單元一混合動力汽車構造與工作原理課件

1、 主編 陳社會 副主編 孫旭 參編 陳星光 謝偉清 李志軍 李文濤 主審 張啟森 1單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的發(fā)展課題一 混合動力汽車的基本概念與分類課題二 典型混合動力電動汽車的構造課題三 混合動力汽車的電能儲存裝置課題四 混合動力汽車驅(qū)動電機課題五 混合動力汽車控制系統(tǒng)課題六 2單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的發(fā)展課題一 3單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 1899 年巴黎美術展覽館展出了世界最早的兩款混合動力汽車, 一款 是由比利時Pieper 研究院開發(fā)的并聯(lián)式混合動力汽車，該車裝有一 臺由電機和鉛酸蓄電池組輔助的小型空冷

2、汽油發(fā)動機。當該混合動 力汽車滑行或停車時, 發(fā)動機給蓄電池組充電; 當所需驅(qū)動功率大于 發(fā)動機額定值時, 電機即時提供輔助的功率。 4單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 另一款是由法國Vendovelli 與Priestly 公司制造的第一輛串聯(lián)式混 合動力汽車, 它由純商品化的電動汽車衍生而來。該車是一輛三輪車, 在其兩個后輪上分別裝有獨立的電機。與1. 1kW 發(fā)電機相組合的 一臺559. 28W 的汽油發(fā)動機安裝在拖車上, 并被拖帶在該車后面, 以通過對蓄電池組的再充電擴展其續(xù)航里程。 5單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 從1899 年

3、到1914 年, 這期間出現(xiàn)了兼有并聯(lián)和串聯(lián)的其他形式的 混合動力汽車。早期混合動力汽車的制造是為了輔助功率偏小的內(nèi) 燃機汽車, 或是為了增進電動汽車的續(xù)航里程?；旌蟿恿ζ嚴昧?基本的電動汽車應用技術, 且使之實用化。 6單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 Victor Wouk 博士被公認為是推進混合動力汽車的近代研究者。 1975 年, 他與同事們一起制造了一輛Buick Skylark 型并聯(lián)式混合 動力汽車。該車發(fā)動機是馬自達旋轉(zhuǎn)式發(fā)動機, 它與手動變速器配合, 并由一臺固定于傳動裝置前端的11. 19kW 的他勵直流電機予以輔 助, 8個12V 的汽車蓄電

4、池組用于能量的儲存, 最高速度可達129km / h, 0 96km / h 加速時間約16s。 7單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 1973 年和1977 年的兩次石油危機以及不斷增加的環(huán)境憂慮并沒有 促使混合動力汽車成功地進入市場。研究工作主要集中在純電動汽 車, 許多純電動汽車的原型在20 世紀80 年代制成。期間, 由于實用 的電子技術、現(xiàn)代電機和蓄電池應用技術的欠缺, 所以才導致了對混 合動力汽車興趣的不足。 8單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 20 世紀90 年代, 當純電動汽車難以達到實用化目標的事實變得很明 朗時, 人們對混合

5、動力汽車的概念產(chǎn)生了很大的興趣。福特汽車公司 啟動了福特混合動力汽車挑戰(zhàn)計劃。全世界汽車制造業(yè)生產(chǎn)的混合動 力汽車原型取得了巨大的進步, 它們在燃油經(jīng)濟性方面超過了對應的 內(nèi)燃機汽車。 9單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 在美國, 道奇汽車公司制造了Intrepid (無畏) ESX-1、ESX-2 和 ESX-3型混合動力汽車。ESX-1 型混合動力汽車是串聯(lián)式混合動力汽 車, 它裝備有一個小型渦輪增壓的三氣缸柴油機和一個蓄電池組; 在后 輪上安置有兩個7. 46kW 的電機。當時, 美國政府提出“新一代汽車 合作伙伴計劃( PNGV)”, 它包含燃油經(jīng)濟性可達80

6、mile/ gal (1gal =3. 78541dm3 ) 的中型轎車的目標。 10單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 福特公司的Prodigy (奇跡) 和通用公司的Precept (方案) 均是起因于該 計劃的成果。Prodigy (圖1-1) 和Precept (圖1-2) 兩車都是并聯(lián)式混 合動力汽車, 裝備有與無潤滑油離合器的手動變速器相配合的小型渦輪 增壓的柴油機。 圖1- 1福特Prodigy 11單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 圖1- 2通用Precept 12單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 19

7、97 年豐田公司在日本推出了普銳斯(Prius) 混合動力汽車, 截至 2015 年7 月全球銷量突破800 萬輛。在2005 年, 將混合動力系統(tǒng) 運用到雷克薩斯上。2006 年豐田公司在美國推出凱美瑞混合動力 汽車。 13單元一混合動力汽車構造與工作原理 國外混合動力汽車的發(fā)展一 本田公司也推出了Insight 和Civic 混合動力汽車。這些混合動力汽 車目前在全世界得到了有效的應用, 實現(xiàn)了燃油消耗量的優(yōu)化。豐田 公司的Prius 和本田公司的Insight 混合動力汽車具有歷史性的價值, 它們是解決私家車燃油消耗難題的當代首批商品化的混合動力汽車。 14單元一混合動力汽車構造與工作原

