38045 混合动力电动汽车技术汽车维修学习课件第1-2章　绪　　论

11OZ1,主编,第1章绪论第章混合动力汽车的分析与设计,第1章绪论,1.1混合动力汽车简介1.2混合动力汽车发展简史1.3混合动力系统的分类1.4混合动力汽车的控制策略1.5混合动力汽车的关键技术1.6混合动力汽车的发展现状,1.1混合动力汽车简介,1)混合动力汽车只需采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，由电能提供汽车加速、爬坡时所需的附加动力，因此提高了发动机的负荷率。2)可以控制发动机在高效率、低污染的区域内运行，发动机的功率不能满足车辆驱动需求时，由电池来补充；发动机的功率过剩时，剩余功率给电池充电。3)因为有了电机、电源系统，可以方便地回收汽车制动、下坡时的能量。4)在车辆频繁起停的繁华市区，可以关闭发动机，由电池单独驱动，从而消除发动机的怠速能耗，并实现零排放。,1)混合动力汽车只需采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，由电能提供汽车加速、爬坡时所需的附加动力，因此提高了发动机的负荷率。,2)可以控制发动机在高效率、低污染的区域内运行，发动机的功率不能满足车辆驱动需求时，由电池来补充；发动机的功率过剩时，剩余功率给电池充电。,3)因为有了电机、电源系统，可以方便地回收汽车制动、下坡时的能量。,4)在车辆频繁起停的繁华市区，可以关闭发动机，由电池单独驱动，从而消除发动机的怠速能耗，并实现零排放。,1.2混合动力汽车发展简史,1.3混合动力系统的分类,1.3.1按混合方式分类1.3.2按混合度分类1.3.3依据动力耦合系统数学模型分类,1.3.1按混合方式分类,1.串联式混合动力汽车(Series2.并联式混合动力汽车(Parallel3.混联式混合动力系统(Series/Parallel,1.串联式混合动力汽车(Series,(1)串联方式的工作模式串联式混合动力系统主要应用于城市公交车，节油率可以达到20%左右。(2)串联方式的优点(3)串联方式的缺点,1.串联式混合动力汽车(Series,图1-1串联式混合动力系统,(1)串联方式的工作模式串联式混合动力系统主要应用于城市公交车，节油率可以达到20%左右。,1)纯电驱动模式：发动机关闭，车辆驱动能量完全来自动力电池，该模式主要用于车辆低速行驶和倒车工况。2)纯发动机驱动模式：车辆驱动能量来自发动机，经发电机、电机控制器、电动机进行能量转换后驱动车辆。3)混合驱动模式：车辆驱动能量同时来自发动机和动力电池，发电机发出的电能和电池提供的电能由电机控制器实现耦合，共同输送给电动机，该模式主要用于车辆加速和爬坡行驶工况。,(1)串联方式的工作模式串联式混合动力系统主要应用于城市公交车，节油率可以达到20%左右。,4)发动机驱动和电池充电模式：来自发动机的机械能由发电机转化成电能后，由电机控制器分配能量，一部分输送给电动机用于驱动车辆，另一部分给动力电池充电，该模式主要用于车辆低负荷行驶且电池SOC较低的工况。5)回馈制动模式：发动机关闭，电动机以发电形式工作，把来自车轮的动能转化为电能，通过电机控制器给动力电池充电，该模式主要用于车辆制动和下坡工况。6)电池充电模式：电动机不接受能量，由发电机把来自发动机的机械能转化为电能，通过电机控制器给动力电池充电，该模式主要用于车辆静止且电池SOC较低的工况。,1)纯电驱动模式：发动机关闭，车辆驱动能量完全来自动力电池，该模式主要用于车辆低速行驶和倒车工况。,2)纯发动机驱动模式：车辆驱动能量来自发动机，经发电机、电机控制器、电动机进行能量转换后驱动车辆。,3)混合驱动模式：车辆驱动能量同时来自发动机和动力电池，发电机发出的电能和电池提供的电能由电机控制器实现耦合，共同输送给电动机，该模式主要用于车辆加速和爬坡行驶工况。