汽车拖拉机学-第十章第课.ppt

汽车拖拉机学 讲授内容 第1课混合动力电动汽车 第十章电动汽车技术 主讲人 邓晓亭讲师 21 24 汽车拖拉机学 课件 1 第十章电动汽车技术 第1课混合动力电动汽车第2课蓄电池与燃料电池电动汽车 本章内容安排 21 24 汽车拖拉机学 课件 2 本节课的主要内容 第十章电动汽车技术 第1课混合动力电动汽车 一 前言二 电动汽车的定义和分类三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 21 24 汽车拖拉机学 课件 3 一 前言 21 24 汽车拖拉机学 课件 4 汽车 工程车辆 农用车辆的普遍应用 尾气排放 能源消耗严重 环境污染严重能源危机 人们交通便捷 节省劳动力 生活环境变差 气候不稳定 资源消耗过度 第十章电动汽车技术 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 5 问题是我们能否不用这些工具呢 答案 不能这些工具已经成为我们生活中不可或缺的一部分 一 前言 第十章电动汽车技术 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 6 混合动力电动车蓄电池电动车燃料电池电动车 问题的解决办法 电动车 减少车辆尾气的排放 减少能源的消耗 一 前言 第十章电动汽车技术 第1课混合动力电动汽车 二 电动汽车的定义和分类 21 24 汽车拖拉机学 课件 7 电动汽车是电力驱动的车辆 由电动机 功率变换器和蓄电池组成其核心部分 其动力部分的特性与内燃机有本质的不同 电动车不仅仅是交通工具 而且是一个新的社会系统 它涵盖了电力电子工程 机械和汽车工程 化学工程 电力能源系统 交通运输工程以及环境工程等等方面 第十章电动汽车技术 1 电动汽车的定义 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 8 根据所使用的动力源不同 电动汽车大致可分为三类 混合动力电动汽车 HybridElectricVehicle HEV 蓄电池电动汽车 BatteryElectricVehicle EV 以氢气为能源的燃料电池电动汽车 FuelCellElectricVehicle FCEV 二 电动汽车的定义和分类 第十章电动汽车技术 2 电动汽车的分类 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 9 混合动力电动车是电动车的一种 国际电工委员会 IEC 电动车技术委员会对混合动力电动车的定义为 有多于一种能量转换器能提供驱动动力的混合型电动车 此外 也有学者对混合动力电动车作如下定义 车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的驱动系统联合组成的 车辆的行驶功率需求由单个驱动系统单独或多个驱动系统共同提供的车辆 二 电动汽车的定义和分类 第十章电动汽车技术 2 电动汽车的分类 1 混合动力电动汽车 HybridElectricVehicle 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 10 二 电动汽车的定义和分类 第十章电动汽车技术 混合动力电动车 HybridElectricVehicle 简称HEV 是在一辆车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元 AuxiliaryPowerUnit 简称APU 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 目前HEV所采用的原动机一般为柴油机 汽油机或燃汽轮机 2 电动汽车的分类 1 混合动力电动汽车 HybridElectricVehicle 丰田Prius驱动系统结构图 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 11 二 电动汽车的定义和分类 第十章电动汽车技术 2 电动汽车的分类 2 蓄电池电动汽车 BatteryElectricVehicle 蓄电池电动汽车是完全由二次电池 如铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池或锂离子电池 提供动力的车 由于一次石化能源的日趋缺乏 蓄电池电动汽车被认为是车辆工业的未来 动力电池组输出电能驱动电机 从而推动车辆行驶 电池的电能通过充电系统在车辆行驶一定的里程后进行补充 蓄电池电动汽车的突出优点在于用户端真正实现了 零排放 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 12 二 电动汽车的定义和分类 第十章电动汽车技术 2 电动汽车的分类 2 蓄电池电动汽车 BatteryElectricVehicle 蓄电池电动汽车结构布置图 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 13 二 电动汽车的定义和分类 第十章电动汽车技术 2 电动汽车的分类 3 燃料电池电动汽车 FuelCellElectricVehicle 燃料电池电动汽车是以燃料电池作为动力源的电动车 燃料电池是利用氢气和氧气 或空气 在催化剂的作用下直接经电化学反应产生电能的装置 具有能量转化率高 无污染 只有水作为排放物 使用寿命长的优点 燃料电池电动车就是利用这种电能实现车辆驱动 