电动汽车基础课件：混合动力电动汽车结构与工作原理

电动汽车基础

活塞连杆组故障诊断与修复混合动力电动汽车结构与工作原理

第一节

活塞连杆组故障诊断与修复混合动力电动汽车定义与结构

混合动力电动汽车指的是能够至少从可消耗的燃料或可再充电能/能量储存装置两类车载储存的能量中获得动力的汽车。混合动力电动汽车在不同的工况下可以使用一种或多种动力源协同工作，起到节能环保、提高整车效能的作用。一、混合动力电动汽车的定义

混合动力电动汽车按照动力系统结构型式分为串联式、并联式和混联式混合动力电动汽车三种类型。1.串联式混合动力电动汽车基本结构

串联式混合动力电动汽车的驱动力只来源于驱动电机，图3-1所示为其基本结构。整车控制系统由整车控制器、驱动电机控制器、蓄电池管理系统等组成。整车控制系统接收驾驶人的控制指令，依据系统内置的控制策略，通过驱动电机控制器驱动车辆按照驾驶人意图行驶。二、混合动力电动汽车的类型及结构

1.串联式混合动力电动汽车基本结构

二、混合动力电动汽车的类型及结构图3-1串联式混合动力电动汽车基本结构

1.串联式混合动力电动汽车基本结构串联式混合动力电动汽车的工作模式有四种：纯电驱动、纯发动机驱动、混合驱动和再生制动模式。如图3-2所示，车辆起步时，由动力蓄电池驱动；随着功率的上升，车辆逐步由蓄电池组和发动机—发电机组混合驱动，发动机—发电机组不足的驱动功率由动力蓄电池提供；车辆正常行驶时，由发动机—发电机组驱动车辆行驶，若蓄电池电量不足，还需要同时为其充电；车辆减速过程中，发动机—发电机组关闭，由动力蓄电池驱动车辆行驶；车辆制动过程中，车辆回收制动能量为动力蓄电池充电。二、混合动力电动汽车的类型及结构

1.串联式混合动力电动汽车基本结构

二、混合动力电动汽车的类型及结构图3-2串联式混合动力电动汽车工作过程

2.并联式混合动力电动汽车基本结构并联式混合动力电动汽车驱动力由电机及发动机同时或单独供给，图3-3所示为其基本结构。常见的并联式混合动力系统运行模式有以下几种。二、混合动力电动汽车的类型及结构图3-3并联式混合动力电动汽车基本结构

2.并联式混合动力电动汽车基本结构1）起动/加速模式车辆起动或节气门全开加速时，车辆需求功率较大，发动机和电动机同时工作，共同分担驱动车辆所需的动力。2）正常行驶模式车辆正常行驶时，仅由发动机提供车辆所需动力，驱动电机处于关闭状态。3）减速/制动模式车辆减速行驶或制动时，驱动电机处于发电机工作模式进行再生制动，可以将部分制动能量存储在动力蓄电池中。二、混合动力电动汽车的类型及结构

2.并联式混合动力电动汽车基本结构4）行车充电模式当发动机输出功率大于驱动车辆行驶所需的功率时，驱动电机处于发电机工作模式，发动机输出的富余功率驱动驱动电机发电向蓄电池充电。二、混合动力电动汽车的类型及结构

3.优势比较并联式混合动力电动汽车与串联式混合动力电动汽车相比，具有两方面的优势：（1）并联式结构减少了能量转换次数，降低了转换过程中的能量损失；（2）并联式结构允许电动汽车使用功率较小的发动机和驱动电机。并联式混合动力结构也存在一些不足。例如，发动机与驱动轮之间的机械传动设计无法保障发动机在高效状态持续工作。二、混合动力电动汽车的类型及结构

4.混联式混合动力电动汽车基本结构混联式混合动力电动汽车同时具有串联式和并联式驱动方式，图3-4所示为其基本结构。二、混合动力电动汽车的类型及结构图3-4混联式混合动力电动汽车基本结构

4.混联式混合动力电动汽车基本结构混联式混合动力电动汽车工作模式有两种：发动机主动型，车辆主要由发动机驱动；驱动电机主动型，车辆主要由驱动电机驱动。混联式混合动力结构既有串联式电耦合特点，也有并联式机电耦合的特点，兼具二者优势，但对于结构设计和制造工艺要求高，控制技术复杂，成本较高。二、混合动力电动汽车的类型及结构

第二节

活塞连杆组故障诊断与修复混合动力电动汽车控制策略

电动汽车发展过程中一直面临着续航里程有限、自重大和充电时间长等难题，串联式混合动力电动汽车在此背景下产生，旨在通过添加一个发动机—发电机组为车载动力蓄电池充电。如前所述，串联式混合动力驱动系统（图3-1）装备了发动机—发电机组，用来辅助驱动电机运行。该系统的驱动电机控制器用于控制驱动电机运行，负责提供车辆运行所需动力。一、串联式混合动力电动汽车控制策略