,4)发动机驱动和电池充电模式：来自发动机的机械能由发电机转化成电能后，由电机控制器分配能量，一部分输送给电动机用于驱动车辆，另一部分给动力电池充电，该模式主要用于车辆低负荷行驶且电池SOC较低的工况。,5)回馈制动模式：发动机关闭，电动机以发电形式工作，把来自车轮的动能转化为电能，通过电机控制器给动力电池充电，该模式主要用于车辆制动和下坡工况。,6)电池充电模式：电动机不接受能量，由发电机把来自发动机的机械能转化为电能，通过电机控制器给动力电池充电，该模式主要用于车辆静止且电池SOC较低的工况。,(2)串联方式的优点,1)发动机和驱动轮之间没有机械连接，因此发动机可以工作在其速度-转矩图的任何点上。2)由于电动机的速度-转矩特性非常适合汽车牵引需求，驱动系统可以不再需要多档位的变速器，使得驱动系统结构得以简化；另外如果在两个驱动轮上各使用一个轮毂电机，就可以去掉机械差速器，实现两个车轮间的解耦；还可以实现4个车轮各使用一个轮毂电机，这样每个车轮的速度和转矩就可以实现独立控制，从而提高车辆的机动性。3)与其他的布置方式相比，由于发动机和驱动轮之间实现了完全的机械解耦，动力总成的控制策略简单。,1)发动机和驱动轮之间没有机械连接，因此发动机可以工作在其速度-转矩图的任何点上。,2)由于电动机的速度-转矩特性非常适合汽车牵引需求，驱动系统可以不再需要多档位的变速器，使得驱动系统结构得以简化；另外如果在两个驱动轮上各使用一个轮毂电机，就可以去掉机械差速器，实现两个车轮间的解耦；还可以实现4个车轮各使用一个轮毂电机，这样每个车轮的速度和转矩就可以实现独立控制，从而提高车辆的机动性。,3)与其他的布置方式相比，由于发动机和驱动轮之间实现了完全的机械解耦，动力总成的控制策略简单。,(3)串联方式的缺点,1)发动机产生的能量经过两次能量转换才到达驱动轮，能量损失多，效率低。2)发电机的使用增大了车辆质量和成本。3)由于电动机是驱动车辆的动力源，为满足车辆的加速和爬坡性能要求，其尺寸较大。,1)发动机产生的能量经过两次能量转换才到达驱动轮，能量损失多，效率低。,2)发电机的使用增大了车辆质量和成本。,3)由于电动机是驱动车辆的动力源，为满足车辆的加速和爬坡性能要求，其尺寸较大。,2.并联式混合动力汽车(Parallel,(1)并联方式的优点(2)并联方式的缺点,2.并联式混合动力汽车(Parallel,图1-2并联式混合动力系统,(1)并联方式的优点,1)发动机的动力可以直接用来驱动车辆，没有能量转换，能量损失小。2)一个电机既可作为电动机使用，也可作为发电机使用，且可以采用较小功率的电机，成本低。,1)发动机的动力可以直接用来驱动车辆，没有能量转换，能量损失小。,2)一个电机既可作为电动机使用，也可作为发电机使用，且可以采用较小功率的电机，成本低。,(2)并联方式的缺点,1)发动机和驱动轮间还是机械连接，因此发动机的工作点不可能总处于最佳区域，发动机效率得不到充分发挥。2)需要搭载变速器，且适合搭载自动变速器。3)混合度较低，不便于向插电式混合动力过渡。,1)发动机和驱动轮间还是机械连接，因此发动机的工作点不可能总处于最佳区域，发动机效率得不到充分发挥。,2)需要搭载变速器，且适合搭载自动变速器。,3)混合度较低，不便于向插电式混合动力过渡。,3.混联式混合动力系统(Series/Parallel,图1-3混联式混合动力系统,1.3.2按混合度分类,1.弱混合(弱混)动力系统2.轻度混合(轻混)动力系统3.中度混合(中混)动力系统4.重度混合(重混)动力系统5.插电式混合动力系统,1.3.2按混合度分类,表1-1不同混合度类型及功能列表,1.弱混合(弱混)动力系统,2.轻度混合(轻混)动力系统,3.中度混合(中混)动力系统,4.重度混合(重混)动力系统,5.