当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

混合动力汽车整车控制系统






针对全球气候的逐步恶化、城市大气污染加剧以及石油资源过度消耗,许 多国家都正在积极开发节能型、环保型汽车。混合动力车辆已成为汽车技术研 究的热点, 而总线通讯技术和分布式控制网络也在汽车电子领域广泛应用。混合 动力汽车是传统燃油汽车和纯电动汽车两相结合的新车型,具有低污染和低油 耗的特点,是当前解决节能问题、环保问题的切实可行的

过渡方案。 为实现混合动力车辆能量管理和运动控制,基于 DSP 单片机和 CAN 总线技 术实现混合动力汽车整车能量控制器的设计,包括电源管理模块、DSP 外围配 置电路、CAN 接口电路、SCI 串口通信电路、LCD 显示电路、数据采集电路。 DSP 接收由数据采集单元采集来的车辆实时运行信息,如:加速踏板位置、刹 车踏板位置、车速等信息,进行计算,求出车辆运行需要的发动机转矩、 ISG 驱动电机转矩,并通过 CAN 总线以电信号的形式将输出传输到各个控制单元以 实现整车的实时控制。 相对传统内燃机汽车,本控制器取消了发动机怠速;提高了发动机平均负 荷率;实现了制动能量回收。优化了车辆的经济性。在车辆需要频繁加减速和 怠速起停的城市循环工况下,节能效果更加明显。

关键词:CAN 总线,DPS,混合动力汽车,整车能量控制

I

The Power Control System Of Hybrid Electric Vehicle
Abstract
With the deterioration of the global climate and the excessive consume of the oil resources,developing energy-efficient automobiles becomes an important direction in the automobile industry.Hybrid electric vehicle has become hot-spot in automotive engineering,and bus communication and distributed control network are widely used in automotive electronics.Hybrid combustion engine electric and vehicle electric employing motor,has two power accepted souces-neternal been

world-widely as one of the most promising methods to solve these two problems. To realize energy management and kinetic control of HEV,according to DSP and CAN communication carry out the the vehicle power control module ,including the power management module,DSP module,CAN communication module, SCI communication module and LCD module.DSP receives the data that collected of the vehicle that the unit collects by the data to go an information, such as:Accelerate pedal position and braking pedal position,speed information, carry on a calculation, beg the motor that a vehicle circulates a demand to turn and ISG to drive electrical engineering to turn,and pass the CAN communication delivers the exportation to each control unit by the form of telecommunication with carry out the vehicle power control module. Opposite traditional internal combustion engine car, this controller canceled motor Dai soon;Raised a motor the burden rate is on the average;Carried out to make an amount of kinetic energy recall.It was excellent to turn the economy of the vehicle.Economize on energy effect Under circulating work condition in the city that needs to be multifarious to add and subtract soon to soon rise to stop in the vehicle,it's getting more obvious.

