EV-HEV概述

EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述EV/HEV电动和混合动力电动汽车发展的背景:1.汽车用化石能源石油资源的日益枯竭是不可逆转的趋势2.化石能源使用所带来的大气污染和温室气体对地球环境造成不可逆转的影响3.传统内燃机驱动汽车的能源利用率很低,现在最高效的柴油机的能量转换效率为45%,汽油机的转换效率更低.矿物燃料发电的转换效率约70%,假设电池充电效率90%,车辆传动效率为90%,则用电网电能驱动的纯电动汽车的效率可达58%.4.目前纯电动汽车的发展主要受电池等储能技术的制约.制约因数有:○能量密度低.最高的锂离子电池的能量密度为150W.H/KG,汽油为10000~12000W.H/KG.一辆携带50KG汽油的汽车可以行驶600千米以上,而同类的电动汽车携带400KG的铅酸电池一次充电只能行驶100千米左右.○快速充电接受能力差○价格昂贵采用相对较少电池的HEV混合动力电动汽车成为目前最好的选择:HEV可以改善传统内燃机驱动汽车的燃油使用效率,达到减少污染物和温室气体排放的目的.HEV混合动力电动汽车提高能量使用效率的几个理由:1.再生制动:车辆制动时可以利用驱动电机进入发电状态回收部分汽车动能.2.可以使动力总成更有效地工作,消除和减少怠速工作状态.3.可能使用更小的内燃机.因为可以有另一套储能装置在需要时输出部分功率.发动机尽量运行在高效区域.HEV降低污染物排放的几个主要途径:1.纯电动模式运行:在某些区域采用纯电动运行模式.2.降低发动机排放:电动起步,使发动机远离排放差的区域;采用小发动机意味着较小的排放;缩短冷启动时间减少冷启动时的排放.EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述发动机特性曲线:HEV混合动力电动汽车的分类◆按能量传输路线分类:串联混合动力系统(SeriesHEV);并联混合动力系统(ParallelHEV);混联混合动力系统(CombinedHEV)◆按电池-电机与内燃机搭配比例分类:微混合动力系统(microHybridVehicle)—启-停(start-stop)混合,电池和电机的功率比较小,驱动功率主要由内燃机提供.采用所谓一体化启动发电机ISG.可实现5~10%的节油效果.轻度混合动力系统(mildHEV)--电池电机比率较微混合动力系统高,内燃机比率相对减少.车辆加速和爬坡时,电机可向内燃机提供辅助的驱动力矩,但不能单独驱动车辆行驶.电机功率不超过发动机最大功率的10%.节油率可达10~15%.全混合动力系统(fullHEV)--电机和内燃机都可以单独驱动车辆.低速缓加速车辆起步和倒车等情况下车辆可以纯电动行驶;急加速时电机和内燃机一起驱动车辆,并有制动能量回收能力.电机功率为内燃机最大功率的40%,节油率可达30~50%.可外接电源充电混合动力系统(Plug-inHEV)--比全混合更大的电池容量(小于纯电动),电机配置与纯电动一样.可理解为采用内燃机带发电机充电的纯电动汽车.EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述串联式混合动力电动汽车(S-HEV):车辆的驱动力完全来自电动机的混合动力汽车.电动机的电能来自于蓄电池组和发电机。发动机作为发电机的动力来源,直接驱动发电机产生电能,为电动机供电和对蓄电池充电。小负荷时,由电池单独为电动机供能;大负荷时,则由发动机带动发电机为电动机供电。当汽车处于启动、加速、爬坡等工况时,发动机-发电机和电池组共同向电动机提供电能;当电动车处于低速、滑行、怠速等工况时,则由电池组驱动电动机,由发动机-发电机组向电池组充电。发电机和电动机之间采用柔性连接(即为电气连接,而非机械连接),使发动机不受汽车行驶工况的影响,工作在最高效率和较低排放状态,故可选用功率较小的发动机。串联式HEV结构简单,对控制技术要求不高,适合于市内低速运行。不足之处在于:能量传递为机械能—电能—机械能,效率较低。EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述串联混合动力系统的运行模式:1.