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3电动汽车结构与原理


第三章 混合动力电动汽车
3.0 概述 3.1 混合动力电动汽车的结构分类 3.2 混合动力电动汽车驱动系统分析 3.3 混合动力电动汽车多能源控制系统及实 例分析

第三章 混合动力电动汽车
※重点 ? 混合动力电动汽车的结构和性能 ※难点 ? 不同混合动力电动汽车的多能源动力系统 的能量流分析及其控制

电动汽车

结构与原理

第三章 混合动力电动汽车

3.0

概 述

? 广义定义 由两种和两种以上的储能器、能源或转换器作驱动 能源,其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合 动力电动汽车HEV (Hybrid Electric Vehicle)。 ? 狭义定义 既有内燃机又有电动机驱动的车辆。

3.0

概 述

? 优点 ◇与纯电动汽车相比:行驶里程延长了2~4倍;能 快速添加汽油或柴油。 ◇与传统燃油车相比:内燃机以最有效的模式工作, 在相同行驶里程的条件下,燃油消耗和排放少; 可以纯电动方式工作,实现零排放。 ? 缺点 ◇结构和控制复杂。 ◇有排放。

3.1

混合动力电动汽车的结构分类
3.1.1 混合动力电动汽车的分类 3.1.2 串联混合动力电动汽车 3.1.3 并联混合动力电动汽车 3.1.4 混联混合动力电动汽车 3.1.5 混合动力电动汽车的比较

3.1.1 混合动力电动汽车的分类
※按结构分类 ? 串联混合动力电动汽车SHEV (Series Hybrid Electric Vehicle) ? 并联混合动力电动汽车PHEV (Parallel Hybrid Electric Vehicle) ? 混联混合动力电动汽车SPHEV (Series and Parallel Hybrid Electric Vehicle)

3.1.1 混合动力电动汽车的分类
※按主要动力源分类 ? 电力主动型HEV(电量消耗型HEV) ◇电机功率占整个系统功率的百分较大,发动机功率 占整个系统功率的百分较小,不足以维持电池组荷 电状态SOC。 ◇车辆行驶后的电池组荷电状态SOC低于初始值,需 外界能量源给电池组补充充电。 ? 发动机主动型HEV(电量维持型HEV) ◇发动机功率占整个系统功率的百分较大,电机功率 占整个系统功率的百分较小,电池组仅提供车辆行 驶时的峰值功率。 ◇车辆行驶前后的电池组荷电状态SOC基本维持不变。 电池组容量可较小。一般不需外界能量源给电池组 补充充电。

3.1.2

串联混合动力电动汽车

? 结构示意图 动力总成:发动机、发电机、电动机

3.1.2

串联混合动力电动汽车

? 结构示意图

3.1.2

串联混合动力电动汽车

? 能量流图(车载能源环节的联合)

驱动桥

3.1.2

串联混合动力电动汽车
车轮

? 能量流图(车载能源环节的联合)

蓄电池

电动机控制器

电动机

驱动桥

功率转换器
机械能 电能

发电机
APU

发动机

车轮

3.1.2

串联混合动力电动汽车

? 特点 ◇发动机和发电机组成辅助动力单元APU (Auxiliary Power Unite)一起工作产生所需的电能。发动机和发电 机之间的机械连接装置中没有离合器。 ◇发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能,转化 后的电能一部分用来给蓄电池充电,另一部分经由电动 机和传动装置驱动车轮。 ◇单条驱动线路:只有电动机驱动汽车行驶。发动机仅用 于带动发电机发电,与驱动轮无机械连接,不直接驱动 车辆。 ◇为发动机辅助型的电动车,可增加电动车的续驶里程。

3.1.2

串联混合动力电动汽车

? 优点 ◇动力电池组为基本能源,可实现“零污染”状态的行驶。发 动机—发电机组所发出的电能向动力电池组充电,用于补充 动力电池组的电能,或直接供给驱动电动机,以延长续驶里 程。 ◇发动机—发电机组的发动机能够保持在稳定、高效、低污染 的状态下运转,将有害气体排放控制在最低范围。还可采用 燃气轮机、转子发动机等其它类型的发动机,进一步降低燃 料消耗和有害气体排放。 ◇趋近于纯电动车,只有电动机驱动车辆。可采用电动机集中 驱动系统或电动轮驱动系统。 ◇总体结构较简单,易于控制,发动机—发电机组和电动机之 间没有机械联系,在车上布置有较大的自由度。