该系统中发动机—发电机与车轮机械分离，便于控制发动机在高效率作业区间稳定运行，实现发动机最佳运行状态，降低发动机的能量消耗以及排放，如图3-5所示。一、串联式混合动力电动汽车控制策略图3-5发动机特性及其最佳运行区的实例

图3-6所示为串联式混合动力电动汽车主要的四种工作模式：①车辆起动加速以及正常行驶，发动机和动力蓄电池共同驱动车辆；②车辆轻载，发动机驱动车辆并给动力蓄电池充电；③车辆减速或制动，驱动电机将车辆动能转化为电能给动力蓄电池充电；④车辆制动充电。一、串联式混合动力电动汽车控制策略图3-6串联式混合动力电动汽车工作模式B-动力蓄电池；E-内燃机；F-油箱；G-发电机；M-驱动电机；P-转换器；T-传动装置

最常见的两种控制策略：峰值电源最大荷电状态的控制策略、发动机开/关或恒温控制策略。1.峰值电源最大荷电状态控制策略图3-7为峰值电源最大荷电状态的控制策略示意图。一、串联式混合动力电动汽车控制策略图3-7峰值电源最大荷电状态的控制

1.峰值电源最大荷电状态控制策略图中Pd—a，Pd—b表示驱动需求功率，Pb—c、Pb—d表示制动需求功率，Pp表示峰值电源功率，Pp—max表示峰值电源最大功率，Pe表示发动机—发电机组功率，Pe—max表示全载荷下发动机—发电机组功率，Pr表示再生制动功率，Pr—max表示最大再生制动功率。在a点Pd—a>Pe—max，需要峰值电源提供功率；Pd—b<Pe—max，发动机—发电机组富余功率可以视情况为峰值电源充电；Pb—c>Pr—max，再生制动无法满足制动需求，需要混合制动；Pb—d<Pr—max，执行再生制动模式即可。该策略满足车辆行驶的功率需求时，将峰值电源荷电状态保持在一定水平。该控制策略中，峰值电源是电动汽车的辅助动力源，作用是协助主动力源输出功率。一、串联式混合动力电动汽车控制策略

2.发动机开/关或恒温控制策略峰值电源最大荷电状态控制的作用是将荷电状态保持在较高水平，但是车辆行驶在某些工况下时，会降低驱动系统效率。此时，可以使用发动机开/关或恒温控制策略优化车辆运行状态，使发动机保持在最佳工作效率区间。发动机开/关或恒温控制策略的原理如图3-8所示。一、串联式混合动力电动汽车控制策略图3-8发动机开/关或恒温控制

并联式混合动力电动汽车可由发动机和驱动电机单独或联合驱动行驶，发动机侧不需要驱动电机，减少了设备空间，避免了功率的多次转换。但是存在驱动轮与发动机之间的机械耦合，其驱动系统控制更加复杂。图3-9所示为并联式混合动力电动汽车常见的运行模式：①起动及加速时，发动机和驱动电机共同驱动车辆；②正常行驶时，仅由发动机驱动车辆；③制动或减速时，驱动电机反转给动力蓄电池充电；④行驶中充电时，车辆处于轻载工况，发动机的富余功率给动力蓄电池充电。二、并联式混合动力电动汽车控制策略

二、并联式混合动力电动汽车控制策略图3-9并联式混合动力电动汽车的运行模式B-动力蓄电池；E-内燃机；F-油箱；M-驱动电机；P-转换器；T-传动装置

1.峰值电源最大荷电状态控制策略车辆频繁处于制动、起动的过程中时，需要保持峰值电源处于高荷电状态，就要采用峰值电源最大荷电状态控制策略，如图3-10所示。图中Pe—m是发动机的最佳运行功率，其他参数含义同图3-7。二、并联式混合动力电动汽车控制策略图3-10峰值电源最大荷电状态的控制

2.发动机开/关控制策略在低速和低加速的行驶工况下，可以使用发动机开/关的控制策略。可以通过峰值电源电荷状态对发动机进行控制。当荷电状态最大时，车辆由电动机单独驱动，发动机处于关闭状态；当荷电状态最小时，则起动发动机，车辆进入峰值电源最大荷电状态的控制模式。二、并联式混合动力电动汽车控制策略

