电机减速机构）、车载充电器、充电用电线、燃油箱等组成。,普锐斯车载电源系统采用额定电压为345.6V、电量为5.2kWh的锰酸锂电池。通过逆变器供电时，直流电压为345.6V升压到650V，充电式从650V的交流电降压为345.6V的直流电。普锐斯混合动力系统采用的混联结构，在此动力系统中，可以同时使用双擎动力驱动汽车行驶，同时产生剩余电力还可以再回收。,普锐斯插电式构型,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,普锐斯动力总成和传递机构主要由电机MGI、电机MG2、动力分配行星排、减速行星排、过渡齿轮、主减速器和差速器（未画出）等组成。,普锐斯插电式混合动力总成机构组件,在减速行星排中，行星架固定，太阳轮与MG2相连，齿圈与动力分配行星排的齿圈相连。MG2的动力经过减速行星排减速增矩后，也通过过渡齿轮向主减速器输出。,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,发动机停车起动模式下总成组件工作情况和行星排转速杠杆模拟图,停车状态下，驱动轮停止转动，动力分配行星排的齿圈也停止转动。MG1以电动方式工作，带动太阳轮旋转，并通过行星架起动发动机。,发动机停车起动模式,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,停车充电模式下总成组件工作情况和行星排转速杠杆模拟图,车辆在停车状态下，如果电池SOC处于正常值范围内，则发动机、MG1和MG2都停止工作。如果SOC下降到设定值，则控制系统起动发动机，通过动力分配行星排把发动机动力传递给MG1发电，为电池充电。,停车充电模式,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,起步和低负荷模式1下总成组件工作情况和行星排转速杠杆模拟图,在电池SOC处于正常范围时，系统只靠MG2输出驱动力使车辆起步和低负荷行驶。此时发动机停止工作，MG1空转不发电。,起步和低负荷模式1（SOC正常）,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,起步和低负荷模式2下总成组件工作情况和行星排转速杠杆模拟图,在SOC下降到设定值时，发动机起动，其输出动力被分成两部分：一部分直接流向主减速器驱动车辆；另一部分驱动MG1发电。MG1发出的电能又被分成两部分：一部分供给MG2驱动车辆；另一部分为电池充电。,起步和低负荷模式2（SOC低）,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,巡航模式下总成组件的工作情况和行星排转速杠杆模拟图,车辆在巡航模式下，发动机运转在高效区域，主要以发动机的动力驱动车辆，发动机动力被动力分配机构分为两路：一路作为驱动力传递给驱动轮；另一路驱动MG1发电，并用该电力驱动MG2，辅助驱动车辆。,巡航模式,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,加速模式下总成组件的工作情况和行星排转速杠杆模拟图,车辆从定速行驶开始实施加速，在提高发动机功率和MG1发电量的同时，电池也向MG2提供电能，增大驱动转矩，提升整车驱动能力。,加速模式,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,制动能量回馈模式下总成组件的工作情况和行星排转速杠杆模拟图,车辆减速或制动时，在电池的SOC允许的情况下，车辆动能通过驱动轮驱动MG2以发电机方式工作，将动能转换为电能，给电池充电。,制动能量回馈模式,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,倒车模式下总成组件的工作情况和行星排转速杠杆模拟图,在电池SOC处于正常值范围内时，MG2作为电动机反转工作，驱动车辆倒车；当SOC下降到设定值时，起动发动机，带动MG1发电，产生的电力驱动MG2反转工作来驱动车辆。,倒车模式,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.1丰田插电式普锐斯混合动力轿车,基于第三代普锐斯的插电式混合动力汽车普锐斯技术参数:,关键零部件参数,基于第三代普锐斯的插电式混合动力汽车,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.2比亚迪F3DM插电式混合动力汽车,比亚迪F3DM插电式混合动力汽车采用采用比亚迪生产的磷酸铁钴锂电池，电压为330V，容量为45Ah。F3DM标称的100km耗电是16kWh，在充电站只需10min可以充满50%，220V慢充需要9h。比亚迪F3DM中的DM是双模式的意思，意味着该车有两种主要工作模式：纯电动模式（EV）和混合动力模式（HEV）。,F3DM模式切换按钮,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.2比亚迪F3DM插电式混合动力汽车,比亚迪F3DM结构:,比亚迪F3DM整车结构,发动机舱内元件分布,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.2比亚迪F3DM插电式混合动力汽车,比亚迪DM系统工作模式,EV工作模式,HEV工作模式A,动力电池提供电能，由电动机M2驱动车辆行驶。,发动机工作在最佳状态，直接驱动车辆，电动机随发动机转动，用于发电，为动力电池充电。,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.2比亚迪F3DM插电式混合动力汽车,比亚迪DM系统工作模式,HEV工作模式B,HEV工作模式C,需要较高动力输出的模式下，发动机和电机M2一起驱动车辆，提供更高的输出功率。