第五章-典型混合动力驱动系统分析

第五章典型混合动力驱动系统分析,2007年秋天，丰田在中国推出了目前为止最大排量的混合动力车型雷克萨斯LS600L。该车匹配5.0L传统发动机和1台功率等同于1升发动机的电动机，其动力水平与奔驰S600及宝马760相当。其百公里油耗只相当于1台1.8升发动机的传统轿车，起动时可以实现零排放,在混合动力系统中，根据电动机的输出功率在整个系统输出功率中所占比重，可分为五类：弱混合、轻度混合、中度混合、重度混合和插电式混合。混合度H是指电系统功率Pelec占动力源总功率Ptotal的百分比，由下式计算：H=Pelec/Ptotal*100%弱混合动力（也称微混合动力）：对传统发动机的起动机进行了改造，形成由带传动的发电起动一体式电机(BSG)。电机功率比较小，仅靠电机无法使车辆起步，起步过程仍需要发动机介入。在城市循环工况下节油率一般为5%10%。轻度混合动力：采用了集成起动电机(ISG)。除了能够实现用电机控制发动机的起停外，还能够在电动汽车制动和下坡工况下，实现对部分能量进行回收；混合度一般在20%以下，代表车型是通用汽车公司的混合动力皮卡车。中度混合动力：采用ISG系统。与轻度混合动力系统不同，采用了高压电机，混合度可以达到30%。在城市工况下节油率达到20%30%，技术成熟，应用广泛。本田汽车公司旗下的Insight、Accord和Civic混合动力汽车都属于这类系统。重度混合动力（也称全混合动力，强混合动力）：采用了272650V的高压电机，混合度可以达到50%以上，在城市循环工况下节油率可以达到30%50%。随着电机、电池技术的进步，重度混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。丰田普锐斯混合动力汽车采用的就是重度混合动力系统。插电式混合动力(PluginHybrid)：可以利用电网，对动力电池充电，一般插电式混合动力轿车都有车载充电机，可以使用家用电源为电池充电，,混合度不同，功能要求有所区别，如下：,第一节单桥驱动全面混合型混合动力乘用车,1997年丰田公司首次推出PriusHV，采用THS（TOYOTAHYBRIDSYSTEM）和THS-的第一代和第二代PriusHEV是较为典型的代表，且已有多种变型产品。如在THS基础上增加无级变速器的THS-C系统、在THS-的基础上增加电气式四轮驱动系统的THS-+E-Four等。,THS的主要组成：电动机、发动机（汽油机）、逆变器、驱动用电池（Ni-MH）、散热器等。,1-控制装置总成2,5-ECVT动力分配系统总成3-镍氢电池组4-发动机,丰田公司的主要混合动力系统,THS电压变换系统,THS-电压变换系统,THS-的主要组成,主要由发动机（汽油机）、发电机、电动机、动力电池、逆变器等18个部件组成。当汽车处于不同的工作模式时，系统中参与工作的部件数量不同，其燃料、电力、动力（机械力）和热量的传递路线亦有所不同。,1-发动机(汽油机)2-发电机3-电动机4-高压电池5-驱动电池用逆变器6-空调用逆变器7-升压电路8-12V充电用DC/DC9-辅助电源10-汽油箱11-差速器12-空气压缩机电机13发动机用冷却器14-逆变器用冷却器15-冷凝器(制冷剂用)16-散热器17-蒸发器18空调单元,THS-混合动力汽车的工作原理,(1)发动机起动与传统燃油汽车不同，THS的发动机起动时，不使用专门的起动机，而是使用发电机起动。汽车起动时散热器尚未工作，故无热量交换，此时燃料、电力和动力(机械力)的传递路线分别为：燃料传递路线：10-汽油箱1-发动机电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC5-驱动电池用逆变器2-发电机动力传递路线：2-发电机1-发动机,(2)发动机热机和充电当发动机需要热机或蓄电池需要充电时，燃料、电力、动力(机械力)和热量的传递路线为：燃料传递路线：10-汽油箱1-发动机电力传递路线：2-发电机8-12V充电用DC/DC4-高压电池和9-辅助电源动力传递路线：1-发动机2-发电机热传递路线：1-发动机16-散热器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器,(3)汽车电动机起步与传统汽车不同，HEV起步时通常使用电驱动，燃油发动机不参与工作。此时电力、动力(机械力)和热量的传递路线为：电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC5-驱动电池用逆变器7升压电路3-电动机动力传递路线：3-电动机11-差速器(车轮)热传递路线：1-发动机16-散热器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器,(4)发动机和电动机并联加速起步当汽车需要大转矩或急加速起步前进时，发动机和电动机同时参与工作。