1_第7章　混合动力汽车其他相关技术

11OZ6,主编,第7章混合动力汽车其他相关技术,第7章混合动力汽车其他相关技术,7.1电动助力转向系统7.2电动液压助力转向系统7.3电液复合制动系统技术7.4混合动力汽车的电源转换装置7.5电动空调系统7.6阿特金森循环及其应用7.7电机及其控制器冷却,7.1电动助力转向系统,7.1.1EPS系统简介7.1.2EPS系统的助力方式7.1.3EPS系统助力电机及减速机构7.1.4EPS系统的电子控制单元7.1.5EPS系统的控制策略,7.1.1EPS系统简介,1)能够在不同车速下给车辆提供转向助力，其助力特性的设计依据车速高低而不同，可以兼顾车辆低速行驶时的转向轻便性及车辆高速行驶时的转向稳定性，改善车辆的操纵稳定性。2)具有较好的燃油经济性。3)助力与发动机的工作状况无关，其助力电机由动力电池供电，即使在发动机停机时也能提供转向助力。4)取消了液压泵、传动带、传动带轮、液压软管、液压油及密封件等，EPS系统的零件数比液压转向系统减少，易于实现模块化设计和安装。5)没有液压装置，无渗油问题，保修成本降低，污染减小。,7.1.1EPS系统简介,6)更易配置和检测，可以通过设置不同的程序快速与不同车型匹配，缩短开发和生产周期。,7.1.1EPS系统简介,图7-1电动助力转向系统示意图,1)能够在不同车速下给车辆提供转向助力，其助力特性的设计依据车速高低而不同，可以兼顾车辆低速行驶时的转向轻便性及车辆高速行驶时的转向稳定性，改善车辆的操纵稳定性。,2)具有较好的燃油经济性。,3)助力与发动机的工作状况无关，其助力电机由动力电池供电，即使在发动机停机时也能提供转向助力。,4)取消了液压泵、传动带、传动带轮、液压软管、液压油及密封件等，EPS系统的零件数比液压转向系统减少，易于实现模块化设计和安装。,5)没有液压装置，无渗油问题，保修成本降低，污染减小。,6)更易配置和检测，可以通过设置不同的程序快速与不同车型匹配，缩短开发和生产周期。,7.1.2EPS系统的助力方式,(1)助力性方面在C-EPS和P-EPS中，由于转向盘输入转矩与电机助力转矩需要同时通过转向器的小齿轮向齿条传递，受到小齿轮的刚度与强度限制，助力转矩值不能很大，因此多用于小型汽车中。(2)响应和舒适性方面在转向系统中，从转向盘到转向轮的各零部件之间存在间隙，且在传递转矩时会出现一定变形，因此助力转矩输入位置到转向轮的距离，会影响助力系统的响应速度。(3)安全性方面因为C-EPS的助力减速机构和传感器等都安装在转向轴上，减少了车辆发生碰撞时的能量吸收空间，不利于转向管柱吸能结构的设计。,7.1.2EPS系统的助力方式,(4)安装空间方面C-EPS系统结构紧凑，其助力电机、减速机构、传感器及控制器等常采用一体化设计，安装到中小型车辆上最为简便。(5)成本方面C-EPS开发早，成本低，一般应用于小型和微型车辆中。,7.1.2EPS系统的助力方式,图7-2转向柱助力型C-EPS,7.1.2EPS系统的助力方式,图7-3小齿轮助力型P-EPS,7.1.2EPS系统的助力方式,图7-4齿条助力型R-EPSa)电机轴与齿条非平行布置b)电机轴与齿条平行布置c)电机轴与齿条同轴直接助力,(1)助力性方面在C-EPS和P-EPS中，由于转向盘输入转矩与电机助力转矩需要同时通过转向器的小齿轮向齿条传递，受到小齿轮的刚度与强度限制，助力转矩值不能很大，因此多用于小型汽车中。,(2)响应和舒适性方面在转向系统中，从转向盘到转向轮的各零部件之间存在间隙，且在传递转矩时会出现一定变形，因此助力转矩输入位置到转向轮的距离，会影响助力系统的响应速度。,(3)安全性方面因为C-EPS的助力减速机构和传感器等都安装在转向轴上，减少了车辆发生碰撞时的能量吸收空间，不利于转向管柱吸能结构的设计。,(4)安装空间方面C-EPS系统结构紧凑，其助力电机、减速机构、传感器及控制器等常采用一体化设计，安装到中小型车辆上最为简便。