Y混合动力电动汽车各宗形式的优缺点

第三章混合动力电动汽车,第三章混合动力电动汽车,3.0概述3.1混合动力电动汽车的结构分类3.2混合动力电动汽车驱动系统分析3.3混合动力电动汽车多能源控制系统及实例分析,第三章混合动力电动汽车,重点混合动力电动汽车的结构和性能难点不同混合动力电动汽车的多能源动力系统的能量流分析及其控制,3.0概述,广义定义混合动力汽车（HybridElectricVehicle,HEV）是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆。狭义定义既有内燃机又有电动机驱动的车辆。,3.0概述,优点与纯电动汽车相比：行驶里程延长了24倍；能快速添加汽油或柴油。与传统燃油车相比：内燃机以最有效的模式工作，在相同行驶里程的条件下，燃油消耗和排放少；可以纯电动方式工作，实现零排放。缺点结构和控制复杂。有排放。,3.1混合动力电动汽车的结构分类,3.1.1混合动力电动汽车的分类3.1.2串联混合动力电动汽车3.1.3并联混合动力电动汽车3.1.4混联混合动力电动汽车3.1.5混合动力电动汽车的比较,3.1.1混合动力电动汽车的分类,按结构分类串联混合动力电动汽车SHEV(SeriesHybridElectricVehicle)并联混合动力电动汽车PHEV(ParallelHybridElectricVehicle)混联混合动力电动汽车SPHEV(SeriesandParallelHybridElectricVehicle),3.1.2串联混合动力电动汽车,结构示意图动力总成：发动机、发电机、电动机,3.1.2串联混合动力电动汽车,能量流图(车载能源环节的联合),APU,3.1.2串联混合动力电动汽车,特点发动机和发电机组成辅助动力单元APU(AuxiliaryPowerUnite)一起工作产生所需的电能。发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。单条驱动线路：只有电动机驱动汽车行驶。发动机仅用于带动发电机发电，与驱动轮无机械连接，不直接驱动车辆。,3.1.2串联混合动力电动汽车,优点动力电池组为基本能源，可实现“零污染”状态的行驶。发动机发电机组所发出的电能向动力电池组充电，用于补充动力电池组的电能，或直接供给驱动电动机，以延长续驶里程。发动机发电机组的发动机能够保持在稳定、高效、低污染的状态下运转，将有害气体排放控制在最低范围。还可采用燃气轮机、转子发动机等其它类型的发动机，进一步降低燃料消耗和有害气体排放。趋近于纯电动车，只有电动机驱动车辆。可采用电动机集中驱动系统或电动轮驱动系统。总体结构较简单，易于控制，发动机发电机组和电动机之间没有机械联系，在车上布置有较大的自由度。,3.1.2串联混合动力电动汽车,缺点一.电动机功率要求较大。要求动力电池组容量大，同时还需较大功率的发动机发电机组，二.整车外形尺寸较大，质量较重三.能量损失较大,能量转换效率比内燃机汽车低。四.发动机发电机组与动力电池组之间的匹配要求较严格,3.1.3并联混合动力电动汽车,结构示意图动力总成：发动机、电动机,Insight,3.1.3并联混合动力电动汽车,结构示意图,3.1.3并联混合动力电动汽车,能量流图(机械能的联合),3.1.3并联混合动力电动汽车,特点2条驱动线路：内燃机和电动机都可通过各自的驱动线路驱动车轮。3种驱动模式：发动机单独驱动，电动机单独驱动，发动机和电动机混合驱动。为电力辅助型的燃油车，可降低排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于驱动电动车所需的功率或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量充入电池。,3.1.3并联混合动力电动汽车,优点只有发动机和电动机两个动力总成，两者的功率可以等于50%100%车辆驱动功率，比SHEV三个动力总成的功率、质量和体积小很多。发动机可直接驱动车辆，没有SHEV发动机的机械能电能机械能的转换过程，能量转换的综合效率比SHEV高。车辆需要最大输出功率时，电动机可以给发动机提供额外的辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃油经济性比SHEV好.与电动机配套的动力电池组容量较小，使整车质量减小。电动机可带动发动机起动，调节发动机的输出功率，使发动机基本稳定在高效率、低污染状态下工作。发动机带动电机发电向电池组充电，可延长续驶里程。,3.1.3并联混合动力电动汽车,缺点一.发动机工况会受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于SHEV。二.动力系统结构复杂，布置和控制更困难。