此时燃料、电力、动力和热量的传递路线分别为：燃料传递路线：10-汽油箱1-发动机电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC5-驱动电池用逆变器7升压电路3-电动机动力传递路线：3-电动机11-差速器(车轮)+1-发动机11-差速器(车轮)热传递路线：1-发动机16-散热器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器,(5)发动机和电动机串联工作车辆正常行驶时，发动机的动力超过汽车行驶动力的需求，此时采用发动机和电动机的串联工作模式，发动机带动发电机发出的电力一部分驱动电动机，另一部分用于对动力蓄电池充电：燃料传递路线、热传递路线（略）电力传递路线：2-发电机5-驱动电池用逆变器4-高压电池；2-发电机7-逆变器（升压）3-电动机动力传递路线：1-发动机2-发电机1-发动机11-差速器(车轮)3-电动机11-差速器(车轮),(6)汽车全负荷高速行驶需要大功率发动机、电动机、发电机和蓄电池将全部输出动力供汽车行驶需要。电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC5-驱动电池用逆变器7-升压电路3-电动机；2-发电机5-逆变器7-升压电路3-电动机动力传递路线：3-电动机11-差速器(车轮)+1-发动机11-差速器(车轮)+1-发动机2-发电机,（7）行驶中发动机充电(多用于加速结束后，以一定速度行驶的工况)汽车行驶中蓄电池电量不足时，采用行驶中发动机充电工作模式，发动机的动力一部分用于直接驱动汽车，一部分带动发电机并向蓄电池充电。电力传递路线：2-发电机5-逆变器4-高压电池动力传递路线：1-发动机2-发电机+1-发动机11-差速器(车轮),(8)电动机行驶（用于倒车和缓行等工况）在汽车倒车或缓行等工况时，采用电动机行驶模式。此时发动机不参与工作。动力传递路线：3-电动机11-差速器(车轮)电力传递路线：4-高压电池5-驱动电池用逆变器7升压电路3-电动机。,(9)制动能量回收（RegenerativeBraking）汽车制动、下坡行驶时，通常采用制动能量回收模式工作，此时发动机停止工作。电力传递路线：2-发电机5-逆变器4-高压电池动力传递路线：11-差速器(车轮)2-发电机热传递路线：1-发动机16-散热器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器,（10）汽车滑行汽车滑行时，虽然不需要车辆驱动动力，但空调系统仍需要驱动力，此时电力和热量的传递路线为：电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC6-空调用逆变器12-空气压缩机电机热传递路线：12-空气压缩机电机17-蒸发器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器；12-空气压缩机电机15-冷凝器(制冷剂用),(11)汽车停车当汽车在十字路口停车并且空调处于关闭状态时，THS系统停止工作。,混合动力汽车变速机构总成,发动机的动力直接传至行星齿轮的行星架，一部分动力再传至与车轮连接的电动机，另一部分动力传至发电机。通过控制发动机、发电机、电动机的转速即可实现所需要的车速。由于发电机及电动机的转速可以在一定范围内任意设置，因此车辆可实现无级变速。该装置被称为电子控制无级变速器E-CVT。,下表为车速与发动机、电动机和发电机转速关系的一个测试实例，蓄电池功率为负时表示充电，反之为放电。,动力分配机构的组成及工作原理,动力分配机构使用的是行星齿轮装置。齿圈、行星齿轮架和中心齿轮分别与电动机、发动机和发电机相连。发动机动力直接传递到行星齿轮架，再通过行星齿轮架分配到齿圈与中心齿轮。与电动机直接相连的齿圈的动力通过减速器传递到车轮，当电动机有动力输出时，齿圈上的动力由发动机和电动机的动力两部分组成。分配到中心齿轮的动力通过带动发电机而发电，发电机的电力可以直接供给电动机使用，也可以向蓄电池充电。,动力分配机构齿圈、行星架、太阳轮转速之间的关系假定太阳轮的齿数为Zs、转矩为Ts、转速为ns；齿圈的齿数为Zr、转矩为Tr、转速为nr；行星齿轮架的转矩为Tp、转速为np齿圈、行星架、太阳轮转速之间的关系为：ns+nrZr/Zs-np(1+Zr/Zs)=0或nr=ns-np(1+Zr/Zs)Zs/Zr齿圈、行星架、太阳轮转矩之间的关系为：Tsns+Trnr+Tpnp=0（输入、输出功率的代数和为0）上式可以作为车辆在不同行驶工况时的发动机、发电机和电动机控制的理论基础。