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HEV/PHEV混合动力系统构型分析ouymg@tsinghua.edu.cn欧阳明高混合动力系统构型总体分析背景，节能原理，基本构型及其自由度分析HEV-并联，串并联，功率分流PHEV混合动力系统仿真与测试分析中国HEV/PHEV典型构型与技术路径选择内容提要3汽车能效与混合动力发展背景混合动力发展背景基本原则与节能原理•混合动力能量来源：电能Ee和油能Ef•最经济的能量流是来自Plug-in的电能以最高效率被利用；内燃机燃料的化学能以最高效的方式被利用。两个高效能量流没有交叉。4油箱，Ef能量流（功率）车轮电机能量流（功率）变速箱和动力耦合装置内燃机电池,Ee最高效能量流（平行流）基本原则与节能原理•不管是哪种混合动力构型，燃料的化学能经内燃机以可能的最高效率转换成机械能以后，再经过任何一个多余的环节，效率都会降低，无论这个环节是机械耦合还是机电耦合。5发电机油箱，Ef能量流（功率）车轮电机能量流（功率）变速箱和动力耦合装置内燃机电池,Ee基本原则与节能原理•由此可以了解，混合动力节能的基本原理是：1.发动机的三个聚类工况①高效并联驱动工况：保留内燃驱动中最高效率热-机能量转换路径上的工况点（有一定转速和转矩变化范围）。未必都位于发动机的最高效率区，而是那些接近最高效率区、若增加一次机→电→机转换会得不偿失的那些点其它低效率工况点聚类成两个稳态工况点②高效稳态发电工况：最高效率点③停机2.回收惯性能量7发电机能量流（功率）车轮电机变速箱和动力耦合装置电池,Ee油箱，Ef能量流（功率）内燃机①②③①高效并联驱动工况②高效稳态发电工况③停机•工况①和工况②在双电机/CVT等无极调速下可以归并为一个聚类工况基本原则与节能原理节能与新能源各种路径/措施的技术经济性微混轻混深混插电式混合动力增程式EV纯电动燃料电池油耗零排放3~5%10~15%30~35%60~90%70~95%关键技术发动机启停技术BSG/ISG电机技术48V电池及电气技术混合动力专用发动机技术传动系机电耦合技术制动能量回收技术高效率、高性能的电机及电池技术增程器发动机技术高能量密度、高安全性和低成本动力电池成组技术整车能量管理控制技术燃料电池的功率密度、冷启动、可靠性等性能提升技术降成本技术节油潜力电机变速器离合器车轮动力电池发动机电机发动机离合器离合器变速器车轮动力电池电机发动机离合器离合器变速器车轮动力电池增程器发电机驱动电机电机电机储氢罐蓄电池燃料电池堆HEV/PHEV的节能潜力混合动力系统构型分析•混合动力车辆是一种介于普通汽车和电动车辆之间的过渡型车辆，兼有两者的一些优点，如超低排放、高效率和续驶里程长，只是成本较采用传统动力系统的车辆稍高。因此，混合动力是近期切实可行的一条车辆发展技术路线。•混合动力汽车根据动力系统的结构可以分为串联构型(Series)、并联构型(Parallel)、混联构型(Combined,Series-Parallel,Power-split)几种形式。不同构型的混合动力系统各有其优缺点，其方案的选择取决于多种因素，例如：应用环境、驾驶工况、成本考虑等。1.串联构型(SeriesHybrid)•串联构型的特征是只有一个能量转换装置可以为车辆提供驱动力。在串联式混合动力汽车中发动机带动发电机发电，或通过燃料电池发动机直接输出电能•系统能量以电能的形式进行混合•一般具有部件体积大，重量大的特点，多应用于大型客车、货车等商用车型中辅助功率单元APU发动机发电机电池电机变速箱车轮机械连接电连接混合点燃料电池电池电机变速箱车轮121.1串联构型特点•串联混合动力中发动机与车辆完全机械解耦，其运行工况不受汽车行驶工况的影响，可以始终控制在最佳的工作区稳定运行。•串联式混合动力电动汽车适合于负载频繁变化的市区工况，因为发动机可以不受道路情况影响保持高效率运行发电。