混合动力汽车技术-1ppt课件

.,混合动力汽车技术-1,主讲:朱明高级技师、经济师、工程师高级技能专业教师汽车维修高级考评员,.,1混合动力汽车技术现状,.,基于节能和环保问题的汽车动力系统发展方向：,据国内外专家、学者和企业界的研究结论，从节能和环保两个方面综合考虑，汽车动力系统将从今天的燃油的内燃机（汽油机、柴油机、代用燃料发动机）过渡到内燃机与电动机的混合动力系统，再过渡到使用蓄电池的纯电动汽车和燃料电池电动汽车。,.,电动汽车的优点：,1）“零排放”：电动汽车在运行中无废气排放，即使将发电厂的排放进行等效换算，也是超低排放。此外，电厂可以远离市区建设，对城市污染较小。2）解除汽车对石油资源的依赖：电是二次能源，可以从多种途径获得，例如，煤、水、风、太阳能、潮汐、生物质、核能等，其中许多为可再生能源。3）系统效率高：燃油汽车的能量循环：从原油精炼加油站燃油汽车。电动汽车的能量循环：从原油粗炼发电厂充电站电动汽车。据日本学者的研究结果，后者比前者能量效率高1217。此外，电动汽车可以利用晚间电网的低谷电充电，以提高电网总的能量效率。4）电动汽车的噪声低、振动小。,.,基于以上原因，从上世纪80年代，国内外掀起了电动汽车的研发热潮，法国、日本、美国、德国等都经过试验和示范运行，开发出具有商品化水平的纯电动汽车，如法国PSA公司的标志P106和雪铁龙AX电动轿车，日本丰田汽车公司的RAV-4EV电动轿车，美国通用汽车公司的EV1电动轿车等。,.,我国也将电动汽车的研究开发列入“八五”、“九五”国家科技攻关项目，并于1996年6月建成广东汕头国家电动汽车试验示范基地。“十五”期间，国家科技部将电动汽车项目列入国家“863”重大专项。成了资助电池、电机及其控制系统、整车控制系统以外，重点资助北京市（北京理工大学牵头）进行纯电动大客车的研发和示范运行。2005年6月21日由国家发改委正式批准，14辆铅酸电池纯电动公交大客车在北京公交121路线投入商业化运行。另一个课题资助天津清源动力公司（中国汽车技术研究中心）进行纯电动轿车的研究开发和示范运行。其中有5辆纯电动轿车于2005年初首次出口到美国。,.,目前电动汽车推广应用中的困难,1)电池的性能低、价格贵、寿命短；使得电动汽车一次充电行驶里程短（铅酸电池在100km左右，Ni-MH电池在150km左右），尚不能满足人们对汽车机动性的要求；电池的价格昂贵，一套整车使用的Ni-MH电池或锂离子电池的价格比汽车（不含电池）还高，且23年必须全部更换，使用费用大。目前尚未研制出性能价格比能与内燃机相比的电池。2)电动汽车的充电时间长，充满一次需要48小时。充电设施投资大、建设周期长。3)当前世界石油供应相对充分，石油资源枯竭的问题尚不明显。而各级政府对电动汽车应该采用的优惠政策，如峰谷电价差别、排放补贴等并未实施。,.,目前电动汽车推广应用中的困难,因此，从全世界范围看，由于受电池技术和价格的制约，纯电动车目前只能在特殊地区如大城市市区、商贸、旅游、体育、娱乐中心、居民小区等作为短途公共交通车，以及特殊地点、特殊用途如机场、码头、车站、仓库、商场等作为特殊运输工具而使用。,.,混合动力电动汽车,混合动力电动汽车（HybridElectricVehicle，简称HEV）是将电力驱动与辅助动力（APU）结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生的优势的车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机，如内燃机、燃气轮机等或其它动力发电机组,.,混合动力电动汽车,根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，HEV的定义为:由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。而一般人们常说的HEV是指既有内燃机又有电动机驱动的车辆。,.,混合动力电动汽车,电动汽车有三种类型：由电池驱动的纯电动汽车、由内燃机为主动力，蓄电池为辅助动力的油电混合动力电动车以及燃料电池电动车。,.,混合动力电动汽车,油电混合动力电动车在技术上已经成熟，是近期内可以产业化的车辆。混合动力电动车的优点是能充分利用现在的燃油车的生产线。缺点是仅有“有限度的”价格下降空间。混合动力能否在市场上受欢迎，将取决于市场的油价和政府是否给予政策性鼓励。,.,混合动力电动汽车,电油混合动力车“油电”和“电油”，这“两字”的颠倒，却代表着技术路线的巨大差别。油电混合动力电动车的基本思想，是以内燃机做为基本的动力，而以电弥补内燃机在耗油和污染方面缺点。电油混合动力电动车的基本思想，是以电作为基本的动力，而以油弥补蓄电池在储能，亦即在如何维持较长持续里程方面的缺点。,.,混合动力电动汽车,电油混合动力车是向纯电动车的过渡车型。电油混合动力车只需9-10kwh的锂离子电池，只是纯电动车的1/6，整车成本大大降低。随着锂离子电池性价比进一步提高，电池数量逐步增加，直到实现全电动。,.,电油混合动力电动车的新思想,现在在电油混合动力电动车方面所提出的新思想是：在60公里运行距离内，将全使用蓄电池作为动力，以解决居民们上下班所需用到的能源，在我国绝大多数大、中城市行驶可不用一滴汽油；而且，用晚上的低谷电充电，省掉了修建抽水蓄能电站的投资；仅在居民作长距离旅行在高速公路上以较高速度行驶时，才改用“油”，以弥补蓄电池储能的不足！