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 14 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 1 混合动力电动汽车的优点 较之蓄电池电动汽车 HEV具有如下的优点 1 由于有原动机作为辅助动力 电池的数量和质量可减少 因此汽车自身重量可以减小 2 汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平 3 借助原动机的动力 可带动空调 真空助力 转向助力及其它辅助电器 无需消耗电池组有限的电能 从而保证了驾车和乘坐的舒适性 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 15 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 1 混合动力电动汽车的优点 第十章电动汽车技术 较之内燃机汽车 HEV则具有如下的优点 1 可使原动机在最佳的工况区域稳定运行 避免或减少了发动机变工况下的不良运行 使得发动机的排污和油耗大为降低 2 在人口密集的商业区 居民区等地可用纯电动方式驱动车辆 实现零排放 3 可通过电动机提供动力 因此可配备功率较小的发动机 并可通过电动机回收汽车减速和制动时的能量 进一步降低了汽车的能量消耗和排污 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 16 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 2 混合动力电动汽车的分类 第十章电动汽车技术 基于各个组成部件 布置方式的不同 从而形成各式各样的结构 依据这些结构分类 可以分为 串联型 SeriesSchedule 又称SHEV 并联型 ParallelSchedule 又称PHEV 混联型 Series ParallelCombinedSchedule 又称PSHEV 根据驱动系统的配置及动力传递方式 发动机连续运行模式 发动机开 关模式 根据发动机运行模式的不同 双轴式 单轴式 根据发动机和电动机是否布置在同一轴线上 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 17 更为逻辑的分类方法 根据电动系统的功率和功能 微混合 MicroHybrid 弱混合 MildHybrid 全混合 FullHybrid 轻度混合型 MildHybridVehicle MHV 功率混合型 PowerHybridVehicle PHV 能量混合型 EnergyHybridVehicle EHV 基于任务分类的现代分类方法 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 2 混合动力电动汽车的分类 第十章电动汽车技术 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 18 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 3 混合动力电动汽车的工作过程 1 串联式驱动 SHEV 系统 串联式混合动力驱动系统结构简图 串联式驱动系统其APU由原动机和发电机组成 通常将这两个部件集成为一体 原动机带动发电机发电 其电能通过控制器直接输送到电动机 由电动机产生驱动力矩驱动汽车 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 19 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 3 混合动力电动汽车的工作过程 1 串联式驱动 SHEV 系统 串联式混合动力电动汽车基本结钩 电池实际上起平衡原动机输出功率和电动机输入功率的作用 当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时 如汽车减速滑行 低速行驶或短时停车等工况 控制器控制发电机向电池充电 当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时 如汽车起步 加速 高速行驶 爬坡等工况 电池则向电动机提供额外的电能 第1课混合动力电动汽车 21 24 汽车拖拉机学 课件 20 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 3 混合动力电动汽车的工作过程 1 串联式驱动 SHEV 系统 串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况的影响 始终在其最佳的工作区稳定运行 并可选用功率较小的发动机 因此 可使汽车的油耗和排污降低 串联式驱动 SHEV 系统的优点 串联式混合动力电动汽车特别适用于在市内低速运行的工况 在繁华的市区 汽车在起步和低速时还可以关闭原动机 只利用电池进行功率输出 使汽车达到零排放的要求 第1课混合动力电动汽车 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 3 混合动力电动汽车的工作过程 2 并联式驱动 PHEV 系统 并联式混合动力电动汽车基本结构 左图为并联式驱动系统结构示意图 汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动 当电动机只是作为辅助驱动系统时 功率可以比较小 