电动及混合动力系统简介

纯电动、燃料电池、混合动力汽车技术简介汽油发动机D-4VVT-iLeanBurnCNG替代能源DieselDI柴油发动机纯电动汽车混合动力汽车FCHVTHSSeriesHybridEV完美的环保车兼顾燃油经济性与环保的未来汽车技术开发电动汽车的动机•能源安全性•能源经济性•环境保护纯电动汽车动力系统•由电池（或未来的燃料电池）提供能量，牵引电机系统将电池能量转化成驱动力•结构简单，容易实现•采用电能，对石油依赖性低，有利于国家能源安全•关键在于电池技术的突破•对牵引电机系统的效率要求很高电池管理系统整车控制器电池减速机.牵引电机电机控制器纯电动汽车•由于电池及充电设施的制约，销量非常有限•中国政府大力推动电动汽车的发展除非电池技术出现重大突破，纯电动汽车只能用于数量有限的专用市场，例如：…特殊用途电动车机场行李拖车:80V,18/30kW邮递卡车城市及社区内用小型车丰田e-com•零售价:$14,000•电池:NiMH,288V/28Ah•行驶里程:100km(城市/高速公路驾驶循环)•最高时速:100公里/小时福特-TH!NKCity新应用概念:接站电动车•利用公交作长途旅行工具•电动车为局部区域的代步工具•会员制:所有的电动车为会员所共有•为使用者带来便利:•交通的灵活性•切实可行的替代方案•长途旅行时的”自由时空”•不需拥有多余的私用车•为社区带来的好处:•减少空气污染•缓解交通堵塞燃料电池的优越性•零排放(纯氢式)或接近零排放•比内燃发动机好得多的燃油经济性(2-3倍)•可使用灵活多样的初始燃料•氢气Hydrogen•甲醇(从有机废料中提取)•天然气•石油PEMElectrolyteCatalystAnodeCathode1/202H2FuelAirHeatWater(H2O)2e-2e-2H+OxygenSide½O2+2H++2e-H2OHydrogenSideH22H++2e-BalanceH2+½O2H2O燃料电池的工作原理MK5MK8MK9MK7Ballard的燃料电池电堆燃料电池混合动力系统再生制动工况fuelcellbatteryconvertermotorinverterfuelcellbatteryconvertermotorinverter正常行驶工况福特和戴姆勒-克莱斯勒的燃料电池电动车Ecostar提供的集成式驱动系统集变速箱、电动机、逆变控制化器、DC/DC变换器于一体电子部分可拆卸式设计连续功率50kW/峰值功率80kW变速箱角度可调节•丰田于2002年12月1日推出第一台供租赁试用的燃料电池汽车。•丰田自主开发的燃料电池电堆以及燃料电池系统丰田的燃料电池汽车•本田公司已在美国获得上路的许可证•计划在最近推出样车试用项目•采用Ballard公司和本田自己制造的电堆•本田自产的燃料电池系统本田的燃料电池汽车纯电动/燃料电池汽车用牵引电机系统•2003年开始开发，经过多轮完善•用于上海大众燃料电池轿车中参与2008奥运示范运行•用于上汽、长安、一汽的燃料电池轿车中参与世博会示范运行•计划以此系统为基础开发新一代系列化牵引电机系统产品燃料电池汽车所面临的挑战•低温工作困难，冷起动时间过长•在快速动态工况下可靠性和耐久性不够•对燃料杂质的要求较高•制造成本较高•车内储氢•加氢基础设施燃料电池汽车的发展趋势•燃料电池有成为未来汽车动力系统的潜力•但是还有许多技术和基础设施方面的难题需要解决才能实现产业化世界各国都在投入一定资源开发燃料电池汽车；然而产业化还需假以时日混合动力汽车发展的推动力混合动力车现在就可以满足客户的需要:•燃油经济性•大大改善排放改善燃油经济性的主要途径•减少汽车做功•降低重量、轮胎阻力、空气摩擦阻力•回收制动能量•增加零部件的瞬时效率•降低发动机与动力系统的损耗•优化燃烧过程（如：稀薄燃烧、Miller循环等)•增加燃烧温度（柴油、陶瓷发动机）•增加系统的平均效率•在怠速或汽车减速时关闭发动机•以电机和电池储能取代发动机低效工况区域•以电机和电池储能辅助减小的发动机混动动力系统工作原理及优势汽车载荷谱0变速箱ISG发动机P(kW)T(s)201030ISG电动运行ISG发电运行发动机最经济工作点运行电力电子控制器高压电池发动机最经济工作点混合动力系统实现方案：ISG系统•可以实现频繁启停、减小发动机和部分制动回收能量的功能•结构简单，对原车的改动较小，成本较低，容易实现，进入市场快•节油15%-25%（取决于工况）•近期国产混合动力车的主要方案EngineControlISGControlBatteryManagementVehicleControlBatteryTrans.ISGPowerController15kW皮带传动集成式起动发电机12V12Vor36VStarterQuick&NoiselessAlternatorEfficiency+5-10%ECUPowerRotorExcitation+sensorsignal丰田的THS-M皮带传动ISG系统•用于丰田的CROWN牌轿车•2001年8月开始在东京出租车上试运行•引擎:•3升,6缸,24阀•147kW/5000rpm•电动机:•3kW,1680–11440rpm•最大力矩：56Nm0-300rpm•电池电压：36V丰田皮带传动ISG电机设计指标电压:21.6V最大电流:140Arms输出功率:电动:2.1kW(546-1,200rpm)再生制动:6.2kW(5,000-9,000rpm)最高转速:15,000rpm尺寸:153.5mm(diameter)x214.0mm(length)重量:10.6kg驱动方式:皮带盘冷却:发动机冷却水本田Civic动力系统-LSRCVT特殊发动机:•1.3LI-4,63kWat5700rpm•119Nmat3300rpm•Twosparkspercylinderforleanburn•Variablevalvetimingcontrolcapableofclosingtheintakevalveforthreecylinders变速箱:•Metalbeltcontinuousvariabletransmission(CVT)•Speedvariationrangeof2:1电动机辅助系统(IMA)•10kW,1000-4000rpm•49Nm,0-1000rpm中度混合电动车用ISG系统2007年12月底，装配大郡B样系统的长安混合动力杰勋下线，成为国内自主品牌首款量产混合动力轿车2008年3月底，长安C样系统通过测试，开始小批量供货2008年6～9月，装配大郡电机系统的长安混合动力新能源汽车服务绿色奥运。