混合動力電動汽車2詳解-共59頁課件

1、項目二 混合動力電動汽車學習目標 熟悉混合動力電動汽車的基本概念； 了解混合動力電動汽車的分類，并明確混合動力電動汽車 的優(yōu)缺點。學習任務描述通過本次學習，了解混合動力電動汽車的基本概念，明確混合動力電動汽車與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別；了解混合動力電動汽車的不同分類方式；明確混合動力電動汽車在新能源汽車發(fā)展中的優(yōu)勢與劣勢。學習任務1. 混合動力電動汽車的基礎知識2. 混合動力電動汽車的主要結構形式3. 混合動力電動汽車能量管理4. 混合動力電動汽車的關鍵技術5. 混合動力電動汽車的實例學習任務1. 混合動力電動汽車的基礎知識2. 混合動力電動汽車的主要結構形式3. 混合動力電動汽車能量管理4. 混合動力

2、電動汽車的關鍵技術5. 混合動力電動汽車的實例引導問題1： 什么是混合動力電動汽車？混合動力汽車通常是指由不同動力源驅動的汽車，包括油電混合動力汽車、氣電混合動力汽車。目前天然氣汽車通常也是油氣混合動力的一種。本文主要介紹油電混合動力汽車?；旌蟿恿﹄妱悠嚕℉ybrid Electrical Vehicle，簡稱HEV）是指同時裝備兩種動力來源熱動力源（由傳統(tǒng)的汽油機或者柴油機產生）與電動力源（電池與電動機）的汽車。通過在混合動力電動汽車上使用電機，使得動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行工況要求靈活調控，而發(fā)動機保持在綜合性能最佳的區(qū)域內工作，從而降低油耗與排放。引導問題1： 什么是混合動力電動汽

3、車？混合動力電動汽車是介于內燃機汽車和電動汽車之間的一種車型，是內燃機汽車向純電動汽車過渡的車型?；旌蟿恿﹄妱悠嚤M管不能實現零排放，但其動力性、經濟性以及排放等性能能夠在一定程度上緩解汽車發(fā)展與環(huán)境污染、能源危機的矛盾。與傳統(tǒng)汽車的最大區(qū)別在于其動力系統(tǒng)，混合動力電動汽車通常至少擁有兩個動力源和兩個能量儲存系統(tǒng)?；旌蟿恿﹄妱悠嚕ㄒ曨l）引導問題1： 什么是混合動力電動汽車？根據2019年頒布的QC/T 8372019混合動力電動汽車類型，混合動力電動汽車的有多種分類方式：根據驅動系統(tǒng)能量流和功率流的配置結構關系，混合動力電動汽車可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。按照兩種不同能量的搭配比例不同，混

4、合動力電動汽車可分為微混合型、輕度混合型、中度混合型及重度混合型。按照外接充電能力，混合動力電動汽車分為可外接充電型（插電式）、不可外接充電型。引導問題2： 混合動力電動汽車有哪些分類？引導問題3： 混合動力電動汽車的優(yōu)缺點各有哪些？優(yōu)點分析：混合動力技術被公認為是目前最可行、最現實的節(jié)能技術，而混合動力電動汽車也是目前世界上唯一能實現量產的節(jié)能環(huán)保型汽車，這是混合動力電動汽車的最大優(yōu)勢所在，具體地：1. 排放性能良好2. 動力性能佳3. 耗油量低4. 對電池的性能要求相對較低引導問題3： 混合動力電動汽車的優(yōu)缺點各有哪些？缺點分析：由于混合動力電動汽車仍需要燃燒汽油，因此無法從根本上擺脫對石

5、油的依賴和徹底解決環(huán)保問題，也因此混合動力電動汽車沒有太大的市場號召力。混合動力系統(tǒng)的生產成本比內燃發(fā)動機系統(tǒng)的成本更高?；旌蟿恿囆枰渲闷胀ㄆ嚥⒉恍枰陌嘿F配件，例如龐大笨重的電池組、電力發(fā)動機以及精密的電子控制模板。另外受限于動力電池與能量儲存等技術難題，以及充換電站等基礎配套設施目前未完善，混合動力電動汽車要得到大規(guī)模發(fā)展尚需要一定的時間。學習任務1. 混合動力電動汽車的基礎知識2. 混合動力電動汽車的主要結構形式3. 混合動力電動汽車能量管理4. 混合動力電動汽車的關鍵技術5. 混合動力電動汽車的實例引導問題1： 串聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構串聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、

