并联HEV的结构与运行模式分析.doc

电动汽车 并联HEV的结构与运行模式分析 系 别 汽车与交通工程学院 专业班级 车辆1102班 学生姓名 卞月 学 号 3110401043 指导教师 姜顺明 2014年12月 目 录摘要-31、 绪论-31、 引言-32、 混合动力汽车概况-33、 混合动力汽车的分类-4 3.1串联式（SHEV,Series Hybrid Electric Vehicle）-4 3.2并联式（PHEV,Parallel Hybrid Electric Vehicle）-4 3.3混联式（PSHEV,Parallel Series Hybrid Electric Vehicle）-4二、并联式HEV的结构与运行模式分析-51、 并联式混合动力系统PHEV（结构）-5 1.1、单轴式混合动力系统-5 1.2 双轴式并联混合动力系统-6 1.3 前后轴独立驱动的混合动力系统-82、 驱动力在动力混合器中混合的PHEV运行模式-83、 结论-10参考文献-10 摘要 目前，世界上各种汽车的保有量超过7亿辆，每年新生产的各种汽车约5000万辆，按平均每辆汽车年消耗1015桶石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达到80100亿桶，约占世界石油产量的一半以上。按科学家预测，地球上的石油资源如果按目前的消耗水平，石油资源仅仅可以维持60100年。面对石油资源危机，各个国家正在采用开发出气体燃料（天然气、液化石油气等）、醇类燃料、烃类燃料、植物燃料等作为汽油和柴油的代替燃料。20世纪后期各种采用电能和氢气为能源的电动汽车、燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车和氢发动机汽车，正在不断地涌现和快速地进步。1、 绪论1、引言 在国家科技部，国家高技术研究发展计划（“863”计划）中，设立电动汽车重大专项，提出“三纵、三横”的研究布局，这是我国第一次全面、完整地提出有关EV、FCEV和HEV发展和产业化的宏伟纲领。图1-1 电动汽车重大专项提出的“三纵、三横”布局及其组织管理模式2、混合动力汽车（Hybrid-Electric Vehicle，缩写HEV）概况 20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。电池技术问题阻碍了电动汽车的应用，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。 HEV是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种独立车型。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。混合动力装置发动机持续工作时间长，动力性好，电动机无污染、低噪声，热效率可提高10%以上，废气排放可改善30%以上。要求HEV燃料消耗量接近3L/100km左右，废气中所排放的有害气体达到“超低”的排放标准要求。3、混合动力汽车的分类 HEV根据所采用的动力组合装置和不同的组合方法可分为：（1）串联式HEV；（2）并联式HEV；（3）混联式HEV。3.1串联式（SHEV,Series Hybrid Electric Vehicle） SHEV以发动机是主要动力源，在发动机的动力输出轴上装置IGS，相当于发动机的飞轮。然后通过离合器与变速器来驱动车辆，与普通内燃机汽车基本相同。IGS只是作为发动机的起动机和发电机，在有些SHEV上，IGS还参与发动机共同组成混合动力驱动系统来共同驱动车辆。 图1-2 SHEV的结构形式 图1-3 串联式SHEV的布置形式3.2并联式（PHEV,Parallel Hybrid Electric Vehicle） PHEV以发动机和驱动电动机为主要动力总成。发动机是主要动力源，驱动电动机是辅助动力源。PHEV可分为：（1）发动机与驱动电动机并联，两者动力在动力混合器中组合；（2）发动机与驱动电动机并联，两者动力分别带动前、后轮驱动，动力在驱动轮处组合。 