混合动力电动汽车2.ppt

项目二混合动力电动汽车,学习目标熟悉混合动力电动汽车的基本概念；了解混合动力电动汽车的分类，并明确混合动力电动汽车的优缺点。学习任务描述通过本次学习，了解混合动力电动汽车的基本概念，明确混合动力电动汽车与传统汽车的区别；了解混合动力电动汽车的不同分类方式；明确混合动力电动汽车在新能源汽车发展中的优势与劣势。,学习任务,1.混合动力电动汽车的基础知识2.混合动力电动汽车的主要结构形式3.混合动力电动汽车能量管理4.混合动力电动汽车的关键技术5.混合动力电动汽车的实例,学习任务,1.混合动力电动汽车的基础知识2.混合动力电动汽车的主要结构形式3.混合动力电动汽车能量管理4.混合动力电动汽车的关键技术5.混合动力电动汽车的实例,引导问题1：什么是混合动力电动汽车？,混合动力汽车通常是指由不同动力源驱动的汽车，包括油电混合动力汽车、气电混合动力汽车。目前天然气汽车通常也是油气混合动力的一种。本文主要介绍油电混合动力汽车。混合动力电动汽车（HybridElectricalVehicle，简称HEV）是指同时装备两种动力来源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力电动汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。,引导问题1：什么是混合动力电动汽车？,混合动力电动汽车是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种车型，是内燃机汽车向纯电动汽车过渡的车型。混合动力电动汽车尽管不能实现零排放，但其动力性、经济性以及排放等性能能够在一定程度上缓解汽车发展与环境污染、能源危机的矛盾。与传统汽车的最大区别在于其动力系统，混合动力电动汽车通常至少拥有两个动力源和两个能量储存系统。混合动力电动汽车（视频）,引导问题1：什么是混合动力电动汽车？,根据2010年颁布的QC/T8372010混合动力电动汽车类型，混合动力电动汽车的有多种分类方式：根据驱动系统能量流和功率流的配置结构关系，混合动力电动汽车可分为串联式、并联式、混联式。按照两种不同能量的搭配比例不同，混合动力电动汽车可分为微混合型、轻度混合型、中度混合型及重度混合型。按照外接充电能力，混合动力电动汽车分为可外接充电型（插电式）、不可外接充电型。,引导问题2：混合动力电动汽车有哪些分类？,引导问题3：混合动力电动汽车的优缺点各有哪些？,优点分析：混合动力技术被公认为是目前最可行、最现实的节能技术，而混合动力电动汽车也是目前世界上唯一能实现量产的节能环保型汽车，这是混合动力电动汽车的最大优势所在，具体地：1.排放性能良好2.动力性能佳3.耗油量低4.对电池的性能要求相对较低,引导问题3：混合动力电动汽车的优缺点各有哪些？,缺点分析：由于混合动力电动汽车仍需要燃烧汽油，因此无法从根本上摆脱对石油的依赖和彻底解决环保问题，也因此混合动力电动汽车没有太大的市场号召力。混合动力系统的生产成本比内燃发动机系统的成本更高。混合动力车需要配置普通汽车并不需要的昂贵配件，例如庞大笨重的电池组、电力发动机以及精密的电子控制模板。另外受限于动力电池与能量储存等技术难题，以及充换电站等基础配套设施目前未完善，混合动力电动汽车要得到大规模发展尚需要一定的时间。,学习任务,1.混合动力电动汽车的基础知识2.混合动力电动汽车的主要结构形式3.混合动力电动汽车能量管理4.混合动力电动汽车的关键技术5.混合动力电动汽车的实例,引导问题1：串联式混合动力电动汽车的功能结构,串联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机和电动机三个动力总成，以串联方式组成其动力单元系统。下图为串联式混合动力电动汽车的功能原理图。,引导问题1：串联式混合动力电动汽车的功能结构,串联式混合动力电动汽车功能部件分布,引导问题1：串联式混合动力电动汽车的功能结构,串联式的工作模式通常有三种：纯电动模式、纯发动机模式、混合模式。纯电动模式即发动机关闭，车辆行驶完全依靠电池组供电驱动；纯发动机模式则仅在发动机运行情况下驱动车辆，蓄电池电力充足时作为储备，不足时，发动机同时为其充电；混合模式，即整车动力是通过发动机与电池组共同提供。