,(5)成本方面C-EPS开发早，成本低，一般应用于小型和微型车辆中。,7.1.3EPS系统助力电机及减速机构,图7-5蜗轮蜗杆减速机构,7.1.4EPS系统的电子控制单元,(1)助力功能根据转向传感器信号和车速信号等进行逻辑分析与计算，控制助力电机输出适宜的助力力矩。(2)故障诊断与系统保护功能通过采集转向传感器、电机电流、电池电压、发动机工况等信号，判断EPS系统是否有故障发生。(3)通信功能实现与其他车载传感器、车载ECU、外部通信装置间的信息交换。,(1)助力功能根据转向传感器信号和车速信号等进行逻辑分析与计算，控制助力电机输出适宜的助力力矩。,(2)故障诊断与系统保护功能通过采集转向传感器、电机电流、电池电压、发动机工况等信号，判断EPS系统是否有故障发生。,(3)通信功能实现与其他车载传感器、车载ECU、外部通信装置间的信息交换。,1)模块化一体化设计，以减小线路损耗、提高电磁兼容性、实现EPS系统的小型化、轻量化目标，如图7-6所示。2)防水、耐高温，满足发动机舱内安装的环境要求。3)保护功能的最优化，优化电机及ECU的过热保护功能，在确保安全的前提下最大限度满足助力需求。4)特性参数的个性化与多样化，可根据车型、行驶工况及其他特殊要求等，选择多种助力特性。5)CAN通信功能，使信号交换更加简便可靠，节省线束、提高保密性。6)采用专用芯片与制造工艺，以提高ECU的集成度与可靠性。,1)模块化一体化设计，以减小线路损耗、提高电磁兼容性、实现EPS系统的小型化、轻量化目标，如图7-6所示。,图7-6ECU模块化一体化设计a)转矩传感器电路内置于ECUb)、c)电机与ECU一体化设计,2)防水、耐高温，满足发动机舱内安装的环境要求。,3)保护功能的最优化，优化电机及ECU的过热保护功能，在确保安全的前提下最大限度满足助力需求。,4)特性参数的个性化与多样化，可根据车型、行驶工况及其他特殊要求等，选择多种助力特性。,5)CAN通信功能，使信号交换更加简便可靠，节省线束、提高保密性。,6)采用专用芯片与制造工艺，以提高ECU的集成度与可靠性。,7.1.5EPS系统的控制策略,1)基本助力控制，设计合理的助力曲线，兼顾车辆低速转向轻便性和高速平稳性。2)回正控制，使转向盘具有良好的回正性能。3)良好的系统稳态性能和动态性能。4)驾驶人能够获得良好的路感，能够反映有用的路面信息。5)有效抑制系统内部的各种扰动。(1)基本助力控制基本助力控制一般是通过对基本助力曲线的设计来实现的，常用助力曲线主要有图7-8所示的直线形、折线形和曲线形三种形式。,7.1.5EPS系统的控制策略,(2)回正和阻尼控制在车辆低速行驶时，由于转向系统中摩擦和阻尼的存在，以及转向轮轮胎的阻尼效应，会出现转向盘无法准确回正、有残留转向盘转角和残留横摆角速度等情况，导致车辆的直线行驶性能降低。(3)补偿控制电动助力转向系统除了具有机械部件间常见的摩擦和阻尼外，电机和减速机构也给转向系统带来了较大的惯量和摩擦，从而产生助力滞后和助力不足等影响，因此EPS控制策略中采用补偿控制策略。(4)主动抑振控制对于驾驶人来说，通过转向轮回正产生的路感对于汽车操纵非常重要。,7.1.5EPS系统的控制策略,(5)鲁棒控制在实际情况中，转向系统及其所在的车辆环境等的精确数学模型是不可能得到的。(6)其他控制策略随着汽车安全性与舒适性要求的进一步提高，EPS的控制策略向着智能化、安全化方向发展，以实现辅助驾驶人驾驶的更多功能。,1)基本助力控制，设计合理的助力曲线，兼顾车辆低速转向轻便性和高速平稳性。,2)回正控制，使转向盘具有良好的回正性能。,3)良好的系统稳态性能和动态性能。,4)驾驶人能够获得良好的路感，能够反映有用的路面信息。,5)有效抑制系统内部的各种扰动。,图7-7电动助力转向的控制策略框图,(1)基本助力控制基本助力控制一般是通过对基本助力曲线的设计来实现的，常用助力曲线主要有图7-8所示的直线形、折线形和曲线形三种形式。