Key words:CAN bus,DSP,Hybrid electric vehicle,the vehicle power control module

II





第一章 绪论-------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 1.1 本课题的背景、目的和意义 ------------------------------------------------------------------------ 1 1.2 混合动力汽车国内外发展现状 --------------------------------------------------------------------- 3 1.3 混合动力汽车的分类 ---------------------------------------------------------------------------------- 6 1.4 混合动力汽车的特点及比较 ------------------------------------------------------------------------ 9 1.4.1 串联式混合动力汽车的特点 ---------------------------------------------------------------- 9 1.4.2 并联式混合动力汽车的特点 --------------------------------------------------------------- 10 1.4.3 混联式混合动力汽车的特点 --------------------------------------------------------------- 10 1.5 论文的研究内容 --------------------------------------------------------------------------------------- 11 第二章 方案论证 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 12 2.1 ISG 型 HEV 的工作原理 ---------------------------------------------------------------------------- 12 2.2 控制器 CPU 的选择 ---------------------------------------------------------------------------------- 12 2.3 CAN 总线的在混合动力汽车上的运用 ---------------------------------------------------------- 13 2.4 动力总成控制系统的结构分析和选择 ----------------------------------------------------------- 15 2.5 系统硬件总体框图 ------------------------------------------------------------------------------------ 15 2.6 稳压芯片的选择 --------------------------------------------------------------------------------------- 16 2.7 RS-232 收发器接口芯片----------------------------------------------------------------------------- 17 2.8 CAN 收发器 -------------------------------------------------------------------------------------------- 17 2.9 ISG 型混合动力汽车动力传动系统布置方案和整车控制策略 ---------------------------- 17 第三章 HEV 动力总成硬件系统设计 ---------------------------------------------------------------------- 20 3.1 系统的硬件需求分析 --------------------------------------------------------------------------------- 20 3.2 功能模块划分 ------------------------------------------------------------------------------------------ 20 3.3 TMS320F2812 的介绍-------------------------------------------------------------------------------- 20 3.4 DSP 最小系统及相关电路 -------------------------------------------------------------------------- 22 3.4.1 供电电路 ---------------------------------------------------------------------------------------- 22 3.4.2 复位电路 ---------------------------------------------------------------------------------------- 23 3.4.3 时钟振荡电路 --------------------------------------------------------------------------------- 23 3.4.4 JTAG 接口电路-------------------------------------------------------------------------------- 23 3.4.5 SCI 串口通讯电路 ---------------------------------------------------------------------------- 24 3.4.6 AD 转换电路----------------------------------------------------------------------------------- 24 3.4.6 CAN 通讯接口电路 -------------------------------------------------------------------------- 25 3.5 LED 灯与按键电路 ----------------------------------------------------------------------------------- 26 3.6 LCD 液晶驱动电路 ----------------------------------------------------------------------------------- 27 3.7 油门/制动踏板位置信号采集电路 ---------------------------------------------------------------- 27 3.8 车速采集电路 ------------------------------------------------------------------------------------------ 28 3.9 发动机转速采集电路 --------------------------------------------------------------------------------- 29 第四章 HEV 动力总成软件系统设计 ---------------------------------------------------------------------- 30 4.1 软件系统总体设计 ------------------------------------------------------------------------------------ 30 4.1.1 能量控制算法 --------------------------------------------------------------------------------- 31 4.1.2 主程序流程图 --------------------------------------------------------------------------------- 32 4.2 AD 转换模块 ------------------------------------------------------------------------------------------- 34 4.3 显示模块 ------------------------------------------------------------------------------------------------ 35
III

第五章 结论------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 5.1 总结------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 5.2 展望------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36 参考文献 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38 致 谢 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 40 附录 1:程序清单------------------------------------------------------------------------------------------------ 41 附录 2:硬件连接图 -------------------------------------------------------------------------------------------- 51

IV

第一章 绪论
1.1 本课题的背景、目的和意义
内燃机汽车经过 120 多年的发展和壮大,为人类文明做出了巨大贡献,创造 了难以计算的直接或间接经济利益【1】 。 但是, 随着内燃机汽车保有量的急剧增长, 人们越来越认识到传统的内燃机汽车对人类环境带来的危害。 汽车污染物排放所 引起的环境恶化、 大气污染已成为人类面临的一个严峻课题。众多的燃油汽车对 石油资源的需求量越来越大, 随着日渐严峻的能源危机的凸现,迫切要求各大汽 车生产厂家开发新能源汽车;同时,燃油汽车的排放还带来了严重的环境问题, 世界各国环保的呼声高涨, 制定了一系列十分严格的汽车排放法规,要求生产厂 家开发无污染和超低污染的汽车,以减少汽车排放。 按科学家预测, 地球上的石油资源如果按目前的消耗水平,石油资源仅汉可 以维持 60~100 年。 2l 世纪以来, 石油价格的上涨已对世界经济的发展形成了巨 大的威胁,人类将面临更加严峻的石油资源的危机和挑战。 随着全球环境与能源问题日益突出,开发低排放、低油耗的新型车辆成为世 界各国共同关注的发展方向。为了满足能源和环保的要求,经过对各种新燃料, 新能源和新动力的探索, 电动汽车成为最主要的选择之一,各种各样的电动汽车 脱颖而出
【2】



