新能源汽车技术 第5章 混合动力电动汽车.ppt

1、新能源汽车技术第1页，第5章混合动力电动汽车，5.1概述5.2混合动力电动汽车动力系统设计5.3混合动力电动汽车制动能量回收系统5.4混合动力电动汽车能量管理5.5混合动力电动汽车模型示例，新能源汽车技术第2页，5.1概述，5.1.1混合动力电动汽车分类(1)按连接方式分类：串联混合动力电动汽车(SHEV)，并联混合动力电动汽车(PHEV)， 系列混合动力电动汽车(PSHEV) (2)按混合程度分类微型混合动力电动汽车轻型混合动力电动汽车强混合动力电动汽车全混合动力电动汽车新能源汽车技术第3页，5.1.2混合动力电动汽车的组成和原理，系列混合动力电动汽车的组成：系列结构由三个主要部件组成：发动

2、机、发电机和驱动电机。 各部件的功能：发动机仅用于发电机产生的电能直接传递给电机，部分电能用于给电池充电。电机产生的电磁转矩驱动汽车行走。新能源汽车技术第4页，串联混合动力汽车示意图，新能源汽车技术第5页，串联混合动力汽车功率流程图。在串联混合动力电动车辆中，由发动机驱动的发电机产生的电能和由电池输出的电能共同输出到马达以驱动车辆。电动驱动是唯一的驱动模式。新能源汽车技术，第6页，系列混合动力电动汽车的特点和优势：(1)发动机可以始终保持稳定、高效和低污染的运行状态，从而将有害排放控制在最低范围内；(2)整体结构相对简单，易于控制。只有电动机的电驱动系统的特性更接近纯电动汽车；(3)三个主要部

3、件组件安装在电动车辆上，具有很大的自由度。新能源汽车技术，第7页，串联式混合动力电动汽车的特点和缺点：(1)三个主要部件总成都具有大功率、大形状和大质量，这使得其难以安装在中小型电动汽车上；(2)此外，在发动机-发电机-电动机驱动系统中热能、电能和机械能的能量转换过程中，能量损失较大。串联混合动力驱动系统更适合大型客车。新能源汽车技术第8、2页。并联混合动力汽车，组成：并联结构由发动机和电动机/发电机总成组成。新能源汽车技术第9页，并联式混合动力电动汽车原理，发动机和电机通过一定的变速装置同时与驱动桥直接相连。电机可以用来平衡发动机的负载，因此它可以在高效率区域工作，因为当发动机满负荷(中速)

4、工作时，燃油经济性最佳。当车辆在小的道路负载下工作时，内燃机车辆的发动机的燃料经济性相对较差，而并联混合动力电动车辆的发动机可以关闭并且只有电动机可以驱动车辆，或者可以增加发动机的负载以使电动机充当发电机来为电池充电以备后用(即，在驾驶车辆时充电)。由于并联式混合动力汽车在稳定的高速下具有高效率和相对较小的质量，因此在高速公路上行驶时具有较好的燃油经济性。新能源汽车技术，第10页，并联混合动力电动汽车的功率流程图。并联驱动系统有两条能量传输路线，可以使用电机和发动机作为驱动车辆的动力源。这种设计可以使它像纯电动汽车或低排放汽车一样运行，但此时它不能提供所有的动力和能量。新能源汽车技术，第11页

5、，并联驱动系统的动力合成装置，(1)驱动力合成驱动力合成并联混合动力电动汽车使用低功率发动机独立驱动汽车前轮。另一套电机驱动系统独立驱动车辆的后轮，可以在车辆启动、爬升或加速时增加混合动力电动车辆的驱动力。两套驱动系统可以单独或联合驱动汽车，使汽车成为四轮驱动电动汽车。这种混合动力电动汽车具有四轮驱动汽车的特点。新能源汽车技术，第12页，(2)扭矩合成(双轴和单轴)扭矩合成并联混合动力电动汽车的发动机通过传动系统直接驱动混合动力电动汽车，并直接(单轴)或间接(双轴)驱动电动机/发电机旋转给电池充电。当电动机/发电机被转换成电动机时，电池还可以向电动机/发电机提供电能，电动机可以用来启动发动机或