主要利用电池来驱动车辆,仅当电池电量(SOC)降低到最小值时,内燃机才开机.同时使内燃机在最高效率区以输出恒定功率的方式工作,当SOC回升到最大限值时关闭内燃机.2.负荷跟踪控制模式,保持电池的SOC在规定的范围之内,内燃机带动发电机工作并尽可能地供应接近车辆行驶所需的电能.电池只起负荷调节作用.内燃机不能工作在最佳转速和负荷下,其排放变差,效率降低.3.上述两种模式的一个折中方案.在SOC较高时,主要用纯电动模式.而当电池SOC降低到设定的范围内时,内燃机带动发电机工作,并将其输出严格控制在一定的变化范围内.也称为最佳串联混合动力模式.EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述并联式混合动力电动汽车(P-HEV):发动机和电动机以机械能叠加的方式实现驱动,发动机与电动机分属两套系统,既可共同驱动又可单独驱动。发动机发出的机械能可直接传到驱动桥驱动汽车,电动机也可产生驱动力矩来驱动汽车。这里的电动机既可以作电动机又可以作发电机使用,称为电动-发电机组。即汽车处于制动状态时,电动机作为发电机使用;而在其余状态下,其仍作为电动机使用。发动机与后续驱动系统直接连接,能源利用率较高。并联式HEV适合于高速公路上稳定行驶的工况。相比串联式HEV,结构相对复杂,不需要发电机,实现形式较多,控制技术、结构设计与制造要求高。适合于汽车在中、高速工况下稳定运行.EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述并联式混合动力系统工作模式:1.内燃机辅助混合动力模式:主要利用电池-电机系统来驱动车辆,仅当以较高的巡航速度行驶、爬坡和急加速时才使内燃机开机。优点是车辆排放和燃油消耗减少，缺点是内燃机频繁关机导致效率降低、尾气排放增加。2.电机辅助混合动力模式：主要利用内燃机来驱动车辆，电机只在两种状态下使用，一是用于瞬间加速和爬坡需要峰值功率时，可使内燃机工作在最高效率区间，以降低排放和减少燃油消耗，二是在车辆减速制动时电机被用来回收车辆的动能对电池进行充电。EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述混联式是串联式和并联式动力系统的综合。通过计算机实时控制工作过程,实现发动机和电动机的优化耦合,在结构上保证系统可工作于更复杂的工况下,克服了串联式的能量损失和并联式的热机工作点优化问题。但系统更为复杂,对动力复合装置要求更高。混联式混合动力系统的控制策略是:汽车低速行驶时,驱动系统以串联工作方式为主;汽车高速稳定行驶时,驱动系统以并联工作方式为主。EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述Plug-inHEV可外接电源充电混合动力系统:目前HEV的发展方向是可外接充电式混合动力电动汽车（Plug-inHybridElectricVehicle，PHEV）。PHEV是指可以使用电力网（包括家用电源插座，例如220V电源）对动力电池进行充电的混合动力电动汽车。PHEV具有纯电动行驶较长距离的功能，但需要时仍然可以以全混合模式工作，其最大的特点是将混合动力驱动系统和纯电动驱动系统相结合，可以大大改善HEV的有害气体、温室气体排放和燃油经济性，提高纯电动汽车的动力性能和续驶里程。因此PHEV是一种最有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车（BEV和FCEV）过渡的最佳方案之一。有三种不同结构的Plug-inHEV:并联式，串联式和混联式PHEV。BYD的双模混合动力汽车F3DM就是混联式PHEV。并联式PHEV串联式PHEV混联式PHEVEV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述Plug-inHEV的特点:1)具有纯电动汽车的全部优点：低噪音、零排放及高能量效率。2)PHEV介于纯电动和常规混合动力电动汽车之间，里程短时采用纯电动模式（例如，在一周工作日内上下班），里程长时采用以内燃机为主的混合动力模式（例如，周末长途旅游）。