,引导问题1：串联式混合动力电动汽车的功能结构,串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，主要用于客车。下图为中通串联式混合动力电动公交车。,引导问题2：并联式混合动力电动汽车的功能结构,并联式混合动力电动汽车的功能结构图,并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。,并联型HEV的特点：汽车可由发动机和电动机共同驱动或者各自单独驱动。发动机和电机是两个相互独立的系统，即可实现纯电动行驶，又可实现内燃机驱动行驶，在功率需求较大时还可以实现全混合动力行驶，在停车状态下可进行外接充电。但以何种方式将两处动力得到融合呢？并联式混合动力电动汽车可以两动力源的转矩、转速、功率为对象进行耦合。按耦合对象不同，可分为转矩耦合、转速耦合、转速与转矩耦合。从结构上而言，则主要有两轴式、单轴式结构。,引导问题2：并联式混合动力电动汽车的功能结构,在这种结构中，传动装置通常设计在电动机后端，电动机通过离合器与发动机相连，要实现同步调节，电动机与发动机的转速范围必须一致，因此仅适用于小型电动机。,1.转矩耦合,两轴式转矩耦合结构,另一种转矩耦合两轴结构形式为分离轴设计，电动机与发动机分别为车辆提供动力。其发动机传动系统结构形式与常规汽车一样，仅是将电动机作为另一动力源对车辆输出转矩。此种结构会减少车辆的乘座空间，且不能实现发动机对蓄电池充电。,1.转矩耦合,分离轴结构,转矩耦合的单轴式并联混合动力电动汽车，通常有两种结构形式，如右图所示。两种结构形式最大的区别在于电动机与传动装置的位置关系，且此时采用的电动机兼具发电机功能，且其转子起着转矩耦合的作用。,1.转矩耦合,对于转速耦合的并联式混合动力电动汽车而言，其关键的两种转速耦合部件：一是行星齿轮机构，二是具有浮动定子的电动机（也称为传动电动机），,2.转速耦合,两种转速耦合部件,转速耦合混合动力电动汽车的主要优点在于两种动力装置的转速是解耦的，因此二者的转速是可以自由地进行调节。,2.转速耦合,行星齿轮机构转速耦合并联式混合动力电动汽车结构,2.转速耦合,传动电动机转速耦合的混合动力电动汽车结构,将转矩耦合与转速耦合相结合，形成复合型混合动力驱动系统。这种驱动系统下转矩耦合与转速耦合状态可交替运行。,3.转矩耦合与转速耦合,配置行星齿轮机构的复合型混合动力驱动系结构,3.转矩耦合与转速耦合,配置传动电动机的复合型混合动力驱动系统结构,3.转矩耦合与转速耦合,本田IMA系统是非常典型的并联式混合动力系统，至今已发展到第六代并应用在本田最新的CR-Z、思域、飞度等车型上。IMA系统由4个主要部件构成，其中包括：发动机、电机、CVT变速箱以及IPU智能动力单元组成。,应用IMA动力系统的本田CR-Z,混联式混合动力电动汽车为转矩与转速耦合复合型的动力系统，它具有优于串联式和并联式（单一转矩或转速耦合）混合动力驱动系统的优点。,引导问题3：混联式混合动力电动汽车的功能结构,混联式混合动力电动汽车的功能结构图,混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式的结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式混合动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。唯一的缺点就是价格高，结构复杂。混联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。,引导问题3：混联式混合动力电动汽车的功能结构,引导问题3：混联式混合动力电动汽车的功能结构,混联式混合动力电动汽车的结构实例,学习任务,1.混合动力电动汽车的基础知识2.混合动力电动汽车的主要结构形式3.混合动力电动汽车能量管理4.混合动力电动汽车的关键技术5.混合动力电动汽车的实例,引导问题1：混合动力电动汽车能量管理,能量管理是混合动力电动汽车的核心，其功能在于，当满足汽车基本技术性能（动力性、平顺性等）、成本等要求的前提下，根据各部件特性及汽车的行驶工况，实现能量在能源转换（发动机、电动机、储能装置、功率变换装置、动力传递装置、发电机等）之间的最佳线路流动，使整车的能源利用率达到最优，提高整车的燃油经济性。混合动力电动汽车的能量转换装置包括发电装置（发动机/发电机）、动力电池、功率变换装置、动力传递装置、充放电装置等。