6、驱动汽车。新能源汽车技术，第13页，(3)速度合成并联混合动力汽车的发动机和电动机通过离合器和“功率合成器”驱动汽车。可以利用普通内燃机汽车的大部分传动系统的装配，电机只需通过一个“功率合成器”与传动系统连接，结构简单，修改容易，维修方便。为了获得最佳的传输效果，控制设备往往非常复杂。新能源汽车技术第14页，并联混合动力电动汽车的驱动模式如图所示，新能源汽车技术第15页，第3页。串并联混合动力汽车，串并联驱动系统是串联和并联的结合。发动机产生的动力一部分通过机械传动传递到驱动桥，另一部分驱动发电机发电。发电机产生的电能传递给电机或蓄电池，电机产生的驱动力矩通过动力合成装置传递给驱动桥。串并联驱

7、动系统的控制策略是：当汽车低速行驶时，驱动系统主要串联工作；汽车高速平稳运行时，主要是并行工作。新能源汽车技术第16页，串并联混合动力汽车示意图，新能源汽车技术第17页，串并联混合动力汽车功率流程图，新能源汽车技术第18页，5.1.3混合动力汽车特性。与纯电动汽车相比，混合动力汽车：(1)由于原动机作为辅助动力，可以减少电池的数量和质量，从而可以减轻汽车本身的重量；(2)汽车的行驶里程和动力性能可达到内燃机水平；(3)利用原动机的动力，可以驱动空调、真空助力器、转向助力器等辅助设备，而不消耗电池组有限的电能，从而保证驾驶和乘坐的舒适性。新能源汽车技术，第19页，与内燃机汽车相比，混合动力汽车：

8、(1)能使原动机在最佳工况区稳定运行，避免或减少发动机在可变工况下的不良运行，并大大降低发动机的排放和油耗；(2)在人口密集的商业区、居民区等场所，车辆可以纯电动方式行驶，实现零排放；(3)电机可以提供动力，因此可以配备功率较小的发动机，电机可以在汽车减速和刹车时回收能量，从而进一步降低汽车的能耗和污水排放。新能源汽车技术第20页，混合动力电动汽车类型比较，新能源汽车技术第21页，不同类型混合动力电动汽车的特点，新能源汽车技术第22页，5.1.4混合动力电动汽车的关键技术，1驱动电机及其控制技术电机是电动汽车的心脏。对于混合动力电动汽车来说，电机的重要性等同于发动机。混合动力汽车对驱动电机的要

9、求是高能量密度、小尺寸、轻重量和高效率。从发展趋势来看，电动驱动系统的研发主要集中在交流感应电机和永磁同步电机上。对于高速均匀行驶条件，更适合使用感应电机驱动；然而，在频繁启动和停止的城市条件下，永磁电机的驱动效率较高，新能源汽车技术第23页，2，动力电池及其管理系统动力电池是混合动力汽车的基本组成部分，其性能直接影响驱动电机的性能，从而影响整车的燃油经济性和排放。混合动力电动汽车中使用的电池工作量大，对功率密度要求高。但电池体积小、容量小，荷电状态工作范围窄，对循环寿命要求高。开发适合混合动力汽车的专用动力电池是决定混合动力汽车能否广泛应用的重要因素之一。如何全面准确地管理动力电池是决定动力

10、电池能否发挥最佳性能的重要因素。新能源汽车技术第24页，第3节，汽车能量管理控制系统混合动力汽车的汽车能量控制系统的主要功能是控制整车功率和切换运行模式。整个车辆能量控制系统就像混合动力电动车辆的大脑一样，在考虑行驶车辆的乘坐舒适性的同时，控制各个子系统的协调以实现最佳的效率、排放和动力性能。新能源汽车技术，第25页，第4页，混合动力汽车动力总成参数匹配是混合动力汽车设计的重要组成部分，它直接影响混合动力汽车未来的排放和燃油经济性，包括发动机功率、动力电池容量和电机功率等的合理选择和匹配。从而确定车辆的混合程度，形成性能最佳的混合动力驱动系统。新能源汽车技术第26页，第5页，能量再生制动回收系

11、统能量再生制动回收是提高混合动力汽车燃油经济性的另一个重要途径。由于制动关系到行车安全，如何在制动过程中平衡车辆动能的最大回收与保证安全制动距离和行车稳定性是再生制动系统需要解决的难题之一。再生制动系统和汽车防抱死制动系统的结合可以很好地解决这个问题。新能源汽车技术，第27页，第6页，先进车辆控制技术在混合动力汽车中的应用传统车辆动力学控制系统与混合动力系统控制和制动能量回收控制的结合将是混合动力汽车控制技术的下一个研究热点。此外，随着混合动力电动汽车研究的深入，如何将传统汽车的行驶控制系统和车辆稳定性控制系统与混合动力电动汽车的能量管理和动力系统控制相结合，将日益显示出其重要性和必要性。新能