图1-4 并联式混合动力汽车结构形式3.2混联式（PSHEV,Parallel Series Hybrid Electric Vehicle） PSHEV以发动机和驱动电动车为主要动力总成，另外在发动机输出轴上还串联或并联一个IGS。发动机是主要动力源，驱动电动机和IGS是辅助动力源。PSHEV分为：（1）发动机（带IGS）与驱动电动机并联，两者动力在动力混合器中组合；（2）发动机（带IGS）与驱动电动机并联，两者动力分别带动前、后轮驱动，动力在驱动轮处组合。 图1-7 混联式混合动力汽车结构形式二、并联式HEV的结构与运行模式分析并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。1、并联式混合动力系统PHEV（结构） PHEV结构上可划分为两种形式，单轴式和双轴式。1.1、单轴式混合动力系统 单轴式结构如图2-1所示，发动机通过主传动轴与变速器相联，电动机的转矩通过齿轮与内燃机的转矩在变速器前进行复合，传到驱动轴上的功率是两者的和。这种形式被称为转矩复合。单轴式结构的速度、转矩关系如下： （1）式中，、分别为发动机、电动机和变速器输入转矩；、分别为变速器输入轴转速、发动机转速和电动机转速；为传动效率；为传动比。 图2-1 单轴式结构 在单轴式结构中，发动机、电动机和变速器输入轴之间的转速成一定的比例关系。在汽车运行中，随着路况和车速的变化，这些转速会随着变化。输出转矩的变化，可以通过公式（1）中的转矩关系，在发动机转矩保持恒定的条件下，通过调节电动机的转矩而获得。 奥迪DUO III 图2-2奥迪DUO III型混合动力系统简图。有两套系统驱动前轮：其一是1.9L的TDI4缸涡轮增压直喷柴油机（额定功率66kW），在发动机和变速器之间有液力自动控制的离合器；其二是三相永磁同步电机（额定功率21.6kW），通过速比2.3的减速器，与5挡手动变速器相连。电动机还可以作为发电机在车辆制动时回收能量，或由柴油机驱动发电。 图2-2 奥迪DUO III混合动力系统 奥迪DUO III有3种操作模式，可以通过开关来切换： a. 纯柴油机驱动模式，这种模式适用于恒速巡航行驶工况。 b. 纯电动机驱动模式，适用于排放敏感区。 c. 混合驱动模式，这是主要的工作模式。车辆的控制系统根据加速踏板的位置和驾驶员希望得到的速度而自动在前面两种模式间切换。在80km/h的速度以下由电机驱动，如果加速踏板的行程不超过某个设定的点，仍将保持在电动模式；如果需要额外的动力，比如超车时，加速踏板行程超过设定点，柴油机自动起动，当转速增加到与所选挡位速度和目前车速相一致时，便可平稳地切换至柴油机驱动模式，而关闭电动机。在所需动力变小时，例如在超车后正常行驶时，车辆控制系统使车辆重新切换到电动模式，然后关闭发动机。 在电动模式下，最高车速80km/h,050km/h加速需要10.5s；电池的容量可以在欧洲城市循环工况(ECE)下行驶36km，以50km/h的恒速行驶50km。实际上车辆在行驶过程中可以随时在电动和发动机驱动两种模式下切换，所以没有行驶里程的限制。通常加油一次可以行驶700km。最高车速170km/h，从静止加速到100km/h需要16s。 1.2 双轴式并联混合动力系统 双轴式结构中（见图2-3），有两套机械变速器：内燃机和电动机各自与一套变速机构相联，然后通过齿轮系进行复合。双轴式是目前最有生命力的结构，随着丰田Prius成功推向市场，采用行星差动系统的结构越来越流行。 图2-3 双轴式结构 行星齿轮动力复合机构，可以实现多个部件转速的复合，而各个部件间的转矩保持一定的比例关系，这种功率复合形式被称为速度复合。行星机构有两个自由度，通过不同离合器和制动器的作用，可以实现单自由度、固定传动比的传动。 丰田Prius行星齿轮混合动力系统 图2-4为丰田公司Prius的驱动系统结构示意简图，在此结构中发动机与行星架相联，通过行星齿轮将动力传给外齿圈和太阳轮，齿圈轴与电动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上，将另一小部分转矩传给发电机，发电机发出的电能将根据指令给电池充电，或用于驱动电动机以增加驱动力。 