,图7-8常用的助力曲线形式a)直线型b)折线型c)曲线型,(2)回正和阻尼控制在车辆低速行驶时，由于转向系统中摩擦和阻尼的存在，以及转向轮轮胎的阻尼效应，会出现转向盘无法准确回正、有残留转向盘转角和残留横摆角速度等情况，导致车辆的直线行驶性能降低。,(3)补偿控制电动助力转向系统除了具有机械部件间常见的摩擦和阻尼外，电机和减速机构也给转向系统带来了较大的惯量和摩擦，从而产生助力滞后和助力不足等影响，因此EPS控制策略中采用补偿控制策略。,(4)主动抑振控制对于驾驶人来说，通过转向轮回正产生的路感对于汽车操纵非常重要。,(5)鲁棒控制在实际情况中，转向系统及其所在的车辆环境等的精确数学模型是不可能得到的。,(6)其他控制策略随着汽车安全性与舒适性要求的进一步提高，EPS的控制策略向着智能化、安全化方向发展，以实现辅助驾驶人驾驶的更多功能。,7.2电动液压助力转向系统,7.2.1EPHS系统的动力单元7.2.2EPHS系统的控制阀7.2.3EPHS系统的控制策略,7.2电动液压助力转向系统,图7-9EPHS系统结构示意图,7.2电动液压助力转向系统,图7-10EPHS系统工作原理示意图,7.2.1EPHS系统的动力单元,7.2.2EPHS系统的控制阀,图7-11转阀的工作方式a)直线行驶b)左转向,7.2.3EPHS系统的控制策略,(1)Stand-by控制。(2)Stop&go控制为提高能量利用效率，采用了起动性能更好的低惯量无刷电机，并且增加了转向角传感器。(3)Idle&go控制这种方法与Stop&go控制策略的算法基本相同，区别在于非转向工况下，并没有完全停止电机，而是让电机以极低的速度保持运转(Idle模式)，以提高响应速度。(1)转速控制根据转向速率调节电机转速，使得进入液压阀的油液流量为常数，优化转向感觉。(2)电机起动控制电机起动电压设定为转向速率的函数，使得电机在极低的转向速率情况下可以逐渐起动，而在高转向速率下能够瞬时起动。,7.2.3EPHS系统的控制策略,(3)车速控制通过控制电机转速，使得低速时转向轻便，高速时转向力加大，从而提供良好的转向稳定感。(4)中间位置检测控制在Stop&go控制中，当车辆直线行驶转向盘位于中间位置时，电机必须停止。(5)低温起动控制由于低温时电机受油液黏性增大的影响，造成液压泵起动困难，所以低温时应让电机进入全驱动模式，当油液温度适宜后再回到正常控制模式。,7.2.3EPHS系统的控制策略,图7-12EPHS系统的控制流程图,(1)Stand-by控制。,(2)Stop&go控制为提高能量利用效率，采用了起动性能更好的低惯量无刷电机，并且增加了转向角传感器。,(3)Idle&go控制这种方法与Stop&go控制策略的算法基本相同，区别在于非转向工况下，并没有完全停止电机，而是让电机以极低的速度保持运转(Idle模式)，以提高响应速度。,(1)转速控制根据转向速率调节电机转速，使得进入液压阀的油液流量为常数，优化转向感觉。,(2)电机起动控制电机起动电压设定为转向速率的函数，使得电机在极低的转向速率情况下可以逐渐起动，而在高转向速率下能够瞬时起动。,(3)车速控制通过控制电机转速，使得低速时转向轻便，高速时转向力加大，从而提供良好的转向稳定感。,(4)中间位置检测控制在Stop&go控制中，当车辆直线行驶转向盘位于中间位置时，电机必须停止。,(5)低温起动控制由于低温时电机受油液黏性增大的影响，造成液压泵起动困难，所以低温时应让电机进入全驱动模式，当油液温度适宜后再回到正常控制模式。,7.3电液复合制动系统技术,7.3.1电液复合制动技术介绍7.3.2复合制动系统的功能需求和特点7.3.3电液复合制动系统中电回馈制动的控制策略7.3.4丰田公司的电液制动系统,7.3.1电液复合制动技术介绍,1.混合动力汽车的制动特点2.电机制动能量回馈的基本情况3.