3.1.2

串联混合动力电动汽车

? 缺点 ◇电动机驱动功率必须能够克服车辆在行驶过程中的最大阻力, 故电动机功率要求较大,外形尺寸较大,质量较重。由于电 动机不经常在满负荷状态下工作,因此效率较低。要求动力 电池组容量大,同时还需较大功率的发动机—发电机组,一 般发动机—发电机的功率接近和等于电动机的功率。加上庞 大的动力电池组,整车外形尺寸较大,质量较重,在中小型 车上布置有困难,较适合应用于大型客车。 ◇发动机—发电机—电动机系统的机械能—电能—机械能的能 量转换过程中,能量损失较大;在动力电池组的充、放电过 程中也存在能量损耗,能量转换的综合效率比内燃机汽车低。 ◇发动机—发电机组与动力电池组之间的匹配要求较严格,要 根据动力电池组SOC的变化,自动起动或关闭发动机,以避 免动力电池组过放电和过充电,需要更大容量的电池。

3.1.3

并联混合动力电动汽车
Insight

? 结构示意图 动力总成:发动机、电动机

3.1.3

并联混合动力电动汽车

? 结构示意图(电机在离合器之后)

3.1.3

并联混合动力电动汽车

? 结构示意图(电机在离合器之前,起ISG作用)

3.1.3

并联混合动力电动汽车

? 能量流图(机械能的联合)

驱动桥

3.1.3

并联混合动力电动汽车
车轮

? 能量流图(机械能的联合)

蓄电池

电动机控制器

电动机

变速器

驱动桥

发动机
机械能 电能

离合器

车轮

3.1.3

并联混合动力电动汽车

? 特点 ◇2条驱动线路:内燃机和电动机都可通过各自的驱动线 路驱动车轮。 ◇3种驱动模式:发动机单独驱动,电动机单独驱动,发 动机和电动机混合驱动。 ◇为电力辅助型的燃油车,可降低排放和燃油消耗。 ◇当发动机提供的功率大于驱动电动车所需的功率或者再 生制动时,电动机工作在发电机状态,将多余的能量充 入电池。

3.1.3

并联混合动力电动汽车

? 优点 ◇只有发动机和电动机两个动力总成,两者的功率可以等于 50%~100%车辆驱动功率,比SHEV三个动力总成的功率、 质量和体积小很多。 ◇发动机可直接驱动车辆,没有SHEV发动机的机械能—电 能—机械能的转换过程,能量转换的综合效率比SHEV高。 车辆需要最大输出功率时,电动机可以给发动机提供额外的 辅助动力,因此发动机功率可选择较小,燃油经济性比 SHEV好. ◇与电动机配套的动力电池组容量较小,使整车质量减小。 ◇电动机(如ISG)可带动发动机起动,调节发动机的输出功率, 使发动机基本稳定在高效率、低污染状态下工作。发动机带 动电机发电向电池组充电,可延长续驶里程。

3.1.3
? 缺点

并联混合动力电动汽车

◇需要配备与内燃机汽车相同的传动系统,总布置基本与 内燃机汽车相同,动力性能接近内燃机汽车。发动机工 况会受到车辆行驶工况的影响,有害气体排放高于 SHEV。 ◇需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成,还 有电动机、动力电池组和动力组合器等装置,因此动力 系统结构复杂,布置和控制更困难。

3.1.3

并联混合动力电动汽车

? 组合驱动方式

双轴式转矩结合式

单轴式转矩结合式 (如Insight)

驱动力结合式 (双轴驱动)

转速结合式

3.1.4

混联混合动力电动汽车
Prius

? 结构示意图(以丰田Prius为例) 动力总成:发动机、发电机、电动机

3.1.4

混联混合动力电动汽车

? 结构示意图(以丰田Prius为例)

3.1.4

混联混合动力电动汽车

? 能量流图(以丰田Prius为例)

驱动桥

行星齿 轮机构 驱动桥

行星齿轮机构将3个动力总成相连:

发动机—行星架,发电机—太阳轮
电动机—齿圈

? 混联混合动力合成装置—行星齿轮机构工作原理 ◇结构:太阳轮与发电机相连,齿圈与传动装置相连,行星架 与发动机相连。 ◇发动机动力传递:一部分动力通过行星齿轮传给齿圈,然后 通过传动轴传给驱动车轮;另一部分动力传给太阳轮经发电机 转化为电能。 1-太阳轮; 2-齿圈; ◇各部件角速度方程: 3-行星架;4-行星齿轮 ω1+kpω2-(1+kp)ω3=0 kp—基本齿数比, kp=Z2/Z1; Z1、Z2—分别为太阳轮、齿圈的齿数; ω1、ω2 、ω3—分别为太阳轮、齿圈和行星架的角速度。 ◇各部件运动方程: J1ω1=η1M1-η2M2/kp J3ω3=M3+η3M2(kp+1)/kp J1—太阳轮及其相关部件的转动惯量; J3—行星架的总转动惯量 M1 、M2 、M3—分别为作用在太阳轮、齿圈及行星架上的转矩 η1 、η2 、η3—分别为太阳轮、齿圈、行星架的传动效率

3.1.4

混联混合动力电动汽车

3.1.4
? 特点

混联混合动力电动汽车

◇将串联HEV和并联HEV相结合,具有两者的优点。 ◇与串联HEV相比,增加了机械动力的传递路线。 ◇与并联HEV相比,增加了电能的传输路线。

3.1.4

混联混合动力电动汽车

? 优点 ◇三个动力总成比SHEV三个动力总成的功率、质 量和体积小。 ◇有多种驱动模式,节能最佳,有害气体排放达到 “超低污染”。 ◇发动机可直接驱动车辆,没有机械能—电能—机 械能的转换过程,能量转换的综合效率比内燃机 汽车高。 ◇电动机可独立驱动车辆行驶。电动机利用低速— 大转矩特性,带动车辆起步,可在城市中实现 “零污染”行驶。车辆需最大输出功率时,电动 机可给发动机提供辅助动力,因此发动机功率可 选择较小,燃料经济性比SHEV好。

3.1.4

混联混合动力电动汽车

? 缺点 ◇发动机驱动是基本驱动模式,电动机驱动是辅助驱动 模式,动力性更接近内燃机汽车。发动机工况受到车 辆行驶工况的影响,有害气体排放高于SHEV。 ◇需要配备两套驱动系统;发动机传动系统需要装置离 合器、变速器、传动轴和驱动桥等传动总成;另外, 还有电动机、减速器、动力电池组,以及多能源动力 (发动机动力与电动机动力)组合或协调专用装置。因 此,多能源动力系统结构复杂,总布置困难。 ◇多能源动力系统的工作模式有多种形式,需复杂的多 能源动力总成控制系统,才能达到高经济性和“超低 污染”。

3.1.5 混合动力电动汽车的比较
? 驱动方式的比较
传统汽车:只有发动 机直接驱动汽车

串联HEV :只有电动 机直接驱动汽车(类似 与纯电动汽车) 并联 HEV: 发动机和电动 机都可直接驱 动汽车

3.1.5 混合动力电动汽车的比较
? 结构的比较
油箱 发动机 发电机 蓄电池 油箱
功率转换器

串联HEV

传动装置 电动机 电力接连 传动装置 机械连接 液流连接

发动机

并联HEV
蓄电池 油箱
功率转换器

电动机

发动机 发电机 传动装置 电动机

混联HEV
蓄电池

功率转换器

3.1.5 混合动力电动汽车的比较
? 主要应用范围的比较 ◇串联HEV:大客车。如武汉理工大学串联混合动 力大客车。 ◇并联HEV:轿车。如本田Insight。 ◇混联HEV:轿车。如丰田Prius。 ◇纯电动汽车:小型或微型车。如Nissan Hypermini

3.1.5 混合动力电动汽车的比较
结构模式 串联HEV 发动机、发电机、电 机三大动力总成 并联HEV 发动机、电动/发电 机两大动力总成 发动机一般为传统 的内燃机 发动机功率较小 发动机工况变化大, 排气净化较差 发动机驱动模式、 电动机驱动模式、 发动机-电动机混合 驱动模式 混联HEV 发动机、电动/发电机、 电动机三大动力总成 发动机的选择有多种 形式 发动机功率较小 发动机排放介于串联 与并联HEV之间 发动机驱动模式、电 动机驱动模式、发动 机-电动机混合驱动模 式、电动机-电动机混 合驱动模式

