电动汽车构造与原理

1、 第二章第二章 电动汽车构造与原理电动汽车构造与原理o第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理o第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理o第三节第三节 燃料电池电动汽车构造与原理燃料电池电动汽车构造与原理第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 一一 纯电动汽车的驱动结构纯电动汽车的驱动结构 由于纯电动汽车是单纯用蓄电池作为驱动能源的汽车，采用合理的驱动结构布局来充分发挥电动机驱动的优势是尤其重要的。电动汽车的驱动结构布局目前主要四种基本典型结构：传统的驱动模式、电动机一驱动桥组合式驱动方式、电动机一驱动桥整体式驱动方式、轮毂电机分散驱动方

2、式。 第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 电动机驱动与发动机相比有两大技术优势：电动机驱动与发动机相比有两大技术优势： 1）由于发动机能高效产生转矩时的转速被限制在一个较窄的范围内，为此需通过庞大而复杂的变速机构来适应这一特性。而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效地产生转矩，电机现代控制理论已使直接转矩控制技术得到越来越多的应用，数控机床伺服驱动早已对此作了验证，并且调速性能指标(可达l：20000)远高于汽车行驶要求。 2）电动机实现转矩的快速响应性指标要比发动机高出两个数量级，若发动机的动态响应时间是500ms，则电动机只为5ms。由于按常规来说，电气执行的响应速度都

3、要比机械机构快几个数量级，因此随着计算机电子技术的发展，用先进的电气控制来取代笨重、庞大而响应滞后的部分机械、液压装置已成为技术进步发展的必然趋势。它不但使各项性能指标大大提高，也将使制造成本降低。由于电气元器件在研发初期的成本和性能都可能会暂不尽人意，但一旦研制完善后就将随其批量的增加而得到大幅改善。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 1 传统驱动模式传统驱动模式 如图a所示，它是从传统汽车的驱动模式演变而成，即由电动机替代发动机仍采用内燃机汽车的传动系统，包括离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成。与传统汽车类似，也有电动机前置、驱动桥前置(F-F)，电动机前置、驱动桥后

4、置(F-R)等各种驱动模式。其结构复杂，效率低，没能充分发挥电动机驱动的优势。 其工作原理也类同于传统汽车，由离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员按需要来选择不同的档位，即使得低速时，车轮获得大转矩低转速；而在高速时，车轮获得小力矩高转速。由于采用了调速电动机，其变速器可相应简化，档位数一般有两个就够了，倒档也可利用电动机的正反转来实现。驱动桥内的机械式差速器使得汽车在转弯时，左右车轮以不同的转速行驶。这种模式主要用于早期的电动汽车，省去了较多的设计，也适于对原有汽车的改造。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 2

5、 电动机电动机-驱动桥组合式驱动方式驱动桥组合式驱动方式 如图b所示，即在电动机端盖的输出轴处加装减速齿轮和差速器等，电动机、减速器、驱动桥的轴互相平行，一起组合成一个驱动整体。它通过固定速比的减速器来放大电动机的输出转矩，但没有可选的变速档位，也就省掉了离合器。这种机械传动机构紧凑，传动效率较高，便于安装。但对电动机的调速要求较高。按传统汽车的驱动模式来说，它可以有电动机前置、驱动桥前置(FF)或电动机后置、驱动桥后置(RR)两种方式。它具有良好的通用性和互换性，便于在现有的汽车底盘上安装，使用、维修也较方便。 1一电动机 2一减速齿轮 3一差速器齿轮 4一传动齿轮箱外壳第一节第一节 纯电动

6、汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 3 电动机电动机-驱动桥整体式驱动方式驱动桥整体式驱动方式 如图c所示，其整体式驱动系统有同轴式和双联式两种。 1)同轴式驱动系统的电动机轴是一种特殊制造的空心轴，在电动机左端输出轴处的装置有减速齿轮和差速器，再由差速器带动左右半轴，左半轴直接带动，而右半轴通过电动机的空心轴来带动。 2) 双联式驱动系统由左右两台永磁电动机直接通过半轴带动车轮，左右两台电动机由中间的电控差速器控制。 所以汽车转弯时，前一种采用机械式差速器；后一种由电控式差速器来实现。同样，它在汽车上的布局有电动机前置、驱动桥前置(F-F)和电动机后置、驱动桥后置(R-R)两种驱动模式。该电

7、动机驱动桥构成的机电一体化整体式驱动系统，具有结构更紧凑，传动效率高，重量轻、体积小，并具有良好的通用性和互换性。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 4 轮毂电机分散驱动方式轮毂电机分散驱动方式 如图d所示，轮毂式电机直接装在汽车车轮里，它主要有两种结构： 一种是内定子外转子结构，其外转子直接安装在车轮的轮缘上。由于不通过机械减速，通常要求电动机为低速力矩电动机； 另一种就用一般的内转子外定子结构，其转子作为输出轴与固定减速比的行星齿轮变速器的太阳轮相连，而车轮轮毂通常与其齿圈连接，它能提供较大的减速比，来放大其输出转矩。 采用轮毂电机驱动可大大缩短从电动机到驱动车轮的传递

8、路径，不仅能腾出大量的有效空间便于总体布局，而且对于前一种内定子外转子结构，也大大提高了对车轮的动态响应控制性能。每台电动机的转速可独立调节控制调节控制，便于实现电子差速电子差速。既省去了机械差速器，也有利于提高汽车转弯时的操控性。轮毂电机分散驱动在汽车上的布置方式可以有：双前轮驱动、双后轮驱动和4wD(4 wheel drive )前后四轮驱动几种模式，轮毂式电动机分散驱动方式应是未来电动汽车驱动的发展方向。 第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 二 纯电动汽车的结构原理 纯电动汽车的结构主要由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分组成。除了电力驱动控制系统