2008年12月，科技部“十城市千辆”工程首先在重庆开始。首批10辆公务车交付重庆市政府使用。2009年6月上市销售混合动力系统实现方案：双电机系统•可以实现频繁启停、减小发动机、制动能量回收和纯电动起步的全部功能（强混合或全混合）•节油30%-50%（取决于工况）•结构复杂，实现难度大，成本比较高•有实力的厂商开发（丰田、一汽、上汽等）EngineControlMotorControlBatteryControlVehicleControlBatteryTrans.TractionMotorISGIPUTrans.Control7-10kW30kW丰田THS混合动力系统•引擎:•1.5升,4缸,16阀•输出功率：53kW、（4500rpm）•最大力矩:115Nm（4200rpm）•电动机:•最大输出功率:33kW,1040–5600rpm•最大力矩:350Nm0-300rpm•电池电压：274VFrontBatteryRearElectricmotorInverterFuelTankFrontElectricmotor2.4-literhighexpansionratiocyclegasolineengineCVTPlanetaryGear+ClutchEstima动力系统示意图ToyotaHybridSystem–CVT(THS-C)THS-C系统的布置图强混合动力车用双电机系统•为东风混合动力轿车配套•2003年开始开发•至今已经提交近20套系统样机•已完成10万公里行车试验•样车进行日常运行•为一汽混合动力轿车配套•2004年开始开发•第二代A样机已提供近20套•参与2008奥运示范运行项目•正与整车客户商谈产品开发计划电动/混合动力系统方案：串联Plug-in系统•在纯电动汽车上加一个车载发电机组（RangeExtender)•具备一定的纯电动续驶里程（50-100公里）•短途用电，长途用RangeExtender•结构简单，容易实现•采用电驱动，运行成本低•对电池要求较高•通用、丰田、比亚迪采用此方案EngineControlMotor/GeneratorControlBatteryControlVehicleControlBatteryTrans.TractionMotorPowerElectronicsControllerGeneratorRangeExtender混合电动车功能与实现方案混合动力功能实现方案发动机频繁启动减小发动机(助力/减少发动机拖动的辅助功能)再生制动电动起步慢爬模式燃油经济性改善程度C-car,M-HCycle传统汽车Possible(unpleasant)NONONONO3%皮带驱动ISG(12V/42V)YES(0.3sec)Minimal(3kW)Minimal(3kW)NONO5-6%曲轴驱动ISG(42V)(PbA/Adv.Battery)YESModest(9kW)Modest(9kW)NONO8%-12%中混合度HEV(144V)本田Civic，长安杰勋YESYES(-30%disp.ANDAtkinson)YES(fullbenefit)NONO20%-39%全混合HEV(288V)丰田Prius,福特Escape，一汽/东风YESYESYESYESYES35%-55%纯电动Plug-inHEVYesYESYESYESYES50%电动汽车/混合动力汽车发展趋势•近期内ISG系统是主打产品•随着电池技术（特别是锂离子电池）的快速发展，纯电动和Plug-in系统将得到重点关注和快速发展，研发能力不足，新进入电动汽车领域的整车厂尤其青睐此技术•鉴于电池发展的不确定性以及充电设施的制约，采用双电机系统的强混合动力汽车将占据一定的比例，并根据电池成熟程度，往Plug-in靠拢混合电动车的关键技术燃料电池内燃发动机串联混合电动车并联混合电动车储能电池电驱动系统变速箱系统分析与优化•最优系统结构和零部件配置•最优控制封装布置与结构设计•热管理•结构应力分析•振动分析测试•系统/零部件的设计认证测试•耐久性能测试关键总成技术–混合动力发动机•电机与发动机输出特性互补叠加•以电机输出满足动态需求，减小发动机功率要求和尺寸•发动机与电机一体化集成设计•发电机与电机一体化集成控制实现更为精细的燃烧控制转速扭矩IMG电机发动机总成关键总成技术–混合动力变速箱变速箱+牵引电机的机电一体化总成•AMT变速箱技术•离合器技术•牵引电机与变速箱冷却系统一体化设计（机械结构与传动设计、冷却设计、润滑设计）•变速箱与牵引电机一体化集成控制以实现平顺换档功能AMT变速箱牵引电机发动机关键总成技术-电力电子控制器总成•ISG、TM电力电子控制器一体化集成；同时集成大功率DCDC，及低压蓄电池充电用DCDC。•母线电压优化控制技术：利用大功率DCDC实现直流母线电压动态调节，提高系统效率及可靠性•大功率DC/DC可用于匹配控制两种不同的电源（如电池+燃料电池，电池+超级电容器等），实现电-电混合39成功的关键在于系统优化发动机的特性•最佳工作区域•工作模态具体应用要求•特定的驾驶循环•可接受的价格•燃油经济性和排放的标准电机驱动系统•尺寸和最大力矩曲线储能元件系统控制结语•随着电池技术的发展，纯电动汽车受到中国政府