,.,混合动力电动汽车的优势：,与纯电动汽车比较：(1).由于电池的容量大大减小，而使整车自重减小、成本降低。(2).汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。不必要重新建设庞大的充电设施和取消每天的充电维护工作；(3).保证驾车和乘坐的舒适性（保证空调、暖风、动力转向等的使用）。,.,混合动力电动汽车的优势：,与传统内燃机汽车比较：(1).可使原动机在最佳的工况区域稳定运行，从而降低发动机的排放污染、噪声和油耗。(2).在人口密集的商业区、居民区或其它对环保要求特别严格的地区，可关闭发动机，采用纯电动方式驱动车辆，实现“零排放”。(3).通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的能量消耗和排放污染。,.,电动汽车，燃料电池汽车，混合动力汽车和内燃机汽车的比较,项目电动汽车燃料电池汽车混合动力汽车内燃机汽车尾气排放无无少量多能量来源-较窄-窄能量转换率高高适中低高效工况区范围宽宽适中窄能量回收(再生制动)有有有无行驶里程短适中较长长,.,日本美国混合动力汽车的现状,混合动力电动汽车的商业化已经在日本和美国逐渐推广。丰田汽车公司的Prius混合动力轿车已经在日本和美国销售了39万辆以上。混合动力公交大客车在美国纽约、西雅图和加州等地也已经销售和示范运行数百辆。巴西在里约热内卢用混合动力方式改造了几条公交路线，采用柴油机和铅酸电池串连式混合动力结构，取得了节油和降低排放的良好效果。,.,日本混合电动汽车,日本混合电动汽车的研究开发早在20世纪90年代初期就己经进行。与美国不同的是，日本众多的混合电动汽车研发项目几乎完全由日本汽车公司自行承担进行，而且多为单车项目直接面向市场。因此，日本各大汽车公司目前拥有全球几乎全部的混合电动汽车市场份额。,.,丰田Prius混合动力汽车,丰田汽车公司是目前走在HEV研究最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行HEV研究的汽车公司之一。现有三款混合电动车型批量投产。他们分别是Pries轿车、电动4轮驱动Estima小型车和在全世界首次使用了42V电源系统的软混合动力系统(MILDHYBRID)Crown轿车。Pries轿车是丰田汽车公司在世界上第一个推出的HEV。Pries与丰田“Corolla大小相仿，采用汽油发动机和电动马达混联装置，发动机是1.5L汽油发动机，电池组为250个串联的镍氢电池，电池组总质量仅为75kg，Pries每升汽油的行驶距离达到29.5km，C02排放量为普通汽车的50%，而CO,HC和NOX的排放量仅为普通汽车的10%。丰田Pries己经成功销售到了北美和欧洲一些国家，成为各国所提倡的环保车辆的首选。,.,丰田Prius混合动力汽车,.,丰田Prius混合动力汽车,.,丰田Prius混合动力汽车,普锐斯是丰田1997年开始批量生产的一款混合动力轿车，至今在全球范围内已累计销售逾36万辆。去年9月15日，丰田与一汽签署混合动力合作协议，就在中国市场发展与普及性能、质量皆佳的混合动力汽车开展合作。,.,丰田Prius混合动力汽车,与同等排量的普通汽车相比，混合动力车在市区行驶的节油率达到了37.3%47.5%，在市郊行驶的节油率也达到19.8%36.0%，一般情况下，百公里油耗只有4升左右，大大少于目前普通汽车的油耗。,.,丰田Prius混合动力汽车,在2003年纽约国际车展上，日木丰田公司展出了采用第二代丰田混合动力系统(ToyotaHybridSystem,THSII)的混合动力轿车Prius2004,THSII采用了5OOV的高压动力电，驱动电动机的最大功率可达5OKW。,.,本田混合电动汽车,本田是世界上第二家在美国市场销售混合电动汽车的外国制造商。J-VX混合动力概念跑车是本田公司早期的HEV款式。本田公司1999年开始投放日本和美国市场的双门双座Insight混合动力系统，被称为“集成电机辅助系统(IntegratedMotorAssistIMA。这套系统结构紧凑、成本低、重量小，再加上精心设计的“极端稀薄燃烧”发动机，全铝设计的轻车身结构，风阻系数极低的车身造型共同作用，使Insight在排放、动力性和经济性上都取得了较佳的效果，百公里油耗仅2.85升，名列2002年度美国环保署公布的最省油轿车名单榜首。,.,本田混合电动汽车,.,本田混合电动汽车,2002年本田还推出了混合动力最新车型思域即CivicHybrid，名列2003年度美国混合电动车销量第一，略高于丰田的Prius。本田公司近日宣布，配备一台V6发动机混合动力系统的新款雅阁将在今年12月初上市。全新的雅阁混合动力车利用本田第三代先进的混合系统“IMA，结合新研制的气缸间歇系统VCM(VariableCylinderManagement)，通过气缸钝化技术使得这台V6发动机的燃油经济性堪与4缸的本田思域相媲美。,.,日产公司混合动力汽车,日产公司早在1995年5月就开发出了可以使续驶里程增加一倍的串联式混合动力微型轿车。同年9月日产公司又开发出燃油经济性提高一倍并且可以批量生产的并联方式混合电动汽车。2001年日产汽车公司又推出了混合电动轿车TINO日本三菱公司开发自发电串联式混合动力轻型卡车Canter。