1、第三章 混合动力电动汽车第三章 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 3.0 概 述 广义定义 混合动力汽车混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle,HEV）是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆。狭义定义 既有内燃机又有电动机驱动的车辆。3.0 概 述 优点优点 与纯电动汽车纯电动汽车相比：行驶里程延长了行驶里程
2、延长了24倍倍；能能快速添加汽油或柴油快速添加汽油或柴油。与传统燃油车传统燃油车相比：内燃机以最有效的模式工作，在相同行驶里程的条件下，燃油消耗和排放少燃油消耗和排放少；可以纯电动方式工作，实现零排放实现零排放。缺点缺点 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按结构分类 串联混合动力电动汽车SHEV(Series Hybrid Electric Vehicle)并联混合
3、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)3.1.2 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 能量流图(车载能源环节的联合车载能源环节的联合)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。发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能
4、一部分用来给蓄电池充电一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮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。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动力电池组为基本能源，可实现“零污染零污染”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，以延长续驶里延长续驶里程程。发动机发动机发电机组发电机组的发动机能够保持在稳定、高效、低污染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
5、体排放控制在最低范围的状态下运转，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布置有较大的自由度。3.1.2 串联混合动力电动汽车 缺点缺点一.电动机功率要求较大电动机功率要求较大。要求动力电池组容量大要求动力电池组容量大，同时还需较大功率的发动机较大功率的发动机发电机组发电机组，二二.整车外形尺寸较大，质量较重整车外形尺寸较大，质量较重三
6、.能量损失较大能量损失较大,能量转换效率比内燃机汽车低能量转换效率比内燃机汽车低。四四.发动机发动机发电机组与动力电池组之间的匹配要求较严格发电机组与动力电池组之间的匹配要求较严格3.1.3 并联混合动力电动汽车 结构示意图 动力总成：发动机、电动机Insight3.1.3 并联混合动力电动汽车 结构示意图3.1.3 并联混合动力电动汽车 能量流图(机械能的联合)3.1.3 并联混合动力电动汽车 特点 2条驱动线路条驱动线路：内燃机和电动机都可通过各自的驱动线各自的驱动线路驱动车轮路驱动车轮。3种驱动模式种驱动模式：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电
7、力辅助型的燃油车，可降低排放和燃油消耗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，比比SHEV三个动力总成的功率、功率、质量和体积小很多质量和体积小很多。发动机可直接驱动车辆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能量转换的综合效率比SHEV高高。车辆需要最
8、大输出功率时，电动机可以给发动机提供额外的电动机可以给发动机提供额外的辅助动力辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃油经济性比发动机功率可选择较小，燃油经济性比SHEV好好.与电动机配套的动力电池组容量较小动力电池组容量较小，使整车质量减小整车质量减小。电动机可带动发动机起动电动机可带动发动机起动，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 并联混合动力电动汽车 缺点缺点 一一.发动机工况会受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放发动机工况会受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于高于SHEV。二二.动力系统结构复杂
9、，布置和控制更困难动力系统结构复杂，布置和控制更困难。3.1.4 混联混合动力电动汽车 结构示意图(以丰田Prius为例)动力总成：发动机、发电机、电动机Prius3.1.4 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3.1.4 混联混合动力电动汽车 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。各部件角速度方程
10、：1+kp2-(1+kp)3=0 kp基本齿数比，kp=Z2/Z1；Z1、Z2分别为太阳轮、齿圈的齿数；1、2、3分别为太阳轮、齿圈和行星架的角速度。各部件运动方程：J11=1M1-2M2/kp J33=M3+3M2(kp+1)/kpJ1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1、2、3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 特点 1.将串联将串联HEV和并联和并联HEV相结合相结合，具有两者的优点。2.与串联与串联HEV相比相比，增加了机械动力的传递路线。3.与并联与并联HEV相比相比，增加了电