9、，其他部分的功能及其结构组成基本与传统汽车类同，不过有些部件根据所选的驱动方式不同，已被简化或省去了。 电力驱动控制系统既决定了整个纯电动汽车的结构组成及其性能特征，也是电动汽车的核心，它相当于传统汽车中的发动机与其他功能以机电一体化方式相结合，这也是区别于传统内燃机汽车的最大不同点。 1 电力驱动控制系统电力驱动控制系统 电力驱动控制系统的组成与工作原理如图所示，按工作原理可划分为车载电源模块、电力驱动主模块和辅助模块三大部分。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 1） 车载电源模块车载电源模块 车载电源模块主要由蓄电池电源、能源管理系统和充电控制器三部分组成。 （1 1）

10、蓄电池电源）蓄电池电源 蓄电池是纯电动汽车的唯一能源，它除了供给汽车驱动行驶所需的电能外，也是供应汽车上各种辅助装置的工作电源。蓄电池在车上安装前需要通过串并联的方式组合成所要求的电压等级，由于电动机驱动所需的等级电压往往与辅助装置的电压要求不一致，辅助装置所要求的一般为12V或24V的低压电源，而电动机驱动一般要求为高压电源，并且所采用的电动机类型不同，其要求的电压等级也不同。为满足该要求，可以用多个12V或24V的蓄电池串联成96384V高压直流电池组，再通过DcDc转换器供给所需的不同电压。也可按所需要求的电压等级，直接由蓄电池组合成不同电压等级的电池组，不过这样会给充电和能源管理带来相

11、应的麻烦。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 （2） 能源管理系统能源管理系统 能源管理系统是对电动汽车系统能量转换装置的工作能量进行协调、分配和控制的软硬件系统。 能源管理系统与电力驱动主模块的中央控制单元配合一起控制发电回馈，使在电动汽车降速制动和下坡滑行时进行能量回收，从而有效地利用能源，提高电动汽车的续程能力。 能源管理系统还需与充电控制器一同控制充电。 为提高蓄电池性能的稳定性和延长使用寿命，需要实时监控电源的使用情况，对蓄电池的温度、电解液浓度、蓄电池内阻、电池端电压、当前电池剩余电量、放电时间、放电电流或放电深度等蓄电池状态参数进行检测，并按蓄电池对环境温度的

12、要求进行调温控制，通过限流控制避免蓄电池过充、放电，对有关参数进行显示和报警，其信号流向辅助模块的驾驶室显示操纵台，以便驾驶员随时掌握并配合其操作，按需要及时对蓄电池充电并进行维护保养。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 （3) 充电控制器充电控制器 充电控制器是把供电电网的交流电转换为相应电压的直流电，对蓄电池充电并按要求控制其充电电流。充电器开始时为恒流充电阶段。当电池电压上升到一定值时，充电器进入恒压充电阶段，输出电压维持在相应值，充电器进入恒压充电阶段后，电流逐渐减小。还有采用脉冲式电流进行快速充电。 2 2） 电力驱动主模块电力驱动主模块 该主模块主要由中央控制单

13、元、驱动控制器、电动机、机械传动装置等组成。为适应驾驶员的传统操纵习惯，电动汽车仍保留了加速踏板、制动踏板及有关操纵手柄或按钮等。不过在电动汽车上是将加速踏板、制动踏板的机械位移量转换为相应的电信号，输入到中央控制单元来对汽车的行驶实行控制。对于档位变速杆为遵循驾驶员的传统习惯，一般仍需保留，同样除了传统的驱动模式外也就只有前进、空档、倒退三个档位，并且以开关信号传输到中央控制单元来对汽车进行前进、停车、倒车控制。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理（1) 1) 中央控制单元中央控制单元 中央控制单元不仅是电力驱动主模块的控制中心，也要对整辆电动汽车的控制起到协调作用。它根据

14、加速踏板与制动踏板的输入信号，向驱动控制器发出相应的控制指令，对电动机进行起动、加速、减速、制动控制。在电动汽车减速和下坡滑行时，中央控制器配合车载电源模块的能源管理系统进行发电回馈，即使蓄电池反向充电。 对于与汽车行驶状况有关的速度、功率、电压、电流及有关故障诊断等信息还需传输到辅助模块的驾驶室显示操纵台进行相应的数字或模拟显示，也可采用液晶屏幕显示来提高其信息量。 另外，如驱动采用轮毂电机分散驱动方式，当汽车转弯时，中央控制器也需与辅助模块的动力转向单元配合，即控制左右轮毂电机来实行电子差速转向。 为减少电动汽车各个控制部分间的硬件连线，提高可靠性，现代汽车控制系统已较多地采用了微机多CP

15、U总线控制方式，特别是对于采用轮毂电机进行4WD前后四轮驱动控制的模式，更需要运用总线控制技术，来简化电动汽车内部线路的布局，提高其可靠性，也便于故障诊断和维修，并且采用该模块化结构，一旦技术成熟其成本也将随批量的增加而大幅下降。 第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理（2) 2) 驱动控制器驱动控制器 驱动控制器功能是按中央控制单元的指令和电动机的速度、电流反馈信号，对电动机的速度、驱动转矩和旋转方向进行控制。 驱动控制器与电动机必须配套使用，目前对电动机的调速主要采用调压、调频等方式，这主要取决于所选用的驱动电动机类型。 由于蓄电池以直流电方式供电，所以对直流电动机主要是通