插电式混合动力系统,1.3.3依据动力耦合系统数学模型分类,1.转矩耦合方式2.转速耦合方式3.功率耦合方式,1.3.3依据动力耦合系统数学模型分类,图1-4动力耦合系统示意图,1.转矩耦合方式,2.转速耦合方式,3.功率耦合方式,1.4混合动力汽车的控制策略,1)优化发动机的工作点：基于最佳燃油经济性，根据发动机的转矩和转速特性曲线确定最优工作点。2)优化发动机的工作曲线：如果发动机需要发出不同的功率，相应的最优工作点就构成了发动机的最优工作曲线。3)优化发动机的工作区：在转矩和转速特性曲线上，发动机有一个首选的工作区，在此工作区内，发动机效率较高。4)最小的发动机动态波动：缓慢调整发动机工作转速以减小发动机波动，避免由于发动机的动态波动带来的燃油经济性恶化。5)限制发动机最低转速：当发动机低速运行时，燃油效率很低，因而当发动机转速低于设定的限值时，应关闭发动机。,1.4混合动力汽车的控制策略,6)适当减少发动机的起停次数：过于频繁地起停发动机，会引起油耗和排放恶化。7)合适的动力电池荷电状态：动力电池的容量须保持在适当的水平，以便在汽车加速时提供足够的功率，在汽车制动或下坡时能回收能量。8)安全的动力电池电压：在放电、发电机充电和制动回收充电时，动力电池的电压会发生很大变化，应避免动力电池电压过低或过高，否则动力电池会产生永久性破损。9)分工适当：在驱动循环中，发动机和动力电池应合理分担汽车所需功率。,1.4混合动力汽车的控制策略,10)合理确定纯电动模式运行条件：依据车速、电池荷电状态、汽车加速踏板开度等信息确定合理的发动机起停条件。11)最大限度地回馈汽车制动能量：依据车速、汽车加速踏板和制动踏板等信息确定能量回馈的功率。12)附件系统的控制：依据实时温度，控制发动机、电机及电池冷却风扇的转速。13)工作模式平稳转换：在纯电动模式驱动、混合动力模式驱动和汽车减速制动等工作模式转换时，应保证过渡平稳。,1)优化发动机的工作点：基于最佳燃油经济性，根据发动机的转矩和转速特性曲线确定最优工作点。,2)优化发动机的工作曲线：如果发动机需要发出不同的功率，相应的最优工作点就构成了发动机的最优工作曲线。,3)优化发动机的工作区：在转矩和转速特性曲线上，发动机有一个首选的工作区，在此工作区内，发动机效率较高。,4)最小的发动机动态波动：缓慢调整发动机工作转速以减小发动机波动，避免由于发动机的动态波动带来的燃油经济性恶化。,5)限制发动机最低转速：当发动机低速运行时，燃油效率很低，因而当发动机转速低于设定的限值时，应关闭发动机。,6)适当减少发动机的起停次数：过于频繁地起停发动机，会引起油耗和排放恶化。,7)合适的动力电池荷电状态：动力电池的容量须保持在适当的水平，以便在汽车加速时提供足够的功率，在汽车制动或下坡时能回收能量。,8)安全的动力电池电压：在放电、发电机充电和制动回收充电时，动力电池的电压会发生很大变化，应避免动力电池电压过低或过高，否则动力电池会产生永久性破损。,9)分工适当：在驱动循环中，发动机和动力电池应合理分担汽车所需功率。,10)合理确定纯电动模式运行条件：依据车速、电池荷电状态、汽车加速踏板开度等信息确定合理的发动机起停条件。,11)最大限度地回馈汽车制动能量：依据车速、汽车加速踏板和制动踏板等信息确定能量回馈的功率。,12)附件系统的控制：依据实时温度，控制发动机、电机及电池冷却风扇的转速。,13)工作模式平稳转换：在纯电动模式驱动、混合动力模式驱动和汽车减速制动等工作模式转换时，应保证过渡平稳。,1.5混合动力汽车的关键技术,1.动力耦合系统2.动力总成控制系统3.电机及控制系统4.动力电池及其管理系统5.混合动力系统专用发动机6.仿真分析技术,1.动力耦合系统,2.动力总成控制系统,3.电机及控制系统,4.动力电池及其管理系统,5.混合动力系统专用发动机,6.仿真分析技术,1.6混合动力汽车的发展现状,1.