汽车发动机原理课件：混合动力电动汽车动力装置

混合动力电动汽车是指由两种或两种以上的储能器或能量转换器作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。一般意义上的混合动力电动汽车是指在一辆汽车中同时采用了电动机和内燃机作为动力装置的汽车。它采用内燃机和电动机两种动力，将现有内燃机与一定容量的储能器件，如高性能电池或超级电容器，通过先进控制系统相结合，提供车辆行驶所需要的动力。一、混合动力电动汽车动力装置分类混合动力电动汽车动力装置有多种分类方法，可以按照驱动系结构划分，按照混合度大小划分，按照是否依赖电网充电划分等。1.按驱动系结构分类混合动力电动汽车动力装置按照驱动系结构可以分为:(1)串联式混合动力装置，它是指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于给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。(2)并联式混合动力装置，它采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车辆。(3)混联式混合动力装置，它在结构上综合了串联式和并联式的特点，与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线，与并联式相比，它增加了电能的传输路线。2.按混合度大小分类按电池在混合动力装置中的作用可分为轻度混合动力和全混合动力两种。轻度混合动力装置中电池的能量有限，一般不提供纯电动行驶范围，电动机不能单独驱动车辆前进；在全混合动力装置中电池可以提供车辆一定的纯电动行使范围，电动机可以单独驱动车辆前进。3.按照是否依赖电网充电分类按照是否依赖电网充电可以分为电量依赖型混合动力装置和电量维持型混合动力装置。电量依赖形混合动力装置依赖于来自外部电网的电能，当电池能量耗尽时车辆无法继续行驶，只有在重新充电后才能继续行驶，车载内燃机发电只能进行部分电量补充，达到延续行驶里程的目的，但并不能达到自我电量平衡。二、混合动力电动汽车汽车动力装置工作模式1.串联式混合动力装置按照辅助动力源(发动机/发电机组)功率值的大小不同，串联式混合动力装置有两种典型的类型:(1)电力主动型(电量消耗型)，发动机功率占整个系统功率的百分比较小，不足以维持电池组的荷电状态(SOC)，因此属于电量消耗型。车辆行驶后的电池组SOC低于初始值时，需外界能源补充充电。(2)发动机主动型(电量维持型)，发动机功率占整个系统功率的百分比较大，电池组仅提供车辆行驶时的峰值功率。车辆行驶前后，电池组SOC基本维持不变，相应的车载电池组容量较小。如图10-6所示，典型的串联式混合动力装置工作模式有以下几种:(1)车辆起步、加速行驶，以及高速和爬坡行驶工况时，发动机和蓄电池组共同向车辆提供功率输出，工作模式如图10-6a)所示。(2)车辆正常行驶(中等功率需求)以及车辆滑行工况时，发动机向蓄电池组和车辆提供功率输出，同时弥补SOC的衰减，工作模式如图10-6b所示。(3)车辆行驶于对排放要求较高的路段时，整车功率需求全部由蓄电池供给，车辆为纯电动工作，这时车辆的SOC降低较快，工作模式如图10-6c)所示。(4)车辆在减速/制动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，驱动电动机回收车辆部分动能存储到蓄电池组，同时发动机—发电机组的全部功率输出到蓄电池组，工作模式如图10-6d)所示。2.并联式混合动力装置在典型的并联式混合动力装置中，发动机以常规模式(传统汽车的工作模式)工作，但只承担部分车辆驱动行驶功率。如图10-7所示，典型的并联式混合动力装置工作模式有以下几种:(1)车辆起动、轻载行驶时，发动机关闭，车辆由电动机单独驱动，工作模式如图10-7a)所示。(2)车辆正常行驶时由发动机单独驱动，加速、爬坡时，电动机和发动机同时工作，工作模式如图10-7b)所示。