2.发动机开/关控制策略混联式混合动力电动汽车兼具串联式和并联式的特点，具有多种不同的结构设计和控制模式。其中，最常见的控制模式为驱动机主动型和发动机主动型控制模式两类。图3-11所示为几种发动机主动型控制模式。①起动状态，蓄电池驱动车辆；②加速状态，发动机和驱动电机共同驱动车辆；③行驶状态，发动机驱动车辆；④减速/制动状态，驱动电机给蓄电池充电；⑤行驶中充电状态，发动机驱动车辆的同时，将部分富余功率给蓄电池充电；⑥制动充电状态。三、混联式混合动力电动汽车控制策略

2.发动机开/关控制策略

三、混联式混合动力电动汽车控制策略图3-11发动机主动型运行模式B-动力蓄电池；E-内燃机；F-油箱；G-发电机；M-驱动电机；P-转换器；T-传动装置

2.发动机开/关控制策略混联式混合动力电动汽车的控制对象包括发动机转速、转矩和再生制动控制等。发动机转速和转矩可以完全解耦，这是混联式混合动力电动汽车的主要特点。多种运行模式对提升运行效率和降低排放具有重要意义，但同时需要更加复杂和高效的控制策略。三、混联式混合动力电动汽车控制策略

第三节

活塞连杆组故障诊断与修复混合动力电动汽车关键技术及指标

1.蓄电池技术动力蓄电池是混合动力电动汽车的基本部件，直接影响驱动电机性能、整车燃油经济性能、排放性能。动力蓄电池承担较大的工作负荷，需要具备较高的功率密度，还要回收再生制动能量并存储起来，因此对动力蓄电池的荷电状态工作区间以及使用寿命均提出了较高的要求。一、混合动力电动汽车的关键技术

2.驱动电机控制技术混合动力电动汽车可由发动机和驱动电机单独或联合驱动运行。合理的匹配电动机功率、动力电池容量及发动机功率能够提升驱动系统运行效率。对于驱动电机而言，要求运行稳定、体积小、重量轻、能量密度高、功率密度高。常用的电机包括永磁同步电机、交流感应电机、开关磁阻电机等。目前技术研究更关注交流感应电机和永磁同步电机，交流感应电机适合高速匀速行驶工况，永磁同步电机适合起动、制动、低速运行频繁切换的城市道路行驶工况。在驱动电机控制技术方面，硬件包括大功率电子器件、转换器、微处理器等，控制算法涉及自动控制领域和人工智能领域的多种算法，例如矢量控制、自调整控制、神经网络控制等。一、混合动力电动汽车的关键技术

3.整车能量控制技术整车能量控制的核心是整车功率控制和各类工作模式的切换管理。根据驾驶人的操作判断驾驶意图，分配发动机、驱动电机以及动力蓄电池等动力部件的功率输出，实现最优能量利用率，达到效率、排放和动力性能的最佳匹配。科学融合车辆动力学控制系统、混合动力控制系统以及能量控制系统，将使混合动力电动汽车更加节能、舒适和安全。一、混合动力电动汽车的关键技术

4.再生制动能量回收技术再生制动能量回收技术能够提高能量利用效率。但是再生制动回收能量会影响车辆制动的实时性和有效性。因此协调再生制动能量回收与安全制动，是再生制动能量回收技术的难题。一、混合动力电动汽车的关键技术

表3-1为混合动力电动汽车主要技术指标表，包括了动力蓄电池、驱动电机、整车平台等多项内容。二、混合动力电动汽车的主要技术指标

表3-2为我国混合动力电动汽车产业化研究提出的主要技术指标表，主要包括动力蓄电池和驱动电机两部分的内容。二、混合动力电动汽车的主要技术指标

1.雷克萨斯混合动力电动汽车（NX300H）NX300H（图3-12）可以智能切换车辆的动力模式，保障车辆始终处于最佳电量工作区间，提高整车的能源利用效率并且减低排放污染。三、典型的混合动力电动汽车图3-12雷克萨斯电动汽车（NX300H）

1.雷克萨斯混合动力电动汽车（NX300H）NX300H的动力系统包括2.5L阿特金森循环自然吸气汽油发动机、两台永磁同步电机、电控无极变速器、镍氢电池组、能量控制单元等部件。该发动机的优缺点都比较明显（表3-3）。三、典型的混合动力电动汽车

2.比亚迪F3DM混合动力电动汽车比亚迪F3DM混合动力电动汽车包括了两种运行模式，一种是电动汽车模式，另一种是混合动力模式。比亚迪F3DM配置了全铝汽油发动机（371QA）和两台永磁同步电机来驱动车辆运行。其中主驱动电机功率为50kW、副驱动电机功率为25kW，总功率达到了125kW。三、典型的混合动力电动汽车

2.比亚迪F3DM混合动力电动汽车图3-13和图3-14所示为比亚迪F3DM的四种工作状态。中低速工况下，采用动力蓄电池供电独立驱动；在制动减速工况下，运行再生制动能量回收模式；当动力