混合动力轿车的发展综述2.混合动力客车的发展综述3.动力电池及管理系统的发展现状与趋势4.车用电机及控制系统的发展现状与趋势5.混合动力系统控制技术的发展现状与趋势,1.混合动力轿车的发展综述,2.混合动力客车的发展综述,3.动力电池及管理系统的发展现状与趋势,4.车用电机及控制系统的发展现状与趋势,5.混合动力系统控制技术的发展现状与趋势,第章混合动力汽车的分析与设计,2.1混合动力汽车的节能机理2.2整车功率匹配的基本原则2.3并联混合动力汽车动力总成的设计原理2.4串联混合动力汽车动力总成的设计原理2.5混联式混合动力汽车动力总成的设计原理,2.1混合动力汽车的节能机理,1.混合动力汽车的节能途径2.混合动力汽车的节能思想,1.混合动力汽车的节能途径,1)选择较小的发动机，从而提高发动机负荷率。2)改善控制策略使发动机工作在高效率区，以改善整车的燃油消耗。3)发动机具有取消怠速和高速断油的功能，以节省燃油消耗。4)具有再生制动能量回收功能。,1)选择较小的发动机，从而提高发动机负荷率。,2)改善控制策略使发动机工作在高效率区，以改善整车的燃油消耗。,3)发动机具有取消怠速和高速断油的功能，以节省燃油消耗。,4)具有再生制动能量回收功能。,图2-1混合动力汽车节油措施效果统计分析,2.混合动力汽车的节能思想,图2-2混合动力汽车节能机理研究的总体思想,2.混合动力汽车的节能思想,图2-3传统汽车能量消耗分析框图,2.混合动力汽车的节能思想,图2-4混合动力汽车的节能机理分析思想,2.2整车功率匹配的基本原则,2.3并联混合动力汽车动力总成的设计原理,2.3.1并联式混合动力汽车动力总成的结构型式分析2.3.2并联式混合动力汽车总成的匹配原则2.3.3参数设计实例分析,2.3.1并联式混合动力汽车动力总成的结构型式分析,图2-5按传动系统联合方式不同的分类a)并联单轴联合式结构示意图b)并联双轴联合式结构示意图c)并联单个驱动系统联合式结构示意图,2.3.2并联式混合动力汽车总成的匹配原则,1.发动机参数设计2.电机参数设计3.电池参数设计4.动力分配装置参数设计,2.3.2并联式混合动力汽车总成的匹配原则,图2-6双轴并联混合动力总成基本结构及布置方案,1.发动机参数设计,1)满足发动机单独驱动的功率需求。2)满足整车动力性要求。3)满足整车经济性最佳要求。,1)满足发动机单独驱动的功率需求。,2)满足整车动力性要求。,3)满足整车经济性最佳要求。,2.电机参数设计,(1)电机峰值功率匹配原则电机的峰值功率必须同时满足整车动力性指标中的最高车速、最大加速度以及加速时间要求，同时还要满足以下三个方面的需要。(2)电机额定功率和额定转速的匹配原则由于驱动电机的额定功率和额定转速直接影响着电机的高效区，而电机的高效区分布对混合动力汽车的燃油经济性影响很大。(3)电机峰值转矩和转速匹配原则车用驱动电机具有低速、大转矩的特点。,(1)电机峰值功率匹配原则电机的峰值功率必须同时满足整车动力性指标中的最高车速、最大加速度以及加速时间要求，同时还要满足以下三个方面的需要。,1)起动发动机能力：电机在规定时间内起动发动机达到规定转速，其功率应满足2)单独起动整车能力：在规定时间内单独起动整车达到规定车速，满足式(2-5)。3)整车加速能力：满足整车的加速时间的要求，满足式(2-7)。,1)起动发动机能力：电机在规定时间内起动发动机达到规定转速，其功率应满足,2)单独起动整车能力：在规定时间内单独起动整车达到规定车速，满足式(2-5)。,3)整车加速能力：满足整车的加速时间的要求，满足式(2-7)。,(2)电机额定功率和额定转速的匹配原则由于驱动电机的额定功率和额定转速直接影响着电机的高效区，而电机的高效区分布对混合动力汽车的燃油经济性影响很大。,图2-7电机高效区调节示意图,(3)电机峰值转矩和转速匹配原则车用驱动电机具有低速、大转矩的特点。