16、过DCDC转换器进行调压调速控制； 对于交流电动机需通过DCAC转换器进行调频调压矢量控制； 对于磁阻电动机是通过控制其脉冲频率来进行调速。 当汽车倒车行驶时，需通过驱动控制器使电动机反转来驱动车轮反向行驶。 当电动汽车处于减速和下坡滑行时，驱动控制器使电机运行于发电状态，电机利用其惯性发电，将电能通过驱动控制器回馈给蓄电池，所以驱动控制器与蓄电池电源的电能流向是双向的。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 （3) 3) 电机电机 电机在电动汽车中被要求承担着电动和发电的双重功能，即在正常行驶时发挥其主要的电动机功能，将电能转化为机械旋转能；而在减速和下坡滑行时又被要求进行发

17、电，将车轮的惯性动能转换为电能。 对电机的选型一定要根据其负载特性来选，由对汽车行驶时的特性分析可知汽车在起步和上坡时要求有较大的起动转矩和相当的短时过载能力，并有较宽的调速范围和理想的调速特性，即在起动低速时为恒转矩输出，在高速时为恒功率输出。 电机与驱动控制器所组成的驱动系统是电动汽车中最为关键的部件，电动汽车的运行性能主要取决于驱动系统的类型和性能，它直接影响着汽车的各项性能指标，如汽车在各工况下的行驶速度、加速与爬坡性能以及能源转换效率。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理（4) 4) 机械传动装置机械传动装置 电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传输给汽车的驱

18、动轴，从而带动汽车车轮行驶。由于电动机本身就具有较好的调速特性，其变速机构可被大大简化，较多的是为放大电动机的输出转矩仅采用一种固定的减速装置。又因为电动机可带负载直接起动，即省去了传统内燃机汽车的离合器。由于电动机可以容易地实现正反向旋转，所以也无需通过变速器中的倒档齿轮组来实现倒车。对电动机在车架上合理布局，即可省去传动轴、万向节等传动链。当采用轮毂式电动机分散驱动方式时，又可以省去传统汽车的驱动桥、机械差速器、半轴等一切传动部件，所以该驱动方式也可被称为“零传动”方式。 3） 辅助模块辅助模块 辅助模块包括辅助动力源、动力转向单元、驾驶室显示操纵台和各种辅助装置等。各个装置的功能与传统汽

19、车上的基本类同，其结构原理按电动汽车的特点有所区别。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 （1 1） 辅助动力源辅助动力源 辅助动力源是供给电动汽车其他各种辅助装置所需的动力电源，一般为12V或24V的直流低压电源，它主要给动力转向、制动力调节控制、照明、空调、电动窗门等各种辅助装置提供所需的能源。 （2) 2) 动力转向单元动力转向单元 转向装置是为实现汽车的转弯而设置的，它由方向盘、转向器、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向器和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。 为提高驾驶员的操控性，现代汽车都采用了动力转向，较理想的是采用电子控制动力

20、转向系EPS，它要有电控液力转向系和电控电动转向系两类。对于纯电动汽车较适于选用电控电动转向系。 多数汽车为前轮转向，而工业用电动叉车常采用后轮转向，为提高汽车转向时的操纵稳定性和机动性，较理想的是采用四轮转向系统。 对于采用轮毂式电动机分散驱动的电动汽车，由于电机控制响应速度的提高，可更容易地实现四轮电子差速转向控制。 另外，为配合转弯时左右两侧车轮有相应的差速要求，还须同时控制电子差速器协调工作。 第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 （3) 3) 驾驶室显示操纵台驾驶室显示操纵台 它类同于传统汽车驾驶室的仪表盘，不过其功能根据电动汽车驱动的控制特点有所增减，其信息指示更

21、多地选用数字或液晶屏幕显示。它与前述电力驱动主模块中的中央控制单元结合，用计算机进行控制。万向电动汽车有限公司已为此研发了纯电动汽车专用的数字化电控系统，它是以CAN总线、嵌入式技术为核心的数字化整车电控系统，GPS集成到车载信息系统，提升电动汽车档次。 （4) 4) 辅助装置辅助装置 电动汽车的辅助装置主要有照明、各种声光信号装置、车载音响设备、空调、刮水器、风窗除霜清洗器、电动门窗、电控玻璃升降器、电控后视镜调节器、电动座椅调节器、车身安全防护装置控制器等。它们主要是为提高汽车的操控性、舒适性、安全性而设置的，有些是必要的，有些是可选用的。与传统汽车一样，大都有成熟的专用配件供应。不过选用

22、时应考虑到纯电动汽车能源不富裕的特点，特别是空调所消耗的能量比较大，应尽可能从节能方面考虑。另外，对于有些装置可用液压或电动两种方式来控制的，一般选用电动控制的较为方便。第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理2 2 汽车底盘汽车底盘 汽车底盘是整个汽车的基体，不仅起着支承蓄电池、电动机、驱动控制器、汽车车身、空调及各种辅助装置的作用，同时也将电动机的动力进行传递和分配，并按驾驶员的意志(加速、减速、转向、制动等)行驶。 按传统汽车的归类或叙述习惯，汽车底盘应包括传动系、行驶系、转向系和制动系四大系统。 对于纯电动汽车其传动系根据所选驱动方式不同，不少被简化或干脆省掉。 行驶系包

23、括车桥、车架、悬架、车轮与轮胎，其中：1）车桥如采用轮毂电机驱动也就省去了；2）车架是整个汽车的装配基体，其作用主要是支承连接汽车的各零部件，承受来自车内和车外的各种载荷；3）悬架是车架(或车身)与车轮(或车桥)之间的一切传力连接装置的总称，它主要由弹性元件、减振器和导向机构等组成。它与充气轮胎一起缓和不平路面对车辆的冲击振动；4）车轮主要由轮辋、轮辐等组成，其内部还需安装制动器，并还可能要安装轮毂电机，所以结构会很紧凑；为减小电动汽车行驶时的滚动阻力，轮胎要求采用子午线轮胎较好。 第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 转向系包括转向操纵机构、转向器、转向传动机构等，它按能源