而在负荷持续较高的高速路工况行驶时，往往因为要经过机械能―电能―机械能多次能量转换，与传统车辆和并联构型相比，系统效率相对较低，不能体现出优势。•采用串联式结构控制简单，并可使汽车的排放降低。然而由于车辆所需的功率完全由电机提供，发动机功率需要完全由发电机吸收，必须采用功率大的发电机和电动机，使整车成本提高。1.2串联构型系统方程与自由度•从能量平衡的角度看，车辆所需功率由电机提供，电机所需功率由电池和发电机共同提供。因此发电机输出功率为自由变量，系统具有一个能量自由度。对于一个给定的发电机输出功率，发动机可以自由选择工作转速，因此发动机转速为自由变量，发动机具有一个机械自由度。1.3串联构型系统工作模式辅助功率单元APU发动机发电机电池电机变速箱车轮放电驱动停机辅助功率单元APU发动机发电机电池电机变速箱车轮放电发电驱动辅助功率单元APU发动机发电机电池电机变速箱车轮驱动充电发电辅助功率单元APU发动机发电机电池电机变速箱车轮充电制动辅助功率单元APU发动机发电机电池电机变速箱车轮充电停车a)纯电动驱动模式b)发动机/电机联合工作模式（功率分配模式）c)制动能量回收模式d)停车充电模式2.并联构型(ParallelHybrid)•并联构型的特点是有多个能量转换装置可以同时给车辆提供驱动力。•根据混合点的位置不同，并联构型又可细分为离合器前混合型（构型1）、离合器后混合型（构型2）、变速箱后混合（构型3）、双离合器型（构型4）和道路混合型(构型5)•其中构型1结构多用于微混合和轻度混合系统。构型2，3，4和5多用于全混合系统。•微混合动力中电机功率很小，通常只具备快速启/停发动机和部分制动能量回收功能。轻度混合则在微混合的基础上增加了电机助力和更强的制动回收能力。在全混合中电机功率已经足够大以实现单独驱动车辆能力，从而使系统具备纯电动能力。发动机电池电机车轮变速箱发动机电池电机车轮变速箱车轮道路发动机电池电机车轮变速箱发动机电池电机车轮变速箱离合器离合器离合器离合器1245离合器发动机电池电机车轮变速箱离合器32.1并联构型特点•并联构型系统中车辆驱动力通常主要由发动机提供，电机起到辅助作用。所要求的电机、发动机功率可以降低，电池容量可以减小，电池组重量也可以降低，使制造成本降低。•根据离合器和混合点位置关系不同，并联系统可以细分为几种构型。对于混合点前没有离合器的构型（构型1），离合器位于混合点后，发动机不能独立于电机脱开。发动机起系统主要动力源的作用，电机只起辅助作用，一般没有纯电动状态，系统通常为微混合或轻度混合动力系统。发动机和混合点之间存在离合器的构型（构型2，3，4），发动机可以通过离合器分离实现与传动系脱离，车辆由电机独立驱动。因此，此类构型通常也需要功率较大的电机，系统多为深混合动力系统。对于混合点后有离合器的系统（构型1，4），可以通过发动机和车辆传动系脱开，采用电机实现发动机迅速起动功能。2.2并联构型系统方程与自由度•从能量平衡的角度看，车辆所需功率由电机和发动机共同提供。因此电机输出功率(或发动机输出功率)为自由变量，系统具有一个能量自由度。由于机械连接的限制，发动机和电机的转速均由车速决定，系统不具有机械自由度。系统自由度体现在了扭矩变量的自由上，发动机和电机的输出扭矩叠加后共同驱动车辆。2.3并联构型系统工作模式发动机电池电机车轮变速箱车轮道路发动机电池电机车轮变速箱发动机电池电机车轮变速箱离合器离合器离合器245离合器发动机电池电机车轮变速箱离合器3分离驱动放电放电驱动放电驱动停机停机分离驱动放电分离分离停机停机a)发动机快速启动/停止模式b)纯电动模式发动机电池电机车轮变速箱车轮道路发动机电池电机车轮变速箱离合器25离合器发动机电池电机车轮变速箱离合器离合器4结合结合结合结合充/放电发电/驱动发动机电池电机车轮变速箱离合器1结合充/放电发电/驱动驱动发电/驱动充/放电驱动驱动发电/驱动驱动充/放电发动机电池电机车轮变速箱离合器3充/放电驱动结合发动机电池电机车轮变速箱发动机电池电机车轮变速箱车轮道路发动机电池电机车轮变速箱发动机电池电机车轮变速箱离合器离合器离合器离合器1245离合器发动机电池电机车轮变速箱离合器3分离发电充电充电发电发电充电充电发电停机停机分离发电充电分离分离停机停机断油/停缸c)联合工作模式d)制动能量回收模式2.3并联构型系统工作模式3.