8、理 我國混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀二 目前, 我國各大汽車集團都在進行混合動力汽車的研發(fā)。一汽研發(fā)的 紅旗HQ3 于2006年投產(chǎn); 東風集團的混合動力公交車已于2005 年 7 月完成最終產(chǎn)品定型樣車試驗并通過驗收; 奇瑞集團成立了國家節(jié) 能環(huán)保汽車工程技術研究中心，2007 年11 月底, 10 輛奇瑞B(yǎng)SG (Belt Driven Starter Generator 傳送帶驅(qū)動啟動發(fā)電機) 混合動 力轎車率先銷售到奇瑞出租車公司, 小批量投放出租車市場; 奇瑞A5 混合動力轎車為奧運提供服務, 也有出色表現(xiàn)。 15單元一混合動力汽車構造與工作原理 我國混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀二 2007 年

9、12 月13 日, 長安汽車集團自主研發(fā)了首款量產(chǎn)杰勛混合動力 汽車。深圳五洲龍汽車有限公司將建立, 中國規(guī)模最大、投放車輛最多 的混合動力示范運營線路, 該線路將在深圳市龍崗區(qū)開通。 16單元一混合動力汽車構造與工作原理 我國混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀二 上汽集團與通用簽署協(xié)議, 將聯(lián)手開發(fā)混合動力轎車和公交客車。上海 別克君越eco-hybrid 油電混合動力汽車是國內(nèi)第一款中高檔量產(chǎn)混合 動力車型, 采用獨立的電機-鎳氫電池組動力輔助系統(tǒng), 配有2. 4L 發(fā)動機, 在車輛減速和靜止狀態(tài)下發(fā)動機自動切斷燃油供應, 實現(xiàn)零排放。 17單元一混合動力汽車構造與工作原理 我國混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

10、二 2011 年上市的榮威750 混合動力汽車是基于1. 8T 車型平臺上, 采 用高壓混動電機, 搭載的是磷酸鐵鋰電池。綜合節(jié)油率在20%左右, 百公里綜合油耗為7. 5L。 18單元一混合動力汽車構造與工作原理 我國混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀二 2013 年11 月, 上汽榮威550 插電式混合動力汽車在廣州車展上正 式亮相, 其百公里油耗僅為2. 7L, 續(xù)航里程可達500km。技術路線 上采用的是發(fā)動機+P1 電機+P2 電機+AMT,可實現(xiàn)純電動、純發(fā) 動機、串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)等多種工作模式。 19單元一混合動力汽車構造與工作原理 我國混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀二 比亞迪F3DM 插電式混動車

11、型已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)。比亞迪秦搭載的為比 亞迪第二代DM (混動) 系統(tǒng), 相比第一代, 在動力性和經(jīng)濟性上都有 大幅提升。 20單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的技術發(fā)展三 1) 轎車混合動力系統(tǒng)的模塊化愈加明顯, 逐步推進汽車動力的電氣 化。 21單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的技術發(fā)展三 2) 城市客車混合動力系統(tǒng)出現(xiàn)平臺化趨勢。發(fā)電機組+驅(qū)動電機+ 儲能裝置構成了混合動力系統(tǒng)的基本技術平臺。通過換用不同的發(fā) 電機組, 使從內(nèi)燃機到氣體燃料發(fā)動機各種不同的能源動力轉(zhuǎn)化裝置, 形成油-電、氣-電、電-電各種不同的混合動力系統(tǒng), 促進動力系統(tǒng) 的平穩(wěn)過渡與轉(zhuǎn)型。 22

12、單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的技術發(fā)展三 3) 插電式混合動力技術越來越引起人們的關注。通用汽車公司在2007 年年底展示了插電式混合動力概念車Volt Concept。該車配備了新一 代驅(qū)動系統(tǒng), 混合形式為串聯(lián)型, 采用通過兩個額定功率為40kW 的輪 邊電機驅(qū)動前輪的驅(qū)動方式, 配合1. 0L 排量3 缸渦輪增壓汽油發(fā)動機, 以及最大輸出功率為53kW 的電機。 23單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的基本概念與分類課題二 24單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的基本概念一 根據(jù)國際能源組織(IEA) 的有關文獻, “能量與功率傳送路線” 具 有

13、如下特點的車輛稱為混合動力汽車: 1) 傳送到車輪推進車輛運動的能量, 至少來自兩種不同的能量轉(zhuǎn)換 裝置(例如: 內(nèi)燃機、燃氣渦輪、斯特林發(fā)動機、電機、液壓馬達和 燃料電池等)。 25單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的基本概念一 2) 這些能量轉(zhuǎn)換裝置至少要從兩種不同的能量儲存裝置(例如: 燃油 箱、蓄電池、飛輪、超級電容和高壓儲氫罐等) 吸取能量。 26單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的基本概念一 3) 從儲能裝置流向車輪的這些通道, 至少有一條是可逆的。 如果可逆的儲能裝置供應的是電能時, 則稱作混合動力電動汽車。 27單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力

14、汽車的基本概念一 對于混合動力汽車而言, 一般在一輛汽車上同時配備電力驅(qū)動系統(tǒng) (Traction Motor) 和輔助動力單元APU (Auxiliary Power Unit), 其 中APU 是燃燒某種燃料的原動機或由原動機驅(qū)動的發(fā)電機組。 混合動力汽車可分為兩大類, 即液壓蓄能式混合動力汽HHV(Hydraulic Hybrid Vehicle) 和混合動力電動汽車HEV (Hybrid Electric Vehicle)。 28單元一混合動力汽車構造與工作原理 液壓蓄能式混合動力汽HHV二 HHV 最初由VOLVO Flygmotor 在20 世紀80 年代開發(fā), 主要用 于巴士、貨