电动汽车主要包括纯电动汽车(Electric Vehicle,EV)、混合动力汽车(Hybrid Electrical Vehicle,HEV)和燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle,FCV)【3、4】 。纯电动汽 车完全由车载电池提供电能,依靠电动机驱动整车,具有零排放、低噪声、结构 简单、易于维护等优点,它的充电可以利用夜晚用电低谷时间完成。这可大大缓 解供电、用电矛盾中对电力储备能力的要求。但是,由于蓄电池是纯电动汽车的 唯一动力能源, 而一般蓄电池的能量密度与汽油相差极大,所以纯电动汽车的性 能无法与传统的燃油汽车相比较,而且电动汽车一次充电的行驶里程短、初始价 格高、充电时间长也是使用受到限制的主要障碍。电动车用蓄电池在能量密度、 比功率和寿命和续驶里程等方面的不足是电动车全面走向市场的瓶颈问题, 这些 问题都制约了纯电动汽车的产业化发展。 至今纯电动汽车仍未达到广泛普及的实 用阶段,最严重的问题是动力电池技术上的困扰,能量密度低、续驶里程短、充 电时间长等,其性能价格比太低,远不能与现有内燃机汽车相竞争,用户难于接 受,特别是充电站网的建设困难可能要大于研制、生产电动汽车本身。燃料电池 汽车具有极高的效率、低排放、低噪音,其甲醇燃料或乙醇燃料有广泛的来源, 并可再生等重大优势,例如巴西使用甘蔗制造的乙醇燃料产量高,成本低,尤其

1

排放物仅为二氧化碳和水, 所以燃料电池汽车为各大汽车生产厂家所重视,已成 为世界各大汽车集团新世纪激烈,竞争的焦点,被喻为 2l 世纪改变人类生活的 十大高科技之首,但产业化仍需较长时间。这种情况下,混合动力汽车就成为一 个两全其美的解决途径, 在世界范围内成为新型汽车开发的热点,成为当前解决 节能、环保问题切实可行的过渡方案。 混合动力汽车英文缩写为 HEV,即 Hybrid Electric Vehicles。根据国际机电 委员会下属的电力机动车技术委员会的建议【5】 , 混合动力汽车是指由两种或两种 以上的储能器、 能源或转换器作为驱动能源, 其中至少有一种能提供电能的车辆。 根据这个通用定义,混合动力汽车有很多可能形式,例如汽油机和蓄电池混合、 柴油机和蓄电池混合、蓄电池和燃料电池混合、蓄电池和飞轮混合、蓄电池和超 大容量电容器混合等。但该定义容易混淆,不易为人们接受。目前,一般把采用 燃料电池和蓄电池作为动力的汽车称为燃料电池电动车, 把采用蓄电池和电容器 作为动力的汽车称为超大容量电容器辅助动力电动车,而混合动力汽车(HEY)专 指既有内燃机又有电动机驱动的车辆。 由此可知, 所谓混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle), 是车上装有热动力源 (由传统的汽油机或者柴油机产生)与电动力源(电池与电动机)两种动力源, 并且以蓄电池组作为电能存储装置的车辆。 它是介于内燃机汽车和纯电动汽车之 间的一种独立车型。 通过在混合动力汽车上使用电机,使得动力系统可以按照整 车的实际运行状况灵活调控, 而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作,从而 降低油耗与尾气排放, 节能环保。将产生动力的部件与电能储存元件以不同的方 式结合起来,可以形成不同类型的 HEV。简而言之,HEV 就是将传统的内燃机 (又称辅助动力装置 APU) 、电力驱动和储能装置结合在一起。与常规的内燃机 动力相比,混合动力的主要优点是,这种汽车在起步时用电动机驱动,采用了高 功率的能量储存装置(飞轮、超级电容器或蓄电池)向汽车提供瞬时能量,可以 减小发动机尺寸、提高效率、降低排放,消除了内燃机起步时由于燃烧不充分而 排黑烟的现象。 在汽车减速或刹车时,电机作为发电机把动能转化成电能储存到 蓄电池中,实现能量回收,从而达到节能的目的。据有关数据统计,混合动力汽 车可节能 40%。同时,由于内燃机工作在高效的区域,有害气体的排放可减少 90%左右, 起到了环保的作用。 混合动力汽车是介于内燃机汽车和零排放纯电动 汽车之问的一种形式,其成本比纯电动汽车低且技术上比纯电动汽车容易实现。 这也是它能够迅速实现产业化的重要因素。由于各国、各地区的排放法规同益严 格, 目前已有不少国家实际使用了混合动力汽车,一些汽车公司己开始生产和销 售这种车型。 与纯电动汽车和传统内燃机汽车相比,混合动力汽车具有如下的优点:

2

1)可以最大限度发挥内燃机汽车和纯电动汽车的双重优点; 2)由于有电动机作为辅助动力,对电池的比能量要求降低,电池的数量和重 量可减少,大幅降低了电池组的成本,因此汽车自身重量减轻; 3)汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平; 4)可使发动机在最佳的工况区稳定运行, 从而有效避免或减少了发动机变工 况(特别是低速、怠速)下的不良运行,再由于可回收制动能量,可使混合动力 汽车成为较低排放的节能汽车; 5)在一些对汽车排放严格限制的地区(如商业区、游览区、居民区等) ,或 人口密集的市区等车速不高、停停开开的地段行驶,混合动力汽车可以关闭 APU,采用纯电动方式驱动车辆,实现零排放; 6)由于电动机可提供辅助动力,因此可配备功率较小的发动机,并可通过电 动机回收汽车减速和制动时的能量,进一步降低汽车的能量消耗和排污。 混合电动汽车基本上不改变现有的汽车产业结构,不改变现有能源(石油燃 料)的体系,不改变用户对汽车的使用习惯,也是它能够迅速实现产业化的重要 因素。专家们预测,在未来十年内将可能有 40%的燃油汽车实现混合驱动。

1.2 混合动力汽车国内外发展现状
20 世纪 90 年代以来,国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车 和混合动力汽车实用车型的研制和开发;很多公司采用了包括现代电子、精密机 械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术,使不少样车的主要 动力性指标达到了燃油汽车的水平。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易 于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型,从而引起各大 汽车公司的关注。90 年代以来,日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制 混合动力型汽车【6】 。进入 21 世纪后,各国加快了 HEV 的概念产品化的进程, 相继推出了不同形式的 HEV 产品,Toyata 的 Prius,Honda 的 Insight,Ford 的 Prodigy,Nissan 的 Tino,GM 的 Precept 等都是具有代表性的车型;其中 Prius 和 Insight 已是成熟的产品,并在继续扩大生产规模,其它车型也将在近几年内 推向市场。很多车型都显示出了优良的环保与节能性能。随着电动汽车、混合动 力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低, 混合动力汽车的市场份额正逐渐 增大,使其已成为重点发展的新型汽车【7】 。 在日本,1995 年 5 月日产公司开发出了可以使续驶罩程增加一倍的串联式 混合动力型微型轿车。丰田公司的 Coaster 从 1997 年 8 月开始销售,至 2001 年 3 月末, 约售出 40 辆。 丰田公司的 Prius 从 1997 年 12 月开始在国内销售, 至 2001 年 8 月末,约售出 53400 辆。在 2003 年纽约国际车展上,日本丰阳公司展出了 采用第二代丰田混合动力系统(Toyota Hybrid System,THS II)的混合动力轿车
3

Prius2004。 2005 年 11 月 23 日在北京开幕的国际清洁汽车技术展览会上,世界主要汽 车制造商展出了最新的清洁汽车,主要是混合动力汽车,证明了现在业内人士基 本认同混合动力汽车的发展地位。传统内燃机传动是功率与效率的折中。提高功 率则降低效率,反之亦然。丰田油气混合动力系统不是采取折中的方案,而是让 两者协同起来,即混合协同驱动(HSD)。丰田公司展出的第三代 Prius 混合动力 轿车,动力系统仍旧采用 THS 混联式结构。 除了丰阳公司以外,本田、日产等大公司也不甘落后,分别研制了自己的混 合动力汽车。其中本田公司已投产 Insight 混合动力电动轿车,被美国环保总署 评为 2001 年美国十大节能汽车的第一名, 第二名则为丰田汽车公司的 Prius 混合 动力电动轿车。Insight 是由 1.0L 的三缸汽油机和 10kw 的 ISG 组成的并联式混 合动力汽车。日产则推出了 Tino,其中一个电机位于离合器和 CVT 之间,另一 电机通过带传动在发动机的前部与发动机相连,起发电机和起动机的作用。 在美国,自 1990 年以来,由于环境问题以及美国加州“零排放车辆法”的 推行,各大汽车厂商更加注重对电动汽车的开发。1993 年 9 月,美国能源部和 三大汽车公司牵头成立了“新一代汽车伙伴关系(PNGV)” ,美国政府通过 PNGV 与汽车界达成了多种合作研究、开发协议,并协调政府有关部门,国家实验室和 三大汽车公司的人力、物力资源,开展高效节能汽车包括 HEV 的研究。美国政 府于 1997 年与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司合作,实施新型汽车合 作计划(PNGV),该计划制定的混合动力汽车开发的目标是:2002 年进行试验性 推广,2004 年达到全面商业化生产。在 2000 年的北美国际汽车展上,三大公司 分别展出了自行研制的混合动力轿车:通用 precept,福特 Prodigy,戴姆勒一克 莱斯勒 Dodge ESX3。 Precept 是通用汽车公司展出的一款具有先进技术的环保车, 直接归属 PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicles)项目。 它是一种采用 发动机为主,电动机为辅的配置方式,适合五人乘坐的家用轿车,设计百公里油 耗为 3.5L,燃油效率是使用一般燃料的同类车型的三倍。通用汽车公司于 2004 年在美国部分州推出了“Silverado”和“GMC Sierra”等简易型混合动力汽车, 并将在 2006 年推出“Satum VUE Green Line” 。同时,它还与戴姆勒一克莱斯勒 公司合作,计划于 2007 年研发出双模式完全混合动力技术系统。福特汽车公司 1998 年开发出了福特 P2000 型 5 座并联式混合动力汽车。2003 年,福特汽车公 司又推出了名为“freestly”的混合动力汽车。 在欧洲,各大汽车厂商争先恐后的推出了本公司研制的混合动力汽车。其 HEV 的突出代表是法国的 Berlinge,在性价比上能与燃油汽车相抗衡,代表了国 际实用先进水平。德国西门子和博世(Bosch)等著名零部件公司积极与大汽车公