6、發(fā)電機和電動機三個動力總成，以串聯(lián)方式組成其動力單元系統(tǒng)。下圖為串聯(lián)式混合動力電動汽車的功能原理圖。引導問題1： 串聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構串聯(lián)式混合動力電動汽車功能部件分布引導問題1： 串聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構串聯(lián)式的工作模式通常有三種：純電動模式、純發(fā)動機模式、混合模式。純電動模式即發(fā)動機關閉，車輛行駛完全依靠電池組供電驅動；純發(fā)動機模式則僅在發(fā)動機運行情況下驅動車輛，蓄電池電力充足時作為儲備，不足時，發(fā)動機同時為其充電；混合模式，即整車動力是通過發(fā)動機與電池組共同提供。引導問題1： 串聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構串聯(lián)式結構適用于城市內頻繁起步和低速運行工況，主要用于客車。

7、下圖為中通串聯(lián)式混合動力電動公交車。引導問題2： 并聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構并聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構圖并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)有兩套驅動系統(tǒng)：傳統(tǒng)的內燃機系統(tǒng)和電機驅動系統(tǒng)。這種系統(tǒng)適用于多種不同的行駛工況，尤其適用于復雜的路況。該聯(lián)結方式結構簡單，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并聯(lián)式聯(lián)結方式。 并聯(lián)型HEV的特點：汽車可由發(fā)動機和電動機共同驅動或者各自單獨驅動。發(fā)動機和電機是兩個相互獨立的系統(tǒng)，即可實現純電動行駛，又可實現內燃機驅動行駛，在功率需求較大時還可以實現全混合動力行駛，在停車狀態(tài)下可進行外接充電。但以何種方式將兩處動力得到融合呢？并聯(lián)式混合動力電動汽車可以兩

8、動力源的轉矩、轉速、功率為對象進行耦合。按耦合對象不同，可分為轉矩耦合、轉速耦合、轉速與轉矩耦合。從結構上而言，則主要有兩軸式、單軸式結構。引導問題2： 并聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構在這種結構中，傳動裝置通常設計在電動機后端，電動機通過離合器與發(fā)動機相連，要實現同步調節(jié)，電動機與發(fā)動機的轉速范圍必須一致，因此僅適用于小型電動機。1.轉矩耦合兩軸式轉矩耦合結構另一種轉矩耦合兩軸結構形式為分離軸設計，電動機與發(fā)動機分別為車輛提供動力。其發(fā)動機傳動系統(tǒng)結構形式與常規(guī)汽車一樣，僅是將電動機作為另一動力源對車輛輸出轉矩。此種結構會減少車輛的乘座空間，且不能實現發(fā)動機對蓄電池充電。1.轉矩耦合分離軸結

9、構轉矩耦合的單軸式并聯(lián)混合動力電動汽車，通常有兩種結構形式，如右圖所示。兩種結構形式最大的區(qū)別在于電動機與傳動裝置的位置關系，且此時采用的電動機兼具發(fā)電機功能，且其轉子起著轉矩耦合的作用。1.轉矩耦合對于轉速耦合的并聯(lián)式混合動力電動汽車而言，其關鍵的兩種轉速耦合部件：一是行星齒輪機構，二是具有浮動定子的電動機（也稱為傳動電動機），2.轉速耦合兩種轉速耦合部件轉速耦合混合動力電動汽車的主要優(yōu)點在于兩種動力裝置的轉速是解耦的，因此二者的轉速是可以自由地進行調節(jié)。2.轉速耦合行星齒輪機構轉速耦合并聯(lián)式混合動力電動汽車結構2.轉速耦合傳動電動機轉速耦合的混合動力電動汽車結構將轉矩耦合與轉速耦合相結合，

