第五讲-混合动力系统原理介绍

机械与运载工程学院混合动力电驱动系统及其应用周维车辆工程系机械与运载工程学院课程提纲混合动力电动汽车的概念混合动力电动汽车的节油机理混合动力电驱动系统动力耦合装置混合动力电驱动系统的类型混合动力电驱动系统的典型应用机械与运载工程学院混合动力电动汽车的概念电驱动车辆电驱动车辆是指用电力驱动系统全部或部分代替内燃机驱动系统的车辆。电驱动车辆纯电驱动车辆混合电驱动车辆纯电动车辆燃料电池电动车辆串联混合动力电动车辆并联混合动力电动车辆混联混合动力电动车辆多电源电力混合多动力机电混合混合动力电动车辆机械与运载工程学院混合动力电动车辆的定义混合动力汽车：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，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或多个驱动系共同提供。混合动力电动汽车：是指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汽车称为混合动力电动汽车。HEV,指能够至少从下述两类车载储存的能量中获得动力的汽车：－可消耗的燃料；－可再充电能/能量储存装置。混合动力电动汽车的概念机械与运载工程学院车载能量源动力生成装置传动系内燃机特性场转化装置能量存储系统能量存储和调节转化系统电动机驱动轮用于能量存储或进行能量的初始转化以向动力生成装置直接供能的所有部件的总称。用于把其他形式的能量转化为机械动能(旋转动能)的装置，直接作为传动系的输入用于传递和调节动力生成装置输出的旋转机械动能，并输送给车辆驱动车轮，实现车辆正常行驶的所有部件的总称车辆上所有的用于存储、转化和传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称。具体由车载能量源、动力生成装置、传动系以及其他辅助系统组成。车辆驱动系辅助系统混合动力电动汽车的概念机械与运载工程学院车载能量源动力生成装置传动系内燃机特性场转化装置能源存储系统能源存储和调节转化系统电动机驱动轮串联混合动力系统并联混合动力系统混联混合动力系统混合动力电动汽车的概念机械与运载工程学院课程提纲混合动力电动汽车的概念混合动力电动汽车的节油机理混合动力电驱动系统动力耦合装置混合动力电驱动系统的类型混合动力电驱动系统的典型应用机械与运载工程学院混合动力汽车的节油机理传统内燃机车辆能量利用情况城市工况(公路工况)机械与运载工程学院公路工况换挡机会少且很少使用制动，怠速损失少；空气阻力损失约为各种行驶阻力所需能量的一半。20.2%城市工况怠速和制动损失相当高，怠速17.2％/制动5.8%空气阻力损失约为各种行驶阻力所需能量的1/5。12.65%内燃机自身热效率最佳热效率31~38%兼顾动力性需求，发动机后备功率较大，比如加速功率可达巡航行驶功率的5倍以上混合动力汽车的节油机理传统内燃机车辆能量利用情况分析机械与运载工程学院混合动力汽车的节油机理发动机Downsize:发动机只需提供稳态功率，加速和爬坡时的峰值功率由电机提供，这样，可以采用小功率的发动机，从而减少了功率损失，降低了油耗取消怠速工况：由于电机能零速启动，而且响应速度非常快，所以在遇红灯或交通堵塞需要短时停车时，可以使发动机熄火，取消怠速优化发动机工作区间：混合动力汽车有两个以上的动力源，所以通过各动力源的合理配合可以对发动机的工作点进行调节，使发动机尽可能工作在高效区制动能量回收：在车辆减速或停车时，通过电机进行制动，将车辆的动能转化为电能回收到储能装置中辅助系统电动化：电动转向，电动制动，电动空调机械与运载工程学院混合动力汽车的节油机理左上：传统汽车发动机工作点右上：并联混合动力汽车发动机工作点右下：串联混合动力汽车发动机工作点机械与运载工程学院混合动力汽车的节油机理4035301073%FEBenefitZEVLaunchassistEnergyMg’mtRegenIdleStopFunctions:NiMH,60kgNiMH,40kgNiMH,20kgVRLA,30kgVRLA,30kgFloodedPb-Acid,25kgBatteryElectricElectricElectricElectricConventionalConventionalAncillariesOffsetISG300VCrank-ISG150VCrank-ISG42VBeltISG42VBeltISG42VBeltISG14VElect.M/GDownsizedDownsizedDownsizedConventionalConventionalConventionalPowerTrain4035301073%FEBenefitZEVLaunchassistEnergyMg’mtRegenIdleStopFunctions:NiMH,60kgNiMH,40kgNiMH,20kgVRLA,30kgVRLA,30kgFloodedPb-Acid,25kgBatteryElectricElectricElectricElectricConventionalConventionalAncillariesOffsetISG300VCrank-ISG150VCrank-ISG42VBeltISG42VBeltISG42VBeltISG14VElect.M/GDownsizedDownsizedDownsizedConventionalConventionalConventionalPowerTrain机械与运载工程学院课程提纲混合动力电动汽车的概念混合动力电动汽车的节油机理混合动力电驱动系统动力耦合装置混合动力电驱动系统的类型混合动力电驱动系统的典型应用机械与运载工程学院混合动力驱动系统动力耦合装置根据参与耦合的物理量不同，可以将动力耦合装置分为转矩耦合和转速耦合两种转矩耦合：两动力装置输出机械转矩叠加，转速成固定比例关系！22112211knknnTkTkTininoutininout机械与运载工程学院混合动力驱动系统动力耦合装置机械与运载工程学院混合动力驱动系统动力耦合装置转速耦合：两动力装置工作转速叠加，输出转矩成固定比例关系！22112211kTkTTnknknininoutininout机械与运载工程学院混合动力驱动系统动力耦合装置机械与运载工程学院混合动力驱动系统动力耦合装置定子浮动式同轴电机耦合机械与运载工程学院电电耦合系统机械与运载工程学院Outline混合动力电动汽车的概念混合动力电动汽车的节油机理混合动力电驱动系统动力耦合装置混合动力电驱动系统的类型混合动力电驱动系统的典型应用机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型按照电能所占比重不同，可以将混合动力系统分为四种类型微混：又称为“起-停混合”，电动机功率很小，仅作为发动机的起动机/发电机使用。