4

司联手开发混合动力汽车。法国雷诺公司研制的 VERT 和 HYMME 两款混合动 力汽车己进行了 10000 公罩的运行试验。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃 FL6 卡车改装的混合动力汽车。1995 年 8 月,沃尔沃客车公司提出了世界欢迎 的“环保概念客车”(EnvironmentalConcept Bus,ECB)。1999 年,该车在瑞典歌 德斯堡进行路试检测。 我国目前也非常重视混合动力汽车的研究与开发, 一些单位的起步研究工作 正在展开。 “电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技相关项目。1996 年“八 五”重点科技攻关项目“电动汽车关键技术研究”在清华大学通过了国家计委、 教委、和机械部的验收: “九五”期问,东风汽车公司承担并完成了国家重大科 技攻关项目“电动轿车概念车设计”的整车研制工作。在电动汽车关键技术尤其 是混合动力汽车方面, 很多科研单位也进行了诸如混合方式和控制策混合动力汽 下传动系统模掣化及优化控制略研究、 参数匹配和性能预测研究等前期工作。 “九 五”末期我国在电动汽车的三大关键技术领域(电池、电机、电控系统)取得突破。 国家科技部已将电动汽车产业化作为“十五一 863 重大专项的内容。 我国有关电动汽车的研制开始于 20 世纪 90 年代。 采取产学研相结合的方式, 投资 8.8 亿元用于支持电动汽车的研究、开发和产业化。在混合动力汽车方面, 目前已经通过了两轮研发, 进入了整车试验阶段。在国家的支持以及混合动力良 好的市场前景推动下, 全国很多汽车生产企业和高校联合开展了混合动力汽车的 研究和开发工作,在电机驱动、整车仿真、试验、电池技术等方面都取得了很大 的进步。也积累了许多宝贵的经验。从 1996 年开始,广东省科委统一协调组织 研制电动汽车, 并取得了可喜的进展。 中国远望 (集团) 总公司与北京理工大学、 国防科技大学和河北胜利客车厂等单位联合,于 1996 年 3 月研制成功了 5l 座 YW6120 型电动大客车。在此基础上,我国混合动力汽车的研制也有了一定的进 展。1998 年,清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车;同年,江苏 理工大学承担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目——混合动力公交轻 型客车 ZJK6700 HEV 串联式混合动力的研制,目前样车的研制工作已经结束。 第一汽车集团公司于 2001 年在第三届北京国际清洁车展上推出一款混合动力轿 车——红旗 CA7180AE,这是第一汽车集团公司技术中心、美国电动车(亚洲) 公司、 汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作的成果。这款串联式结构混合 动力轿车的中高档车型, 发动机为 13kw 汽油机, 电机为直流 15kw, 144V(105Ah) 铅酸电池,4×2 前驱动形式,最高车速可达 135km/h。清华大学与沈阳金杯客车 制造有限公司在 2001 年 3 月签订了 “SY6480 混动力电动客车的研制与开发” 合 作项目的合同。华中科技大学也在国内率先研制出 HEV,并参加深圳高交会。 深圳明华环保汽车有限公司于 2001 年 4 月推出了混合动力电动环保汽车