10、形成復合型混合動力驅動系統(tǒng)。這種驅動系統(tǒng)下轉矩耦合與轉速耦合狀態(tài)可交替運行。3.轉矩耦合與轉速耦合配置行星齒輪機構的復合型混合動力驅動系結構3.轉矩耦合與轉速耦合配置傳動電動機的復合型混合動力驅動系統(tǒng)結構3.轉矩耦合與轉速耦合本田IMA系統(tǒng)是非常典型的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，至今已發(fā)展到第六代并應用在本田最新的CR-Z、思域、飛度等車型上。IMA系統(tǒng)由4個主要部件構成，其中包括：發(fā)動機、電機、CVT變速箱以及IPU智能動力單元組成。應用IMA動力系統(tǒng)的本田CR-Z混聯(lián)式混合動力電動汽車為轉矩與轉速耦合復合型的動力系統(tǒng)，它具有優(yōu)于串聯(lián)式和并聯(lián)式（單一轉矩或轉速耦合）混合動力驅動系統(tǒng)的優(yōu)點。引導問題3

11、： 混聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構混聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構圖混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的特點在于內燃機系統(tǒng)和電機驅動系統(tǒng)各有一套機械變速機構，兩套機構或通過齒輪系，或采用行星輪式的結構結合在一起，從而綜合調節(jié)內燃機與電動機之間的轉速關系。與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)可以更加靈活地根據工況來調節(jié)內燃機的功率輸出和電機的運轉。唯一的缺點就是價格高，結構復雜?；炻?lián)式混合動力電動汽車綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式結構特點組成的，由發(fā)動機、電動機或發(fā)動機和驅動電機三大動力總成組成。引導問題3： 混聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構引導問題3： 混聯(lián)式混合動力電動汽車的功能結構混聯(lián)式混合動力電動汽車的

12、結構實例學習任務1. 混合動力電動汽車的基礎知識2. 混合動力電動汽車的主要結構形式3. 混合動力電動汽車能量管理4. 混合動力電動汽車的關鍵技術5. 混合動力電動汽車的實例引導問題1： 混合動力電動汽車能量管理能量管理是混合動力電動汽車的核心，其功能在于，當滿足汽車基本技術性能（動力性、平順性等）、成本等要求的前提下，根據各部件特性及汽車的行駛工況，實現能量在能源轉換（發(fā)動機、電動機、儲能裝置、功率變換裝置、動力傳遞裝置、發(fā)電機等）之間的最佳線路流動，使整車的能源利用率達到最優(yōu)，提高整車的燃油經濟性?；旌蟿恿﹄妱悠嚨哪芰哭D換裝置包括發(fā)電裝置（發(fā)動機/發(fā)電機）、動力電池、功率變換裝置、動力傳

13、遞裝置、充放電裝置等。能量傳統(tǒng)路線通常有四類：由發(fā)電裝置到車輪；由動力電池到車輪；由發(fā)電裝置到能量儲存裝置，再到車輪；由車輪到能量儲存裝置（能量回收）。引導問題2： 混合動力電動汽車的運行模式從能源消耗與排放的角度，混合動力電動汽車須滿足以下要求：車輛應根據行駛工況對能量的需要，合理分配發(fā)動機與動力電池的能量，達到最佳的燃料消耗與排放效果；在復雜行駛工況下，盡可能減少發(fā)動機工作轉速的變化、關閉與起動的次數，盡量避免發(fā)動機在低于一定轉速和負荷時運行；從動力電池的使用壽命的角度，混合動力電動汽車還須保證動力電池的SOC與電壓在安全范圍內。引導問題2： 混合動力電動汽車的運行模式根據動力電池與發(fā)動機

14、在運行過程中能量供應的主次，混合動力電動汽車主要有兩種運行模式：第一種主要利用動力電池的電能驅動車輛。僅當電池SOC降低于最小限值時，發(fā)動機才運行，且保證發(fā)動機在最高效率區(qū)以輸出恒定功率的方式工作，當動力電池SOC升至最大限值時，發(fā)動機停機 。這種模式下，發(fā)動機的啟閉出現在車輛的行駛過程中，較為頻繁時，影響發(fā)動機的工作效率。第二種模式下，發(fā)動機在行駛過程中起到主要作用，發(fā)動機帶動發(fā)電機工作并盡可能供應車輛行駛所需的電能，同時保持動力電池SOC處于規(guī)定范圍內。動力電池起負荷調節(jié)的作用，僅在制動能量回收、起動、加速條件下發(fā)揮作用。這種模式下，電池的充放電量較小，能量損失最小。但發(fā)動機不能在最佳轉速

