新能源汽車基礎(chǔ)：5混合動(dòng)力汽車

第5章混合動(dòng)力汽車概述串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車插電式混合動(dòng)力汽車混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)第1節(jié)概述1.HEV（HybridElectricVehicle)定義:能量與動(dòng)力的傳遞同時(shí)具有以下特點(diǎn)的車輛（1）傳遞到驅(qū)動(dòng)輪來推進(jìn)車輛的能量，至少來至兩種不同的能量轉(zhuǎn)換裝置（如內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、電機(jī)等），這其中有一個(gè)為電機(jī)。（2）這些能量轉(zhuǎn)換裝置的可從至少兩種能量儲(chǔ)能裝置（如油箱、蓄電池、超級電容、飛輪、儲(chǔ)氫罐等）獲取輸入能量，其中至少有一種能量儲(chǔ)能裝置提供的是電能。（3）能量儲(chǔ)能裝置也可以吸收電能。典型HEV是指既有內(nèi)燃機(jī)又有電機(jī)的車輛。一、混合動(dòng)力汽車定義與類型

2.混合動(dòng)力汽車的分類按“混合度”分類:

微混合輕混合全混合

起動(dòng)機(jī)功能發(fā)電機(jī)功能制動(dòng)能量回收輔助驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)里程微混合動(dòng)力有有有一般無無輕度混合動(dòng)力有有有有無或極短全混合動(dòng)力有有有有有按動(dòng)力系統(tǒng)布置分類:

串聯(lián)式HEV(SeriesHEV，SHEV)

并聯(lián)式HEV(ParallelHEV，PHEV)

混聯(lián)式HEV按照外接充電能力分類插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-inHEV）非插電式混合動(dòng)力汽車汽車燃油消耗除與行駛阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率以及傳動(dòng)系效率有關(guān)之外，還與停車怠速油耗、汽車附件（空調(diào)等）消耗及制動(dòng)能量損耗有關(guān)。在城市循環(huán)工況中，后三個(gè)因素消耗的能量總計(jì)達(dá)燃油化學(xué)能的25.2％。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的汽車在這些方面尚未找到突破性的提高燃油經(jīng)濟(jì)性的措施。HEV節(jié)油方式（1）大大減少甚至消除了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，短暫停車時(shí)可關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，再行駛時(shí)利用電機(jī)迅速地重啟發(fā)動(dòng)機(jī)。（2）制動(dòng)時(shí)可利用電機(jī)的發(fā)電機(jī)模式來回收制動(dòng)能量，而傳統(tǒng)汽車的機(jī)械制動(dòng)中這些能量轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)。（3）設(shè)計(jì)時(shí)，混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)功率可選擇的比傳統(tǒng)汽車小，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置在高效率區(qū)穩(wěn)定工作，加速、爬坡的峰值功率由電機(jī)提供。二、混合動(dòng)力汽車特點(diǎn)

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的優(yōu)勢：

與純電動(dòng)汽車比較：(1)電池的容量減小，而使整車自重減小、成本有所降低。(2)續(xù)駛里程和動(dòng)力性可達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平。(3)無需建設(shè)龐大的充電設(shè)施，無需每天的充電維護(hù)?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車的優(yōu)勢：與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車比較：(1)可使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳的工作區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗、排放污染和噪聲。(2)可實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)模式，在居民區(qū)、市中心等人員密集的地區(qū)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)零排放。

(3)通過電機(jī)回收制動(dòng)時(shí)的能量，提高能量利用率，進(jìn)一步降低汽車的能量消耗和排放污染。避免缺點(diǎn)，保留優(yōu)點(diǎn)項(xiàng)目電動(dòng)汽車燃料電池汽車混合動(dòng)力車內(nèi)燃機(jī)汽車尾氣排放無無少量多能量來源廣較窄較廣窄能量轉(zhuǎn)換率高高較高低高效工況區(qū)范圍寬寬較寬窄能量回收（再生制動(dòng)）有有有無行駛里程短較長長長

電動(dòng)汽車，燃料電池汽車，混合動(dòng)力汽車和內(nèi)燃機(jī)汽車的比較第2節(jié)串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車