铃木公司、大发公司等也开发出了自己的HEV概念车。除混合电动轿车外，日野的11.5米混合电动大客车和11.7米混合电动公交大客车也相继投放市场。据悉，日本综合能源调查会在清洁能源汽车普及计划中设定的目标是:到2010年，生产HEV180万辆、EV20万辆、高性能EV24万辆、天然气CNG汽车100万辆，其中HEV占到了56%。,.,日本代表性混合动力汽车参数,.,日本混合动力汽车使用的变速传动系统,.,美国混合动力汽车技术现状,在美国，自1990年以来，由于环境问题以及美国加州“零排放车辆法”的推行，各大汽车厂商更加注重对电动汽车的开发，1993年9月，美国能源部和三大汽车公司牵头成立了“新一代汽车伙伴关系(PNGV)”，美国政府通过PNGV与汽车界达成了多种合作研究、开发协议，并协调政府有关部门，国家实验室和三大汽车公司的人力、物力资源，开展高效节能汽车包括HEV的研究。,.,美国混合动力汽车技术现状,通用汽车公司于2004年在美国部分州推出了“Silverado”和“GMCSierra等简易型混合动力汽车，并将在2006年推出“SaturnVUEGreenLine。同时，已还与戴姆勒一克莱斯勒公司合作，计划于2007年研发出双模式完全混合动力技术系统。福特汽车公司1998年开发出了福特P2000型5座并联式混合动力电动汽车。2003年，福特汽车公司又推出了名的混合动力汽车为“freestly,.,通用汽车公司混合动力汽车,通用汽车公司在1998年1月底的底特律北美国际汽车展上，推出了EV1型4座混合动力电动汽车，串联式和双桥并联式的混合动力车Precept(图1.2)，2000年通用公司又推出第三代EVI-Precept，雪弗兰TRIAX做成一个平台可以方便地装配成纯电动、混合动力或传统的内燃机轿车。2004年，通用为“雪弗兰Silverado”及GMCSierra型货车提供了混合动力选择。,.,通用Precept混合电动汽车,.,福特公司混合动力汽车,福特于1999年推出P2000家用型5座并联式混合电动汽车，百公里油耗为3.8升;在2000年投放市场的是Prodigy概念车，其百公里油耗接近3L:在2003年北美车展上，福特推出了名为freestly的混合电动汽车，成为汽车业首款混合动力多功能车;福特公司的混合动力型SW车Escape(下图)在2004年下半年开始面向零售的生产。,.,福特Escape混合动力汽车,.,克莱斯勒汽车公司混合动力汽车,1998年，克莱斯勒汽车公司宣布开发出道奇无畏ESX2并联式混合动力汽车，1999年推出混合动力概念车为DodgeESX3,Durango2004“道奇RamHEV”开始上市销售。此外，由美国航天局，俄亥俄州政府等9家单位合作开发的串联式电动一喷气涡轮混合动力大客车也投放了市场;美国洛杉矶水利局也开发了LA301并联混合动力轿车90S;2003年，作为通用公司合作伙伴，Hydrogenics公司在位于密歇根沃伦的通用技术中心和美国陆军部展示了一款配有燃料电池辅助能量系统的军用柴油混合动力皮卡车。,.,欧洲混合动力汽车技术现状,在欧洲，大众汽车公司推出Chico牌混合动力电动微型汽车，该轿车在城市行驶，平均能量消耗每100km为3.2L。法国雷诺公司研制的VERT和HYMME两款混合动力电动汽车已在法国接受了10000km的运行试验。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃FL6卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可达90km。,.,德国大众混合动力汽车,德国大众公司生产的并联式混合动力电动车第三代AudiDu。已小批量生产，Du。是20世纪90年代末最先登台亮相的一款混合动力电动汽车，于1997年在第57届法兰克福国际车展上出现。正是由于它与丰田公司的混合电动汽车Prius的出现，引发了混合电动汽车研发的新高潮。1998年德国萨克森灵公司开发了萨克森灵微型厢式车。1999年德国宝马开发了318ISAD轻型混合动力车。在2004年美国底特律车展上，戴姆勒克莱斯勒旗下的奔驰公司，展出了计划于2005年批量生产的混合车概念款“VisionGrandSportsTourer。德国还开发出了混合动力大客车，并在斯图加特和威塞尔之间运行。德国的BOSCH等世界著名的零部件公司也积极与大汽车公司联合开发混合动力电动汽车技术。同时，政府通过立法，将不允许油耗超过5升的轿车上路，以此来促进混合动力汽车的发展。,.,法国混合动力汽车,法国总理让一皮艾尔.哈法汗表示:“到2010年，法国将成为无污染交通工具领域的世界级领导人”。这给法国在无污染交通工具领域称雄的野心确定了具体的时间表。所以它的两大汽车企业PSA标致一雪铁龙和雷诺(Renault，根据各自不同情况，开展对电动汽车的研制。,.,法国混合动力汽车,雷诺由于与日本日产(Nissan)的联合，而日本在混合动力电动汽车的研究生产方面处于世界领先地位，因此其重点主要放在了对混合电动汽车的开发上。法国雷诺公司研制的VERT和HYMIVIE两款混合动力电动汽车已在法国接受了10000km的运行试验，并于1998年研制出了电动汽油两用车，取名为NEXT，样车已向公众展出，雷诺公司的混合动力车“KANGOO，业己上市。