15、和負荷下工作，排放差，效率也較低。引導問題3： 混合動力電動汽車的能量控制策略根據不同結構形式的混合動力電動汽車特點，其能量管理的側重有所不同：1 串聯(lián)式混合動力電動汽車能量管理控制策略發(fā)動機要經由電動機才能將動力傳遞給車輪，整車的控制策略目標是使發(fā)動機在最佳效率區(qū)和排放區(qū)工作，主要采用靜態(tài)邏輯門限控制策略，較為典型的有恒溫模式（發(fā)動機開關控制策略）、峰值電源最大荷電狀態(tài)的控制策略2 并聯(lián)式混合動力電動汽車能量管理控制策略實際是在一定約束條件下的燃油與排放的最優(yōu)控制疸。引導問題3： 混合動力電動汽車的能量控制策略3 混聯(lián)式混合動力電動汽車能量管理控制策略低速行駛時，驅動系統(tǒng)采用串聯(lián)式混合動力電

16、動汽車能量控制策略；高速行駛時，驅動系統(tǒng)采用并聯(lián)式混合動力電動汽車能量控制策略。由于混聯(lián)式混合動力電動汽車能量控制綜合了串聯(lián)式與并聯(lián)式的特點，因此這也成為了目前應用成功的混合動力電動汽車采用較多結構類型。此法能較好地實現汽車各項性能指標，使發(fā)動機不受汽車行駛狀況的影響，保持在最高效率狀態(tài)下工作或自動關閉，從而有效降低排放。但是這些能量控制策略技術復雜，配套的硬件設計與制造成本也較高。學習任務1. 混合動力電動汽車的基礎知識2. 混合動力電動汽車的主要結構形式3. 混合動力電動汽車能量管理4. 混合動力電動汽車的關鍵技術5. 混合動力電動汽車的實例引導問題1： 混合動力電動汽車的關鍵技術有哪些？

17、混合動力電動汽車是集整車技術、電力拖動、新能源及新材料等高新技術于一體的高新集成產物。為實現其高效能、低排放目標，行業(yè)內混合動力電動汽車技術發(fā)展集中于發(fā)動機、動力電池與能量管理、電機及其驅動控制、整車技術等方面。本田混合動力電動汽車系統(tǒng)演示（視頻）引導問題2： 發(fā)動機由于混合動力電動汽車發(fā)動機需要頻繁起動或關閉，為滿足嚴格的排放標準，混合動力車用發(fā)動機設計目標從傳統(tǒng)發(fā)動機追求的高功率轉向了高效率，將功率的調峰任務交由驅動電機完成。從發(fā)動機技術的發(fā)展歷史來看，自四沖程內燃機誕生至今，如何提高發(fā)動機的效率是發(fā)動機工程師們一直努力研究的課題。目前采用內燃機的混合動力系統(tǒng)基本上都對其發(fā)動機進行了重新設

18、計或重大改進。例如豐田的Prius的1.5L汽油機采用高效率、高膨脹比阿特金森工作循環(huán)、緊湊型傾斜式擠氣燃燒室以及鋁合金缸體，并結合了可變氣門正時技術另外，混合動力電動汽車還可以選用燃氣輪機、斯特林發(fā)動機或燃氣發(fā)動機等其他熱機，利用它們各自的優(yōu)勢，可以構成不同特點的混合動力系統(tǒng)。引導問題2： 發(fā)動機引導問題2： 發(fā)動機Prius1.5L發(fā)動機豐田CAMRY混合動力版動力電池必須同時具有高能量密度、高功率密度的特點，以便車輛在加速或爬坡時能提供較大的峰值功率。混合動力電動汽車對動力電池的具體要求如下：1.大功率充放電的能力。2.充放電效率。3.混合動力系統(tǒng)的電池應當在快速充放電和充放電過程變工況

19、的條件下保持性能的相對穩(wěn)定。此外，作為車用動力電池，還有一些基本要求電壓、質量比能量和體積比能量、免維護性以及成本。引導問題3： 動力電池與能量管理目前，鎳氫電池和鋰離子電池己經可以達到混合動力電動汽車的使用要求，但仍有價格高或壽命不長等缺陷。Prius即采用鎳氫電池，國內比亞迪采用其自主研發(fā)的鋰離子電池，因采用的材料含Fe，其命名為鐵電池。引導問題3： 動力電池與能量管理豐田公司在最新款插電式Prius首次采用了鋰離子電池作為其蓄電池，為整車提供動力。除了動力電池外，各大汽車公司亦開發(fā)了其它類型的混合動力電動汽車儲能技術：1. 飛輪電池。飛輪電池有比能量高、比功率大、充電快、壽命長、無污染等