11、能的传输路线。3.1.4 混联混合动力电动汽车 优点优点 三个动力总成三个动力总成比SHEV三个动力总成的功率大、功率大、质量和体积小质量和体积小。有多种驱动模式，节能最佳，有害气体排放达到多种驱动模式，节能最佳，有害气体排放达到“超低污染超低污染”。发动机可直接驱动车辆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能量转换的综合效率比内燃机汽车高汽车高。电动机可独立驱动车辆行驶电动机可独立驱动车辆行驶。电动机利用低速大转矩特性，带动车辆起步带动车辆起步，可在城市中实现“零污染零污染”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发动机提供辅助动力，
12、因此发动机功率可选择较小，燃料经济性比燃料经济性比SHEV好好。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。发动机工况受到车发动机工况受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于辆行驶工况的影响，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，需复杂的多需复
13、杂的多能源动力总成控制系统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比较 驱动方式驱动方式的比较传统汽车：只有发动机传统汽车：只有发动机直接驱动汽车直接驱动汽车串联串联HEV：只有电动：只有电动机直接驱动汽车机直接驱动汽车(类似类似与纯电动汽车与纯电动汽车)并联并联 HEV：发动机和电动发动机和电动机都可直接驱机都可直接驱动汽车动汽车3.1.5 混合动力电动汽车的比较 结构结构的比较3.1.5 混合动力电动汽车的比较 主要应用范围应用范围的比较 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
14、：轿车。如丰田Prius。3.1.5 混合动力电动汽车的比较结构模式串联HEV并联HEV混联HEV动力总成发动机、发电机、电机三大动力总成发动机、电动/发电机两大动力总成发动机、电动/发电机、电动机三大动力总成发动机的选择范围发动机功率发动机功率发动机排放发动机排放发动机的选择有多种形式发动机功率较大发动机工作稳定，排气净化较好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之间驱动模式驱动模式只有电动机驱动模式发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-电动机混合驱动模式发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-
15、电动机混合驱动模式、电动机-电动机混合驱动模式传动效率传动效率 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串联HEV并联HEV混联HEV制动能量回收能够回收制动能量能够回收制动能量能够回收制动能量整车总布置整车总布置三大动力总成之间没有机械式连接装置，结构布置的自由度较大，但三大动力总成的质量、尺寸都较大，在小型车辆上不好布置，一般在大型车辆上采用发动机驱动系统保持机械式传动系统，发动机与电动机两大动力总成之间被不同的机械装置连接起来，结构复杂，使布置受到一定限制三大动力总成之间采用机械式连接装置，三
16、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条件适用条件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。3.1.5 混合动力电动汽车的比较结构模式串联HEV并联HEV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，制造成本较低虽然有三大动力总成，但
17、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-能量能量蓄电池提供的蓄电池提供的补充能量补充能量发动机最大效率工发动机最大效率工作时的输出能量作时的输出能量蓄电池蓄电池再生制动回收再生制动回收的能量的能量发动机输出的发动机输出的多余能量多余能量时间时间起步起步减速减速(制动制动)发动机关闭发动机关闭匀速匀速+车辆行驶车辆行驶所需能量所需能量加速加速-时间时间车速车速 1.启动启动 充分利用电动机启动时的低速增扭充分利用电动机启动时的低速增扭 当汽车启动时，油电混合动力系统仅适用由当汽车启动时
18、，油电混合动力系统仅适用由HVHV蓄电池提供能量蓄电池提供能量的电动机的动力启动，这时发动机并不运转的电动机的动力启动，这时发动机并不运转。因为发动机不能在低旋转带输出大扭矩，而电动机可以灵敏、因为发动机不能在低旋转带输出大扭矩，而电动机可以灵敏、顺畅、高效地进行启动顺畅、高效地进行启动 点火启动时，发动机将进行运转，直至充分预热点火启动时，发动机将进行运转，直至充分预热 2.低速低速中速行驶时中速行驶时 由高效利用能量的电动机驱动行驶由高效利用能量的电动机驱动行驶 对于发动机而言，在低速对于发动机而言，在低速中速带的效率并不理想，而另一发中速带的效率并不理想，而另一发面，电动机在低速面，电动
19、机在低速中速带性能优越。因此，在用低速中速带性能优越。因此，在用低速中速行驶中速行驶时，油电混合动力系统使用时，油电混合动力系统使用HVHV蓄电池的电力，驱动电动机行驶。蓄电池的电力，驱动电动机行驶。HVHV蓄电池电量少时，利用发动机来带动发电机发电，为电动蓄电池电量少时，利用发动机来带动发电机发电，为电动机提供动力机提供动力 3.一般行驶时一般行驶时 低油耗的驾驶，适用发动机作为主要动力源低油耗的驾驶，适用发动机作为主要动力源 油电混合动力系统采用发动机，使它在能产生最高效率的速度油电混合动力系统采用发动机，使它在能产生最高效率的速度带驱动带驱动。由发动机产生的动力直接驱动车辆，依照驾驶状况