而PSA标致一雪铁龙的研发重点则放在了纯电动汽车的发展上，但也先后推出了几款混合电动汽车，如雪铁龙的“BerlingoDynavolt，标致的“贝灵格”、XSARA2003年推出并联式混合动力车XsaraDynative。这些汽车企业在自己研制的同时，也全面展开与其他高等院校、研究机构和配件企业，例如电池制造企业，电机制造企业和电信企业(电子控制)等的联合。,.,瑞典的沃尔沃混合动力汽车,瑞典的沃尔沃公司也开发出了基于VolvoFL6卡车改装的串联混合动力电动汽车，最高时速可达90km。1992年就推出镍福电池混合动力轿车ECC，瑞典的Saturn公司也开发了SaturnHEV轻型车。意大利的菲亚特推出了Multiplalbriba混合轻型轿车。,.,韩国混合动力汽车现状,韩国起亚公司研制出了KEV4混合电动汽车、现代公司推出的FGV轻2.1串联型混合电动汽车驱动系统,.,我国HEV的研究,在我国HEV的研究起步较晚，但是近年来得到了政府、企业、高校和科研院所的高度重视。2001年，为维护我国能源安全，改善大气环境，提高我国汽车土业竟争力，力争实现我国汽车土业的跨越式发展，科技部在“十五”国家科技计划中设立电动汽车重大专项，从发展我国汽车产业的战略高度，选择新一代电动汽车技术作为创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构联合攻关。,.,我国HEV的研究,在进行技术和市场分析的基础上，电动汽车专项确定了以燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车三种车型为“三纵”，以多能源动力总成、电动汽车驱动电动机、电动汽车动力电池三种共性技术为“三横”的“三纵三横”的研发布局。同时，根据电动汽车研发和产业化规律，电动汽车研发以整车牵头，关键零部件紧密配合，政策、法规、技术标准同步研究，基础设施协调发展，专项实施采用全过程监理。,.,我国HEV的研究,.,2、混合动力汽车结构,.,HEV的工作原理,图1发动机万有特性效率图,.,HEV的工作原理,在图1中，横坐标是发动机的转速，竖坐标是发动机的转矩，等高线表示效率。从发动机的万有特性图可以看出，本发动机高效区在转速2000一4500r/min及输出转矩95一125N.m之间，当发动机运行于低速或低转矩的情况下，发动机效率都比较低。HEV控制系统对发动机控制的目标就是使发动机尽量工作于高效区，这时发动机燃油消耗较低，尾气污染物排放较少。,.,HEV的工作原理,与传统汽车相比，HEV还有电动机作为辅助动力源，因此可在低速和低转矩工况下，关闭发动机，由电动机驱动车辆，从而避免发动机工作于低效区。而且在发动机工作时，可以通过功率辅助或主动充电来调节发动机的工作点，使得发动机工作于高效区附一近。当发动机工作在最佳效率转矩曲线和最大转矩曲线之间时，电动机可以作为功率辅助器运行，使得发动机的运行点向最佳效率转矩曲线靠近;类似，当发动机运行在最佳效率转矩曲线和高效区最小转矩曲线之间时，电动机可以作为发电机工作，此时发动机的输出转矩等于驱动转矩和发电转矩之和，通过调整发电转矩，就可以调节发动机的输出转矩，使得它向最佳效率转矩曲线靠近。,.,HEV的工作原理,传统汽车在多数路况下运行，只需发动机最大功率的一小部分，而其后各功率一般只用于短暂的加速、爬坡等路况。混合动力系统配各有电动机，能够提供很大的驱动转矩，可在需要大功率的路况下提供功率辅助。图2是某HEV最大转矩曲线图，可以看出该HEV的最大输出转矩为发动机最大转矩和电动机最大转矩之和。因此，混合动力系统在选择发动机时可选择较小的额定功率。这样，在多数路况下混合动力系统的发动机在接近额定功率的区域工作，而在需要大功率输出的路况中，由电动机提供功率辅助。,.,HEV的工作原理,图2混合动力系统功率辅助最大转矩曲线,.,HEV的工作原理,由于发动机在低速和低转矩区工作效率比较低，而接近额定功率区效率一般很高，所以选择小功率的发动机能够提高发动机的工作效率、降低质量，从而提高了燃油经济性，降低有害排放。,.,HEV的工作原理,发动机在低速和低转矩下运行效率比较低，此时一般关闭发动机，采用纯电动的方式来驱动汽车。混合动力系统在电动机单独驱动(简称为纯电动)下运行，排放为零，只需考虑燃油经济性。纯电动的电能主要有两个来源:制动能量回收和发动机主动充电。制动能量回收由于没有消耗燃料，可认为燃油经济性为无穷大。发动机带动电动机给电池充电的情况就比较复杂，需要考虑发动机和电动机的效率，还要考虑能量转换效率，以及电池的使用寿命等因素。总的来说，纯电动工况的燃油经济性较高，排放为零。,.,HEV的工作原理,减速或制动时的能量回收：传统汽车在减速或制动时，通过制动器将汽车的动能转换为热能消耗掉，这是一种能量浪费。而HEV在减速或制动时，电动机可作为发电机工作，利用发电机来制动HEV，从而将汽车的动能转换为电能存入蓄电池。在保证行车安全的前提下，减速或制动能量回收是HEV提高燃油经济性的主要因素。,.,混合动力汽车用发动机选型,选择混合动力汽车用发动机时，首先要考虑的就是满足汽车性能要求的发动机尺、与额定功率问题。在大多数的混合动力汽车设计中，发动机的额定功率将由车辆需求的平均功率决定，结果与传统的汽车发动机相比，混合动力汽车用发动机是相对较小的。另外，对于所开发的并联混合动力汽车，为达到车辆的节能和低排放目标，要控制发动机工作在高效区，即在低负荷由电机提供驱动功率，发动机关闭:在高负荷(发动机满足不了整车需求)时，电机参与工作等。