能量传统路线通常有四类：由发电装置到车轮；由动力电池到车轮；由发电装置到能量储存装置，再到车轮；由车轮到能量储存装置（能量回收）。,引导问题2：混合动力电动汽车的运行模式,从能源消耗与排放的角度，混合动力电动汽车须满足以下要求：车辆应根据行驶工况对能量的需要，合理分配发动机与动力电池的能量，达到最佳的燃料消耗与排放效果；在复杂行驶工况下，尽可能减少发动机工作转速的变化、关闭与起动的次数，尽量避免发动机在低于一定转速和负荷时运行；从动力电池的使用寿命的角度，混合动力电动汽车还须保证动力电池的SOC与电压在安全范围内。,引导问题2：混合动力电动汽车的运行模式,根据动力电池与发动机在运行过程中能量供应的主次，混合动力电动汽车主要有两种运行模式：第一种主要利用动力电池的电能驱动车辆。仅当电池SOC降低于最小限值时，发动机才运行，且保证发动机在最高效率区以输出恒定功率的方式工作，当动力电池SOC升至最大限值时，发动机停机。这种模式下，发动机的启闭出现在车辆的行驶过程中，较为频繁时，影响发动机的工作效率。第二种模式下，发动机在行驶过程中起到主要作用，发动机带动发电机工作并尽可能供应车辆行驶所需的电能，同时保持动力电池SOC处于规定范围内。动力电池起负荷调节的作用，仅在制动能量回收、起动、加速条件下发挥作用。这种模式下，电池的充放电量较小，能量损失最小。但发动机不能在最佳转速和负荷下工作，排放差，效率也较低。,引导问题3：混合动力电动汽车的能量控制策略,根据不同结构形式的混合动力电动汽车特点，其能量管理的侧重有所不同：1串联式混合动力电动汽车能量管理控制策略发动机要经由电动机才能将动力传递给车轮，整车的控制策略目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作，主要采用静态逻辑门限控制策略，较为典型的有恒温模式（发动机开关控制策略）、峰值电源最大荷电状态的控制策略2并联式混合动力电动汽车能量管理控制策略实际是在一定约束条件下的燃油与排放的最优控制疸。,引导问题3：混合动力电动汽车的能量控制策略,3混联式混合动力电动汽车能量管理控制策略低速行驶时，驱动系统采用串联式混合动力电动汽车能量控制策略；高速行驶时，驱动系统采用并联式混合动力电动汽车能量控制策略。由于混联式混合动力电动汽车能量控制综合了串联式与并联式的特点，因此这也成为了目前应用成功的混合动力电动汽车采用较多结构类型。此法能较好地实现汽车各项性能指标，使发动机不受汽车行驶状况的影响，保持在最高效率状态下工作或自动关闭，从而有效降低排放。但是这些能量控制策略技术复杂，配套的硬件设计与制造成本也较高。,学习任务,1.混合动力电动汽车的基础知识2.混合动力电动汽车的主要结构形式3.混合动力电动汽车能量管理4.混合动力电动汽车的关键技术5.混合动力电动汽车的实例,引导问题1：混合动力电动汽车的关键技术有哪些？,混合动力电动汽车是集整车技术、电力拖动、新能源及新材料等高新技术于一体的高新集成产物。为实现其高效能、低排放目标，行业内混合动力电动汽车技术发展集中于发动机、动力电池与能量管理、电机及其驱动控制、整车技术等方面。本田混合动力电动汽车系统演示（视频）,引导问题2：发动机,由于混合动力电动汽车发动机需要频繁起动或关闭，为满足严格的排放标准，混合动力车用发动机设计目标从传统发动机追求的高功率转向了高效率，将功率的调峰任务交由驱动电机完成。从发动机技术的发展历史来看，自四冲程内燃机诞生至今，如何提高发动机的效率是发动机工程师们一直努力研究的课题。,目前采用内燃机的混合动力系统基本上都对其发动机进行了重新设计或重大改进。例如丰田的Prius的1.5L汽油机采用高效率、高膨胀比阿特金森工作循环、紧凑型倾斜式挤气燃烧室以及铝合金缸体，并结合了可变气门正时技术另外，混合动力电动汽车还可以选用燃气轮机、斯特林发动机或燃气发动机等其他热机，利用它们各自的优势，可以构成不同特点的混合动力系统。,引导问题2：发动机,引导问题2：发动机,Prius1.5L发动机,丰田CAMRY混合动力版,动力电池必须同时具有高能量密度、高功率密度的特点，以便车辆在加速或爬坡时能提供较大的峰值功率。混合动力电动汽车对动力电池的具体要求如下：1.大功率充放电的能力。2.充放电效率。3.混合动力系统的电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定。