不同减速工况下的制动能量回收,1.混合动力汽车的制动特点,2.电机制动能量回馈的基本情况,3.不同减速工况下的制动能量回收,7.3.2复合制动系统的功能需求和特点,1.复合制动系统的功能需求2.复合制动系统的结构特点,1.复合制动系统的功能需求,2.复合制动系统的结构特点,(1)具备制动力可控的液压制动系统结构为了实现在一定制动强度下的能量回收，需要施加电回馈制动力，若要同时保持整车制动强度不变则需相应降低液压制动力。(2)能够检测制动指令并解释制动意图复合制动系统需要根据驾驶人的制动意图对液压制动力和电回馈制动力分别进行控制，在满足制动意图的同时实现制动能量的回收。(3)复合制动系统控制器控制器是复合制动系统的控制部件，制动踏板位移检测、制动意图解释、液压阀控制和制动力分配都由它完成。,(1)具备制动力可控的液压制动系统结构为了实现在一定制动强度下的能量回收，需要施加电回馈制动力，若要同时保持整车制动强度不变则需相应降低液压制动力。,图7-13阀控的液压制动力控制系统,(1)具备制动力可控的液压制动系统结构为了实现在一定制动强度下的能量回收，需要施加电回馈制动力，若要同时保持整车制动强度不变则需相应降低液压制动力。,图7-14缸控的液压制动力控制系统,(2)能够检测制动指令并解释制动意图复合制动系统需要根据驾驶人的制动意图对液压制动力和电回馈制动力分别进行控制，在满足制动意图的同时实现制动能量的回收。,(3)复合制动系统控制器控制器是复合制动系统的控制部件，制动踏板位移检测、制动意图解释、液压阀控制和制动力分配都由它完成。,7.3.3电液复合制动系统中电回馈制动的控制策略,1.并联复合制动系统2.完全可控的复合制动系统,1.并联复合制动系统,(1)电回馈制动力和机械制动力比例固定的制动系统的设计和控制图所示为电回馈制动力和机械制动力比例固定的制动力分配策略，其中机械制动力在前后轴间的分配具有固定比值，如图中线所示。(2)用于最大能量回馈的制动系统设计和控制原理最大能量回馈的设计控制原理允许总制动力在满足ECE制动法规的前提下尽可能分配到前轮上(设前轮与电机连接)，也就是总制动力分配沿着ECE法规规定的最大前轮制动力曲线(图7-18所示的o-a-b-c曲线)。,1.并联复合制动系统,图7-15并联复合制动系统的结构,(1)电回馈制动力和机械制动力比例固定的制动系统的设计和控制图所示为电回馈制动力和机械制动力比例固定的制动力分配策略，其中机械制动力在前后轴间的分配具有固定比值，如图中线所示。,图7-16制动力随减速度变化曲线,(1)电回馈制动力和机械制动力比例固定的制动系统的设计和控制图所示为电回馈制动力和机械制动力比例固定的制动力分配策略，其中机械制动力在前后轴间的分配具有固定比值，如图中线所示。,图7-17制动力同汽车质量比值随制动减速度的变化曲线,(1)电回馈制动力和机械制动力比例固定的制动系统的设计和控制图所示为电回馈制动力和机械制动力比例固定的制动力分配策略，其中机械制动力在前后轴间的分配具有固定比值，如图中线所示。,表7-1不同循环工况下可用于回收的能量占总制动能量的百分比,(2)用于最大能量回馈的制动系统设计和控制原理最大能量回馈的设计控制原理允许总制动力在满足ECE制动法规的前提下尽可能分配到前轮上(设前轮与电机连接)，也就是总制动力分配沿着ECE法规规定的最大前轮制动力曲线(图7-18所示的o-a-b-c曲线)。,图7-18前轮制动力(电制动+机械制动)和后轮制动力分配图,2.完全可控的复合制动系统,(1)最优制动性能的控制策略由于各车轮的制动力可以实现独立控制，完全可控的复合制动系统可以按照理想的制动力分配曲线I对前后轮施加制动力，这种控制策略可以得到最优的车辆制动性能。(2)最优能量回收控制策略最优能量回收控制策略的基本原理是，在各种不同附着系数的路面上，不发生前轮比后轮早抱死的情况下，前轮提供更多的制动力，这样可以有更多的制动能量用于制动回馈。