,3.1.4混联混合动力电动汽车,结构示意图(以丰田Prius为例)动力总成：发动机、发电机、电动机,Prius,3.1.4混联混合动力电动汽车,结构示意图(以丰田Prius为例),3.1.4混联混合动力电动汽车,能量流图(以丰田Prius为例),行星齿轮机构将3个动力总成相连：发动机行星架，发电机太阳轮电动机齿圈,驱动桥,3.1.4混联混合动力电动汽车,混联混合动力合成装置行星齿轮机构工作原理结构：太阳轮与发电机相连，齿圈与传动装置相连，行星架与发动机相连。发动机动力传递：一部分动力通过行星齿轮传给齿圈，然后通过传动轴传给驱动车轮；另一部分动力传给太阳轮经发电机转化为电能。各部件角速度方程：1+kp2-(1+kp)3=0kp基本齿数比，kp=Z2/Z1；Z1、Z2分别为太阳轮、齿圈的齿数；1、2、3分别为太阳轮、齿圈和行星架的角速度。各部件运动方程：J11=1M1-2M2/kpJ33=M3+3M2(kp+1)/kpJ1太阳轮及其相关部件的转动惯量；J3行星架的总转动惯量M1、M2、M3分别为作用在太阳轮、齿圈及行星架上的转矩1、2、3分别为太阳轮、齿圈、行星架的传动效率,1-太阳轮;2-齿圈;3-行星架;4-行星齿轮,3.1.4混联混合动力电动汽车,特点1.将串联HEV和并联HEV相结合，具有两者的优点。2.与串联HEV相比，增加了机械动力的传递路线。3.与并联HEV相比，增加了电能的传输路线。,3.1.4混联混合动力电动汽车,优点三个动力总成比SHEV三个动力总成的功率大、质量和体积小。有多种驱动模式，节能最佳，有害气体排放达到“超低污染”。发动机可直接驱动车辆，没有机械能电能机械能的转换过程，能量转换的综合效率比内燃机汽车高。电动机可独立驱动车辆行驶。电动机利用低速大转矩特性，带动车辆起步，可在城市中实现“零污染”行驶。车辆需最大输出功率时，电动机可给发动机提供辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃料经济性比SHEV好。,3.1.4混联混合动力电动汽车,缺点发动机驱动是基本驱动模式，电动机驱动是辅助驱动模式，动力性更接近内燃机汽车。发动机工况受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于SHEV。需要配备两套驱动系统；发动机传动系统需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动桥等传动总成；另外，还有电动机、减速器、动力电池组，以及多能源动力(发动机动力与电动机动力)组合或协调专用装置。因此，多能源动力系统结构复杂，总布置困难。多能源动力系统的工作模式有多种形式，需复杂的多能源动力总成控制系统，才能达到高经济性和“超低污染”。,3.1.5混合动力电动汽车的比较,驱动方式的比较,传统汽车：只有发动机直接驱动汽车,串联HEV：只有电动机直接驱动汽车(类似与纯电动汽车),并联HEV：发动机和电动机都可直接驱动汽车,3.1.5混合动力电动汽车的比较,结构的比较,串联HEV,并联HEV,混联HEV,电力接连,机械连接,液流连接,3.1.5混合动力电动汽车的比较,主要应用范围的比较串联HEV：大客车。如武汉理工大学串联混合动力大客车。并联HEV：轿车。如本田Insight。混联HEV：轿车。如丰田Prius。,3.1.5混合动力电动汽车的比较,3.1.5混合动力电动汽车的比较,3.1.5混合动力电动汽车的比较,3.2混合动力电动汽车驱动系统分析,3.2.1混合动力电动汽车驱动系统的能量管理,车辆行驶所需能量=发动机工作能量+电机工作能量,1.启动充分利用电动机启动时的低速增扭当汽车启动时，油电混合动力系统仅适用由HV蓄电池提供能量的电动机的动力启动，这时发动机并不运转。因为发动机不能在低旋转带输出大扭矩，而电动机可以灵敏、顺畅、高效地进行启动点火启动时，发动机将进行运转，直至充分预热,2.低速中速行驶时由高效利用能量的电动机驱动行驶对于发动机而言，在低速中速带的效率并不理想，而另一发面，电动机在低速中速带性能优越。因此，在用低速中速行驶时，油电混合动力系统使用HV蓄电池的电力，驱动电动机行驶。HV蓄电池电量少时，利用发动机来带动发电机发电，为电动机提供动力,3.一般行驶时低油耗的驾驶，适用发动机作为主要动力源油电混合动力系统采用发动机，使它在能产生最高效率的速度带驱动。由发动机产生的动力直接驱动车辆，依照驾驶状况部分动力被分配给发电机。由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发动机。利用发动机和电动机这一双重传动系统，发动机产生的动力以最小消耗被传向地面。HV蓄电池的电量少时，发动机输出动力会被提高以加大发电量，来给HV蓄电池充电。,4.一般行驶时/剩余能量充电将剩余能量用于HV蓄电池充电油电混合动力系统在高速运转时是采用发动机来驱动，而发动机有时会产生多余的能量。这事多余的能量由发电机转换成电力，用于储存在HV电池中。,5.