21 24 汽车拖拉机学 课件 21 第1课混合动力电动汽车 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 3 混合动力电动汽车的工作过程 2 并联式驱动 PHEV 系统 与串联式结构相比 并联式驱动系统中发动机通过机械传动机构直接驱动汽车 其能量的利用率相对较高 这使得并联式燃油经济性比串联式的高 并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况 由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响 因此不适于汽车行驶工况变化较多 较大 相比于串联结构式 需要变速装置和动力复合装置 传动机构较为复杂 并联式驱动 PHEV 系统的优点 21 24 汽车拖拉机学 课件 22 第1课混合动力电动汽车 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 3 混合动力电动汽车的工作过程 3 混联式驱动 PSHEV 系统 混联式混合动力驱动系统结构简图 21 24 汽车拖拉机学 课件 23 第1课混合动力电动汽车 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 3 混合动力电动汽车的工作过程 3 混联式驱动 PSHEV 系统 混联式混合动力电动汽车基本结构 混联式驱动系统是串联式与并联式的综合 发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥 另一部分则驱动发电机发电 发电机发出的电能输送给电动机或电池 电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥 21 24 汽车拖拉机学 课件 24 第1课混合动力电动汽车 混联式驱动系统的控制策略是 在汽车低速行驶时 驱动系统主要以串联方式工作 当汽车高速稳定行驶时 则以并联工作方式为主 混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点 能够使发动机 发电机 电动机等部件进行更多的优化匹配 从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统在最优状态工作 所以更容易实现排放和油耗的控制目标 因此是最具影响力的HEV 与并联式相比 混联式的动力复合形式更复杂 因此对动力复合装置的要求更高 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 3 混合动力电动汽车的工作过程 3 混联式驱动 PSHEV 系统 21 24 汽车拖拉机学 课件 25 第1课混合动力电动汽车 三 混合动力电动汽车的分类及其工作过程 第十章电动汽车技术 3 混合动力电动汽车的工作过程 3 混联式驱动 PSHEV 系统 目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架 右图为丰田公司Prius车的驱动系统结构示意简图 它的驱动系统被公认为目前最成功的结构 21 24 汽车拖拉机学 课件 26 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 1 动力混合度 这样无需做具体测试而只需发动机和电机的最大功率等基本性能参数 就能计算出混合动力传动系统的动力混合度 并进行不同混合动力电动汽车之间的对比 这里引进一个动力混合度 DegreeofHybridization 来评价传动系统的动力混合程度 其计算公式如下 式中 为驱动电机 及其控制器 的最大功率 为汽车发动机的最大功率 21 24 汽车拖拉机学 课件 27 第1课混合动力电动汽车 不同混合动力电动汽车的混合度比较 目前国外生产的混合动力电动汽车的不同混合度如下表所示 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 1 动力混合度 21 24 汽车拖拉机学 课件 28 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 1 动力混合度 1 微混合型 BSG Belt drivenIntegratedStartedGenerator 是典型的微混合型 它采用皮带驱动起动 发电机一体化 在发动机前端用一个皮带传动的机构 将交流发电机和发动机联结起来 并把起动机 starter 同样连接在交流发电机的机构中 节省了内部空间 微混合型混合动力电动汽车在三种型式中动力混合度最小 应用的电动机功率比较小 10kW以下 系统电压比较低 多为12V 24V 车辆所需的大部分功率靠内燃机提供 电动机只能起到怠速起停和部分再生制动的功能 因此在降低油耗和改善排放方面的能力也有限 一般为5 10 21 24 汽车拖拉机学 课件 29 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 1 动力混合度 1 微混合型 丰田公司的CROWN混合动力电动汽车是最早采用该系统的 目前我国奇瑞汽车有限公司也开发生产了BSG微混合型混合动力电动汽车 丰田Crown轿车混合动力系统简图 21 24 汽车拖拉机学 课件 30 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 1 动力混合度 2 弱混合型 弱混合型所采用驱动电机的功率为10 