24、不同被分为机械转向系和动力转向系两大类，机械转向系与传统汽车的完全一致，动力转向系前已简单说明。 制动系由供能装置、控制装置、传动装置、制动器四个基本部分组成，按其功用不同被分为行车制动系、驻车制动系、应急制动系和辅助制动系等，对于电动汽车由于可利用电机实现再生制动进行能量回收，并且还可利用电磁吸力实现电磁制动，因此随着技术的发展其制动系也将会有较大的变化。 3 车身与纯电动汽车总体布局的特点车身与纯电动汽车总体布局的特点 汽车车身主要由车身本体、开启件(各种门、窗、行李箱和车顶盖等)、各种座椅、内外饰附件和安全保护装置(保险杠、安全带、安全气囊等)组成。 针对纯电动汽车能源少的特点，对汽车车

25、身的外形造型应尽可能缩小其迎风面积来降低空气阻力，并采用轻型高强度材料来减轻汽车自身的重量。 对车内的各个部件的布局也相当重要，由于电动汽车动能的传递主要是通过柔性的电缆，即减少了大量用刚性的机械件连接部件的动能传递，因此电动汽车各部件的布置具有较大的灵活性，并且蓄电池组也可分散布置，作为配重物来布局。 第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 纯电动汽车各个部件的总体布局的原则是：符合车辆动力学对汽车重心位置的要求，并尽可能降低车辆质心高度。特别是对于采用轮毂电机驱动实现“零传动”方式的电动汽车，不仅去掉了发动机、冷却水系统、排气消声系统和油箱等相应的辅助装置，还省去了变速箱、

26、驱动桥及所有传动链，既减轻了汽车自重，也留出了许多空间，其结构可以说发生了脱胎换骨的变化。车辆的整个结构布局需重新设计全面考虑各种因素。 另外，由于增加了许多蓄电池的重量，对于安装蓄电池部位的车架强度必须有所考虑，同时为了方便蓄电池的充电、维护、更换，对蓄电池安装方法和位置也要考虑其方便性，对环境温度有要求的蓄电池还需考虑散热空间及调温控制，并为确保安全还需采取密封等预防措施，以防车辆发生撞击事故时，电解液不会泄漏伤及人身，并有防火等措施。 第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理三 电动汽车能源的复合利用 能量不富裕是纯电动汽车的最大弊端，因此如何与其他能源有机地复合利用，来改

27、善其加速性能和续驶里程，是提高纯电动汽车实用化的有效途径之一。太阳能、风能在纯电动汽车上被应用，既发挥了蓄电池这一可逆储能装置的优势，又弥补了纯电动汽车能量不富裕的缺陷，即使两者扬长避短、优势互补。 1 太阳能电动汽车太阳能电动汽车 由于太阳光时续时断的不稳定性，太阳能发电系统通常除了太阳能电池板，还需控制器、蓄电池组、逆变器等组合而成。而对于纯电动汽车除了太阳能电池板，其余装置本身都已具备即可兼用，对其控制器按太阳能电池板工作原理和控制要求需略作改进。 太阳能电池板(Solar Panel) 主要有单晶体硅电池板、多晶体硅电池板、非晶硅电池板和多元化合物太阳电池等。其中单晶硅的效率较高，用得

28、也较多，其价格按功率来算，如通常25cm125cm的单晶硅电池为23w左右，目前价格约为2030元/w。随着太阳能电池板的更多应用和其制造工艺的进一步完善，其价格必会下降，致使更适于普及推广。而太阳能电池板的使用寿命一般是20年以上，即是蓄电池寿命的好几倍。 第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理 一辆纯电动汽车加上太阳能发电功能，其成本也就主要是增加了太阳能电池板的价格。如轿车的车顶面积按18m。算，就目前的价格需要增加50008000元成本，能获得约266w的太阳能发电功率。按汽车空气动力学为减小空气流的影响，该太阳能电池板最好能定做成与汽车顶部弧形类似的形状，它既可兼作车

29、顶用，又能起到极好的隔热效果，特别是在夏天烈日下行驶时，该隔热板将使车内的空调能耗减少约40。纯电动汽车辅加太阳能发电功能，除了补充能源外，对其蓄电池还有独特的修复功能，由于其连续不断地给电池补充电能，可以防止和清除电池极板硫化，恢复电池容量，有效地延长电池使用寿命。 并且利用太阳能发电对其蓄电池充电在汽车行驶或停车时都可进行，有效利用日照期间不仅可及时补充能源增加续驶里程，还将节约一定的能耗费。据了解，国内已有厂家在研发太阳能电动汽车，并也有相应的专利技术。 第一节第一节 纯电动汽车构造与原理纯电动汽车构造与原理2 风能电动汽车风能电动汽车 风能发电与太阳能一样是一种清洁可再生能源，由于不需

30、要燃料、没有污染、运行成本低，不存在资源枯竭问题，现在越来越受到世界各国的重视，目前主要存在效率低、造价高、有待技术上更多的改进等问题。 一般风力发电机的结构主要由叶片、机头、尾翼、转体等组成，其机头实际是带增速机构的发电机。工作原理是由叶片接受风力并带动机头转为电能，尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能，转体使整个叶片与机头机构能灵活地随尾翼的调整方向而转动。 风能要在汽车上得到利用，其风力发电机的结构也需作相应改进，据了解国内已有好几项风能电动汽车的技术专利，结构有滚筒式螺旋风力发电、螺旋桨式风叶轮发电、半球及半柱型风叶轮发电等几种形式。 对于汽车在行驶过程中要想同时使用风能可能