,.,混合动力汽车用发动机选型,此外，在选用混合动力汽车用发动机时还要考虑到整车总布置问题，这是因为在混合动力汽车上采用了多种动力部件，而汽车的可用空间又非常有限，所选用的发动机应有利于动力传动系的合理布置。另外还要考虑发动机的噪声和振动、可靠性、使用寿命、维护成本、运行成本以及安全性能等因素。考虑到上述因素并总结了目前各国在混合动力汽车研究中所选用的发动机方案知，可以应用于混合动力汽车的发动机主要有:转子式发动机、燃气轮机、斯特林发动机以及四冲程汽、柴油机等。,.,燃料转换装置优点和缺点,.,国外混合动力公交客车结构方案,.,国外已经上市的混合动力轿车技术参数,.,2HEV的分类,目前国内外研究的HEV有多种结构，其分类方法一般有两种:按“混合度”分类和按动力系统布置分类。混合度是指电动机功率与发动机功率的比值。根据混合度，HEV可分为:弱混合和强混合两类。两者均具有怠速停车、再生制动和电动机辅助功率功能。除此之外，强混合还具有纯电动行驶功能。通常混合度越高，燃油经济性越高，排放越低。本田Civic的混合度为15.9%，是弱混合的典型车型:丰田Prius2001的混合度为62.3%，是强混合的典型车型,.,混合动力汽车按动力系统布置分类,按动力系统布置分类，HEV可分为:串联式混合动力汽车(SeriesHybridElectricVehicle，简称SHEV),并联式混合动力汽车(ParallelHybridElectricVehicle，简称PHEV),混联式混合动力汽车(ParallelandSeriesHybridElectricVehicle，简称PSHEV)复合式混合动力汽车(CompositeHybridElectricVehicle，简称CHEV)。四种HEV的动力系统布置结构见图3所示。,.,.,串联式混合动力汽车(SeriesHybridElectricVehicle，SHEV),SHEV的动力系统结构是HEV中最简单的一种，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，该电能可通过功率转化器为蓄电池充电，或经由电动机和传动装置驱动汽车。SHEV以电动机作为主驱动装置，发动机作为辅助动力装置，以提高行驶里程。由于在发动机和发电机之间的机械连接无离合器，同时它们与其它传动系统无机械连接，故布置较灵活。此外，发动机受行驶路况影响较小，易运行在高效区。但是SHEV的能量转换、传输的环节多，造成能量转换效率比较低:而目，为满足爬坡等需要大功率的路况，发动机、发电机和电动机的额定功率都要求比较大。典型的SHEV有丰田公司的Coaster等。,.,串联型混合电动汽车驱动系统,图4串联型混合电动汽车驱动系统,.,串联型混合电动汽车驱动系统,串联型混合电动汽车驱动系统的结构如图4所示。其驱动系统由发动机、发电机、电动机、变速箱以及蓄电池等组成。串联型混合电动汽车驱动系统结构形式单一，发动机、发电机和电动机成串联形式连接。发动机只用来发电，发电机负责提供电能给电动机，只有电动机用以直接驱动汽车。同时，发电机发出的部分电能存储到蓄电池里，在有需求的时候，蓄电池也同时给电动机供电来实现更大的功率输出,.,串联型混合电动汽车驱动系统,在串联型混合电动汽车驱动系统中，只有电动机输出的力可以加到驱动轴上。电力驱动模式是唯一的驱动模式。发动机和车轴没有直接的机械连接。这样可以减少汽车的瞬态响应对发动机的影响，使发动机点火喷油控制器能更稳定地控制发动机，使其始终工作在期望的高效工作点。通常的串联型控制策略是:当扭矩需求不是特别大时，发动机燃烧燃料提供能量给发电机发电，发电机将电量提供给电动机用以驱动车辆，多余的能量则通过给电池充电存储起来;而到了扭矩需求很大时，不仅发动机通过发电机给电动机提供能量，而且电池也给电动机提供能量,.,串联型混合电动汽车驱动系统,串联型混合电动汽车特别适合于城市工况。因为城市工况中经常有频繁的起步、停车、加速和低速工况，这些工况对发动机而言都属于效率很低、排放很差的工况，而串联型混合电动汽车可以在整个过程中保证发动机工作于最佳工况点，避免了发动机的频繁启停。发动机保持稳定、高效、低污染的运行状态，将有害气体的排放控制在最低的范围内。,.,串联型混合电动汽车驱动系统,串联型混合电动汽车的结构和工作原理比较简单，控制系统的设计也相对要简单一些。有很好的动力性能，是最接近电动汽车的混合电动汽车。但是串联型混合电动汽车驱动系统的各部件功率较大、外形较大、质量也较大，因此安装布置有很大的难度。而且，由于串联系统的能量要从热能转化为电能再转化为机械能，中间有很大的能量损失，燃油经济性不高。,.,并联式混合动力汽车(ParallelHybridElectricVehicle，PHEV),PHEV采用发动机和电动机两套驱动系统。可采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或发动机和电动机联合驱动三种工作模式。它以发动机作为主动力装置，电动机作为辅助动力装置，目的是为了降低排放和燃油消耗。在汽车需要大功率输出(如爬坡、加速等)时，发动机和电动机联合驱动汽车，故发动机和电动机的额定功率选较小值，就可达到动力性要求。在汽车减速或刹车时，电动机工作在发电状态，向蓄电池充电，即再生制动。与SHEV相比，PHEV的发动机和电动机的功率较小，但结构比较复杂，同时控制难度增加。