12、源汽车技术，第28页，5.2混合动力电动汽车的动力系统设计。这里以一辆车为例，保持原车的外形参数不变，只重新设计其动力系统，采用串并联结构。混合动力汽车的高燃油经济性主要通过以下原则实现：(1)在车辆上安装较小的发动机，并使发动机在较高的负荷下工作(以获得较高的效率)；(2)将制动时产生的能量转换成电能，用于加速或为汽车提供动力；(3)使用高效电机从静止状态启动汽车。新能源汽车技术，第29页，5.2.1发动机，由于其显著的非线性，其真实模型相当复杂，通常用高次多项式近似方程来描述，但多项式阶数太高，不便于仿真计算，因此不适合直接引用这些数学模型。为了解决这个问题，ADVISOR采用实验数据建模

13、的方法，即通过对大量实验数据(如发动机的通用特性图和排放特性数据)的分析和处理，得到描述发动机工作特性的近似方程。这里，采用上述原则来设计发动机功率。，新能源汽车技术，第30页，行驶中的功率平衡方程，新能源汽车技术，第31页，各种坡度下行驶速度与所需功率的关系曲线，新能源汽车技术，第32页，5.2.2电动机在串并联混合动力汽车中起着重要作用，可用作起动电动机，串并联结构电动机，以及在制动过程中回收制动能量的发电机。因此，在串并联混合动力电动车辆中，对以电动和发电模式运行的电动机有更高的要求：恒定转矩、恒定功率(弱磁控制)、高效率和高功率输出，以及接近两倍功率的过载量(在车辆再生制动时的发电模式

14、中，当电动机速度可以从几转变化到数万转时)。新能源汽车技术，第33页，1逆变器/电机控制策略，新能源汽车技术，第34页，电机的转矩-速度曲线给出了牵引驱动的宽速度范围的期望轮廓，其具有三个特征工作区域：(1)恒定转矩：从零速度到基本速度；(2)恒功率：从基本速度到最大速度(恒功率区末端的速度)；(3)限滑。新能源汽车技术第35页，第2节，电机功率设计一般来说，适用于电动汽车的电机的外部特性是：低于额定速度时，电机工作在恒转矩模式，高于额定速度时，电机工作在恒功率模式。相应参数的选择包括：(1)电机额定功率(2)电机额定转速(3)电机最大转速，新能源汽车技术第36页。根据控制策略，电机的启动功率

15、应满足汽车最大爬坡度和加速时间的要求。最大爬升度的要求应满足原位启动加速时间的要求。新能源汽车技术第37页，利用MATLAB中的函数fzero求解得到加速时间或最大爬升时间。整数值为40kW。电机的最大速度会影响传动系的尺寸和电机的额定扭矩。考虑到上述因素的影响，电机的最大转速为9000r/min，恒功率区系数有所扩大。仿真结果分析表明，当发动机、电机和电池的功率不变，整车总质量不变时，改变发电机的功率值对整车的动力性和经济性影响很小，因此该车采用了一种体积小、重量轻、效率高的交流永磁同步电机。功率为15千瓦，质量为33公斤。新能源汽车技术第38页，5.2.3储能装置目前，电化学电池仍然是多源

16、混合驱动的基本组成部分，电化学电池在串联、并联或混合驱动结构中作为辅助能源。大多数混合动力电动汽车在再生制动方面与普通电动汽车相似：牵引电机在发电模式下工作，车辆的动能通过牵引电机传递给蓄电池。混合动力汽车用电池不仅需要高能量密度，还需要高功率密度。高性能、低成本、长寿命电池的研发仍然是混合动力汽车发展的关键问题之一。新能源汽车技术，第39页，1。电池通用型号，电池放电时的等效电路图：充电时：新能源汽车技术第40页，电池通用型号，电池放电时：新能源汽车技术第41页，新能源汽车技术第42页，电池充电时：新能源汽车技术第43页，电池不工作时：新能源汽车技术第44页，2电池电源设计，汽车驱动功率的具体变化与瞬时负载电流、电压和电池内阻的变化密切相关，尤其是电池中获得的能量变化。内阻是电动势，新能源汽车技术第45页，3电池仿真模型，(1)电池开路电压和内阻计算模块，(2)功率限制模块，(3)电池负载电流计算模块，(4)荷电状态计算模块，(5)电池散热模型，(6)电池组装模型，新能源汽车技术第46页，电池组装模型，新能源汽车技术第47页，5.2.4配电装置， 动力分配装置图通过分析行星机构的传动比和受力情况，可以得到以下方程：新能源汽车技术第48页，驱动力：串并联混合动力系统的行星齿轮机构完