31、还会有所争议，因为在汽车上(一般在车顶部位)固定安装了前述风力接收装置，按汽车空气动力学，除了增加车辆行驶的气动阻力外，还会对其侧倾力矩、俯仰力矩、横摆力矩产生相应变化，影响汽车的行驶稳定性。 第二章 电动汽车构造与原理第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理一一 HEV的定义及优点的定义及优点1 1 混合动力电动汽车的定义混合动力电动汽车的定义 参考国际能源组织(IEA)的有关文献，曾对混合动力车辆作出定义，能量与功率传送路线具有如下特点的车辆称为混合动力车辆： 1) 传送到车轮推进车辆运动的能量，至少来自两种不同的能量转换装置(例如内燃机、燃气涡轮、斯特林发动机、

32、电机、液压马达、燃料电池)。 2) 这些转换装置至少要从两种不同的能量储存装置(例如燃油箱、蓄电池、飞轮、超级电容、高压储氢罐等)吸取能量。 3) 从储能装置流向车轮的这些通道，至少有一条是可逆的(既可放出能量，也可吸收能量)，并至少还有一条是不可逆的。 4) 如果可逆的储能装置供应的是电能时，则称为混合动力电动车。 按其定义，通过不同的组合方式，可以想象出各种各样的混合动力电动汽车。但目前所推出的基本是“油一电”混合动力电动汽车，其不可逆储能装置是内燃机，可逆储能装置即为蓄电池。它使两者优势互补，避免了内燃机在怠速及制动工况下能量的损耗、排污增大和纯蓄电池能量不富裕的缺陷。 第二节第二节 混

33、合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理2 混合动力驱动的节能潜力混合动力驱动的节能潜力 增加一套蓄电池+电机的可逆储能系统，即可使发动机许多损耗的能量被回收或综合利用，归纳如下几点： 1) 通过与另一套可逆储能系统配合的综合利用，用两种方法来大大减少或消除发动机的怠速工作状态。其一是发动机在怠速空转工况下的能量可被即时利用起来，即带动电机发电把能量传输到蓄电池储存起来。或者在某些工况下，如遇到红灯等情况需怠速停车时，可通过控制系统把发动机关掉，消除发动机怠速运转，而由另一套储能装置(蓄电池)为空调、车灯等提供辅助能源。 2) 车辆在减速制动时进行再生回馈。在城区街道行驶时，其制动消

34、耗的能量是高速公路的几倍，并且该部分能量占已传输至车轮的动能46。 3) 汽车在下坡行驶时实现发电回馈。混合动力电动汽车即可利用该动能来发电，并同时起到牵制车轮飞速行驶的作用。 4) 由于同时使用了两套能量转换装置，其发动机原有功率即可适当减小，有利于车载重量的减轻，不过由于增加了蓄电池和电机的重量，车载总的重量还是增加了。城市公交汽车采用混合动力电动汽车是较好的选择。 第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理二二 HEV的分类及结构特点的分类及结构特点 1 HEV的分类 混合动力电动汽车按2008年颁布的混合动力电动汽车类型和定义征求意见稿有多种分类方法： 1）按动

35、力系统结构划分主要有串联、并联、混联三种形式； 2）按混合度划分有微混合、轻度混合、中度混合、重度混合四种类型，它主要是依据电动机与内燃机的驱动功率搭配比例来定，规定前述四种的电动机峰值功率和发动机额定功率之比分别为5、515、1540、40； 3）按外接充电能力划分，又有可外接充电和不可外接充电两类，其中可外接充电型混合动力电动汽车(Plugin Hybrid：Electric Vehicle，PH：EV)由于可利用电网适时补充车载能量，减少对石油的依赖和良好的环保效应，被认为是混合动力的重要发展方向，它要求具有纯电动行驶模式的重度混合型； 4）按行驶模式的选择方式又可划分为有手动选择功能和

36、无手动选择功能两种，其中行驶模式是指热机模式、纯电动模式和混合动力模式三种选择功能； 5）按车辆用途即被划分为乘用车、客车、货车三类。第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理2 串联式混合动力电动汽车串联式混合动力电动汽车 串联式混合动力电动汽车(Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV)的主要特征是车辆的驱动力只来源于电动机。SHEV驱动系统的三大动力总成：发动机、发电机和驱动电动机是以串联的方式组成，其发动机不直接参与SHEV的驱动，它与发电机组合成只作电能供应的系统。按其驱动原理又可被分为两种形式。 1) 蓄电池单向驱动电动机形式蓄

37、电池单向驱动电动机形式 其特点是驱动电动机只由蓄电池供给电能，发动机带动发电机所发的电只供蓄电池充电。所以这种动力系统的蓄电池为其主要动力源，通常要求蓄电池容量较大。而发动机一发电机组仅为辅助动力源，其功率要求可较小，车辆行驶期间不足以维持蓄电池的荷电状态，行驶后停车时可采用外接充电型(PHEV)利用电网充电或继续由发动机带动发电机充电。此种结构形式的供电模式(或电流流向)只有两种：即在正常动力驱动行驶时只由动力电池组供电；而在滑行、下坡和减速制动时通过电机发电回馈向蓄电池反向充电。第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理2) 发电机或蓄电池双向驱动电动机形式发电机或