,3.电池参数设计,1)电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致。2)最大充电和放电功率要满足电机的功率要求。3)要满足运行过程中的能量消耗。,1)电压等级要与电力系统电压等级和变化范围一致。,2)最大充电和放电功率要满足电机的功率要求。,3)要满足运行过程中的能量消耗。,表2-1一般混合动力汽车的电压等级统计结果,4.动力分配装置参数设计,2.3.3参数设计实例分析,1.发动机基本参数2.驱动电机基本参数3.电池参数设计4.动力分配装置参数设计,2.3.3参数设计实例分析,表2-2混合动力客车基本参数和动力性要求,1.发动机基本参数,图2-8不同坡度下的行驶车速与功率需求关系的仿真模拟结果,1.发动机基本参数,209.tif,1.发动机基本参数,图2-9城市客车的发动机功率与整车原地起步加速时间关系的仿真模拟结果,表2-3城市客车的发动机参数与整车经济性关系的仿真计算结果,表2-4双轴并联混合动力总成的柴油发动机参数,2.驱动电机基本参数,(1)电机的峰值功率确定(2)电机额定功率的确定电机额定功率的确定应保证在工况循环中额定功率值附近的区间电机有较高的效率。(3)电机转速的确定电机的最高转速一般分两个档次，最高转速小于6000r/min的电机为普通电机，大于等于6000r/min的为高速电机。,(1)电机的峰值功率确定,1)起动发动机的能力。2)起动整车能力。3)整车加速能力。,1)起动发动机的能力。,图2-10发动机起动转速与起动时间的关系,1)起动发动机的能力。,图2-11发动机转动惯量与起动时间的关系,1)起动发动机的能力。,图2-12起动摩擦力矩与起动时间的关系,1)起动发动机的能力。,图2-13电机峰值功率与起动时间的关系,2)起动整车能力。,图2-14整车起动性能曲线,3)整车加速能力。,(2)电机额定功率的确定电机额定功率的确定应保证在工况循环中额定功率值附近的区间电机有较高的效率。,(3)电机转速的确定电机的最高转速一般分两个档次，最高转速小于6000r/min的电机为普通电机，大于等于6000r/min的为高速电机。,图2-15整车加速性能曲线,(3)电机转速的确定电机的最高转速一般分两个档次，最高转速小于6000r/min的电机为普通电机，大于等于6000r/min的为高速电机。,图2-16电机在CBDBUS工况循环中的实际工作点,(3)电机转速的确定电机的最高转速一般分两个档次，最高转速小于6000r/min的电机为普通电机，大于等于6000r/min的为高速电机。,图2-17电机在UDDS工况循环中的实际工作点,(3)电机转速的确定电机的最高转速一般分两个档次，最高转速小于6000r/min的电机为普通电机，大于等于6000r/min的为高速电机。,2018.tif,(3)电机转速的确定电机的最高转速一般分两个档次，最高转速小于6000r/min的电机为普通电机，大于等于6000r/min的为高速电机。,图2-18电机在ETC-URBAN工况循环中的实际工作点,3.电池参数设计,(1)电池功率参数选定电池的电压等级为360V，代入驱动电机的总功率、电压等级及其电机和逆变器效率参数，并计入效率的影响，可知电池的最大放电功率大于60kW。(2)电池能量参数计算确定电池的容量约为4060Ah，按最小成本考虑，应取最小的40Ah;考虑到整车的纯电动功能，需要满足20km/h的行驶速度要求，因此电池容量的确定需要根据工况需要重新匹配。,(1)电池功率参数选定电池的电压等级为360V，代入驱动电机的总功率、电压等级及其电机和逆变器效率参数，并计入效率的影响，可知电池的最大放电功率大于60kW。