20kW 系统电压多处于50 200V 电动机除了起到怠速起停 能量制动回馈的功能外 还可以助力 在改善燃油经济性和排放方面的潜力都要比微混合型大 本田Insight和Civic混合动力电动汽车都属于弱混合型 采用了独具特色的混合动力系统 集成电机辅助动力系统 IntegratedMotorAssist IMA 21 24 汽车拖拉机学 课件 31 第1课混合动力电动汽车 Insight动力总成 IMA 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 1 动力混合度 2 弱混合型 IMA 发动机作为主动力源 10kW左右的一体化起动 发电机 IntegratedStarterGenerator ISG 为辅助动力源 ISG直接安装在内燃机曲轴输出端 与内燃机合为 集成电机辅助动力系统 21 24 汽车拖拉机学 课件 32 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 1 动力混合度 3 全混合型 日本丰田公司所生产的混合动力电动汽车Prius Camry Highlander和福特公司所生产的Escape都是典型的全混合型混合动力电动汽车 全混合型的混合度是三种混合方式中最高的 驱动电机的功率能够达到30 70kW 系统电压最高 21 24 汽车拖拉机学 课件 33 第1课混合动力电动汽车 混联式驱动系统结构简图 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 1 动力混合度 3 全混合型 丰田公司目前生产新Prius采用的是行星齿轮系统 左图 系统采用53kW 1 5L的汽油机 50kW的驱动电机 202V的镍氢电池组 系统电压达到500V 其动力性达到了1 8L汽油机的水平 而百公里油耗只相当于同类汽车的一半 尾气排放只有日本运输省严格规定值的1 10左右 21 24 汽车拖拉机学 课件 34 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 1 动力混合度 3 全混合型 新款Prius 1 5L混合动力 和Corrolla 1 8L 的油耗对比 21 24 汽车拖拉机学 课件 35 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 2 混合动力车动力系统的耦合方式 以两动力源为例 设动力源1 发动机 的输出扭矩为 输出转速为 动力源2 电动机 的输出扭矩为 输出转速为 耦合后的输出扭矩为 输出转速为 动力耦合主要是针对并联或混联式混合动力车的动力系统 根据多个动力源输出动力耦合方式的不同 将HEV动力系统分为扭矩耦合式 转速耦合式 牵引力耦合式和混合耦合式4类 21 24 汽车拖拉机学 课件 36 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 2 混合动力车动力系统的耦合方式 1 扭矩耦合式 扭矩耦合式动力系统是指2个 多个 动力源的输出动力在耦合过程中 两动力源的输出扭矩相互独立 而输出转速必须互成比例 最终的合成扭矩是两动力源输出扭矩的耦合叠加 而合成转速则不是两动力源输出转速的叠加 合成扭矩为 式中 k分别为耦合效率和从动力源2到动力源1的传动比 依据机械结构的不同 扭矩耦合方式又可分为齿轮耦合 磁场耦合 链或带耦合3种 21 24 汽车拖拉机学 课件 37 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 2 混合动力车动力系统的耦合方式 1 扭矩耦合式 齿轮耦合式HEV传动结构 这种动力耦合方式通过啮合齿轮 组 将多个输入动力合成在一起而输出 深圳明华环保汽车有限公司开发的一款复合电动环保汽车动力转换器就属于此类型 见左图 齿轮耦合式 21 24 汽车拖拉机学 课件 38 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 2 混合动力车动力系统的耦合方式 2 转速耦合式 转速耦合式动力系统是指2个 多个 动力源的输出动力在耦合过程中 两动力源的输出转速相互独立 而输出扭矩必须互成比例 最终的合成转速是两动力源输出转速的耦合叠加 合成扭矩则不是两动力源输出扭矩的叠加 p q由耦合器的结构确定 依据驱动结构的不同 转速耦合方式又可分为行星齿轮式和差速器式两种 21 24 汽车拖拉机学 课件 39 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 2 混合动力车动力系统的耦合方式 2 转速耦合式 行星齿轮耦合式HEV传动结构 式中 为从发动机轴到太阳轮轴的传动比 为从电机轴到齿圈的传动比 k为齿圈齿数与太阳轮齿数的比值 为内部功率损失折算数 行星齿轮式 21 24 汽车拖拉机学 课件 40 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 2 混合动力车动力系统的耦合方式 2 转速耦合式 差速器式 差速器耦合式传动结构 差速器实际上是行星齿轮系k 1时的一种特殊情况 对一般差速器 将动力分解 对此逆用即可实现动力的耦合 湖南大学开发的一款HEV的动力耦合方式即是这一类型 见左图 21 24 汽车拖拉机学 课件 41 第1课混合动力电动汽车 四 混合动力电动汽车动力系统的耦合方式 第十章电动汽车技术 2 混合动力车动力系统的耦合方式 3 牵引力耦合式 牵引力耦合式HEV传动结构 21 24 汽