20、優(yōu)點，但目前技術難度和成本都較高。引導問題3： 動力電池與能量管理飛輪電池的結構除了動力電池外，各大汽車公司亦開發(fā)了其它類型的混合動力電動汽車儲能技術：1. 飛輪電池。飛輪電池有比能量高、比功率大、充電快、壽命長、無污染等優(yōu)點，但目前技術難度和成本都較高。 2. 超級電容。超級電容雖然能量密度較低，但卻擁有很高的功率密度，能在瞬時提供很大的電流和功率，同時壽命長、效率高、充電快，是混合動力系統(tǒng)中很有前途的一種瞬時供能裝置。引導問題3： 動力電池與能量管理飛輪電池的儲能原理引導問題3： 動力電池與能量管理電池能量管理是整車能量管理系統(tǒng)的一部分。整車能量管理策略的實施要依賴電池管理系統(tǒng)對電池狀態(tài)的

21、判別和對電池性能的維護。電池管理系統(tǒng)的主要功能有防止電池過充電或過放電判定荷電狀態(tài) 選擇適當的充電或放電模式對電池進行均衡充電控制并且平衡電池組的工作溫度。從發(fā)展看，能量儲存裝置的研究應該包括以下幾個方面：一是研究電池內部的連接、檢測、監(jiān)控。二是電池設計和制造方面的改進，降低制造成本，改善電池的性能和提高壽命。三是電池的熱能管理及剩余電量管理。此外，電池的剩余電量直接影響混合動力電動汽車的經濟性和排放，因此需要有效的測試方法和控制裝置。引導問題4： 電機及其控制技術電機是混合動力電動汽車驅動輪動能的直接來源，混合動力電動汽車要求其電機具備性能穩(wěn)定、質量輕、尺寸小、轉速范圍寬、效率高、電磁輻射量

22、小、成本低等特點。從整車性能的角度，要求電機峰值功率要具備起動發(fā)動機能力、電驅動能力、整車加速能力、制動能量回收能力。目前，混合動力電動汽車具使用的電機主要有直流永磁電機、永磁無刷同步電機、交流異步電機、開關磁阻電機等，引導問題4： 電機及其控制技術豐田Prius電動機及發(fā)電機實物豐田Prius采用的是同步交流永磁電動機作為電動機，采用同步交流發(fā)電機作為電池充電，引導問題4： 電機及其控制技術混合動力電動汽車電機特性比較學習任務1. 混合動力電動汽車的基礎知識2. 混合動力電動汽車的主要結構形式3. 混合動力電動汽車能量管理4. 混合動力電動汽車的關鍵技術5. 混合動力電動汽車的實例引導問題1

23、：豐田Prius介紹（視頻：試駕普銳斯）豐田Prius是日本汽車制造商豐田旗下的一款全混合動力電動中型車。Prius的燃料消耗率為綜合值 ，居世界最高水平。在采用混合動力系統(tǒng)的基礎上，以世界最高水平的空氣動力特性和輕型化設計，實現了低油耗目標。美國環(huán)保署（EPA）的數據顯示，豐田Prius是目前美國市場燃油效率最高的汽車。EPA和加州空氣資源委員會（CARB）在煙霧和有毒廢氣排放標準的基礎上都將豐田Prius評為美國市場最清潔的汽車。引導問題2：豐田Prius的結構原理Prius整車動力部件布置圖引導問題2：豐田Prius的結構原理Prius動力系統(tǒng)結構原理圖THS分為發(fā)動機、帶轉換器的變頻器、帶馬達的壓縮機、動力管理控制單元總成、動力電池總成、傳動橋、電機、發(fā)電機等功能總成。左圖為Prius動力系統(tǒng)結構原理圖。結構上，在電動機和發(fā)電機之間采用AC500V 高壓電路傳輸，可以極大地降低動力傳輸中電能損耗，高效地傳輸動力。采用大功率電機輸出，提高電機的利用率。當發(fā)動機工作效率低時，此系統(tǒng)可以將發(fā)動機停機，車輛依靠電機動力行駛。極大地增加了減速和制動過程中的能量回收，提高能量的利用率。引導問題2：豐田Prius的結構原理Prius帶轉換器的變頻器總成功能組成變頻器（Variable-fr