,(2)电池能量参数计算确定电池的容量约为4060Ah，按最小成本考虑，应取最小的40Ah;考虑到整车的纯电动功能，需要满足20km/h的行驶速度要求，因此电池容量的确定需要根据工况需要重新匹配。,图2-19CBDBUS工况循环中的电池功率和储存能量的变化情况,(2)电池能量参数计算确定电池的容量约为4060Ah，按最小成本考虑，应取最小的40Ah;考虑到整车的纯电动功能，需要满足20km/h的行驶速度要求，因此电池容量的确定需要根据工况需要重新匹配。,图2-20ETCURBAN工况循环中的电池功率和储存能量的变化情况,(2)电池能量参数计算确定电池的容量约为4060Ah，按最小成本考虑，应取最小的40Ah;考虑到整车的纯电动功能，需要满足20km/h的行驶速度要求，因此电池容量的确定需要根据工况需要重新匹配。,图2-21UDDS工况循环中的电池功率和储存能量的变化情况,4.动力分配装置参数设计,图2-22发动机和电机合成外特性,2.4串联混合动力汽车动力总成的设计原理,2.4.1串联式混合动力汽车动力总成的结构型式分析2.4.2串联混合动力汽车动力总成的匹配原则2.4.3参数设计实例分析,2.4.1串联式混合动力汽车动力总成的结构型式分析,图2-23串联式结构型式a)单一能源存储联合方式示意图b)多种能源存储联合方式示意图,2.4.2串联混合动力汽车动力总成的匹配原则,1)电动机的参数首先要满足整车动力性指标的要求，特别是加速时间的要求。2)发动机-发电机组的参数在满足单独驱动的技术条件要求的前提下，尽可能选择较小功率的发动机-发电机组，以利于改善整车的燃油经济性。3)电池匹配原则见2.2节。,1)电动机的参数首先要满足整车动力性指标的要求，特别是加速时间的要求。,2)发动机-发电机组的参数在满足单独驱动的技术条件要求的前提下，尽可能选择较小功率的发动机-发电机组，以利于改善整车的燃油经济性。,3)电池匹配原则见2.2节。,2.4.3参数设计实例分析,1.电动机参数设计2.发动机和发电机参数设计3.电池参数设计,1.电动机参数设计,(1)电动机的峰值功率(2)电动机的额定功率串联型式的电动机峰值功率一般为额定功率的3倍左右。(3)电动机额定转速和最高转速由于电动机的峰值功率大，因此适合采用高速电机，根据式(2-7)确定电动机的最高转速8000r/min，基速2000r/min，最终电动机的基本性能参数见表2-5。,(1)电动机的峰值功率,图2-24整车加速性能曲线,(2)电动机的额定功率串联型式的电动机峰值功率一般为额定功率的3倍左右。,图2-25电动机在CBDBUS工况循环中的实际工作点,(2)电动机的额定功率串联型式的电动机峰值功率一般为额定功率的3倍左右。,图2-26电动机在ETC-URBAN工况循环中的实际工作点,(2)电动机的额定功率串联型式的电动机峰值功率一般为额定功率的3倍左右。,图2-27电动机在UDDS工况循环中的实际工作点,(3)电动机额定转速和最高转速由于电动机的峰值功率大，因此适合采用高速电机，根据式(2-7)确定电动机的最高转速8000r/min，基速2000r/min，最终电动机的基本性能参数见表2-5。,表2-5串联混合动力总成的电动机参数,2.发动机和发电机参数设计,表2-6不同发动机功率对应的各个标准工况循环的整车等效百公里油耗,表2-7串联混合动力总成的柴油发动机参数,表2-8串联混合动力总成的发电机参数,3.电池参数设计,2.5混联式混合动力汽车动力总成的设计原理,2.5.1混联式混合动力汽车动力总成的结构型式分析2.5.2混联式混合动力汽车动力总成的匹配原则,2.5.1混联式混合动力汽车动力总成的结构型式分析,图2-28丰田普锐斯混合动力轿车混联式结构示意图,2.5.2混联式混合动力汽车动力总成的匹配原则,1.发动机参数设计2.行星排速比设计3.发电机设计4.驱动电机设计5.动力电池选择,1.发动机参数设计,1)发动机功率需满足