典型PHEV有:日野公司的HIMR型大客车、本田公司的Insight轿车等。,.,并联型混合电动汽车驱动系统,与串联型混合电动汽车不同的是，并联型混合电动汽车采用内燃机和电机两套独立的驱动系统驱动车轮。其驱动系统主要由发动机、电机和变速箱等组成。并联型混合电动汽车根据结构的不同又可以划分为单轴式、双轴式和分路式三种。,.,并联型混合电动汽车驱动系统,图5单轴式并联型混合电动汽车的驱动结构,.,并联型混合电动汽车驱动系统,单轴式并联型混合电动汽车的驱动结构如图5所示。其发动机通过主传动轴与变速箱相连，电动机转矩则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。,.,并联型混合电动汽车驱动系统,图6双轴式并联型混合电动汽车的驱动结构图,.,并联型混合电动汽车驱动系统,双轴式并联型混合电动汽车的驱动结构如图6所示。它有两套机械的变速箱，分别用来与发动机和电机相连。它们通过各自的变速箱之后，经齿轮系进行复合。因此，他们之间的转速比例关系是可调的,.,分路式并联型混合电动汽车的驱动结构,图7分路式并联型混合电动汽车的驱动结构,.,分路式并联型混合电动汽车的驱动结构,分路式并联型混合电动汽车的驱动结构如图1.7所示。其发动机和电机各成一套动力系统，与双轴式不同的是，它们各自驱动前轮或后轮，通过转速来复合。有的分路式混合动力电动汽车的电机直接驱动前轮或者后轮，没有变速箱和离合器。并联型混合电动汽车结构的多样性决定了其控制的灵活性。其发动机和电机是相互独立的，可自由控制各自的出力。其通用的控制策略和思想是:当车辆在怠速、低速等小功率工况下运行时，只采用电动机驱动，关闭发动机;而当控制系统监测到这时的工况是处于发动机的高效区时，就只利用发动机来驱动，并且在这个时候，还可以用发动机来通过电机给电池充电，在急加速和高速运行时，又可以让电机和发动机同时出力。另外，还可以调节电机出力，使发动机仍然保持工作在高效区内。,.,并联型混合电动汽车驱动系统,并联型混合电动汽车因为结构独立、控制灵活可以实现很好的控制结果，但同样也给控制算法的实现提高了难度，控制器的集中控制增多，不像串联型混合电动汽车的控制较为分散和成熟。另外，由于采用两套独立的驱动系统，它们的复合装置的开发难度也很大。,.,并联型混合电动汽车驱动系统,并联型混合电动汽车用电动驱动的方式来代替发动机效率很低、排放很差的工况，只让发动机保持稳定、高效、节能的运行状态，具有很好的燃油经济性和环保性能。另外，由于并联型混合电动汽车可以将发动机和电机的功率复合起来，所以在部件选型的时候，可以选择功率小一点的发动机和电机。功率小的部件的体积通常会要小些，安装和布置都要容易些，同时价格成本也较低。,.,混联式混合动力汽车(ParallelandSeriesHybridElectricVehicle，PSHEV,PSHEV在结构上综合了SHEV和PHEV的特点。与SHEV相比，它增加了机械动力传递路线:与PHEV相比，它增加了电能的传输路线。发动机和电动机可选择比较小的功率，控制策略灵活，发动机可以比较容易地工作在高效率区域。但是结构复杂，成本高。,.,混联型混合电动汽车驱动系统,混联型混合电动汽车的驱动系统结合了串联型和并联型结构的优点。目前销售最成功的丰田Prius混合动力电动汽车就采用了这种结构。,.,混联型混合电动汽车驱动系统,.,混联型混合电动汽车驱动系统,混联型混合电动汽车的驱动系统的结构如图8所示。其发动机经离合器将动力输出到行星架上，行星齿轮按照固定的比例将扭矩分配到内圈的太阳轮和外部的齿圈。齿圈轴与电动机、传动轴动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置将发动机一部分转矩(大约为70%)直接传递到驱动轴上，将另一部分转矩传送到发电机上。发电机发出的电将根据指令来决定是给电池组充电，还是驱动电动机以增加驱动力，这样就可以起到调速的作用。,.,混联型混合电动汽车驱动系统,图8Prius:混联型混合电动汽车驱动结构,.,混联型混合电动汽车驱动系统,混联型结构可以灵活实现各种工作模式。低速和启动时，行星齿轮只有一个自由度，发动机关闭，只有电池供电电动机来输出扭矩。当扭矩需求较大时，启动发动机，在发动机运行时，行星齿轮将发动机的功率分为两条线路。一条通过齿圈直接传到变速器，另一条驱动发电机发电，给电池充电或直接驱动电机。根据电池状态和动力需求，由发电机来承担发电或调速的作用;制动时，电动机和发电机均可以进行能量回收，向电池充电。由于电动机可以辅助出力，因此可以保证发动机工作在最高效率区内。,.,混联型混合电动汽车驱动系统,混联型混合电动汽车的传动系统的效率很高，它能最好地实现燃油经济性和最低排放。其各零部件的功率较小，因此体积小、质量轻，布置较为灵活。但是，混联型混合动力电动汽车的结构相当复杂，行星齿轮等复合机构的开发难度和工艺要求很高，制造成本也相对要高。,.,复合式混合动力汽车(CompositeHybridElectricVehicle，CHEV,CHEV结构更加复杂，一般用于双轴独立驱动系统，相当于一套完整的串联系统加上一套完整的并联系统，工作模式更加多样化，成本最高，控制系统也最复杂。,.,混合动力汽车用电机的选择,在混合电动汽车中，电机的作用主要有两种:一是用于驱动车辆，即作为电动机使用，二是回收制动能量和给电池充电，作为发电机使用。