20、部分动。由发动机产生的动力直接驱动车辆，依照驾驶状况部分动力被分配给发电机。由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发力被分配给发电机。由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发动机。利用发动机和电动机这一双重传动系统，发动机产生的动力动机。利用发动机和电动机这一双重传动系统，发动机产生的动力以最小消耗被传向地面。以最小消耗被传向地面。HVHV蓄电池的电量少时，发动机输出动力会被提高以加大发电量，来蓄电池的电量少时，发动机输出动力会被提高以加大发电量，来给给HVHV蓄电池充电。蓄电池充电。4.一般行驶时一般行驶时/剩余能量充电剩余能量充电 将剩余能量用于将剩余能量用于HV蓄电池充电蓄电池充电 油电
21、混合动力系统在高速运转时是采用发动机来驱动，油电混合动力系统在高速运转时是采用发动机来驱动，而发动机有时会产生多余的能量。这事多余的能量由发而发动机有时会产生多余的能量。这事多余的能量由发电机转换成电力，用于储存在电机转换成电力，用于储存在HVHV电池中。电池中。5.全速开进（行驶）时全速开进（行驶）时 利用双动力来获得更高一级的加速利用双动力来获得更高一级的加速 在需要强劲加速力（如爬陡坡及超车）时，在需要强劲加速力（如爬陡坡及超车）时，HVHV蓄电蓄电池也提供动力，来加大电动机的驱动力。通过发动机和池也提供动力，来加大电动机的驱动力。通过发动机和电动机双动力的结合使用，油电混合动力系统得以
22、实现电动机双动力的结合使用，油电混合动力系统得以实现与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能。与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能。6.减速减速/能量再生时能量再生时 将减速时的能量回收到将减速时的能量回收到HV蓄电池中用于再利用蓄电池中用于再利用 在踩制动器和松油门时，油电混合动力系统使车轮在踩制动器和松油门时，油电混合动力系统使车轮的旋转力带动电动机运转，将其作为发动机使用。减速的旋转力带动电动机运转，将其作为发动机使用。减速时通常作为摩擦热散失掉的能量，在此被转换成电能，时通常作为摩擦热散失掉的能量，在此被转换成电能，回收到回收到HVHV蓄电池中进行再利用蓄电池中进行再利用。
23、7.停车时停车时 停车时动力系统全部停止停车时动力系统全部停止 在停车时，发动机、电动机、发电机全部自动停止运在停车时，发动机、电动机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费能量。转。不会因怠速而浪费能量。3.2.2 串联混合动力电动汽车的工作模式 启动启动/正常行驶正常行驶/加速模式加速模式 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。3.2.2 串联混合动力电动汽车的工作模式 轻载模式轻载模式 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。3.2.2 串联混合动力电动汽车的工作模式 减速减
24、速/制动模式制动模式 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。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。3.2.3 并联混合动力电动汽车的工作模式 启动启动/加速模式加速模式 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%。3.2.3 并联混合动力电动汽车的工作模式 正常行驶模式正常行驶模式 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。3.2.3 并联混合动力电动汽车的工作模式 减速减速/制
25、动模式制动模式 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。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。3.2.4 混联混合动力电动汽车的工作模式 发动机主动型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发动机主动
26、型混联混合动力电动汽车 启动模式启动模式 发动机关闭，由蓄电池给电动机提供电能驱动车辆。3.2.4 混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型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。3.2.4 混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型发动机主动型混联混合动力电动汽车 正常行驶模式正常行驶模式 电动机关闭，发动机工作，提供车辆所需动力。3.2.4 混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型发动机主动型混联混合动力电动汽车 减速减速/制动模式制动模式 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。3.2.4 混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型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。3.2.4 混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型发动机主动型混联混合动力电动汽车 蓄电池充电模式蓄电池充电模式 当停车时，发动机可通过发电机给蓄电池充电。3.2.4 混联混合动力电动汽车的工作模式电力主动型电力主动型混联混合动力电动汽车 启动启动/轻载模式轻载模式 发动机关闭，由蓄电池给电动机提供电能驱动车辆。