,车辆在不同行驶工况时，对发动机、发电机和电动机转速的要求,停车时，要求发动机、发电机、电动机都停止，三者的转速均为零。汽车起步时，仅依靠电动机带动，使车辆加速前进。发动机起动时，发电机兼备汽车发动机起动机的功能，当使发电机转速提高后，发动机即被起动。当发动机起动，则开始发电，并把电流输给蓄电池或电动机。,正常行驶时，车辆动力主要来自发动机。几乎不进行发电，发电机以很低的转速转动，但电动机转速高于发动机转速。加速时，随着发动机转速的提高，发电机开始发电，发出的电力和蓄电池的电力一起向电动机供电。在发动机的一部分输出动力和电动机的共同作用下，使汽车加速前进。发动机的一部分输出动力，通过发电机，传输到电动机，从而变换为车辆的驱动力并由电子控制式无级变速器进行变速。,第二节、双桥驱动全面混合型混合动力乘用车,双轴（桥）驱动的混联式HEV也是常见的HEV之一，该类车辆类似于燃油车的越野车或SUV。主要有两种型式：前轮由混合动力驱动，后轮由电动机驱动；后轮由混合动力驱动，前轮由电动机驱动。丰田公司开发的Estima混合动力系统和富士重工9scrambler混合动力系统都是双桥驱动全面混合型，请感兴趣的同学自学。,第三节混合动力电动巴士,日野公司生产的BlueRibbonCityHybrid（城市巴士混合动力）和三菱公司生产的AEROSTARNONSTEP混合动力电动巴士是具有代表性的车型。与小轿车相比，混合动力电动巴士的车内、车顶空间大，混合动力系统容易布置。,混合动力电动巴士动力系统,混合动力系统的布置型式一种是车顶车厢底部空间并用式，发动机和电动机/发电机布置于车厢底部，逆变器和电池组放置于空间宽大的车顶；另一种是车厢底部布置方式。共轨燃油喷射发动机、三相感应式电动机/发电机、高功率逆变器、高性能镍氢电池等动力总成部件全部布置于车厢底部。,举例：三菱AEROSTARNONSTEPHEV的混合动力系统采用了车顶车厢底部空间并用型和串联式混合动力系统。两个感应式电动机并联(最高功率67kW)。发电机为40kW的交流永磁发电机。发动机的动力全部经过发电机转变为电能驱动电动机使车辆行驶或经过逆变器之后存储于电池或驱动辅助电动机(空调压缩机、动力转向泵等用)等。采用的控制方式为变压、变频。,燃油车和HEV的驱动力、车速关系图,采用串联式混合动力系统，发动机的全部动力由发电机转换为电能并存储于蓄电池或驱动电动机。串联式混合动力系统中，发电机效率对汽车的油耗有重要影响。发动机低负荷和低转速下，发电机的效率较低。故整车控制系统应尽量使发动机工作在发电效率高的工况，以提高HEV的经济性。,发动机转速对发电机效率的影响,发动机动力和电动机动力是设计混合动力电动巴士时需要确定的参数之一。通常，汽车低速行驶时，电动机的辅助动力占汽车行驶所需的最大驱动力的比例较大；随着车速提高，电动机辅助动力占汽车行驶所需的最大驱动力的比例逐渐减少。,在起步与加速和正常行驶的部分条件下，电动机发挥辅助驱动作用，在减速时，与主制动器联合制动，产生大部分制动力，并回收制动能量。在停车或正常行驶的部分条件，根据蓄电池的荷电状态，柴油机运转或停止工作。,第四节超级电容器混合动力汽车,日产柴油机工业公司的超级电容混合动力汽车的主要性能参数,并联式超级电容混合动力汽车的布置电动机/发电机和柴油机可以分别单独驱动或联合驱动车辆行驶，系统的全部总成均布置于货厢下部。,串联式超级电容混合动力汽车的动力系统的布置超级电容器、逆变器、电动机/发电机、采用Miller循环的CNG发动机等均布置于车辆的后部，CNG气瓶安装于车辆顶部。,超级电容混合动力汽车的超级电容控制器,在小于5s的瞬时放电时，放电功率可达40kW，放电电流可达400A，在连续放电时，最大放电功率可达25kW，最大放电电流可达250A。工作温度基本可以满足汽车的使用条件。,充放电电流和电压的关系,第五节清洁燃料混合动力汽车,清洁燃料汽车使用的燃料主要有：天然气和二甲醚两大类；混合动力的类型有串联、并联和混联三种；车辆型式有乘用车、货车和巴士三种；能量储存装置有锂离子蓄电池、超级电容器和飞轮储能器三种。,混合动力系统为串联式，电动机/发电机和发动机之间的分离和接合依靠单向离合器完成。电能储存装置超级电容器被置于车辆前端顶部，DME发动机、电动机/发电机、DC/DC、DC/AC变换器、离合器等被置于车辆后端，HEV用逆变器置于车辆后轮前面。,日野汽车公司开发的某款装备DME发动机混合动力汽车的动力系统布置,单向离合器DME串联式混合动力汽车采用了一个与发动机的飞轮和减震器相连单向离合器，用于分离和接合电动机/发