(3)车辆在减速/制动工况，当车载蓄电池组电量偏低时，电动机回收车辆部分动能以向蓄电池组充电，工作模式如图10-7c)所示。(4)典型并联式混合动力系统在电池组SOC过低时，不能利用发动机对其随车充电，只能采用外界电源补充充电，工作模式如图10-7d)所示。3.混联式混合动力装置混联式混合动力装置兼有串联式和并联式混合动力装置的特点，其控制方式一般可分为两种，一种是发动机主动型，另一种是电力主动型。车辆运行时，前一种主要是发动机起作用，而后一种主要是电动机起作用。下面以丰田Prius混合动力装置为参照形式，对混联式混合装置进行分析。丰田Prius混合装置为典型的单轴驱动并联式(双轴联合式)混合动力装置，如图10-8所示，其工作模式有以下几种:(1)车辆起动或轻载工况，此时由于发动机很难保证在经济区工作，所以发动机处于关闭状态，而由电动机单独驱动车辆，工作模式如图10-8a)所示。(2)车辆正常行驶或节气门全开、车辆加速工况时，发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需功率。两种工况的区别在于，车辆正常行驶的功率仅由发动机提供，同时驱动发电机；而节气门全开加速行驶时，其功率由蓄电池组和发动机共同提供，通常用行星齿轮机构分流发动机的输出功率，一部分用于驱动车辆，一部分用来驱动发电机，工作模式如图10-8b)、c)所示。(3)车辆制动或减速行驶时，电动机工作于发电模式，在蓄电池组电量较低时回收车辆部分动能，工作模式如图10-8d)所示。(4)车辆行驶中当蓄电池组电量较低时为其充电，发动机一部分功率用于驱动车辆，另一部分功率用于给蓄电池组充电，工作模式如图10-8e)所示。(5)车辆驻车时，发动机在蓄电池电量较低时通过发电机为蓄电池组充电，工作模式如图10-8f)所示。三、混合动力装置特性比较1.串联式混合动力装置特性(1)发动机—发电机组所发出的电能向电池组充电，用于补充电池组的电量损耗，大大延长了续驶里程。(2)串联式混合动力装置的发动机并不跟随外界工况而大范围波动，能够保持在稳定、高效和低排放的经济区工作，可以获得较高的燃油经济性和低的排放。(3)串联式混合动力装置采用电动机直驱的动力驱动方式，实现了车辆的无级变速，具有良好的操作性和加速动力性。(4)两大原动力没有机械连接，一方面使其在车辆的布置上有较大自由度，另一方面免去了两者的动力合成，这也是其他形式的混合动力系统的一大难点，从而使得串联式混合动力装置控制相对简单。(5)串联式混合动力装置依靠电动机驱动，可以以电池组为主动力源，使其在城市中实现“零污染”状态的行驶。这对于在工况比较复杂的城市道路下有频繁起步加速的城市车辆来说有着较大的发展空间。2.并联式混合动力装置特性(1)并联式混合动力装置只有发动机和电动/发电机两个动力总成，这两个动力总成本身的功率可以等于50％~100％的车辆驱动功率，比串联式混合动力装置的三个动力总成的功率、质量和体积要小得多。(2)发动机驱动模式是并联式混合动力装置的基本驱动模式，从发动机到轮胎之间的动力传递过程中，除机械损失外没有机械能—电能—机械能的能量转换损失，能量转换中的综合效率要比串联式高。在车辆大功率输出时，驱动电动机可以与发动机协同为车辆提供动力输出，因此并联式混合动力装置的发动机功率可以选择较小。(3)电动机是并联式混合动力装置的辅助动力，因而电动机的功率根据多能源动力总成匹配的要求可以选择较小。与此对应的电动机质量和体积较小，与它们配套的电池组的容量也较小，使整车的整备质量大大降低。3.混联式混合动力装置特性(1)混联式混合动力装置是在并联式混合动力装置的基础上，再增加电动机/发电机，因此混联式混合动力装置是由三个动力总成组成，三个动力总成的功率可等于50％~100％的车辆驱动功率，比串联式混合动力装置动力总成的功率、质量和体积要小得多。混联式混合动力装置可以有多种驱动模式和混合驱动模式供选择，可以使其节能最佳，有害气体的排放达到最低。(2)发动机驱动模式是混联式混合动力装置的基本驱动模式之一，从发动机到车轮之间动力传递过程