15、車等重型車輛。HHV 使用的動力是液力馬達及傳統(tǒng)的 燃油(氣) 車的發(fā)動機。 29單元一混合動力汽車構造與工作原理 液壓蓄能式混合動力汽HHV二 液力系統(tǒng)主要由液壓泵(馬達)、液力儲存器和液體罐等組成。 30單元一混合動力汽車構造與工作原理 液壓蓄能式混合動力汽HHV二 HHV 的特點是可使用液壓泵(馬達) 單獨驅(qū)動或與發(fā)動機共同驅(qū)動汽 車行駛。 31單元一混合動力汽車構造與工作原理 液壓蓄能式混合動力汽HHV二 該類汽車帶有液壓式能量回收系統(tǒng), 可回收汽車制動、減速過程中的 能量。在汽車制動、減速時,用液壓泵將汽車的動能轉(zhuǎn)換為液壓能, 儲存在裝有氮氣的儲能器中, 在汽車前進或加速時,使儲存在

16、儲能器 中的液壓能通過液壓馬達釋放出來, 輔助發(fā)動機運轉(zhuǎn)或單獨驅(qū)動汽車 行駛。 32單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車HEV三 國標GB / T 195962004 電動汽車術語對于混合動力電動汽 車是這樣定義的。 至少能從下述兩類車載儲存的能量中獲得動力的汽車: 1) 可消耗的燃料。 2) 可再充電能/ 能量儲存裝置。 33單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車HEV三 HEV 的特點是燃油( 氣) 發(fā)動機動力與電動機動力兩種動力的組合。 通常把燃油(氣) 發(fā)動機與電動機兩種動力組合而成的混合動力電動 汽車簡稱為油(氣)-電混合動力電動汽車, 把汽(柴) 油發(fā)動機

17、與電機 兩種動力組合而成的混合動力電動汽車簡稱為汽(柴)油-電力混合動 力電動汽車等。 34單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車HEV三 HEV 的突出優(yōu)點是: 1) 發(fā)動機可工作在經(jīng)濟工況區(qū), 排放低, 燃油消耗少。 2) 發(fā)動機不在全負荷和加速工況下工作, 噪聲小。 3) 可以回收制動時的能量和利用已有的燃油設施等。 35單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車HEV三 HEV 與傳統(tǒng)汽車的區(qū)別主要是驅(qū)動系統(tǒng), HEV 通常至少由兩種動力源 組成。一種是由發(fā)動機提供的、與傳統(tǒng)汽車類似的動力系統(tǒng)。從理論 上講, 所有可以用于傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機(包括各種內(nèi)燃機和外燃機)

18、都可 用于HEV; 另一種是傳統(tǒng)汽車上所沒有的電驅(qū)動系統(tǒng)。 36單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車HEV三 電驅(qū)動系統(tǒng)通常由電能儲存器(蓄電池、超級電容器和飛輪電池)、電源變 換器(逆變器和變壓器) 和電機(直流電機、三相異步感應電機、永磁電機 和開關磁阻電機) 等組成, 為了能夠利用發(fā)動機發(fā)電或回收汽車的制動能 量等, 電驅(qū)動系統(tǒng)的電機一般都可作為發(fā)電機使用, 也有電機和發(fā)電機分 別設置的。HEV 的組成可以說是上述兩種驅(qū)動系統(tǒng)的組合, 由于組合方 式和選用的裝置種類的不同, 就形成了各具特色的HEV。 37單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 1. 按

19、照動力系統(tǒng)劃分 (1) 串聯(lián)式混合動力電動汽車(Series Hybrid Vehicle)車輛行駛 系統(tǒng)的驅(qū)動力只來源于電機。 串聯(lián)式混合動力電動汽車的結構特點是發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電, 電能 通過電機控制器輸送給電機, 由電機驅(qū)動車輛行駛。另外, 動力蓄電 池可以單獨向電機提供電能驅(qū)動車輛行駛。 38單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 (2) 并聯(lián)式混合動力電動汽車(Parallel Hybrid Electric Vehicle) 車輛行駛系統(tǒng)的驅(qū)動力由電機及發(fā)動機同時或單獨供給。 并聯(lián)式混合動力電動汽車的結構特點是并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)可以單獨使 用發(fā)動機或電機作為動力源

20、, 也可以同時使用電機和發(fā)動機作為動力 源驅(qū)動車輛行駛。 39單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 (3) 混聯(lián)式混合動力電動汽車(Combined Hybrid ElectricVehicle) 具備串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種混合動力系統(tǒng)。 混聯(lián)式混合動力電動汽車的結構特點是可以在串聯(lián)混合模式下工作, 也可以在并聯(lián)混合模式下工作, 同時兼顧了串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動力 電動汽車的特點。 40單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 2. 按照混合度劃分 (1) 微混合型混合動力電動汽車(Micro Hybrid Electric Vehicle)以 發(fā)動機為主要動

21、力源, 電機作為輔助動力, 具備制動能量回收功能的混合 動力電動汽車。電機的峰值功率和總功率的比值小于10%。 僅具有怠速停機功能的汽車也可稱為微混合型混合動力電動汽車。 41單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 (2) 輕度混合型混合動力電動汽車(Mild Hybrid Electric Vehicle)以 發(fā)動機為主要動力源, 電機作為輔助動力, 在車輛加速和爬坡時, 電機可 向車輛行駛系統(tǒng)提供輔助驅(qū)動力矩。一般情況下, 電機的峰值功率和總 功率的比值大于10%。 42單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 (3) 重度混合(強混合) 型混合動力電