,2.完全可控的复合制动系统,图7-19具有H-EBS和ERB的完全可控复合制动系统,(1)最优制动性能的控制策略由于各车轮的制动力可以实现独立控制，完全可控的复合制动系统可以按照理想的制动力分配曲线I对前后轮施加制动力，这种控制策略可以得到最优的车辆制动性能。,图7-20最优制动性能的控制策略的基本原理,(1)最优制动性能的控制策略由于各车轮的制动力可以实现独立控制，完全可控的复合制动系统可以按照理想的制动力分配曲线I对前后轮施加制动力，这种控制策略可以得到最优的车辆制动性能。,表7-2典型城市循环下的制动能量情况,(2)最优能量回收控制策略最优能量回收控制策略的基本原理是，在各种不同附着系数的路面上，不发生前轮比后轮早抱死的情况下，前轮提供更多的制动力，这样可以有更多的制动能量用于制动回馈。,图7-21最优制动回馈控制策略图示,7.3.4丰田公司的电液制动系统,图7-22制动力分配,7.3.4丰田公司的电液制动系统,图7-23电回馈制动力的变化,7.3.4丰田公司的电液制动系统,图7-24电控液压制动系统的结构,7.4混合动力汽车的电源转换装置,7.4.1DC/DC功率转换器的功用7.4.2双向DC/DC功率转换器的应用7.4.3DC/DC功率转换器的分类7.4.4其他类型的功率转换器,7.4.1DC/DC功率转换器的功用,7.4.2双向DC/DC功率转换器的应用,7.4.3DC/DC功率转换器的分类,7.4.4其他类型的功率转换器,7.5电动空调系统,7.5.1电动空调系统的特点7.5.2电动汽车热泵式空调系统7.5.3电动压缩机制冷与电加热器制热混合调节空调系统7.5.4电驱动压缩机系统,7.5.1电动空调系统的特点,1)电驱动压缩机空调系统可以采用全封闭系统及制冷剂回收技术，整体的高度密封性可以减小正常运行以及修理维护时制冷剂的泄漏损失，减少环境污染。2)电动空调的压缩机靠电动机驱动，因此可以通过精确的控制以及在常见热负荷工况下的高效率运行来降低空调系统的能耗，从而提高整车的经济性。3)采用电驱动，噪声较低，可靠性高，使用寿命长，故障率低。4)一体式电动压缩机，取消了发动机与压缩机之间的传动带，没有了张紧件，减小了质量。5)可以遥控起动电动空调，对车厢内的空气进行预先调节。,1)电驱动压缩机空调系统可以采用全封闭系统及制冷剂回收技术，整体的高度密封性可以减小正常运行以及修理维护时制冷剂的泄漏损失，减少环境污染。,2)电动空调的压缩机靠电动机驱动，因此可以通过精确的控制以及在常见热负荷工况下的高效率运行来降低空调系统的能耗，从而提高整车的经济性。,3)采用电驱动，噪声较低，可靠性高，使用寿命长，故障率低。,4)一体式电动压缩机，取消了发动机与压缩机之间的传动带，没有了张紧件，减小了质量。,5)可以遥控起动电动空调，对车厢内的空气进行预先调节。,7.5.2电动汽车热泵式空调系统,图7-25电装公司开发的电动汽车热泵空调系统,7.5.2电动汽车热泵式空调系统,表7-3电装公司电动汽车热泵空调系统性能,7.5.2电动汽车热泵式空调系统,图7-26以C为制冷剂的热泵空调系统示意图,7.5.3电动压缩机制冷与电加热器制热混合调节空调系统,7.5.4电驱动压缩机系统,1.全电动压缩机2.混合驱动压缩机3.电动汽车对电动压缩机的要求4.电动压缩机的控制,1.全电动压缩机,2.混合驱动压缩机,3.电动汽车对电动压缩机的要求,4.电动压缩机的控制,7.6阿特金森循环及其应用,7.6.1阿特金森循环的工作原理7.6.2阿特金森循环的特点及措施7.6.3阿特金森循环在普锐斯汽车发动机上的应用7.6.4普锐斯汽车发动机的其他节能技术,7.6.1阿特金森循环的工作原理,图7-27阿特金森循环与奥托循环比较,7.6.1阿特金森循环的工作原理,图7-28奥托循环,7.6.1阿特金森循环的工作原理,图7-29阿特金森循环,7.6.2阿特金森循环的特点及