發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，該電能通過功率變換器為蓄電池充電，或者供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。發(fā)動(dòng)機(jī)只用來發(fā)電，發(fā)電機(jī)供電能給電機(jī)，只有電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)汽車。同時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的部分電能存儲(chǔ)到蓄電池里，在有需求的時(shí)候，蓄電池同時(shí)給電機(jī)供電來實(shí)現(xiàn)更大的功率.一、原理和工作模式串聯(lián)式HEV優(yōu)點(diǎn)適合于在城市運(yùn)行。車輛在城市運(yùn)行時(shí)，需要頻繁起步、停車、加速和低速運(yùn)行，在這些工況下，傳統(tǒng)燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗高、排放性能差，而串聯(lián)式HEV的發(fā)動(dòng)機(jī)受行駛工況影響小或者不受影響，可工作于穩(wěn)定、高效的最佳工況區(qū)域。發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組與機(jī)械傳動(dòng)裝置無機(jī)械連接，布置較靈活。結(jié)構(gòu)和工作原理比較簡單，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度相對較低。能量轉(zhuǎn)換、傳輸環(huán)節(jié)多，能量轉(zhuǎn)換效率比較低。電機(jī)的額定功率要求比較大，相應(yīng)體積和質(zhì)量也較大，這是因?yàn)殡姍C(jī)是唯一直接驅(qū)動(dòng)車輛的動(dòng)力裝置，需要滿足最高車速、加速、爬坡等所有工況的功率要求。

串聯(lián)式HEV缺點(diǎn)二、串聯(lián)式HEV控制策略混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)控制器根據(jù)行駛工況、發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)以及電池電量狀態(tài)來確定車輛的驅(qū)動(dòng)模式。一個(gè)好的控制策略可以充分發(fā)揮各動(dòng)力部件效率潛力，盡量避免各部件低效率，優(yōu)化混合驅(qū)動(dòng)效率，達(dá)到最佳的整體效率。HEV控制策略有兩種極端模式：“發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)式”和“發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟隨式”。1、發(fā)動(dòng)機(jī)開關(guān)式具體控制邏輯是：發(fā)動(dòng)機(jī)開啟時(shí)，設(shè)置在經(jīng)濟(jì)點(diǎn)穩(wěn)定地運(yùn)行，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電向電池充電；當(dāng)電池SOC超過SOCmax時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，車輛以ZEV模式運(yùn)行；當(dāng)電池SOC小于SOCmin時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向電池充電。特點(diǎn)：發(fā)動(dòng)機(jī)處于經(jīng)濟(jì)點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，燃燒充分，排放低，但動(dòng)力的傳遞要經(jīng)過電池充放電，增加了傳遞環(huán)節(jié)，目前電池的充放電循環(huán)效率較低，因而整個(gè)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)效率較低，油耗較高。

2、發(fā)動(dòng)機(jī)功率跟隨式控制邏輯如下：發(fā)動(dòng)機(jī)一直開啟，它的功率跟隨著電機(jī)的功率變化而變化；設(shè)定一功率下限值，當(dāng)行駛所需的發(fā)動(dòng)機(jī)功率低于該值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)向電池充電；發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為最大仍不能滿足驅(qū)動(dòng)要求時(shí)，電池輸出電能補(bǔ)充；當(dāng)電池電量不足而發(fā)動(dòng)機(jī)又有后備動(dòng)力時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)向電池充電。特點(diǎn)：盡量利用發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)而少用電池，以減少動(dòng)力傳遞環(huán)節(jié)，避免電池低充放電循環(huán)效率的不良影響。設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)功率下限的目是避免發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷工況下極高的油耗率。在該策略下如果發(fā)動(dòng)機(jī)匹配的好，運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)區(qū)域，可獲得良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。它的缺點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)工況不斷變化，排放不如開關(guān)式。

3、復(fù)合式控制策略綜合開關(guān)式策略的低排放和跟隨式策略的低油耗的優(yōu)點(diǎn)：復(fù)合式控制策略特點(diǎn)：是兩種極端模式的組合，在兩模式之間存在著優(yōu)化點(diǎn)，該點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電池合理分擔(dān)路面載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)和電池混合驅(qū)動(dòng)效率最高。優(yōu)化點(diǎn)的位置取決于發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)的大小和電池的充放電效率。若發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)擴(kuò)大或電池效率降低，優(yōu)化點(diǎn)向功率跟隨式策略移動(dòng)；反之，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)區(qū)變窄或電池效率升高，優(yōu)化點(diǎn)靠近開關(guān)式策略。