22、動汽車(Full Hybrid Electric Vehicle)以發(fā)動機和/ 或電機為動力源(一般情況下, 電機的峰值 功率和總功率的比值大于30%) 且電機可以獨立驅(qū)動車輛正常行駛。 43單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 4. 按照行駛模式的選擇方式劃分 (1) 有手動選擇功能的混合動力電動汽車(Hybrid Electric Vehicle with Selective Switch)具備行駛模式手動選擇功能。車輛可選擇的行 駛模式包括發(fā)動機模式、純電動模式和混合動力模式三種。 44單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 (2) 無手動選擇功

23、能的混合動力電動汽車( Hybrid Electric Vehicle without SelectiveSwitch)不具備行駛模式手動選擇功能。車輛 的行駛模式根據(jù)不同工況自動切換。 45單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 5. 其他劃分形式 1) 按照可再充電能量儲存系統(tǒng)不同可以劃分為(但不限于) 以下類型。 動力蓄電池混合動力電動汽車(Traction Battery Hybrid Electric Vehicle)。 超級電容器混合動力電動汽車(Super Capacitor Hybrid Electric Vehicle)。 機電飛輪混合動力電動汽車(Ele

24、ctromechanical Flywheel Hybrid Electric Vehicle)。 動力蓄電池與超級電容器組合式混合動力電動汽車 (TractionBattery and Super CapacitorHybrid Electric Vehicle)。 46單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力電動汽車的類型四 2) 混合動力電動汽車按照其技術特征、燃料類型、功能結構和車輛 用途等因素還可有其他劃分形式。 47單元一混合動力汽車構造與工作原理 典型混合動力電動汽車的構造課題三 48單元一混合動力汽車構造與工作原理 串聯(lián)式混合動力汽車一 1. 基本結構 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的結

25、構及驅(qū)動方式如圖1-3 所示。串聯(lián)式混合 動力系統(tǒng)利用發(fā)動機動力發(fā)電, 從而帶動電機驅(qū)動車輪。其基本結構 是由電機、發(fā)動機、發(fā)電機、動力蓄電池和變壓器等組成。 圖1- 3串聯(lián)式混合 動力系統(tǒng) 1發(fā)動機2發(fā) 電機3動力蓄電 池4變壓器 5電機6驅(qū)動 輪7減速器 49單元一混合動力汽車構造與工作原理 串聯(lián)式混合動力汽車一 2. 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的三種基本控制模式 1) 主要利用電池來驅(qū)動車輛, 僅當SOC (State Of Charge, 荷電狀 態(tài)) 降低到最小限值時, 發(fā)動機才起動, 發(fā)動機在最高效率區(qū)以輸出 恒定功率的方式工作, 當SOC 回升到最大限值時發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)。 這種控制模式也

26、稱為“恒溫器式控制”。 2) “負荷跟隨” 控制模式 3) 上述兩種控制模式的一個折中方案。 50單元一混合動力汽車構造與工作原理 串聯(lián)式混合動力汽車一 3. 通用汽車公司Series- SHEV 汽車的結構(串聯(lián)式混合動力電動汽車) (1) Series-SHEV 的結構(圖1-4) (2) Series-SHEV 的管理系統(tǒng) 圖1- 4Series- SHEV 的結構 1電流轉(zhuǎn)換器2充 電機3驅(qū)動電機 4動力蓄電池5中 央控制器6發(fā)電機 7發(fā)動機 51單元一混合動力汽車構造與工作原理 串聯(lián)式混合動力汽車一 4. 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點與缺點 (1) 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點 能始終在最佳

27、的工作區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定運行,發(fā)動機具有良好的經(jīng)濟性和 較低的排放性能。 發(fā)動機與電機之間無機械連接, 整車的結構布置自由度較大, 各種 驅(qū)動系統(tǒng)器件可 以放在最適合的位置。 由于電機的功率大, 制動能量回收的潛力大, 可以提高能量利用效 率。 52單元一混合動力汽車構造與工作原理 串聯(lián)式混合動力汽車一 (2) 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的缺點 發(fā)電機將發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔? 電機又將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械 能, 而且電池在充 電和放電過程中也會存在能量損失, 因此發(fā)動機輸出的能量利用率比 較低。 電機是唯一驅(qū)動汽車行駛的動力裝置, 因此電機的功率要足夠大。 53單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽

28、車二 1. 基本結構 可以采用發(fā)動機單獨驅(qū)動、電機單獨驅(qū)動或發(fā)動機和電機混合驅(qū)動 三種工作模式。 圖1- 5并聯(lián)式混合動力系 統(tǒng) 1發(fā)動機2變速器 3動力蓄電池 4變壓器5電機6 驅(qū)動輪7減速器 54單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 2. 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)典型工作模式的功率流 1) 車輛起動、低速及輕載行駛時, 發(fā)動機關閉,車輛由電機驅(qū)動, 為純電 動工況, 如圖1-6 所示。 圖1- 6純電動工作模式圖 55單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 2) 車輛正常行駛、加速及爬坡時, 發(fā)動機和電機同時工作驅(qū)動車輛行駛, 如圖1-7所示。 圖1- 7混合動