3)可利用外部公用电网（主要是晚间低谷电力）对车载动力电池进行均衡充电，不仅可改善电厂发电机组效率、解决电价问题，而且可大大降低对石油的依赖，从而减少去加油站加油的次数；另外用电比燃油便宜，可以显著减少燃油使用量，降低使用成本。Plug-inHEV用电机、内燃机和动力电池特点如下：电机功率与纯电动情况基本相同（或稍小），视根据纯电动行驶模式的动力性能要求而定；内燃机比常规混合动力车小；动力电池容量（应保证必要的纯电动行驶里程）要比全混合系统的大，比纯电动车辆的小，同时动力电池的功率也随之增加。EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述Plug-inHEV工作模式及控制策略:由于PHEV可通过外部电网充电，比普通HEV有较长的纯电动行驶里程，但需要时仍然可以像普通HEV一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50km的PHEV，如果旅程不超过50km（例如40km），则可以只利用电池以纯电动行驶40km，到旅程终点后，插入电源对电池充电；如果旅程超过50km，则开始的50km可以用电池以纯电动来行驶，超过50km后则可以以通常的混合动力方式行驶，到了旅程终点则再插入电源对电池充电。其电池组工作模式主要包括电量消耗模式（Charge-Depleting,CD）和电量保持模式（Charge-Sustaining,CS），控制策略主要分为纯电动策略和混合策略。纯电动模式的工作特点是：发动机关闭；电池是唯一的能量源，电池SOC降低；零排放，一般只能达到部分动力性指标；低速、低负荷使用。当车辆启动或者只要求部分动力性指标时，采用纯电动控制策略。当电池SOC达到最小门槛值（例如30％）时，需启动发动机（在某个点电池转换到电量保持模式），为此需要大功率电池和电机。混合模式的工作特点是：发动机和电机同时工作；电池SOC降低；高速时使用；当要求全面达到动力性指标时采用；车辆从CD纯电动到混合模式可无缝转变。当需求功率超过电池功率时发动机开始工作，采用发动机参与工作的混合策略，发动机用来补充电池和电机功率以至达到最小SOC门槛值。EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述对驱动电机的扭矩要求EV/HEV对驱动电机的性能要求：EV/HEV的电气驱动方案:EV/HEV中的电机驱动系统应具有较高的转矩-惯量比，瞬时功率大，过载能力强，尽可能宽广的高效率区以及良好的转矩转速特性：低速时的大扭矩（恒转矩区），较宽广的恒功率速度范围。目前和未来可选取的电气驱动方案有以下几种:交流感应电机驱动系统IM：交流感应电机驱动系统具有结构简单、制造容易、价格低和坚固耐用等特点,弱磁控制简单，弱磁速度范围宽，适用于混合电动车。其控制可采用磁场定向矢量控制和直接转矩控制。感应电机的效率较高,但低于永磁电机。典型感应电机效率在74~94%（功率几KW~几百KW）永磁电动机系统PM：在电动车中获得了最广泛应用，可分为二类：一类是方波驱动的无刷直流电动机系统(BLDCM)，另一类是永磁同步电动机系统(PMSM)。永磁电动机系统具有体积小、重量轻、效率高和控制灵活；但磁钢价格高，存在高温退磁问题，可靠性和使用寿命等比感应交流电机驱动系统差。由于转子基本没有损耗，永磁电机具有较高的效率，一般在90~98%（10~几百KW）EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述永磁同步电机的控制:转子位置传感器选择:1.增量式编码器(脉冲输出);2.霍尔传感器+增量式编码器（组合相当于UVW型编码器,脉冲输出）;3.绝对位置编码器(数值输出)4.霍尔传感器+旋转变压器（具有高可靠性，但需要专用解码电路）5.SIN/COS编码器(与增量式编码器比较,可以达到更高分辨率)EV/HEV纯电动与混合动力电动汽车概述转子位置传感器简介:■增量式编码器(脉冲输出)：输出方波脉冲信号A，B，Z■UVW型编码器：输出脉冲A，B，Z外，还输出UVW三路互差120度表示磁极位置的脉冲信号（相当于增量式编码器+三相霍尔传感器）■绝对位置编码器(数值输出)：可以测量实际位置的传感器，用数值表示位置，并行或串行方式输出。■旋转变压器（具有高可靠性，但需要专用RDC解码电