与通常工业中所用的驱动电机不同的是:用于混合动力电动汽车的驱动电机要求能够频繁的启动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高扭矩，而高速行驶时则要求低扭矩，并且对速度变化范围要求大:而工业驱动电机通常都优化工作在额定工作点。,.,混合动力汽车用电机的选择,因此，电动汽车用驱动电机与普通工业驱动电机在负载要求、技术性能及工作环境等方面的特点可归纳如下：1）电动汽车驱动电机需要有4-5倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求;而工业驱动电机只要求有2倍的过载能力。2)电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计:而工业驱动电机只要根据典型的工作模式进行设计。,.,混合动力汽车用电机的选择,3)电动汽车驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图，在较宽的转速和扭矩范围内都有较高的效率;而工业驱动电机只需在额定工作点附近进行效率优化。4)电动汽车驱动电机通常需要和发动机或其他电机共同工作，因此要求其可控性高、稳态精度高、动态性能好;而工业驱动电机只有某一特定的性能要求。5)电动汽车驱动电机通常要求安装在机动车上，空间小，而且工作环境恶劣，如高温、坏天气及频繁振动等;而工业驱动电机通常固定工作运行。,.,混合动力汽车用电机的选择,目前，在全世界范围的电动汽车研究中，不同的研究机构采用了不同种类的电机。主要包括直流电机、鼠笼式感应电机、永磁同步电机(包括永磁无刷直流电机)和开关磁阻电机。直流电机调速性能好、控制简单、成本低，但是过于笨重、维护性差，法国多采用直流电机。鼠笼式感应电机可靠、易维护、价格低廉、效率很高、比功率较高，是目前应用最广泛的电机。永磁同步电机具有高比功率、高效率的特点，但是成本太高。开关磁阻电机结构简单坚固、成本低、功率密度高、调速控制简单，但转矩脉动大、工作噪声大。,.,混合动力汽车用动力电池,在混合动力汽车中，储能元件起着向电动机供能及向动力传动系输出峰值功率的作用，其另外一个作用是吸收制动再生能量并将其存储起来。,.,混合动力汽车用动力电池,能量回收制动(Regenerativebreaking)对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义的，据文献介绍，对应EPA混合燃油循环，能量回收制动可减少车辆驱动能量需求的14%。对公路用重型载货汽车当在8%的坡道上并维持1OOkm/h下坡车速时，通常需要大约600kw的纯制动功率，再如常见的6%坡道、80km/h下坡车速也需350kw的纯制动功率，因此在混合动力汽车上要求储能装置应在长时间内能够接收制动功率(例如2分钟)，为使储能装置小致太重，要求其应具有比较高的比功率和比能量。,.,混合动力汽车用动力电池,目前有可能应用的几种能量存储装置如表下所示表混合动力汽车用能量存储装置,基木原理减速连接存储装置加速连接机械能无级变速CVT飞轮无级变速CVT电能一机械能发电机电动飞轮电池电动机电能发电机电化学电池电动机电能发电机超级电容电动机液压能液压泵储能器液压传动,.,混合动力汽车用动力电池,能量存储系统即动力电池方而，日本一直在全球处于领先地位，美国紧随其后。这两国的动力电池发展的方向，基木上代表了混合动力汽车电池发展的趋势。从丰田Prius和本田Insight混合动力轿车采用的电池以及美国PNGV计划的报告来看，混合动力汽车的动力电池短期内采用飞轮电池、超级电容和铅酸蓄电池的可能性小大。目前，混合动力汽车蓄电池的研究主要集中在锂离子电池和镍氢电池。主要研究课题仍然是围绕延长电池的使用寿命、提高功率密度和效率、降低电池的重量和成本等关键问题进行,.,混合动力汽车用动力电池,飞轮电池：飞轮电池又称电动机械电池，它已突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。飞轮电池中有一个电动机，充电时，该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”，即增加飞轮的转速从而增大其动能:放电时，电机以发电机状态运转，在飞轮的带动下向外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换。飞轮电池中的飞轮是在真空环境下运转的，转速可达200,OOOr/min，但这也对构成材料的强度密度比提出了更高的要求。另外，飞轮电池具有24kw/kg的比功率和125wh/kg的比能量并且几乎免维护，具有较低的寿命周期成本，使之十分适合用作重型卡车混合动力传动系的储能元件。目前，飞轮电池难以推广应用的原因是其昂贵的价格以及使用过程中的安全可靠性能。,.,混合动力汽车用动力电池,超级电容：超级电容具有高的比功率(可达24kw/kg、高的循环效率(可达929g%)，包括峰值功率工况在内)以及全充和全放能力。在混合动力汽车上主要用于车辆起步、加速、制动能量回收等工况。另外，由于超级电容采用物理方式存储电能而没有可转变的化学反应，具有优越的工作循环承受能力和寿命。但其最主要的缺点是较低的比能量，目前大约在71Owh/kg，如果单独应用超级电容，为满足整车性能需要的超级电容增多，整车的重量和成本较高。