38、蓄电池双向驱动电动机形式 其驱动电动机既可从蓄电池获得电能，也可由发电机直接提供。相对来说，这种动力系统的蓄电池容量可较小。它主要起补充峰值功率的作用并在起步、低速等少数行驶工况下使用。而发动机一发电机组的功率就要求较大，它在大多数行驶工况中直接向驱动电动机提供电能，即省去了经蓄电池转换过程中的部分能量损失，并且发动机一发电机组还要适时为蓄电池补充能源，使车辆行驶期间能维持蓄电池的荷电状态。在正常动力驱动行驶时就可有三种模式： 单独由动力电池组供电，这可用在低速或平坦道路行驶时； 由发动机、发电机组供电，这一般用于起动、较高速行驶时； 动力电池组与发动机、发电机组共同供电，在起动、爬坡、高速行

39、驶时用。第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理3)3)工作原理工作原理 它们在车辆行驶中各部分的工作原理基本类同，其发动机始终在热效率高排放低的最佳工况下运转，由发动机带动发电机均衡地发电。电能在控制器的调节下被充入蓄电池，再由蓄电池或直接供给转换器电能，转换器即为电机调速驱动器，转换成所配电动机要求的直流、交流或脉冲相应的电流，驱动电动机按一定速度要求运转。电动机通过带减速与差速机构的驱动桥来带动车轮行驶。 低负荷运转时，发动机发出的功率超过驱动车辆的需要，多余的电能就储存在蓄电池内。 在高负荷运转时，对于发电机或蓄电池双向驱动电动机的结构形式除了发电机发出的电能

40、外，电池组也可同时提供电能，而对于蓄电池单向驱动电动机的结构形式只能从蓄电池获得电能。但两种形式的最高输出功率都要受到驱动电动机功率的限制。其中蓄电池组作为发电机与驱动电动机间的储能装置，其功能主要起到功率平衡作用。它也可采用诸如超级电容、飞轮电池等其他储能装置，不过如此对上述两种结构形式的发动机-发电机组的要求又有所改变。 SHEV驱动系统所组成的发动机-发电机组、动力电池组和驱动电动机等部件在汽车底盘上的布置有较大的自由度，控制系统也较简单。由于只有唯一的电动机驱动模式，对电动机的功率要求较高，其动力特性更趋近于EV。第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理 串联

41、混合驱动电动汽车的加速度和最大车速，也受蓄电池的峰值功率密度和为电动机提供动力的发动机发电机组的功率限制。因此，设计串联混合驱动系统应考虑的关键问题是电动机的最大转矩和功率特性，以及发动机-发电机组的最大功率和可利用的电力范围，对蓄电池的选择还需考虑其容量应满足汽车加速时电动机输出功率的要求或者满足汽车续驶里程对能量的需要。串联混合驱动的主要优点是发动机可以在固定工况点工作，因此可以使发动机在有害排放物最低与效率最高的工况点工作，固定工况点运转也便于排气后处理装置始终保持高净化率。串联混合驱动的主要缺点是总效率较低，这是因为发动机产生的机械能通过发电机转换成电能，电能又由电动机转换成机械能，每

42、种转换过程都会有能量损失；串联混合驱动的另一缺点是当需要在高速公路上行驶时，最大车速需要能产生相应的最大功率Pmax的电动机，由于上述能量转换中的损失，就需要选择其功率比Pmax还大得多的发动机，从而使电动汽车的重量较大。因此，串联式混合动力车主要适于在城区以低速行驶的车辆，如此即可选用功率较小的电动机及发动机等，使得装置的体积及重量并不会很大。如在公交汽车上应用，其装置的空间布局也有较大的余地。 第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理3并联式混合动力电动汽车并联式混合动力电动汽车 (Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV) 并联

43、式混合动力电动汽车的主要特征是车辆的驱动力可由电动机及发动机同时或单独供给。PHEV驱动系统的两大动力总成：发动机和电动发电机是以并联的方式组成，即在较低负荷时单独使用发动机或电动机作为动力源，而需要大功率时可以同时使用电动机和发动机作为动力源驱动汽车行驶。 PHEV较适合于经常在郊区和高速公路上行驶的车辆。按其驱动原理可分为两种形式。1） 电磁离合器动力组合式电磁离合器动力组合式2) 动力组合器动力组合式动力组合器动力组合式 两者的区别主要在于混合驱动时所采用的动力组合方式不同，前者是控制在发动机输出轴端的电磁离合器进行动力组合，后者是由带行星齿轮机构的动力组合器来进行动力组合的。第二节第二

44、节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理3 3）工作原理工作原理 它们的工作原理除了动力分配与组合不同，其他控制运行过程基本类同。下面以电磁离合器动力组合式为例，来阐述汽车在各个工况时的工作过程。 首先在发动机起动时，通过控制离合器的切换，电动发电机即可作为发动机的起动器带动发动机快速起动。起动后发动机带动电动发电机转动，即利用发动机的部分动能转换为电能，储存到动力蓄电池组中，同时离合器也结合变速器端，通过驱动桥带动车轮进行低负荷行驶。电动发电机对发动机的动力输出起到平衡作用。当车辆加速或爬坡时，离合器只结合变速器端，同时由蓄电池组提供电能，电动发电机以电动机运行方式向驱动桥提

45、供动能，即形成发动机和电动机并联驱动模式。当蓄电池储能较充裕，并又在低负荷工况时，也可关闭发动机，仅由蓄电池组驱动电动机提供行驶动能。而在车辆滑行、下坡和降速制动时即可通过电动发电机发电回馈向蓄电池回输能量。3/18/202233第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理4）动力组合器内的行星齿轮机构组成与原理）动力组合器内的行星齿轮机构组成与原理 行星齿轮机构包括中心齿轮(也称太阳轮)、内齿圈和含行星齿轮的转架三个基本构件。在这三个构件中，任意固定一件，其余两件都可作为运动和动力的输人或输出构件。而当三个基本构件均不固定时，其中任意两个构件也都可作为运动和动力的输入件