动力总成

发动机的选择有多种 发动机的选择范围 形式 发动机功率 发动机功率较大 发动机排放 发动机工作稳定,排 气净化较好

驱动模式

只有电动机驱动模式

传动效率

发动机-发电机-电动 机能量转换效率较低

发动机传动系统的 传动效率较高

发动机传动系统的传 动效率较高

3.1.5 混合动力电动汽车的比较
结构模式 制动能量回收 串联HEV 能够回收制动能量 并联HEV 能够回收制动能量 混联HEV 能够回收制动能量 三大动力总成之间采 用机械式连接装置, 三大动力总成的质量、 尺寸都较小,能够在 小型车辆上布置,但 结构更加复杂,要求 布置更加紧凑 适用于各种类型汽车, 适应在各种道路上行 驶。更加接近普通内 燃机汽车性能。

整车总布置

三大动力总成之间没 发动机驱动系统保 有机械式连接装置, 持机械式传动系统, 结构布置的自由度较 发动机与电动机两 大,但三大动力总成 大动力总成之间被 的质量、尺寸都较大,不同的机械装置连 在小型车辆上不好布 接起来,结构复杂, 置,一般在大型车辆 使布置受到一定限 上采用 制 适用于大型客车或货 车,适应在路况较复 杂的城市道路和普通 公路上行驶。更加接 近纯电动汽车性能。 适用于小型汽车, 适应在城市道路和 高速公路上行驶。 接近普通内燃机汽 车性能。

适用条件

3.1.5 混合动力电动汽车的比较
结构模式 串联HEV 并联HEV
只有两大动力总成, 两大动力总成的功 率较小,质量较轻, 电动/发电机具有双 重功能,还可利用 普通内燃机汽车底 盘改装,制造成本 较低

混联HEV

造价

三大动力总成的功率 较大,质量较重,制 造成本较高

虽然有三大动力总成, 但三大动力总成的功 率较小,质量较轻, 需要采用复杂的控制 系统,制造成本较高

3.2 混合动力电动汽车驱动系统分析
3.2.1 混合动力电动汽车驱动系统的能量管理 3.2.2 串联混合动力电动汽车的工作模式 3.2.3 并联混合动力电动汽车的工作模式 3.2.4 混联混合动力电动汽车的工作模式

3.2.1
车速

混合动力电动汽车 驱动系统的能量管理
蓄电池
时间

+
能量

车辆行驶 所需能量

蓄电池提供的 补充能量

匀速

发动机输出的 多余能量

再生制动回收 的能量

发动机关闭

时间

-

发动机最大效率工 作时的输出能量

减速(制动)

车辆行驶所需能量=发动机工作能量+电机工作能量

3.2.1

混合动力电动汽车 驱动系统的能量管理

? 起步 为避免发动机的怠速及低负荷工况,以减小油耗,故 发动机不工作,仅电机利用其低速大转矩的特性单独 使车辆起步。 ? 加速 发动机启动后以最大效率工作驱动车辆,电机提供部 分功率辅助车辆加速。 ? 匀速 发动机按油耗最小的最优工作曲线工作,当发动机输 出功率大于车辆行驶所需功率时,多余功率驱动以发 电状态工作的电机发电而向蓄电池充电。 ? 减速(制动) 发动机关闭不工作,电机进行再生制动向蓄电池充电.