通常采用BSG结构，节油效果5%-10%。宝马1系，奥迪A3等都是采用的BSG微混系统，即将成为欧美发达国家燃油汽车的标配系统轻混：电机可向发动机提供辅助的驱动力矩，优化发动机工作区间，但无纯电动工况。通常采用ISG结构，节油效果10%-15%。典型应用为本田Insight的IMA系统全混：整车具有纯电动工况，节油效果可达30%-40%。典型应用为丰田prius的THS系统插电式：可以通过外接电源充电，比全混系统具有更长的纯电动行驶里程，被认为是混合动力驱动系统的重要发展方向。典型应用为雪佛兰Volt机械与运载工程学院不同混合度节油效果比较机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型按照系统配置和耦合形式的不同，混合动力驱动系统还可以分为串联式、并联式和混联式三种主要形式机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型串联式混合动力驱动系统1、发动机不直接驱动车轮，其唯一功能是带动发电机发电，车辆驱动力完全由电动机提供2、发电机输出的电能和蓄电池的电能通过电气装置实现电电耦合3、当发电机输出功率大于电动机输入功率时（减速滑行、低速行驶），富余功率给电池充电；当发电机功率小于电动机功率时，不足功率由电池补充（加速、爬坡、高速巡航）机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型优点：1、发动机与驱动轮没有直接机械连接，因此发动机工作状态不受车辆行驶工况的影响，可以对其工作点进行任意调节，从而控制其始终在最佳的工作区域内稳定运行；使高速发动机能够得到应用，例如燃气轮机或具有缓动态特性的动力机械（如斯特林发动机）2、整车的结构布置自由度大，特别适合于多轮独立驱动的应用缺点：1、发动机输出的能量经过两次转化才传递到驱动轮，能量利用率低，串联混合动力系统的发动机保持在最佳工作区域内稳定运行，这一特点的优越性主要表现低速工况，而在中、高速行驶时，由于电传动效率低，抵消了发动机效率高的优点机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型缺点：2、因为电动机是驱动汽车行驶唯一的动力装置，所以电动机的功率要足够大，以满足加速、爬坡等工况的需求，这就导致电机的体积和重量都很大串联混合动力汽车适用于经常在市内低速行驶的工况，而不适用于高速公路行驶工况机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型并联式混合动力驱动系统1、发动机与驱动轮有机械连接，可直接驱动车辆。2、通过动力耦合装置将发动机和电动机的机械功率耦合在一起输出机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型优点：1、发动机和电动机都直接向驱动轮提供转矩，不存在能量形式的转换，因而能量损失较小2、牵引电动机功率相比于串联式混合动力系统要小缺点：1、发动机与驱动轮存在机械连接，因此其工作状态受驱动轮的影响而不能任意调节，从而发动机的工作区间不能得到最优化2、动力耦合装置结构复杂机械与运载工程学院并联式混合动力系统的分类混合动力驱动系统的类型机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型a单轴联合式机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型b双轴联合式转矩耦合双轴联合式转速耦合双轴联合式机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型转矩与转速耦合可切换的双轴式并联混合动力系统低速时：转矩耦合，适应高加速性能和爬坡能力的需求高速时：转速耦合，以保持发动机转速处于最佳运行区机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型c驱动系联合式机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型1、结构上综合了串联式和并联式的特点，与串联式相比，增加了机械动力的传递路线，与并联式相比，增加了电能的传递路线2、发动机功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电，发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力耦合装置传送给驱动桥混联式混合动力驱动系统机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型优点：充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，使系统在最优状态下工作，所以更容易实现排放与油耗的控制目标缺点：结构复杂，成本高，控制困难机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型混联式混合动力汽车的类别开关式混联系统机械与运载工程学院混合动力驱动系统的类型功率分流式混联系统机械与运载工程学院宝马i8插电式混合动力1.5T发动机；6速DCT机械与运载工程学院奥迪A3-etron机械与运载工程学院通用Volt(沃蓝达)机械与运载工程学院丰田Prius(普锐斯)机械与运载工程学院上汽荣威550Plug-in机械与运载工程学院比亚迪秦机械与运载工程学院丰田Prius(普锐斯)机械与运载工程学院混合动力驱动系统典型应用丰田PRUIS混合动力系统THSTHS-ITHS-IITHS-III年份199720032009发动机1.1L4缸（奥托循环）1.5L4缸（阿特金森循环）1.8L4缸（阿特金森循环）电池电压（镍氢）274201.6201.6系统电压274500650电动机（永磁同步）30kW50kW60kW100公里油耗5.7L5.4L4.7L机械与运载工程学院奥托循环和阿特金森循环在吸气冲程结束时，推迟气门关闭，排出去一点气，使压缩行程短于膨胀做功行程，能够更充分释放废气蕴含的能量热效率