5

MH6720,引起社会各界关注;该车采用的是并联式混合动力系统,发动机为 87KW;电机为 312V、充电次数大于 500 次;异步交流电机平均功率为 36Kw: 满载最高车速为 90Km/h;最大爬坡度为 33%;续驶行程可达 1080Km,纯电机 驱动时为 100Km;百公里等速油耗 7.69L;乘客数为 22;其尾气排放达欧洲标 准, 噪声指标也大大低于国产普通中巴车。上汽集团奇瑞汽车有限公司专门成立 了清洁汽车项目组, 投入了大量的资金和人力进行混合动力汽车的研究和开发工 作, 目前也已有样车通过了科技部专家组的验收。奇瑞公司还制定了混合动力汽 车产业化的初步计划,预计在 2006 年实现混合动力轿车的小批量生产【8、9、10】 。 东风汽车公司承接“863”混合动力研制项目现已完成,并已于最近推出混合动 力电动客车样车,整车性能良好。我国通过国家“八五” 、 “九五”甚至“十五” 电动汽车的科技攻关,在 HEV 方面已经积累了一定的技术基础和经验。国内的 混合动力轿车与国外水平仍有较大差距。 上海华普推出了搭载自主混合动力发动 机的海尚 305,优点是结构紧凑、可靠性高、成本低,可节省燃料 20%左右,号 称是国内第一款自主混合动力技术的轿车,但距离 Prius 重混合度技术仍有很大 差距,进入市场之前还有很长的路要走。 在能源和环保的压力下, 世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域,但是由 于技术和经济上存在的各种困难, 电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商 品化, 而混合动力汽车技术相对更为成熟,由于采用了精湛的机电耦合技术和智 能化的整车控制策略,从而实现整车的高性能,低能耗和低排放。因此混合动力 汽车有着广阔的市场空间,特别是开发用于城市交通(如出租车)和城市之间的 混合动力汽车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景【11】 。

1.3 混合动力汽车的分类
目前,混合动力汽车主要分为三类: 串联式混合动力汽车: 单独通过电动机来驱动机车。 而电能可以由电池提供, 也可以由发动机驱动发电机来提供。 并联式混合动力汽车: 两个牵引机同时与驱动轴相连,它们既可各自单独向 驱动系统提供动力,又可共同协调一致的提供动力。 混联式混合动力汽车: 这种结构既包括并联式混合结构中的连杆机构,又包 括串联式混合结构中的电气联动机构。 另外,还出现了某些新型的混合结构,这些结构并不属于上述三类,通常我 们称之为“复杂”混合。 1)串联式混合动力汽车(SHEV) SHEV 的动力系统结构是 HEV 中最简单的一种,发动机输出的机械能首先 通过发电机转化为电能, 该电能可通过功率转换器为电池充电,或经由电动机和
6

传动装置驱动汽车。 SHEV 以电动机作为主驱动装置, 发动机作为辅助动力装置, 以提高行驶里程。基本的串联式混合结构如图 1.1 所示。典型的 SHEV 有丰田公 司的 Coaster 等。 它的优点有: ①利用发电机, 使发动机的输出转化为电能既可以给电动机供电,又可为电 池充电。 ②可以利用电动机作为发电机,将电能储存在电池罩,达到在刹车制动时回 收能量的目的。 ③我们不需要按照汽车对功率的要求来操作发动机, 也就是说发动机的操作 取决于能源利用的最优效率以及污染排放情况。 ④变速时不需要离合器。 同时,它的缺点有: ①串联式混合结构需要发动机,发电机以及发动机,并且,电动机的功率至 少要满足机车所需要的最大功率,这就限制了电机小型化的可能性。 ②SHEV 的能量转换、 传输的环节多, 造成整体能量转换效率比较低; 并且, 为满足爬坡等需要大功率的路况,发动机、发电机和电动机的额定功率都要求比 较大。