三、實(shí)車示例

一次加油行駛400-500km，HC和NOx比燃油汽車低90%，CO低66%。整車參數(shù)長×寬×高6990×2070×2580mm整備質(zhì)量3930kg乘員數(shù)5人發(fā)動(dòng)機(jī)類型DOHC四缸汽油機(jī)排量1.496L最大功率36kW/3100rpm最大轉(zhuǎn)矩112Nm/3100rpm電機(jī)類型薄型無刷直流電機(jī)最大功率70kW/1650~4500rpm最大轉(zhuǎn)矩405Nm/0~1650rpm減速器傳動(dòng)比15.1電池類型鉛酸電池容量58Ah1-發(fā)電機(jī)；2-增速器；3-發(fā)動(dòng)機(jī)；4-整流器；5-中央控制器；6-逆變器；7-驅(qū)動(dòng)電機(jī)；8-減速器；9-電池組

第2節(jié)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車一、原理和工作模式發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)是主動(dòng)力源，電機(jī)在必要時(shí)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。某些并聯(lián)HEV，電機(jī)具有單獨(dú)驅(qū)動(dòng)能力。車輛起步

一般車速，發(fā)動(dòng)機(jī)有剩余動(dòng)力

一般車速

全力行駛（如超車，爬陡坡）

制動(dòng)

并聯(lián)HEV優(yōu)點(diǎn)動(dòng)力性好，最高車速、加速能力和爬坡能力可做到與傳統(tǒng)汽車相同。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力可通過機(jī)械傳動(dòng)裝置直接輸出到驅(qū)動(dòng)輪，無機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換。與串聯(lián)式相比，系統(tǒng)效率較高，利于獲得好的經(jīng)濟(jì)性?？杀苊獍l(fā)動(dòng)機(jī)效率低、排放差的工況。在低速時(shí)，可采用電驅(qū)動(dòng)方式。設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)以穩(wěn)定、高效的狀態(tài)運(yùn)行，獲得好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能。行駛功率由發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同提供，在部件選型時(shí)，可以選擇功率小一點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)。部件體積小，有利于在車上的安裝和布置。與串聯(lián)式相比，電池?cái)?shù)量少，利于電池布置、整車質(zhì)量減小及降低成本。動(dòng)力部件多，有多種驅(qū)動(dòng)組合和運(yùn)行模式?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)較難。動(dòng)力合成需要?jiǎng)恿︸詈涎b置。系統(tǒng)還配置變速器、驅(qū)動(dòng)橋等傳動(dòng)裝置，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，布置和控制較困難。發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪有機(jī)械聯(lián)接，運(yùn)行工況受行駛工況影響。行駛工況頻繁變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)也不斷變化，對減少排放不利。

并聯(lián)HEV缺點(diǎn)二、并聯(lián)式HEV的動(dòng)力合成1.動(dòng)力合成方式

轉(zhuǎn)矩合成式合成轉(zhuǎn)矩是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的線性組合，合成動(dòng)力的輸出轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)速三者具有比例關(guān)系。k1、k2為動(dòng)力合成裝置結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。典型：圓柱齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、圓錐齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，此時(shí)k1、k2就是相應(yīng)的傳動(dòng)比。

轉(zhuǎn)速合成方式

合成轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速的線性組合，輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩三者具有比例關(guān)系。常用的是行星齒輪機(jī)構(gòu)。中心輪、行星架、齒圈，其中的兩個(gè)部件分別與發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)相連，另外一個(gè)作為輸出。連接方式可以有多種組合，可根據(jù)實(shí)際情況靈活選用。

2、動(dòng)力合成的結(jié)構(gòu)型式1）單軸式結(jié)構(gòu)：發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)路線位于同一直線。動(dòng)力合成方式為轉(zhuǎn)矩合成。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出和電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，限制了電機(jī)的工作區(qū)域，故需合理選擇電機(jī)的特性。

小型電機(jī)。綜合起動(dòng)機(jī)、輔助驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)的功能，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)/電機(jī)/變速箱的一體化設(shè)計(jì)?？偝审w積小、重量輕，便于布置和省空間

。Insight的動(dòng)力系統(tǒng)

1.3Li-VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)+IMA

手動(dòng)3擋變速器車型3L汽油行駛106km

紀(jì)錄(日本10-15工況)。CVT車型3L行駛96km。汽油機(jī)為主動(dòng)力，電機(jī)輔助動(dòng)力，動(dòng)力比為9:1。系統(tǒng)稱“集成電機(jī)輔助系統(tǒng)”IMA