46、或输出件，这种传动通常称为差动行星传动。因此，行星齿轮传动具有传动方式灵活、传动比大、效率高、体积小等优点，并且通过齿轮的各种组合形式，可引出多种运动或动力的传输方式，以及多种传动比要求。 其中发动机与中心齿轮连接，电动发电机与行星齿轮架相连，内齿圈通过减速齿轮连接驱动桥。 3/18/202234第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理 根据前述汽车运行中各种运动方式对动力传输的要求：可以采用行星齿轮架为主动输入件，中心齿轮为从动输出件，即用电动发电机作为发动机的起动器带动发动机快速起动； 也可以采用中心齿轮为主动输入件，内齿圈为从动输出件，即用发动机带动驱动桥运行；

47、 也可以采用行星齿轮架为主动输入件，内齿圈为从动输出件，即用电动发电机带动驱动桥运行； 当车辆加速或爬坡时，发动机和电动机即以并联驱动模式，通过动力组合器同时向驱动桥提供动能；当需要实行发电回馈时，又可采用内齿圈为主动输入件，而行星齿轮架为从动输出件，即把车轮的动能通过电动发电机回馈给蓄电池。具体应用时需根据发动机高效运行速度范围、电机调速范围、汽车行驶速度要求来选择各传动件的传动比。 3/18/202235第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理4 混联式混合动力电动汽车混联式混合动力电动汽车(Combined Hybrid Electric Vehicle，CHE

48、V) 混联式混合动力电动汽车(CHEV)的主要特征是同时具有串联式和并联式两种驱动方式。CHEV是在综合了SHEV和PHEV的结构特点而组成的，既可以在串联混合模式下工作，也可以在并联混合模式下工作。它与串联式相比，主要增加了机械动力传递路线，而与并联式相比它增加了电力驱动传输路线。即同时兼顾了串联式和并联式的优点，结构上保证了在各种复杂工况下可灵活采取串联方式或并联方式，以实现热效率最高、污染量排放最低的目标。通常汽车在低速轻负荷运行时，驱动系统主要以串联模式工作；而当汽车处于高速稳定行驶时，则以并联工作模式为主。按其驱动原理量常被分为两种形式。 a) 动力组合器动力组合式 b) 驱动轮动力

49、组合式， 3/18/202236第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理1) 动力组合器动力组合式动力组合器动力组合式 2) 驱动轮动力组合式驱动轮动力组合式 两者的区别主要在于混合驱动时所采用动力组合方式不同，前者是采用如前所述的动力组合器进行动力组合，后者是在驱动轮处进行动力组合的，即采用了四轮驱动方式。从图中可看出它们的共同特点是比并联式多增加了一台驱动电动机，因此系统的动力总成由发动机、发电电动机和驱动电动机三大部分组成。 3/18/202237第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理 CHEV系统的动力总成由于有发动机、发电电动机和

50、驱动电动机三部分，设计时其每部分的功率要求分别只需车辆驱动总功率的50左右，它与SHEV同样也需由该三部分组成的动力总成相比，其功率、重量和体积都要小得多，使得车载自身重量即可降低，而其性能又可更完善，经济性也更好。CHEV由于可组合成多种多样的独立驱动模式和混合驱动模式以供选择，可使CHEV的节能最佳，有害气体排放达到“超低污染”要求。CHEV可采取以发动机为基本驱动模式，如此即可减少类似SHEV在热能电能机械能的转换过程中的能量损耗，并且在能量过剩时，可通过发动机把动能转换成电能储存于蓄电池中，即能量转换的综合效率高于内燃机汽车；也可采用以驱动电动机为基本驱动模式，即可由电动机独立驱动车辆

51、行驶，在车辆起步时发挥电动机低速大转矩的特征，并实现“零排放”行驶。而在高速满负荷行驶时，同样可采用发动机与电动机并联混合模式驱动。CHEV的最大缺点是多能源动力系统结构复杂，增加了各部件总体布置的难度，并且控制系统的复杂性也带来了设计、调试、故障诊断和维修等一系列难度。 3/18/202238第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理三三 HEVHEV的能量管理与控制策略的能量管理与控制策略1 HEV1 HEV的能量管理的能量管理 混合动力电动汽车的能量管理是指：车辆在行驶过程的不同工况下，控制各组成部件(发动机、发电机、蓄电池、电动机和传动装置等)之间的能量流大小及

52、其流向。其目的是为了所设计的车辆具有： 1) 最佳的燃油经济性和排放指标，这主要通过对发动机工作点及工作区域的优化设计，以及在各种复杂的行驶工况下，尽可能减小发动机工作的转速波动和关起次数来实现。 2) 根据行驶工况对能量的需要，合理分配来自发动机和蓄电池的能量流。 3) 确保蓄电池有合适的荷电状态(State 0f Charge，SOC)以及蓄电池电压在安全的范围内，使蓄电池有良好的使用寿命。能量管理的手段即为控制策略，它是混合动力电动汽车的控制核心。控制中需根据驾驶员意图和行驶工况，协调各部件间的能量流来进行合理的动力分配，优化车载能源，提高整车经济性，降低排放量，并在不牺牲整车性能的情况

53、下，实现两者之间的折中优化。3/18/202239第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理 2 串联式相应控制策略串联式相应控制策略 串联式混合动力汽车控制策略按控制性质可分为被动型和主动型两类。被动型能量控制是在保证蓄电池和发动机工作于最佳工作区域条件下被动地满足车辆功率需求的一种控制模式，它以提高能量流动效率为主要目的。而主动型能量控制是在注重提高汽车系统内部能量流动效率的同时，再根据行车环境主动减小车辆功率需求。 1) 开关型控制。开关型控制。它属于被动型能量控制，主要用于串联式中蓄电池单向驱动电动机的形式。为使蓄电池组工作于充放电性能良好的工作区，预先设定了其