29、力模式 56單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 3) 在車輛行駛過程中, 當車載電池組電量過低時, 發(fā)動機在驅(qū)動車輛行 駛的同時向動力蓄電池補充充電, 如圖1-8 所示。 圖1- 8向動力蓄電池充電 57單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 4) 車輛減速及制動時, 電機以發(fā)電機模式工作, 回收車輛制動能量向動力 蓄電池充電, 如圖1-9 所示。 圖1- 9制動能量回收 58單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 3. 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)兩種基本控制模式 (1) 發(fā)動機輔助混合動力模式 這種模式主要利用電池-電機系統(tǒng)來驅(qū)動車輛, 僅當以較高

30、的巡航速度行 駛、爬坡和急加速時才使發(fā)動機起動。 (2) 電機輔助混合動力模式 這種模式主要利用發(fā)動機來驅(qū)動車輛。 59單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 4. 日產(chǎn)風雅混合動力汽車 (1) 混合動力系統(tǒng)的結構日產(chǎn)風雅混合動力汽車的混合動力系統(tǒng)稱為單 電機雙離合器式混合動力系統(tǒng), 如圖1-10 所示。 圖1- 10日產(chǎn)風雅混合動力系統(tǒng)的結構 1離合器22電子控制式7 檔自動變速器3電機4離合器1 5發(fā)動機6逆變器7鋰離子蓄電池 60單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 (2) 工作過程 系統(tǒng)起動時。車輛在起動前, 發(fā)動機冷卻狀態(tài)下的蓄電池剩余電量低 時,

31、離合器1接合, 電機起動, 發(fā)動機開始工作, 如圖1-11 所示。發(fā)動機暖 機后或蓄電池剩余電量足夠的情況下, 發(fā)動機停止工作。 圖1- 11系統(tǒng)起動時的工作過程 1鋰離子蓄電池2離合器23驅(qū)動電機4離合器15發(fā)動 機6逆變器 61單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 起動、怠速、低速、中高速時(蓄電池電量足夠時), 僅利用電機行駛。離 合器2 為接合狀態(tài), 離合器1 斷開, 發(fā)動機停止工作, 如圖1-12 所示。 圖1- 12一般行駛時混合動力系統(tǒng)的工作過程 1鋰離子蓄電池2離合器23驅(qū)動電機4離合器15 發(fā)動機6逆變器 62單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力

32、汽車二 蓄電池電量少, 離合器1 接合, 發(fā)動機開始工作。然后電機轉(zhuǎn)換為發(fā)電機, 一邊給蓄電池充電; 一邊利用發(fā)動機使車輛行駛, 如圖1-13 所示 圖1- 13電量少時混合動力系統(tǒng)的工作過程 1鋰離子蓄電池2離合器23驅(qū)動電機4離合器15發(fā) 動機6逆變器 63單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 減速或制動時。 圖1- 14制動時混合動力系統(tǒng)的工作過程 1鋰離子蓄電池2離合器23驅(qū)動電機4離合器15發(fā) 動機6逆變器 64單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 加速或爬坡時。 圖1- 15完全加速或爬坡時混合動力系統(tǒng)的工作過程 1鋰離子蓄電池2離合器23驅(qū)動電

33、機4離合器15 發(fā)動機6逆變器 65單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 離合器控制。日產(chǎn)風雅混合動力汽車采用電控7 檔自動變速器, 與一般 的行星齒輪式自動變速器構造類似。前者中的電機和兩個離合器作為電 控7 檔自動變速器的一部分。但是前者不是使用液力變矩器, 而是使用了 電機, 使用手動變速器用離合器代替鎖止離合器。 66單元一混合動力汽車構造與工作原理 并聯(lián)式混合動力汽車二 5. 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的特點 1) 發(fā)動機通過機械傳動機構直接驅(qū)動汽車, 無機械能、電能的轉(zhuǎn)換損失, 因此發(fā)動機輸出能量的利用率相對較高。 2) 當電機僅起功率調(diào)峰作用時, 電機、發(fā)動機的功率可適

34、當減小, 電池的 容量也可減小。 3) 在繁華的市區(qū)低速行駛時, 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)可通過關停發(fā)動機, 以 純電動方式運行, 以實現(xiàn)零排放。 4) 發(fā)動機與電機并聯(lián)驅(qū)動時, 還需要動力復合裝置, 因此, 并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng) 的傳動機構較為復雜。 5)并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)最適合于汽車在中、高速工況下穩(wěn)定行駛。 67單元一混合動力汽車構造與工作原理 混聯(lián)式混合動力汽車三 1. 基本結構 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的結構和形式如圖1-16 所示，在結構上綜合了串聯(lián) 式和并聯(lián)式的特點。 圖1- 16混聯(lián)式混合動力系統(tǒng) 1發(fā)動機2動力分離裝置 3發(fā)電機 4動力蓄電池5變壓器 6電機 7驅(qū)動輪8減速器 68單元一混合動力

35、汽車構造與工作原理 混聯(lián)式混合動力汽車三 2. 豐田混聯(lián)式混合動力系統(tǒng) (1) 電機起動時的低速大轉(zhuǎn)矩特性 注意: 點火起動時, 發(fā)動機將進行運轉(zhuǎn), 直至充分預熱。 圖1- 17起動時 69單元一混合動力汽車構造與工作原理 混聯(lián)式混合動力汽車三 (2) 低速-中速行駛時由高效利用能量的電機驅(qū)動行駛。 注意: 動力蓄電池的電量少時, 利用發(fā)動機來帶動發(fā)電機發(fā)電, 為電機提供 動力。 圖1- 18低速- 中速行駛時 70單元一混合動力汽車構造與工作原理 混聯(lián)式混合動力汽車三 (3) 一般行駛時低油耗的駕駛, 使用發(fā)動機作為主要動力源。 注意: 動力蓄電池的電量少時, 發(fā)動機輸出功率會被提高以加大發(fā)