。運(yùn)行模式——起動(dòng)和加速時(shí)，電機(jī)輔助工作，發(fā)揮電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)汽油機(jī)起動(dòng)加速差的缺點(diǎn)。在減速和制動(dòng)時(shí)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作。短時(shí)停車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉取消怠速，以節(jié)約燃料和降低排放，在加速踏板踩下后重新起動(dòng)。鎳氫電池模塊僅重20kg。排量為1L的3缸12氣門低摩擦的“極端稀薄燃燒”汽油機(jī)。2）雙軸式結(jié)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)路線位于兩條不同直線。按照動(dòng)力合成的位置不同，分為：動(dòng)力合成發(fā)生在變速器之后，動(dòng)力合成在變速器之前。

動(dòng)力合成裝置位于變速器之后

動(dòng)力合成裝置位于變速器之前

雙軸式結(jié)構(gòu)1發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)各有一套變速器（考慮到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，電機(jī)變速器有時(shí)可設(shè)置較少擋位數(shù)或者取消）。由于具有多個(gè)擋位選擇，發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速比例關(guān)系是可調(diào)的，通過調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的工況調(diào)節(jié)更靈活。兩個(gè)變速器的多擋位和兩種動(dòng)力合成可形成多種驅(qū)動(dòng)力曲線?？梢詾榘l(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)處于最佳區(qū)域提供更大機(jī)會(huì)，獲得良好的動(dòng)力性和系統(tǒng)效率。缺點(diǎn)是換擋復(fù)雜，傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于在車輛上布置。

動(dòng)力合成位于變速器后雙軸式結(jié)構(gòu)2電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力先合成，再輸入變速器（合成發(fā)生在變速器前）

。

轉(zhuǎn)矩耦合——轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速關(guān)系如下：

Tt

=Te+i.Tm

nt=ne

=nm/iTt--變速器輸入轉(zhuǎn)矩;Te--發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩;Tm--電機(jī)轉(zhuǎn)矩;nt--變速器輸入轉(zhuǎn)速;ne--發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;nm--電機(jī)轉(zhuǎn)速。TeTmTti動(dòng)力合成位于變速器前

結(jié)構(gòu)得到簡化。發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系。要求合理選擇耦合器傳動(dòng)比，使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)都工作于各自合理區(qū)域，高效率地發(fā)揮出動(dòng)力優(yōu)勢。3）分路式結(jié)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)力合成式）發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)各一套動(dòng)力系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)前輪或后輪，通過驅(qū)動(dòng)力來復(fù)合。驅(qū)動(dòng)力由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸承擔(dān)，每一軸上的驅(qū)動(dòng)力減小，不易超出地面附著極限，通過性好；結(jié)構(gòu)不緊湊，占用空間，布置困難，不適合于尺寸較小的車型

。三、并聯(lián)HEV的功率控制策略制定功率控制策略，是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車低油耗低排放目標(biāo)的關(guān)鍵所在。任務(wù)：針對各部件性能特性及汽車行駛工況,根據(jù)SOC、加速踏板和制動(dòng)踏板位置、車速等控制參數(shù)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池等部件的工作模式并合理地分配它們承擔(dān)的功率，使它們處于最佳的工作區(qū)域，達(dá)到整車系統(tǒng)效率的最高,獲得最佳燃油經(jīng)濟(jì)性和最低排放。主要有：電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)控制策略、實(shí)時(shí)控制策略和模糊邏輯控制策略。1.電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)控制策略也稱為基于規(guī)則的控制策略。發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源，電機(jī)在必要時(shí)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng).主要思想:根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能特性,以一個(gè)或多個(gè)變量作為控制參數(shù),如車速、行駛功率需求、加速信號等,設(shè)定一定的控制規(guī)則,判斷和確定動(dòng)力部件的工作模式與功率大小。1）以車速為控制參數(shù)

2）以行駛載荷為控制參數(shù)3）多控制參數(shù)1）以車速為控制參數(shù)設(shè)定一個(gè)臨界車速，將實(shí)際車速大小與臨界車速進(jìn)行比較，并以比較結(jié)果作為控制依據(jù)。利用了電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩的特性，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的低效率，當(dāng)車速較高時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高效率區(qū)運(yùn)行，此時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可避免高速純電動(dòng)行駛時(shí)的電池快速放電損失。

v≤v0發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。Pm=PrPe=0v＞v0當(dāng)SOC＞SOCmin當(dāng)SOC≤SOCmin發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，電機(jī)關(guān)閉。Pe=PrPm=0發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，除了提供行駛功率，還向電池充電。Pe=Pr+Pbcv0—臨界車速，SOCmin—設(shè)定的最小SOC，Pr—需求行駛功率，Pm—電機(jī)功率，Pe—發(fā)動(dòng)機(jī)功率，Pbc—電池充電功率。