54、荷电状态SOC的最大值SOCmax与最小值SOCmin。其控制逻辑为：当蓄电池SOCSOCmin时，发动机开机并恒定地工作于效率最高点，驱动发电机向蓄电池充电；当蓄电池SOCSOCmax时，即关闭发动机。其优点是发动机的燃烧充分、排放量低，并且控制极其简单。其缺点是发动机的起动和关闭会贯穿于整个出行过程，而导致其效率趋低，且蓄电池充放电也较频繁。 3/18/202240第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理 2) 功率跟随型控制。功率跟随型控制。它也属于被动型能量控制，主要用于串联式中发电机或蓄电池双向驱动电动机的形式。该控制策略要求由发动机全程跟踪车辆功率需求，尽

55、可能由发电机的电能直接驱动电动机行驶，而蓄电池只起负荷调节作用，即只有在蓄电池SOCSOCmax时，并且仅由蓄电池提供的功率能满足车辆需求的双重条件下，发动机才停机或减速运行。这种策略的优点是蓄电池容量被减小到最小，并且蓄电池充放电次数的减少也使系统内部损失相应减少。其缺点是发动机必须在较大的负荷区域内运行，效率和排放也就不如开关型控制策略。 3) 3) 动态规划法能量优化控制。动态规划法能量优化控制。它属于主动型能量控制，以汽车在给定的驾驶循环工况下最小油耗为优化目标，根据串联式混合动力的能量流动特点建立适当的数学模型，按照时间顺序把整个循环工况下的功率与效率以一定的时间间隔(如1s)分成若

56、干个时间片段，然后从最后一段状态开始逆向递推到初始段状态为止，最后求出整个循环工况下发动机最优输出功率序列。该方法只能用于特定的驾驶循环，即必须预先精确知道车辆的需求功率，因而不能用于在线控制，常用于离线优化，以帮助总结和提炼出能用于在线控制的能量管理策略。 3/18/202241第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理 4) 路线适应性控制。路线适应性控制。它也属于主动型能量控制，主要用于有固定行驶路线和停靠站点的城市公交汽车上。即基于汽车加减速频繁，路线固定，起动、停车时间已知的特点，在能量管理基本控制策略(开关型或功率跟随型策略)的基础上增加了两个控制子策略：最

57、佳加速控制子策略和最佳减速制动控制子策略。最佳加速控制子策略是根据行车路线数据(整个路线预定的速度曲线和站点位置，结合实际车速等)帮助驾驶员发出当前工况下的最佳加速踏板请求信号。而最佳减速制动控制子策略仅根据车辆的停车信息来确定停车前的速度。以提高再生制动能量回收量。 5) 负荷预测型控制。负荷预测型控制。该控制策略是在基本控制策略(开关型或功率跟随型策略)的基础上添加一个车辆负荷预测器。预测器根据车辆运行工况预测车辆所需的驱动功率和蓄电池当前的SOC值，从而决定采用哪一种工作模式。该策略最大特征是提供了一种根据在线所预测的驱动功率参与系统能量管理，达到油耗最低、排放最低的目的，具有较好的可操

58、作性。但由于所预测的驱动功率是由已耗功率推测得到的，与车辆功率的即时需求值会有一定的偏差。 3/18/202242第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理3 并联式相应控制策略并联式相应控制策略 早先的控制策略是基于速度的控制，由于没能充分发挥混合动力的优势，现已基本不用。目前提出的控制策略基本上是基于转矩或功率的控制，主要有下述四类： 1) 1) 基于规则的逻辑门限控制。基于规则的逻辑门限控制。该控制策略是基于工程师的经验及其静态能耗图来制定的，因此其基本思想是根据发动机的静态效率曲线图，通过控制选定的几个变量，如车辆需求功率、加速信号、电池SOC值等，并根据预先设

59、定的规则，判断并选择混合动力系统的工作模式，使车辆运行于高效区域，提高汽车的燃油经济性。基于规则的逻辑门限控制策略的算法简单、易于实现、具有较好的鲁棒性。但由于没考虑工况的动态变化，其动态的控制策略不是最佳的，而且一般只考虑燃油经济性而不考虑其排放。3/18/202243第二节第二节 混合动力电动汽车构造与原理混合动力电动汽车构造与原理 2) 瞬时优化控制。瞬时优化控制。它是为了克服上述对动态控制策略的缺陷，新提出的一种也属于实时控制的策略。它主要有等效燃油消耗最少控制和功率损失最小控制两种。所谓等效燃油消耗最小控制是指在某一瞬时工况，将电动机消耗的电量折算成发动机提供相等能量所耗油量和其排放

60、量，再结合制动回收能量等，组成总的整车燃油消耗与排放模型，计算此模型的最小值，并选择在此工况下最小值所对应的点来作为当前发动机的工作点。它综合考虑了燃油消耗和排放，通过一组权值来描述各自的重要性，用户可以根据自己的要求来设定其权值，从而在燃油消耗和排放之间获得折中。如在排放法规较严格的地区，可适当提高排放的权值比重，放弃一点燃油经济性；而排放法规较宽松的地区需注重燃油消耗时，则可适当提高燃油消耗的权值比重。此控制策略的缺点是需要大量的浮点运算，计算工作量大，并在计算过程中，由于需对未来行驶工况中的制动回收能量进行预估，还要为此建立一个较精确的预测模型，来对典型工况进行统计分析以及实时行车工况的