36、電量, 來 給動力蓄電池充電。 圖1- 19一般行駛時 71單元一混合動力汽車構造與工作原理 混聯(lián)式混合動力汽車三 (4) 一般行駛時/ 剩余能量充電將剩余能量用于動力蓄電池充電。 圖1- 20一般行駛時/ 剩余能量充電 72單元一混合動力汽車構造與工作原理 混聯(lián)式混合動力汽車三 (5) 全速開進(行駛) 時利用雙動力來獲得更高一級的加速。 圖1- 21全速開進(行駛) 時 73單元一混合動力汽車構造與工作原理 混聯(lián)式混合動力汽車三 (6) 減速/ 能量再生時將減速時的能量回收到動力蓄電池中用于再利用。 圖1- 22減速/ 能量再生時 74單元一混合動力汽車構造與工作原理 混聯(lián)式混合動力汽車三

37、 (7) 停車時停車時動力系統(tǒng)全部停止。 在停車時, 發(fā)動機、電機、發(fā)電機全部自動停止運轉(zhuǎn)。不會因怠速而浪費 能量, 如圖1-23 所示。 注意: 當動力蓄電池的充電量較低時, 發(fā)動機將繼續(xù)運轉(zhuǎn), 以給動力蓄電池 充電。另外, 有時因與空調(diào)開關連動, 發(fā)動機會仍保持運轉(zhuǎn)。 圖1- 23停車時 75單元一混合動力汽車構造與工作原理 插電式混合動力汽車四 插電式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, 簡寫成 PHEV) 是在三種混合動力系統(tǒng)(串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)) 基礎上發(fā)展起來的 一種混合動力系統(tǒng)。 圖1-24 為豐田普銳斯并聯(lián)式Plug-in 混合動力系

38、統(tǒng)結構原理圖。 圖1- 24豐田普銳斯并聯(lián)式 Plug- in 混合動力系統(tǒng)結構原理 76單元一混合動力汽車構造與工作原理 插電式混合動力汽車四 PHEV 兼顧了純電動汽車和HEV 的優(yōu)點。 1) 在局部地區(qū)或短距離上下班行駛, 可以作為純電動汽車使用, 可用家里的 電源對車上電池充電, 不使用汽油。 2) 利用晚上電網(wǎng)的低谷電對電池充電, 可以提高電網(wǎng)效率, 具有純電動汽車 的所有優(yōu)點。 3) 加滿油箱, PHEV 的行駛里程可以與混合動力汽車和內(nèi)燃機汽車相媲美。 4) 由于主要以純電動工作, 車輛壽命期間的維修成本低。 77單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車的電能儲存裝置課題四

39、 78單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車電能儲存裝置的種類一 1. 二次電池 二次電池也稱為可充電電池?，F(xiàn)代混合動力汽車上最常見的二次電池有 鉛酸蓄電池、鎳-氫電池、鋰離子電池和鎳-金屬氫電池四類。 79單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車電能儲存裝置的種類一 2. 超級電容 超級電容又稱為電化學容器, 是一種新型的、雙層面電容器, 與常見的物 理電容器不同。其特點是電容量大, 比物理電容器的極限容量高34 個 數(shù)量級, 達到103F/ g (電容量密度) 以上。 80單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車電能儲存裝置的種類一 3. 飛輪電池 飛輪電池又稱為飛輪儲

40、能器, 是利用飛輪高速旋轉(zhuǎn)來儲能和釋放電能的 一種裝置。這種電能儲存裝置目前應用較少。 81單元一混合動力汽車構造與工作原理 基本術語二 1. 容量(C) 2. 荷電狀態(tài)SOC (State Of Charge, SOC)蓄電池放電后剩余容量與全 荷電容量的百分比。 3. 能量 4. 密度 (1) 能量密度 從蓄電池的單位質(zhì)量或單位體積所獲取的電能, 用 Wh/kg 或Wh/ L 來表示。 (2) 功率密度 從蓄電池的單位質(zhì)量或單位體積所獲取的輸出功率, 用W / kg 或W / L表示。 5. 電壓 6. 記憶效應 7. 過充電 8. 過放電 9. 循環(huán)次數(shù)(次) 10. 自放電率 11.

41、成本 82單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車對動力蓄電池的性能要求三 1. 混合動力汽車對電池的工作要求(非外接充電) 1) 電池的峰值功率要大, 能短時大功率充放電。 2) 循環(huán)壽命要長, 達到1000 次以上的深度放電循環(huán)和40 萬次以上的淺 度放電循環(huán)。 3) 電池的SOC 應盡可能保持在50% 85%。 4) 需要配備電池管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。 83單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車對動力蓄電池的性能要求三 2. 可外接充電式混合動力汽車(PHEV) 對電池的工作要求 PHEV 對動力蓄電池的要求要兼顧純電動和混合動力兩種模式。如圖 1-25 所示, PHEV既