图 1.1 串联式混合结构

7

2)并联式混合动力汽车(PHEV) 串联式混合机车可以看作是在纯电力机车的基础上加上发动机能量传输途 径,而并联式混合机车可以看作是在发动机机车上附加电能传输途径。PHEV 采 用发动机和电动机两套驱动系统。可采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或发 动机和电动机联合驱动三种工作模式。并联式混合结构如图 1.2 所示。 在并联混合动力汽车里, 发动机和电动机既可分别提供牵引功率,又可共同 提供。 这就使得在提供功率时会有一个自由度,使两个并行路径的功率分配最优 化。 两种电机均可在满足最大功率的前提下缩小体型,并且在发动机和电动机的 额定功率选较小值时,就可达到动力性要求。并且,与串联 HEV 相比,它的优 点是并联 HEV 仅用到电动机和发动机,并且发动机和电动机的最大功率较小, 而缺点是由于发动机与推进系统是共轴连接的,这使并联 HEV 需要离合器,这 使得并联 HEV 结构复杂,控制难度大。典型 PHEV 有:只野公司的 HIMR 型大 客车、本田公司的 Insight 轿车等。

图 1.2 并联式混合结构

3)混联式混合动力汽车 混联 HEV 在结构上综合了 SHEV 和 PHEV 的特点。 它主要偏向于并联结构, 但又包含一些串联结构的特点。与 SHEV 相比,它增加了机械动力传输路线; 与 PHEV 相比,它增加了电能的传输路线。实际上,机械联动和电能联动路线 采用两个截然不同的电机。 一个电机相当于并联式混合结构中的电动机,用来驱 动汽车和刹车制动时进行能量回收, 而另一个电机的作用相当于串联式混合系统 中的发电机,用于给电池的充电。另外。发动机和电动机可选择较小的功率,控 制策略灵活, 发动机可以比较容易地工作在高效率区域。但混联式混合动力汽车 结构复杂,成本高。近年来,出现了两种不同的混联式混合型结构,一种结构包 含了一组行星齿轮组(PGS),其结构如图 1.3 所示,这种类型的有丰用公司的 Prius。 另一种结构不包含行星齿轮组, 它结合了链传动式发电机和曲轴悬挂式电 机的特点,与并联式混合结构一样直接进行耦合,其结构如图 1.4 所示。

8

图 1.3 带有行星齿轮组混联式混合型结构

图 1.4 不带有行星齿轮组混联式混合刑结构

1.4 混合动力汽车的特点及比较
1.4.1 串联式混合动力汽车的特点 1)串联式混合动力汽车(SHEV)的优点: ①SHEV 可以类电动状态行驶,结构简单,易于控制。 ②发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响,能够保持在稳定、高效、低污 染的状态下运转, 将有害排放气体控制在最低范围所以发动机具有良好的经济性 和低的排放指标。 ③三大动力总成之间没有机械联系,有较大的自由度,可以独立地布置。 2)串联式混合动力汽车(SHEV)的缺点: ①驱动电动机的功率必须是能够克服 S 脏 V 在行驶过程中的最大阻力,驱 动电动机的功率要求较大,外形尺寸也较大,质量较重。 ②在发动机一发电机一驱动电动机系统中的热能一电能一机械能的能量转 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 量转换总的综合效率要比内燃机汽车低。 ③发动机一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一发电机组,以避免动力电池组过放电, 这就需要更大的电池容量。
9

1.4.2 并联式混合动力汽车的特点 1)并联式混合动力汽车(PHEV)的优点: ①PHEV 只有发动机和起动/发电机(或驱动电动机)两个动力总成,PHEV 的两个动力总成(发动机和起动/发电机或发动机和驱动电动机)本身的功率等 于 50%~100%的车辆驱动功率,比 SHEV 的三个动力总成的功率、质量和体积 要小很多。 ②除摩擦损耗外, 没有机械能一电能一机械能的转换过程,能量转换总的综 合效率要比 SHEV 高。 ③起动/发电机是 PHEV 的辅助动力,可以选择得较小。与它们配套的动力 电池组的容量也较小,使整车的整备质量大大地降低。 ④发动机基本稳定在高效率、低污染的状态下运转。 2)并联式混合动力汽车(PHEV)的缺点: ①需要配备与内燃机汽车相同的传动系统, 在总布置上基本与内燃机汽车相 同,动力性能接近内燃机汽车。发动机的工况会受到 PHEV 行驶工况的影响, 发动机的有害气体的排放高于 SHEV。 ②发动机驱动模式需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动器等传动装置, 另外还有起动/发电机(驱动电动机) 、动力电池组,以及动力组合器等装置,因 此 PHEV 的多能源动力系统结构复杂,布置和控制也更加困难。 1.4.3 混联式混合动力汽车的特点 1)混联式混合动力汽车(PSHEV)的优点: ①PSHEV 是由三个动力总成组成,三个动力总成的(