2）以行駛載荷為控制參數(shù)以行駛載荷作為控制參數(shù)（常用行駛功率或驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩）.思想：均衡發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，避免低負(fù)荷工況，在大行駛載荷減小發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)工作。設(shè)定一行駛載荷臨界值，當(dāng)實(shí)際行駛載荷低于該值，發(fā)動(dòng)機(jī)在載荷臨界點(diǎn)工作，多余動(dòng)力給電池充電；當(dāng)行駛載荷大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大動(dòng)力時(shí)，電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)。

Pr≤Pe0發(fā)動(dòng)機(jī)以下限功率運(yùn)行，多余功率給電池充電。Pe=Pe0=Pr+PbcPe0＜Pr＜Pemax發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)關(guān)閉。Pe=PrPm=0Pr≥Pemax發(fā)動(dòng)機(jī)以最大功率運(yùn)行，不足功率由電機(jī)提供。Pe=Pemax

Pm=Pr-PemaxPr—需求行駛功率，Pe0—設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)下限功率，Pemax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，Pe—發(fā)動(dòng)機(jī)功率，Pm—電機(jī)功率，Pbc—電池充電功率。3）多控制參數(shù)單變量控制的工作模式少，不能保證部件匹配,和整車效率。更多工作模式，需采用多控制參數(shù)。各參數(shù)劃分成多個(gè)區(qū)間，區(qū)間組合可將車輛的運(yùn)行劃分成較多的子狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)更多工作模式。

v≤v0v＞v0Pr≤Pe0發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。Pm=Pr，Pe=0發(fā)動(dòng)機(jī)以下限功率運(yùn)行，多余功率給電池充電。Pe=Pe0=Pr+PbcPe0＜Pr＜Pemax發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。Pm=Pr，Pe=0當(dāng)SOC＞SOCmin當(dāng)SOC≤SOCmin發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，電機(jī)關(guān)閉。Pe=PrPm=0發(fā)動(dòng)機(jī)開啟，除了提供行駛功率，還向電池充電。Pe=Pr+PbcPr≥Pemax發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。Pm=Pr，Pe=0發(fā)動(dòng)機(jī)以最大功率運(yùn)行，不足功率由電機(jī)提供。Pe=Pemax

Pm=Pr-Pemaxv0—臨界車速，SOCmin—最小SOC，Pr—行駛功率，Pe0—發(fā)動(dòng)機(jī)下限功率，Pemax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，Pe—發(fā)動(dòng)機(jī)功率，Pm—電機(jī)功率，Pbc—電池充電功率。2、實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略電機(jī)輔助控制屬于靜態(tài)控制,沒考慮部件動(dòng)態(tài)特性,只考慮燃油經(jīng)濟(jì)性，不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)排放。不是最優(yōu)的控制策略。對車輛性能提出目標(biāo)函數(shù)。建立發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性模型，或者預(yù)先存儲(chǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)性能特性數(shù)據(jù)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參量，確定實(shí)際性能指標(biāo)，并與控制目標(biāo)比較，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到最優(yōu)發(fā)動(dòng)機(jī)性能。實(shí)時(shí)優(yōu)化控制目的有兩個(gè)：發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)排放。需要實(shí)時(shí)地在兩類優(yōu)化目標(biāo)之間權(quán)衡。通過一組權(quán)值來描述各自的重要性?？蓪?shí)現(xiàn)性能最優(yōu)控制，但優(yōu)化過程復(fù)雜，計(jì)算量大。3、模糊邏輯控制策略混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)具有非線性和時(shí)變的特點(diǎn)，采用線性系統(tǒng)控制往往難以實(shí)現(xiàn)最理想的控制效果。智能控制從模仿人類的智能出發(fā),對非線性時(shí)變系統(tǒng)有較好的控制效果。模糊邏輯控制基于知識庫的智能控制，適合用于混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的控制。在混合動(dòng)力汽車模糊控制系統(tǒng)中，整車和部件狀態(tài)參數(shù)精確信號轉(zhuǎn)換成模糊量,應(yīng)用基于專家知識經(jīng)驗(yàn)的,得出模糊結(jié)論,并將其轉(zhuǎn)換成精確量作為控制指令，協(xié)調(diào)車輛各部件的功率流,使整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放達(dá)到最佳。第4節(jié)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率一部分通過機(jī)械傳動(dòng)輸送給驅(qū)動(dòng)橋,另一部分驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能輸送給電動(dòng)機(jī)或電池,電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩通過動(dòng)力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動(dòng)橋。一般以行星齒輪作為動(dòng)力分配/復(fù)合裝置。一、原理與工作模式二、混聯(lián)式HEV的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：（1）動(dòng)力性能與燃油汽車相同，甚至還可以更好。（2）無需充電，使用方便，實(shí)現(xiàn)了能量管理、動(dòng)力部件控制和部分駕駛操作的自動(dòng)化和智能化。（3）有多種驅(qū)動(dòng)和工作模式，車輛運(yùn)行選擇靈活，能很好地適應(yīng)復(fù)雜多變的車輛行駛工況。（4）可以綜合串聯(lián)式的排放性能好和并聯(lián)式的燃油經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，使發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電機(jī)等部件匹配最優(yōu)化，結(jié)構(gòu)上保證復(fù)雜的工況下系統(tǒng)能實(shí)時(shí)以最優(yōu)狀態(tài)工作，實(shí)現(xiàn)排放和油耗最少的目標(biāo)，是節(jié)能環(huán)保性能最佳的混合動(dòng)力系統(tǒng)。缺點(diǎn)：（1）動(dòng)力系統(tǒng)部件多，增加整車質(zhì)量，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)布置難度較大。（2）控制系統(tǒng)需要監(jiān)測、控制、協(xié)調(diào)多個(gè)動(dòng)力部件的工作狀態(tài)，以保證車輛實(shí)時(shí)高效地運(yùn)行，系統(tǒng)的研發(fā)難度大。（3）目前成本還較高。三、混聯(lián)式HEV控制策略發(fā)動(dòng)機(jī)恒定點(diǎn)工作策略發(fā)動(dòng)機(jī)最佳油耗線策略瞬時(shí)優(yōu)化策略全局優(yōu)化策略