混联构型(CombinedHybrid)自动变速箱自动变速箱行星齿轮发动机电机车轮变速箱离合器2电池电机发动机车轮发电机电池电机1发动机车轮发电机电池电机3－1发动机车轮电机电池电机3－2离合器离合器行星齿轮组行星齿轮组•混联式构型是串联构型与并联构型的综合。系统的主要特征为：•1.至少包含两个电机；•2.系统能量混合方式同时具备并联混合和串联混合特征。3.1混联构型特点•混联式驱动系统兼具串联式和并联式的优点，具有更全面的混合动力工作模式，系统能量分配灵活度更高，能更好的适应车辆复杂的行驶工况。•对于频繁行驶/停车和蠕行的城市工况，系统可以通过关闭发动机，通过电机以纯电动方式行驶，充分利用了串联混和动力的优势。对于持续中高负荷的高速路工况，发动机为车辆行驶提供主要能量，具有并联构型特征和优势。•多数混联构型（构型1，构型3-1）都利用了行星齿轮机构进行能量分配，在实现了能量分配的同时，还实现了车辆的变速器功能，替代了传统车辆的手动或自动变速器。•然而，混联构型往往系统比较复杂，需要动力分配装置（行星齿轮）和多个电机，使得系统成本和复杂度大大提高。3.2混联构型系统方程与自由度•从能量平衡的角度看，车辆所需功率由电机和发动机共同提供。因此电机输出功率(或发动机输出功率)为自由变量，系统具有一个能量自由度。由于行星齿轮机构的特点，在实现了能量分配的同时提供了一个转速自由度，使得发动机转速为自由变量，与车辆行驶工况解耦。3.3混联构型工作模式自动变速箱自动变速箱行星齿轮发动机电机车轮变速箱离合器2电池电机发动机车轮发电机电池电机1发动机车轮发电机电池电机3－1发动机车轮电机电池电机3－2离合器离合器行星齿轮组行星齿轮组驱动放电停机停机分离放电驱动停机放电驱动a)纯电动模式b)联合工作模式自动变速箱自动变速箱发动机电机车轮变速箱2电池电机发动机车轮发电机电池电机1发动机车轮发电机电池电机3－1发动机车轮电机电池电机3－2离合器离合器行星齿轮组行星齿轮组放电结合充电/放电驱动/发电驱动驱动发电充电驱动行星齿轮离合器充电/放电驱动/发电驱动发电充电充电/放电驱动/发电驱动驱动驱动驱动/发电驱动/发电充电/放电充电/放电3.3混联构型工作模式自动变速箱自动变速箱发动机电机车轮变速箱2电池电机发动机车轮发电机电池电机1发动机车轮发电机电池电机3－1发动机车轮电机电池电机3－2离合器离合器行星齿轮组行星齿轮组发电分离发电发电行星齿轮离合器充电发电发电充电发电c)制动能量回收模式3.3混联构型工作模式自动变速箱自动变速箱发动机电机车轮变速箱2电池电机发动机车轮发电机电池电机1发动机车轮发电机电池电机3－1发动机车轮电机电池电机3－2离合器离合器行星齿轮组行星齿轮组分离发电充电行星齿轮离合器驱动发电充电发电充电d)停车充电模式3.3混联构型工作模式主流整车产品构型方案小结构型分类功率解耦构型（PowerSplit）单电机构型（P2）四驱电桥构型本田双电机i-MMD构型图主电机功率60~147kW30~80kW30~100kW124kW副电机功率42~134kW-10~30kW105kW混动功能具备全部混动功能具备除串联以外的全部混动功能具备全部混动功能具备全部混动功能技术特点(+)通过电机调速实现e-CVT功能，市区节油效果好；(-)需匹配两个大功率电机；(-)高速时的功率分流导致一部分的效率损失。(+)单电机，结构紧凑，易于模块化；(+)可借用传统变速器资源，只需做少量适应性改进；(-)起机控制复杂、前驱车型布置难度大。(+)四轮驱动，提高了车辆驾驶性，适合SUV车型；(+)PHEV化容易；(-)适合于SUV车型，小型车布置困难。(+)变速器结构简单紧凑；(+