图2-4 Prius混合动力系统结构通过对行星机构的变速比和受力分析可以得到公式（2）。 （2）式中，为太阳轮齿数与齿圈齿数之比（01）；、分别为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转速；、分别为发动机、发电机、齿圈、电机和驱动轴的转矩；为齿圈与驱动轴间的传动比。这种结构可以通过调节发电机转速使发动机转速变化。此外发动机、发电机的转矩与作用在齿圈上转矩是成一定比例的，传到驱动轴上的转矩是从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩 （为负时代表制动能量回收） 的和。 通过不同制动器和离合器的作用，这套行星差速机构可以实现下面的功能： a. 起动及低速时的电驱动模式； b. 正常行驶时的发动机驱动模式； c. 加速或爬坡时发动机和电动机混合驱动模式； d. 减速或制动时电机作为发电机发电的制动能量回收模式； e. 在电池SOC较低时，发动机可以仅驱动发电机的充电模式。 丰田Prius发动机通过减少燃烧室容积、提高压缩比、延迟进气门的关闭、降低气缸压力，以消除增加压缩比带来的爆震；采用更小、更轻的零部件，以减轻发动机的整体质量。这些改进措施提高了发动机的热效率。使用混合系统让发动机始终工作在高负荷工况，避免了效率较低的低负荷工况，使发动机的平均效率上升50%左右。 1.3 前后轴独立驱动的混合动力系统 丰田汽车公司在原有前轮驱动的THS-C混合动力系统的基础上开发出新型电动四轮驱动系统，命名为E-FOUR，其结构如图2-5所示。前桥由高膨胀比、高热效率的2.4L发动机与无级变速器（CVT）、电动机组成的THS-C混合动力系统来驱动，后桥由电机驱动。这种结构在平时可以采用前驱动，在大功率需求时采用四轮驱动，从而使动力性更好。本结构最大的特点是在湿滑路面上行驶时，当检测到前轮打滑时，前电机变为发电机使用，使前驱动力减小，用后电机驱动后桥，从而控制打滑。 图2-5 丰田E-FOUR混合动力系统 采用E-FOUR驱动系统的厢式汽车与同级别汽车相比燃油经济性提高了近一倍，同时它的尾气排放只是日本现行标准的1/12。 2、驱动力在动力混合器中混合的PHEV运行模式福特汽车公司PTH牌PHEV（图2-6），发动机与驱动电动机并联。在变速器的后面装置一个“行星齿轮”式的动力混合装置，发动机的动力与电动机的动力在“行星齿轮”式的动力混合装置中并联混合。PTH牌PHEV配制传统的1.8L、四缸、16气门汽油发动机，功率85kW，转矩158，发动机带动一个MTX-75型变速器和驱动桥的主减速器。驱动电动机是一台福特UX-168型感应电动机，最大功率56kW，最大转矩190。DAUB型镍氢蓄电池的功率45kW，能量4。通过DC/DC变换器将电力输送给驱动电动机。在MTX-75型变速器后面驱动桥的主减速器齿轮输出轴上，装置一个“行星齿轮”式的动力混合装置。行星架通过空心轴与主减速器齿轮连接，太阳轮与驱动桥的差速器连接，齿轮圈通过一对锥齿轮与驱动电动机连接，在动力传输时各种运动不会发生运动干扰。车辆起步时以电动机驱动模式带动车辆起步，当车速达到一档速度后，发动机起动，避开了发动机的“怠速”运转。发动机起动后，通过变速器和驱动桥带动车辆行驶，并将富余的动能带动电动机发电。当在城市行驶时，完全用驱动轮电动机驱动车辆行驶，实现“零污染”行驶。在车辆超车（加速）或爬坡时，发动机的动力与电动机的动力通过“行星齿轮”式的动力混合装置进行混合，混合动力最大功率可达到141kW。 图2-6 福特汽车公司PTH牌PHEV1-中央控制器；2-发动机；3-离合器；4-变速器；5-驱动桥；6-PTH行星轮式动力混合器；7-减速器；8-发电机；9-DC/DC变换器；10-蓄电池组 并联式混合动力汽车的实际运行工况十分复杂,主要包括:起步、加速、减速、上坡、下坡、制动、停车、倒车等。由于并联式混合动力汽车是由发动机和电机两种动力源组成,而发动机和电机具有不同的高效工作区,为了充分发挥并联式混合动力系统的优势,汽车在不同的运行工况下,必须做到动力系统部件之间能均衡工作。所以并联式