Prius混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)靈活實(shí)現(xiàn)各種工作模式齒圈太陽輪行星架四、示例THSⅡ混合動(dòng)力系統(tǒng)1-發(fā)動(dòng)機(jī)；2-MG1；3-動(dòng)力分配行星齒輪；4-電機(jī)減速行星齒輪；5-MG2；6-主減速器；7-差速器THSII主要組件HV電池帶轉(zhuǎn)換器的變頻器總成增壓轉(zhuǎn)換器 變頻器DC/DC轉(zhuǎn)換器輔助電池發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力管理控制ECU(HVCPU)混合動(dòng)力傳動(dòng)橋發(fā)電機(jī)(MG1)馬達(dá)(MG2)高電壓線束帶馬達(dá)的壓縮機(jī)總成(帶變頻器)THSII主要組件系統(tǒng)圖HV電池帶轉(zhuǎn)換器的變頻器總成輔助電池發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力管理控制ECU(HVCPU)帶馬達(dá)的壓縮機(jī)總成(帶變頻器)混合動(dòng)力傳動(dòng)橋發(fā)電機(jī)(MG1)馬達(dá)(MG2)ECM變頻器DC/DC轉(zhuǎn)換器增壓轉(zhuǎn)換器:高電壓線束混合動(dòng)力傳動(dòng)橋MG2動(dòng)力分配行星齒輪油泵(機(jī)械型)MG1主減速從動(dòng)齒輪中間軸齒輪差速器小齒輪傳動(dòng)橋減震器主減速驅(qū)動(dòng)齒輪馬達(dá)減速行星齒輪P410混合動(dòng)力傳動(dòng)橋組合齒輪單元Prius運(yùn)行模式圖解各工況功率流向啟動(dòng)時(shí)

充分利用電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的低速大轉(zhuǎn)矩僅使用由蓄電池提供能量的電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)不能在低旋轉(zhuǎn)帶輸出大轉(zhuǎn)矩，而電動(dòng)機(jī)可以靈敏、順暢、高效地進(jìn)行啟動(dòng)。低速－中速行駛時(shí)

由高效利用能量的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛對于發(fā)動(dòng)機(jī)，在低速－中速帶的效率較低，而電動(dòng)機(jī)在低速-中速性能優(yōu)越。因此，低速-中速行駛時(shí)，使用蓄電池的電力供給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛。一般行駛時(shí)

低油耗行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ词拱l(fā)動(dòng)機(jī)處于最經(jīng)濟(jì)區(qū)運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)功率直接驅(qū)動(dòng)車輪，依照行駛狀況，一部分功率分配給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能供給電機(jī)，電機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。一般行駛時(shí)/剩余能量充電