3.2.2 串联混合动力电动汽车的

工作模式
? 启动/正常行驶/加速模式 发动机通过发电机和蓄电池一起输出电能并传递 给功率转换器,然后驱动电动机,通过机械传动 装置驱动车轮。
油箱 发动机

发电机

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接

传动装置 液流连接

电力接连

3.2.2 串联混合动力电动汽车的

工作模式
? 轻载模式 发动机发出的功率大于车辆所需功率,多余的能 量通过发电机给蓄电池充电直到SOC达到预定的 限值。
油箱 发动机

发电机

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接

传动装置 液流连接

电力接连

3.2.2 串联混合动力电动汽车的

工作模式
? 减速/制动模式 电动机把驱动轮的动能转化为电能,并通过功率 转换器给蓄电池充电。
油箱 发动机

发电机

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接

传动装置 液流连接

电力接连

3.2.2 串联混合动力电动汽车的

工作模式
? 蓄电池充电模式 停车时,发动机可通过发电机和功率转换器给蓄 电池充电。
油箱 发动机

发电机

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接

传动装置 液流连接

电力接连

3.2.3 并联混合动力电动汽车的

工作模式
? 启动/加速模式 车辆启动或节气门全开加速时,发动机和电动机 同时工作,共同分担驱动车辆所需的动力,如发 动机和电动机分别承担总功率的80%和20%。
油箱 发动机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.3 并联混合动力电动汽车的

工作模式
? 正常行驶模式 车辆正常行驶时,电动机关闭,仅由发动机工作 提供车辆行驶所需动力。
油箱 发动机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.3 并联混合动力电动汽车的

工作模式
? 减速/制动模式 车辆减速行驶或制动时,电动机工作于发电机模 式进行再生制动,通过功率转换器给蓄电池充电。
油箱 发动机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.3 并联混合动力电动汽车的

工作模式
? 行驶中给蓄电池充电模式 当车辆轻载时,发动机输出功率驱动车辆行驶, 同时发动机输出的多余功率驱动以发电状态工作 的电机发电而向蓄电池充电。
油箱 发动机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的工

作模式
? 发动机主动型混联混合动力电动汽车 车辆运行时,主要是发动机驱动车辆,如尼桑Tino。 ? 电力主动型混联混合动力电动汽车 车辆运行时,主要是电动机驱动车辆,如丰田Prius。

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※发动机主动型混联混合动力电动汽车 ? 启动模式 发动机关闭,由蓄电池给电动机提供电能驱动车 辆。
油箱 发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※发动机主动型混联混合动力电动汽车 ? 加速模式 节气门全开车辆加速行驶时,发动机和电动机同 时工作,共同分担车辆行驶所需的动力。
油箱 发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※发动机主动型混联混合动力电动汽车 ? 正常行驶模式 电动机关闭,发动机工作,提供车辆所需动力。

油箱

发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※发动机主动型混联混合动力电动汽车 ? 减速/制动模式 电机工作于发电模式进行再生制动,通过功率转 换器给蓄电池充电。
油箱 发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※发动机主动型混联混合动力电动汽车 ? 行驶中给蓄电池充电模式 发动机一部分动力用于驱动车辆,另一部分动力 由发电机经功率转换器给蓄电池充电。
油箱 发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※发动机主动型混联混合动力电动汽车 ? 蓄电池充电模式 当停车时,发动机可通过发电机给蓄电池充电。

油箱

发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※电力主动型混联混合动力电动汽车 ? 启动/轻载模式 发动机关闭,由蓄电池给电动机提供电能驱动车 辆。
油箱 发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※电力主动型混联混合动力电动汽车 ? 加速模式 发动机和电动机一起工作,共同提供车辆所需功率。 电动机所需电能由蓄电池和发电机共同提供。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。
油箱 发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※电力主动型混联混合动力电动汽车 ? 正常行驶模式 发动机和电动机一起工作,共同提供车辆所需功 率。电动机所需电能仅由发动机驱动发电机提供。
油箱 发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※电力主动型混联混合动力电动汽车 ? 减速/制动模式 电动机工作于发电机模式进行再生制动,通过功 率转换器给蓄电池充电。
油箱 发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※电力主动型混联混合动力电动汽车 ? 行驶中给蓄电池充电模式 发动机一部分动力用于驱动车辆,另一部分动力 由发电机经功率转换器给蓄电池充电。
油箱 发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

3.2.4 混联混合动力电动汽车的

工作模式
※电力主动型混联混合动力电动汽车 ? 蓄电池充电模式 当停车时,发动机可通过发电机给蓄电池充电。

油箱

发动机

发电机

传动装置

蓄电池

功率转换器

电动机 机械连接 液流连接

电力接连

课外作业3
? 阐述串联、并联和混联3种混合动力电动汽 车的结构和各自在不同工作模式下的能量 流。


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