42、要實現(xiàn)在城市里以純電動汽車模式行駛, 又要實現(xiàn) 在高速公路上以混合動力汽車模式行駛(電池電量也在消耗)。PHEV 期 望純電動工作模式的行駛里程達到幾十公里, 而且期望電池在低SOC 時 也能提供很高的功率水平。 圖1- 25PHEV 的工作模式 84單元一混合動力汽車構造與工作原理 動力蓄電池四 1. 鉛酸蓄電池 以酸性水溶液為電解質(zhì)的蓄電池稱為酸蓄電池。由于電池電極是以鉛及 其氧化物為材料, 故又稱為鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池廣泛用于燃油汽車 的起動。 鉛酸蓄電池一般分為免維護鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池。 免維護鉛酸蓄電池具有自身結構上的優(yōu)勢, 電解液的消耗量非常小, 在使 用壽命內(nèi)基本

43、不需要補充蒸餾水。 閥控密封式鉛酸蓄電池分為AGM (吸液式) 和GEL (膠體) 電池兩種。 85單元一混合動力汽車構造與工作原理 動力蓄電池四 2. 鎳氫動力蓄電池 鎳氫動力蓄電池屬于堿性電池, 是20世紀90年代發(fā)展起來的一種新型綠 色電池。 鎳氫動力蓄電池具有無污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用等優(yōu) 點。與鉛酸蓄電池相比, 鎳氫動力蓄電池具有比能量高、質(zhì)量輕、體積 小、循環(huán)壽命長的特點。 86單元一混合動力汽車構造與工作原理 動力蓄電池四 3. 鋰離子動力蓄電池 鋰離子動力蓄電池出現(xiàn)在20世紀90年代初期,與其他蓄電池比較, 鋰離 子動力蓄電池具有電壓高、質(zhì)量能量密度高、充放電壽命

44、長、無記憶 效應、無污染、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬和安全可靠 等優(yōu)點。相比于鎳氫動力蓄電池, 混合動力汽車采用鋰離子動力蓄電 池, 可使電池組的重量下降40%50%, 體積減小20%30%, 能源效 率也有一定程度的提高。 87單元一混合動力汽車構造與工作原理 動力蓄電池管理系統(tǒng)五 動力蓄電池管理系統(tǒng)BMS (Battery Management System) 是整車 能源管理系統(tǒng)的一個子系統(tǒng), 為保護動力電池的電力性能, 合理地使用 和管理電池組的電能, 為電動汽車駕駛?cè)颂峁┖惋@示動力電池組的動態(tài) 變化參數(shù)等, 是電動汽車節(jié)能、減排和延長電動汽車續(xù)航里程的一個重 要的管理機構。

45、BMS 的主要功能見表1-1。 88單元一混合動力汽車構造與工作原理 動力蓄電池管理系統(tǒng)五 表1- 1動力蓄電池管理系統(tǒng)的基本功能 89單元一混合動力汽車構造與工作原理 電動汽車蓄電池充電機六 1. 電動汽車蓄電池充電機的基本功能 電動汽車蓄電池充電機的基本功能有3 個, 即: 對市電(即工頻交流電, 交 流電常用電壓、電流、頻率三個量來表征。世界各國的常用交流電工頻 頻率有50Hz 與60Hz 兩種,民用交流電壓分布由100380V 不等) 進 行電力變換并提供直流電; 供給與蓄電池額定條件相對應的電力; 當蓄 電池充滿后自動停止充電。 90單元一混合動力汽車構造與工作原理 電動汽車蓄電池充

46、電機六 2. 電動汽車蓄電池充電機的分類 根據(jù)給電動汽車蓄電池充電時的能量轉(zhuǎn)換方式的不同, 充電機可分接觸 式(Conductive,也稱耦合式或傳導式) 和感應式(Inductive) 兩種。 (1) 接觸式接觸式充電系統(tǒng)是將一根帶插頭的交流動力電纜線直接 插到電動汽車的插座中給電池充電。接觸式充電系統(tǒng)簡單、效率高, 采 用插頭與插座的金屬接觸來導電, 充分利用了技術成熟、具有工藝簡單 和成本低廉的優(yōu)點。接觸式充電機的不足主要是充電電流小, 充電時間 長。 圖1- 26電動汽車 的接觸式充電系統(tǒng) 91單元一混合動力汽車構造與工作原理 電動汽車蓄電池充電機六 (2) 感應式感應式充電機是通過電

47、磁感應耦合的方式進行能量轉(zhuǎn)換而 給電池充電的, 利用高頻變壓器原理, 高頻變壓器的一次繞組裝在充電 機上, 另一次繞組裝在電動汽車上。充電機將5060Hz 的普通電轉(zhuǎn)換 成80300Hz 的高頻電, 然后將高頻交流電感應到電動汽車上。在整流 電路的作用下, 將高頻交流電變換為能夠為蓄電池充電的直流電。 圖1- 27電動汽車的感 應式充電系統(tǒng)及充電機 92單元一混合動力汽車構造與工作原理 混合動力汽車驅(qū)動電機課題五 93單元一混合動力汽車構造與工作原理 電動汽車對驅(qū)動電機性能的基本要求一 1) 電壓高。 2) 高轉(zhuǎn)速。 3) 轉(zhuǎn)矩密度、功率密度大, 質(zhì)量輕, 體積小。 4) 具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和

48、較大范圍的調(diào)速性能。 5) 需要有45 倍的過載, 以滿足短時加速行駛與最大爬坡度的要求。 6) 具有高的可控性、穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)性能, 以滿足多部電機協(xié)調(diào)運行。 7) 機械效率高、損耗少。 8) 可兼做發(fā)電機使用。 9) 電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性應達到有關的標準和規(guī)定。 10) 能夠在惡劣條件下可靠工作。 11) 結構簡單, 適合大批量生產(chǎn), 使用維修方便, 價格便宜等。 12) 散熱性好。 94單元一混合動力汽車構造與工作原理 電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的組成二 電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖如圖1-28 所示。電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動 汽車的心臟, 它由電機、功率變換器、控制器、各種檢測傳感器和電