將剩余能量用于蓄電池充電

發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生多余的能量，將多余的能量由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電力，儲(chǔ)存在蓄電池中。全速行駛時(shí)

利用雙動(dòng)力來獲得更高一級的加速在需要強(qiáng)勁動(dòng)力（如爬陡坡及超車）時(shí)，蓄電池也提供電力，加大電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。通過發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)雙動(dòng)力的結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)與高一級發(fā)動(dòng)機(jī)同等水平的的加速性能。減速/能量回收時(shí)

將減速時(shí)的能量回收到HV蓄電池中用于再利用在踩制動(dòng)器和松油門時(shí)，車輪的旋轉(zhuǎn)力帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將其作為發(fā)電機(jī)使用。減速時(shí)通常作為摩擦熱散失掉的能量，在此被轉(zhuǎn)換成電能，回收到HV蓄電池中進(jìn)行再利用。短暫停車時(shí)

停車時(shí)動(dòng)力系統(tǒng)全部停止短暫停車時(shí)（如紅燈），發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)全部自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。不會(huì)因怠速而浪費(fèi)能量。低油耗

燃料經(jīng)濟(jì)性：綜合值為4.7L/100km（城市5L/100km,城郊4.2L/100km），居世界最高水平。低尾氣排放

CO2減少為以往的45%，NOx、HC減少到一半以下CO2排放量為104g/km，僅為配備有尾氣處理裝置的同級別汽油車的45%。另外還采用了三元催化劑和VVT-i，改良了空燃比補(bǔ)償裝置、點(diǎn)火時(shí)間控制、燃料蒸發(fā)排放物控制裝置及其它各種設(shè)備，有效地控制了有害氣體的產(chǎn)生，并增強(qiáng)了尾氣凈化性能。NOx

為0.010g/km、HC為0.020g/km，與同等級別汽油車相比，它們的排放量不到一半。

0.010.02一、概述1、發(fā)展背景未來汽車必然要走向電動(dòng)化，但在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)純電動(dòng)難以實(shí)用，近來更注重于HEV。但HEV不能從根本上解決依賴石油和排放的問題。隨著HEV的不斷進(jìn)步和成熟，有必要使它向電驅(qū)動(dòng)化更邁進(jìn)一步，增加電能使用的比例，逐步過渡到純電動(dòng)。加裝一個(gè)充電器和增加電池容量，衍生出來的車輛就是插電式混合動(dòng)力汽車（Plug-inHEV，PHEV)。第5節(jié)插電式混合動(dòng)力汽車據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%以上的法國人日均駕車?yán)锍躺儆?0km，60%以上美國人日均行駛里程少于50km，80%以上日均行駛里程少于90km。在駕駛插電式混合動(dòng)力汽車時(shí)，當(dāng)路程為較短距離，如上下班等，可以以純電動(dòng)模式行駛，當(dāng)長途旅行時(shí)，可以采取發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力的混合動(dòng)力模式行駛。車輛補(bǔ)充能源可根據(jù)需要自主選擇充電或加油。2、插電式混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn)與普通混合動(dòng)力車主要區(qū)別是（1）可以直接由外接電源充電，傳統(tǒng)混合動(dòng)力車只在行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)為電池充電以及回收制動(dòng)能量。（2）電池容量較大，有更大的純電動(dòng)行駛里程。（3）優(yōu)先以電力作為動(dòng)力源，電驅(qū)動(dòng)比例比普通混合動(dòng)力車高，對燃料的依賴度減小。優(yōu)點(diǎn)（1）驅(qū)動(dòng)模式多，選擇靈活，動(dòng)力性好。（2）中短程行駛時(shí)，具有純電動(dòng)汽車的全部優(yōu)點(diǎn)。（3）與普通混合動(dòng)力相比，增加了電驅(qū)動(dòng)的比例，降低了油耗，減少了有害氣體、溫室氣體的排放。（4）電驅(qū)動(dòng)成本低于用油，PHEV車輛運(yùn)行成本低。（5）利用晚間低谷電對電池充電，改善電廠發(fā)電組效率。（6）有加油和充電兩種補(bǔ)充汽車能源方式，增加了能源選擇的自由度。（7）從能源戰(zhàn)略角度看，可顯著減少燃油的使用量，降低對石油的依賴，提高能源安全。3、插電式混合動(dòng)力汽車面臨的問題主要來自動(dòng)力電池、電機(jī)和充電設(shè)施三方面。對電池的要求（1）要保證有良好的動(dòng)力性能和足夠純電動(dòng)行駛里程，但又不增加太多的整車質(zhì)量，因此必須有大比功率和比能量。（2）與普通混合動(dòng)力車不同，PHEV經(jīng)常采用純電動(dòng)，電池常有深度放電，要求保持長使用壽命。（3）為滿足峰值功率需求，要求能大電流放電，為回收制動(dòng)能量，要求能承受大電流充電。（4）電池成本不能太高，以降低整車成本。對電機(jī)的要求與基本型混合動(dòng)力車相比，PHEV電機(jī)的負(fù)荷更大、使用更頻繁，對其有較高的要求：（1）為滿足在車輛啟動(dòng)、加速、爬坡、高速行駛等動(dòng)力性要求以及具有一定的純電動(dòng)續(xù)駛里程，要求電機(jī)輸出功率大、低速時(shí)高轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍寬、高效率。（2）考慮到整車布置和使用壽命等因素，應(yīng)選取高密度、小型輕量化、高可靠性、高耐久性、強(qiáng)適應(yīng)性的電機(jī)。充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括充電電網(wǎng)和充電站兩大部分。涉及到電力、城建、國土和市政等多個(gè)部門。PHEV的發(fā)展和應(yīng)用需要政府、汽車廠商、電力公司的共同努力和消費(fèi)者的環(huán)保意識的加強(qiáng)。二、插電式混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)與工作模式1、PHEV結(jié)構(gòu)PHEV從外部電網(wǎng)充電，是在HEV的基礎(chǔ)上派生出，兼有HEV與純EV的特征。與HEV相比，電機(jī)功率和電池容量更大。與HEV結(jié)構(gòu)類似，也可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種類型，