全速开进（行驶）时利用双动力来获得更高一级的加速在需要强劲加速力（如爬陡坡及超车）时，HV蓄电池也提供动力，来加大电动机的驱动力。通过发动机和电动机双动力的结合使用，油电混合动力系统得以实现与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能。,6.减速/能量再生时将减速时的能量回收到HV蓄电池中用于再利用在踩制动器和松油门时，油电混合动力系统使车轮的旋转力带动电动机运转，将其作为发动机使用。减速时通常作为摩擦热散失掉的能量，在此被转换成电能，回收到HV蓄电池中进行再利用。,7.停车时停车时动力系统全部停止在停车时，发动机、电动机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费能量。,3.2.2串联混合动力电动汽车的工作模式,启动/正常行驶/加速模式发动机通过发电机和蓄电池一起输出电能并传递给功率转换器，然后驱动电动机，通过机械传动装置驱动车轮。,发动机,发电机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,3.2.2串联混合动力电动汽车的工作模式,轻载模式发动机发出的功率大于车辆所需功率，多余的能量通过发电机给蓄电池充电直到SOC达到预定的限值。,发动机,发电机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,3.2.2串联混合动力电动汽车的工作模式,减速/制动模式电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率转换器给蓄电池充电。,发动机,发电机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,3.2.2串联混合动力电动汽车的工作模式,蓄电池充电模式停车时，发动机可通过发电机和功率转换器给蓄电池充电。,发动机,发电机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,3.2.3并联混合动力电动汽车的工作模式,启动/加速模式车辆启动或节气门全开加速时，发动机和电动机同时工作，共同分担驱动车辆所需的动力，如发动机和电动机分别承担总功率的80%和20%。,发动机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,3.2.3并联混合动力电动汽车的工作模式,正常行驶模式车辆正常行驶时，电动机关闭，仅由发动机工作提供车辆行驶所需动力。,发动机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,3.2.3并联混合动力电动汽车的工作模式,减速/制动模式车辆减速行驶或制动时，电动机工作于发电机模式进行再生制动，通过功率转换器给蓄电池充电。,发动机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,3.2.3并联混合动力电动汽车的工作模式,行驶中给蓄电池充电模式当车辆轻载时，发动机输出功率驱动车辆行驶，同时发动机输出的多余功率驱动以发电状态工作的电机发电而向蓄电池充电。,发动机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,3.2.4混联混合动力电动汽车的工作模式,发动机主动型混联混合动力电动汽车车辆运行时，主要是发动机驱动车辆，如尼桑Tino。电力主动型混联混合动力电动汽车车辆运行时，主要是电动机驱动车辆，如丰田Prius。,3.2.4混联混合动力电动汽车的工作模式,发动机主动型混联混合动力电动汽车启动模式发动机关闭，由蓄电池给电动机提供电能驱动车辆。,发动机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,发电机,3.2.4混联混合动力电动汽车的工作模式,发动机主动型混联混合动力电动汽车加速模式节气门全开车辆加速行驶时，发动机和电动机同时工作，共同分担车辆行驶所需的动力。,发动机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,发电机,3.2.4混联混合动力电动汽车的工作模式,发动机主动型混联混合动力电动汽车正常行驶模式电动机关闭，发动机工作，提供车辆所需动力。,发动机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,发电机,3.2.4混联混合动力电动汽车的工作模式,发动机主动型混联混合动力电动汽车减速/制动模式电机工作于发电模式进行再生制动，通过功率转换器给蓄电池充电。,发动机,功率转换器,蓄电池,电动机,传动装置,油箱,电力接连,机械连接,液流连接,发电机,3.2.4混联混合动力电动汽车的工作模式,发动机主动型混联混合动力电动汽车行驶中给蓄电池充电模式发动机一部分动力