49、 源(動力蓄電池) 組成, 其任務是在駕駛?cè)说目刂葡? 高效率地將動力 蓄電池的電量轉(zhuǎn)化為車輪的動能, 或者將車輪的動能反饋到蓄電池。 圖1- 28電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成框圖 95單元一混合動力汽車構造與工作原理 電動汽車電機的類型三 圖1- 29當代電動汽車電機的基本類型 96單元一混合動力汽車構造與工作原理 電動汽車電機的類型三 表1- 2各種電機的基本性能比較 97單元一混合動力汽車構造與工作原理 直流電機四 在早期開發(fā)的HEV 和EV 上多采用直流電機, 直流電機的優(yōu)點是具 有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性, 控制裝置簡單、價廉、技術成熟。 圖1- 30直流電機的結構 98單元一混合動力汽車構

50、造與工作原理 交流電機五 交流電機可分為同步電機和異步電機兩類。如果電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n 與定 子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1 相等, 則轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間同步地旋轉(zhuǎn), 這種電機稱為同步電機。如果n 不等于n1 , 則轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空 間旋轉(zhuǎn)時不同步, 則稱為異步電機。 圖1- 31交流感應電機的結構 1軸承2定子3轉(zhuǎn)子 4冷卻風扇5電源線 圖1- 32交流感應電機橫斷面 1定子鐵心2定子導體3轉(zhuǎn)子軸 4轉(zhuǎn)子導體5轉(zhuǎn)子端環(huán)6轉(zhuǎn)子鐵心 99單元一混合動力汽車構造與工作原理 交流永磁電機六 1. 交流永磁電機的種類及特點 (1) 種類交流永磁電機主要包括永磁同步電機(Permanent Magent

51、 Synchronous Motor,PMSM) 和無刷直流電機(Brushless DC Motor, BLDCM) 兩大類。兩者最主要的區(qū)別在于永磁體勵磁磁場在定 子繞組中感應出的電動勢波形: 永磁同步電機感應出的電動勢波形是正 弦波, 無刷直流電機則為梯形波。 100單元一混合動力汽車構造與工作原理 交流永磁電機六 (2) 特點 1) 永磁同步電機。效率高、體積小、質(zhì)量輕、控制精度高、轉(zhuǎn)矩脈動小 等, 但是控制器較復雜, 因此造成其成本偏高。 2) 無刷直流電機。無刷直流電機外特性曲線類似于永磁直流電機, 特性 較硬(所謂硬是指特性曲線的斜率很小, 電機轉(zhuǎn)速不易受外界條件影響), 但是由

52、于沒有電刷和換向器,所以可以在高速下運行, 因此體積和質(zhì)量可 以減小, 同時提高了可靠性, 而且無刷直流電機的控制相對簡單。 101單元一混合動力汽車構造與工作原理 交流永磁電機六 2. 永磁電機的結構 永磁同步電機是用永磁體取代繞線式同步電機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組, 從而省去了勵磁線圈、集電環(huán)和電刷。永磁電機轉(zhuǎn)子分為凸裝式、 嵌入式和內(nèi)埋式三種基本結構, 前兩種形式又稱為外裝結構。 圖1- 33凸裝式轉(zhuǎn)子永磁體的分類 a) 圓套筒形b) 瓦片形c) 扇形 102單元一混合動力汽車構造與工作原理 交流永磁電機六 3. 永磁無刷直流電機 (1) 永磁無刷直流電機的結構 圖1- 34永磁無刷 直流電機的

53、結構 103單元一混合動力汽車構造與工作原理 交流永磁電機六 (2) 永磁無刷直流電機的性能永磁無刷直流電機的優(yōu)點是效率高 (比交流電機高6%)、高速操作性能好、無電刷、結構簡單牢固、免 維護或少維護、尺寸小、質(zhì)量小。輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大于 相類似的三相感應電機。永磁電機在材料的電磁性能、磁極數(shù)量、 磁場衰退等多方面的性能都優(yōu)于其他種類的電機。 104單元一混合動力汽車構造與工作原理 交流永磁電機六 (3) 永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)永磁無刷直流電機具有很高的 功率密度和較寬的調(diào)速范圍。永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)較為復 雜, 有多種控制策略。 永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)由直流電源、電容器、絕緣柵雙極晶 體管(IGBT)、永磁無刷直流電機(PMBDC)、電機轉(zhuǎn)軸位置檢測器 (PS)、邏輯控制單元、120導通型脈寬調(diào)制信號發(fā)生器(PWM) 驅(qū) 動電路和其他一些電子器件組成。 105單元一混合動力汽車構造與工作原理 交流永磁電機六 4. 永磁磁阻同步電機 (1) 永磁磁阻同步電機的結構永磁磁阻同步電機是將永久磁鐵取代他 勵同步電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組, 電機的定子與普通同步電機兩層六極永磁 磁阻同步電機的定子和轉(zhuǎn)子一樣, 如圖1-35 所示。 圖1- 35兩層六極永磁磁阻 同步電機的定子和轉(zhuǎn)子 106單元一混合動力汽車構造與工作原理 交流永磁電機六 (