并聯(lián)式PHEV結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式PHEV結(jié)構(gòu)

有時(shí)也稱為增程式電動(dòng)車

混聯(lián)式PHEV結(jié)構(gòu)2、PHEV工作模式可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)式三種結(jié)構(gòu)類型的工作模式。還可根據(jù)電池電量狀態(tài)的變化，將PHEV工作模式分為電量消耗模式、電量保持模式。

行駛時(shí)優(yōu)先采用電量消耗模式。1）電量消耗模式充電后的初期行駛階段，主要使用電池能量來行駛。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)是否參與工作，電量消耗模式分為：純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種子模式。“電量消耗-純電動(dòng)”子模式：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，電池是唯一的能量源，零排放，電池的SOC降低，整車一般只達(dá)到部分動(dòng)力性指標(biāo)。車輛啟動(dòng)、低速或者只要求部分動(dòng)力性指標(biāo)時(shí)，采用此模式。

“電量消耗-混合動(dòng)力”子模式：發(fā)動(dòng)機(jī)和電池共同提供行駛功率，電池承擔(dān)主要的行駛功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)充電池功率不足部分。電池的SOC也在降低，直至降到SOC下限值。適合中高速，要求全面達(dá)到動(dòng)力性指標(biāo)時(shí)。2）電量保持模式

SOC下降到一定值時(shí)，為保證車輛性能和電池的壽命，進(jìn)入電量保持模式。工作方式與傳統(tǒng)的混合動(dòng)力模式類似，發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力源，電池提供輔助功率，可接受富余動(dòng)力充電和制動(dòng)回收能量，電池SOC保持在某一水平上?！半娏肯?純電動(dòng)”+電量保持模式

“電量消耗-混合動(dòng)力”+電量保持模式

加州薩克拉門多市政管理區(qū)（SMUD）2005年12月向EnergyCS提供了標(biāo)準(zhǔn)的2005Pruis，要其改造為PHEV，2006年初SMUD收到改造過的PruisPHEV，主要的改造部分有：

原1.3kW鎳氫電池更換為ValenceTec公司的8.5kW鋰電池組?？捎媚芰繌?.4kWh增加至6.5kWh。安裝了輸入電壓110V，1.1kW的DeltaQ公司的充電器。安裝了EnergyCS公司具有專利權(quán)的電池管理系統(tǒng)軟件，對2376個(gè)單體電池進(jìn)行管理。實(shí)例——通過改造，PruisPHEV的純電動(dòng)行駛里程可達(dá)60公里（44英里）；PruisPHEV與標(biāo)準(zhǔn)

Pruis進(jìn)行了全城市街道、城市與公路組合及高速公路三種行駛工況下的燃油經(jīng)濟(jì)型對比試驗(yàn)。全城市街道工況且行駛路程大于8