此外，作为车用动力电池，还有一些基本要求电压、质量比能量和体积比能量、免维护性以及成本。,引导问题3：动力电池与能量管理,目前，镍氢电池和锂离子电池己经可以达到混合动力电动汽车的使用要求，但仍有价格高或寿命不长等缺陷。Prius即采用镍氢电池，国内比亚迪采用其自主研发的锂离子电池，因采用的材料含Fe，其命名为铁电池。,引导问题3：动力电池与能量管理,丰田公司在最新款插电式Prius首次采用了锂离子电池作为其蓄电池，为整车提供动力。,除了动力电池外，各大汽车公司亦开发了其它类型的混合动力电动汽车储能技术：1.飞轮电池。飞轮电池有比能量高、比功率大、充电快、寿命长、无污染等优点，但目前技术难度和成本都较高。,引导问题3：动力电池与能量管理,飞轮电池的结构,除了动力电池外，各大汽车公司亦开发了其它类型的混合动力电动汽车储能技术：1.飞轮电池。飞轮电池有比能量高、比功率大、充电快、寿命长、无污染等优点，但目前技术难度和成本都较高。2.超级电容。超级电容虽然能量密度较低，但却拥有很高的功率密度，能在瞬时提供很大的电流和功率，同时寿命长、效率高、充电快，是混合动力系统中很有前途的一种瞬时供能装置。,引导问题3：动力电池与能量管理,飞轮电池的储能原理,引导问题3：动力电池与能量管理,电池能量管理是整车能量管理系统的一部分。整车能量管理策略的实施要依赖电池管理系统对电池状态的判别和对电池性能的维护。电池管理系统的主要功能有防止电池过充电或过放电判定荷电状态选择适当的充电或放电模式对电池进行均衡充电控制并且平衡电池组的工作温度。从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面：一是研究电池内部的连接、检测、监控。二是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。三是电池的热能管理及剩余电量管理。此外，电池的剩余电量直接影响混合动力电动汽车的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。,引导问题4：电机及其控制技术,电机是混合动力电动汽车驱动轮动能的直接来源，混合动力电动汽车要求其电机具备性能稳定、质量轻、尺寸小、转速范围宽、效率高、电磁辐射量小、成本低等特点。从整车性能的角度，要求电机峰值功率要具备起动发动机能力、电驱动能力、整车加速能力、制动能量回收能力。目前，混合动力电动汽车具使用的电机主要有直流永磁电机、永磁无刷同步电机、交流异步电机、开关磁阻电机等，,引导问题4：电机及其控制技术,丰田Prius电动机及发电机实物,丰田Prius采用的是同步交流永磁电动机作为电动机，采用同步交流发电机作为电池充电，,引导问题4：电机及其控制技术,混合动力电动汽车电机特性比较,学习任务,1.混合动力电动汽车的基础知识2.混合动力电动汽车的主要结构形式3.混合动力电动汽车能量管理4.混合动力电动汽车的关键技术5.混合动力电动汽车的实例,引导问题1：丰田Prius介绍（视频：试驾普锐斯）,丰田Prius是日本汽车制造商丰田旗下的一款全混合动力电动中型车。Prius的燃料消耗率为综合值，居世界最高水平。在采用混合动力系统的基础上，以世界最高水平的空气动力特性和轻型化设计，实现了低油耗目标。美国环保署（EPA）的数据显示，丰田Prius是目前美国市场燃油效率最高的汽车。EPA和加州空气资源委员会（CARB）在烟雾和有毒废气排放标准的基础上都将丰田Prius评为美国市场最清洁的汽车。,引导问题2：丰田Prius的结构原理,Prius整车动力部件布置图,引导问题2：丰田Prius的结构原理,Prius动力系统结构原理图,THS分为发动机、带转换器的变频器、带马达的压缩机、动力管理控制单元总成、动力电池总成、传动桥、电机、发电机等功能总成。左图为Prius动力系统结构原理图。结构上，在电动机和发电机之间采用AC500V高压电路传输，可以极大地降低动力传输中电能损耗，高效地传输动力。采用大功率电机输出，提高电机的利用率。当发动机工作效率低时，此系统可以将发动机停机，车辆依靠电机动力行驶。极大地增加了减速和制动过程中的能量回收，提高能量的利用率。,引导问题2：丰田Prius的结构原理,Prius带转换器的变频器总成功能组成,变频器（Variable-fr