,在电量比较低而动力输出也较低的模式下，发动机带动电机M1（此时作为发电机）发电，电机M2利用电机M1发电驱动车辆，多余电能将存储在动力电池内。,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.2比亚迪F3DM插电式混合动力汽车,F3DM技术参数,主要部件性能参数,整车性能参数,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.3宇通插电式混合动力客车,客车车载电源系统宇通客车投入大量精力研制新型能源汽车，其中ZK6125CHEVPG1、ZK6125CHEVPG2等型号汽车为插电式混合动力客车，节油率达50%以上，节能减排效果达到国内领先水平。动力电池普遍采用的是磷酸铁锂电池，能量密度112Wh/kg，超级电容的功率密度3500W/kg，效率为95%。,宇通新能源客车,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.3宇通插电式混合动力客车,客车混合动力系统,宇通插电式客车驱动系统,该混联式混合动力客车兼并串联式和并联式结构的优点，能够实现低速纯电动起步和大功率制动能量回收，避免了发动机低速、低负荷工况的低效率运行及频繁制动的能量损失，更适合于城市工况运行的动力系统结构类型。,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.3宇通插电式混合动力客车,基于新型混联式混合动力系统的结构特点，以能量流的路径对该系统的工作模式进行划分：,纯电动模式：车辆处于低速工况或者低排放区域，且电池电量处于较高水平，离合器分离，由电机单独驱动。串联式联合驱动模式：车辆处于低速且高负荷工况，电池电量处于中等水平，离合器分离，APU与电池联合给电机供电。串联式行车充电模式：车辆处于低速工况，且电池电量处于较低水平，离合器分离，APU提高驱动功率而且给电池充电。发动机单独驱动模式：车辆处于发动机最佳转速区域，离合器接合，发动机单独驱动。,3.3插电式混合动力电动汽车的典型案例,3.3.3宇通插电式混合动力客车,并联式联合驱动模式：车辆处于较高车速且负荷不断增加，发动机与电机联合进行驱动。并联式行车充电模式：车辆处于较高车速，负荷较低，电池电量低于中低水平，发动机除了进行驱动外还给电池充电。再生制动模式：当车辆处于制动或减速滑行时，利用电机进行能量回收。,客车技术参数,宇通ZK6125CHEVPG1客车参数,3.4增程式电动汽车系统及典型案例,3.4.1增程式电动汽车系统及典型案例,增程器是EREV驱动系统的关键组件，可以提供电能，增加电动汽车的行驶里程。增程器是EREV驱动系统的关键组件，它只提供电能，用来驱动电动机或者为动力电池充电。,增程式电动汽车动力系统由电驱动系统、发动机/发电机系统、功率分配装置、动力电池等组成。,增程式电动汽车动力系统结构注：粗线表示机械连接，细线表示电气连接，虚线表示CAN总线连接,1、需求功率比较大,2、在增程模式下,3、停车时,功率分配装置会直接将电能传递给驱动控制装置，驱动车辆行驶，不经过电池管理系统。根据车辆功率需求，驱动控制系统中的逆变器将直流电转化成三相交流电，驱动电动机运转。,如果增程模块提供的电能有剩余，则多余的电能将为动力电池充电，动力电池在增程模式下起到平衡系统充电和放电的作用，稳定系统电压。,停车时，可以通过外接充电装置为动力电池充电。此外，动力系统提供的电能要满足附件功率的需求，如散热器、风扇、空调压缩机等。,3.4增程式电动汽车系统及典型案例,3.4.1增程式电动汽车的增程器,不同工况牵引力驱动控制的功率分配:,3.4增程式电动汽车系统及典型案例,3.4.1.1增程器的分类,增程器（RangeExtender，RE）是增程式电动汽车最重要的组件之一，它与车辆的性能、油耗、燃油替代、原始成本和运行成本密切相关，增程器分类方法如下：(1)按结构分类：1）大容量动力电池增程器优点：便于统一标准和规格缺点：能量密度较低研发周期短体积偏大成本低短距离行驶时的优势明显不足容易实现量产,3.4增程式电动汽车系统及典型案例,3.4.1.1增程器的分类,2）燃料电池增程器,为了达到尽量避免使用燃油、实现零排放的目标，燃料电池增程器成为一种新的选择。,氢燃料电池增程器系统整体结构,燃料电池增程器的动力结构,目前燃料电池增程器需要克服的技术问题：、要求空压机体积小、重量轻，并需要良好的散热装置；、要求压缩机具有较大的空气压缩比，同时保证输出的空气流量相对较小3）发动机/发电机组增程器发动机/发电机组增程器可以采用多种发动机与发电机组合成为增程式系统，是目前应用最多和技术最成熟的增程系统,3.4增程式电动汽车系统及典型案例,3.4.1.1增程器的分类,(1)按布置位置分类：,3.4增程式电动汽车系统及典型案例,3.4.1.2EREV的能量管理系统,EREV的控制策略可以分为两部分：一部分与纯电动汽车一样为纯电动行驶时候的控制策略；另一部分是增程模式下的控制策略，此时的控制策略要最大限度地降低能量转化带来的能量损耗。为了使两种能源得到最佳的组合和协调运行，对EREV控制策略的要求如下：,纯电动模式和增程模式的切换控制要合理，充分利用动力电池驱动，实现零排放。防止对动力电池的过充电和过放电，避免频繁充放电，延长动力电池的使用寿命。在启动增程模式下运行后，发动机的起停控制要合理。发动机长期不用的时候，要设置成动力电池在SOC值最低的时候也能运行的特殊控制模式，以使长期不用的发动机/发电机组得到维护保养。,3.4增程式电动汽车系统及典型案例,3.4.2增程式电动汽车的典型案例,通用Volt增程式电动汽车在现有的EREV内，最具有代表性的车型是雪佛兰的Volt。宝马i3增程式电动汽车也备受关注。,Volt车载电源系统:采用容量16kWh的锂电子动力电池，充满电就能够满足64km的续驶要求，同时保证其SOC不会降到30%。Volt混合动力系统在纯电动模式下，Volt不燃烧汽油，