因此，超级电容只适合于对比能量需求低的轻度混合动力汽车，或与电化学电池组合使用，效果更加。,.,混合动力汽车用动力电池,电化学电池：电化学电池又称蓄电池，在电动车辆上已有相当的应用经验，其中颇具应用潜力的几种包括铅酸电池、镍氢电池和铿离子电池等。目前，驱动用铅酸电池的比能量一般为3040wh/kg，比功率一般为150200w/kg，循环使用寿命一般为500700次。铅酸电池技术发展较为成熟，可靠性高、原料易得且价格便宜，但铅酸电池的比能量较低，在过放电和过充电时，其使用寿命将显著缩短，深度放电以及环境温度变化也对电池性能影响较大。铅酸电池今后的发展目标为提高比能量，增大循环使用寿命，进一步降低成本，发展密封免维护电池，目前在纯电动汽车或混合动力汽车上也有应用。,.,混合动力汽车用动力电池,镍氢电池的正极为镍氧化物，负极为氢载体合金所存储的氢，具有很好的耐过充电特性，良好的使用安全性和充放电效率，以及该电池的反应物中无溶解析出物。这些特性非常适合混合动力汽车。实际上，混合动力汽车用电池的最大特点为常处于放电和充电状态，经常有能量的消耗和补充，但只要控制好电池的SOC应用范围，上述因素对镍氢电池的寿命影响并小大。所以在上市的车型中，镍氢电池占主体。专家也预测将来一段时间内，镍氢电池是最具竟争力的。国内也在大力开展这方而的工作，并取得了可喜的成果。,.,混合动力汽车用动力电池,锂离子电池能量密度可达到1OOwh/kg，功率密度可达到300w/kg，并且循环使用寿命长。但其价格较高，安全性尚需进一步提高。美国、日本都在开发锂聚合物电池，目前已投入关键性的安全实验考核。综上所述，由于飞轮电池和超级电容用作混合动力汽车储能元件仍存在着一些技术难点和缺陷，使得电化学电池成了目前混合动力汽车储能元件的主流。,.,混合动力汽车技术-2,主讲:朱明高级技师、经济师、工程师高级技能专业教师汽车维修高级考评员,.,3、混合动力汽车自动变速系统及其控制系统,.,混合动力汽车自动变速系统,与传统内燃机汽车类似，由于发动机和电机的转速工作范围与车速范围不一致，需要将混合动力汽车动力源的动力变速变矩地传递至驱动车轮，同时混合动力汽车变速传动系统还要完成发动机和电机动力的分配和藕合。,.,混合动力汽车自动变速系统,混合动力汽车可以选用专门针对混合动力系统设计的变速传动系统，也可是使用传统变速系统实现所要功能。现在常见的混合动力轿车有:Prius(Toyota),Estima(Toyota),Tino(Nissan),Civic(Honda)和Insight(Honda)，其选用的变速传动系统如表1所示。,.,混合动力汽车自动变速系统,表1混合动力汽车使用的变速传动系统,.,混合动力汽车自动变速系统,除Prius和Estima外，混合动力轿车多采用CVT，而Toyota采用的THS(ToyotaHybridSystem)是一种区别于传统变速系统的行星齿轮结构，其通过协调发动机、发电机和电动机的转速，实现动力分配和无级变速的双重功能。由于受开发周期、开发成本和技术水平的限制以及自主知识产权方面的要求，我国混合动力汽车开发多选择传统汽车所使用的变速系统。,.,混合动力汽车自动变速系统,按照实现自动变速的原理，自动变速器可分为三类:一类是液力变矩器和行星齿轮变速箱组成的液力自动变速器(AutomaticTransmission简称AT);一类是无级变速器(ContinuouslyVariableTransmission，简称CVT);另一类是由传统固定轴式变速箱和干式离合器以及相应的电液控制系统组成的机械式自动变速器(AutomaticMechanicalTransmission,简称AMT),.,液力自动变速器（AT),AT，在汽车上应用的历史已有60多年，是现在传统汽车中应用范围最广的自动变速系统，图1所示为宝马7型的6速自动变速器。,.,液力自动变速器（AT),图1宝马6速自动变速器,.,液力自动变速器（AT),液力自动变速器由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成，液力变扭器是AT最关键的部件，由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，它除了起离合器的作用外，还具有在一定范围内无级变速和变矩的能力，对负载有良好的自动调节和适应性。因此，液力自动变速器换档平稳，操作容易，但其缺点也较多:一是对速度变化反应较慢，没有手动变速器灵敏，无法满足对驾驶感觉要求较高的人的需求:二是费油不经济，传动效率低变矩范围有限，近年引入电子控制技术一定程度上改善了这方面的问题;三是机构复杂，设计、制造和维护困难。由于AT的燃油经济性较差，而且结构复杂不容易进行结构改变，应用于混合动力汽车时不仅影响整车燃油经济性，而且还受到其过长的开发周期和过高的开发、使用成本的影响。,.,无级变速器(CVI),CVT技术的发展，已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车上来用CVT技术的鼻祖，早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上，但由于橡胶带式CVI存在一系列的缺陷，没有被汽车行业普遍接受随着新技术逐步克服原有技术的缺陷，研制出了性能更优良的CVT。进入20世纪90年代，