1、第五章 典型混合动力驱动系统分析,2007年秋天，丰田在中国推出 了混合动力车型雷克萨斯LS600L。该车匹配5.0L传统发动机和1台功率等 同于1升发动机的电动机，其动力水 平与奔驰S600及宝马760相当。其 百公里油耗只相当于1台1.8升发动 机的传统轿车，起动时可以实现零排放,在混合动力系统中，根据电动机的输出功率在整个系统输出功率中所占比重，分为五类：弱混合、轻度混合、中度混合、重度混合和插电式混合。混合度H是指电系统功率Pelec占动力源总功率Ptotal的百分比，由下式计算： H= Pelec / Ptotal *100%弱混合动力（也称微混合动力）：对传统发动机的起动机进行了改
2、造，形成由带传动的发电起动一体式电机(BSG)。电机功率较小，仅靠电机无法使车辆起步，起步过程仍需要发动机介入。在城市循环工况下节油率一般为5%10%。轻度混合动力：采用了集成起动电机(ISG)。除了能够实现用电机控制发动机的起停外，还能够在电动汽车制动和下坡工况下，实现对部分能量进行回收；混合度一般在20% 以下，代表车型是通用汽车公司的混合动力皮卡车。中度混合动力：采用ISG系统。与轻度混合动力系统不同，采用了高压电机，混合度可以达到30%。在城市工况下节油率达到20%30%，技术成熟，应用广泛。本田汽车公司旗下的Insight、Accord和Civic混合动力汽车都属于这类系统。重度混合
3、动力（也称全混合动力，强混合动力）：采用了272650V的高压电机，混合度可以达到50%以上，在城市循环工况下节油率可以达到30%50%。随着电机、电池技术的进步，重度混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。丰田普锐斯混合动力汽车采用的就是重度混合动力系统。 插电式混合动力(Plug in Hybrid)：可以利用电网，对动力电池充电，一般插电式混合动力轿车都有车载充电机，可以使用家用电源为电池充电，,混合度不同，功能要求有所区别，如下：,第一节 单桥驱动全面混合型混合动力乘用车,1997年丰田公司首次推出Prius HV，采用THS（TOYOTA HYBRID SYSTEM）和THS
4、-的第一代和第二代Prius HEV是较为典型的代表，且已有多种变型产品。如在THS基础上增加无级变速器的THS-C系统、在THS-的基础上增加电气式四轮驱动系统的THS-+E-Four等。,THS的主要组成：电动机、发动机（汽油机）、逆变器、驱动用电池（Ni-MH）、散热器等。,1-控制装置总成 2,5- ECVT动力分配系统总成 3-镍氢电池组 4-发动机,6,链条的传动比改变,由滚锥轴承变为滚珠轴承,采用WS型变速器液,MG1 发电机,MG2 电动机,主要混合动力系统,THS电压变换系统,THS-电压变换系统,8,丰田普锐斯,驱动电机特性曲线,9,系统框图,Prius系统框图,HV 蓄电
5、池,制动执行器,辅助电池,空调压缩机,空调变频器,DC-DC 转换器,SMR1, 2 and 3,升压转换器,MG1,MG2,混合驱动桥,变频器,发动机,档位传感器 (换档, 选择),加速踏板位置 传感器,车速传感器,CAN,发动机 ECU (ECM),防滑控制 ECU,蓄电池 ECU,DLC3,HV ECU,分解器型速度传感器 (MG2),混合动力汽车变速机构总成,发动机的动力直接传至行星齿轮的行星架，一部分动力再传至与车轮连接的电动机，另一部分动力传至发电机。通过控制发动机、发电机、电动机的转速即可实现所需要的车速。由于发电机及电动机的转速可以在一定范围内任意设置，因此车辆可实现无级变速。
6、该装置被称为电子控制无级变速器E-CVT。,11,丰田普锐斯,丰田Prius行星轮机构,下表为车速与发动机、电动机和发电机转速关系的一个测试实例，蓄电池功率为负时表示充电，反之为放电。,动力分配机构的组成及工作原理,动力分配机构使用的是行星齿轮装置。齿圈、行星齿轮架和中心齿轮分别与电动机、发动机和发电机相连。发动机动力直接传递到行星齿轮架，再通过行星齿轮架分配到齿圈与中心齿轮。与电动机直接相连的齿圈的动力通过减速器传递到车轮，当电动机有动力输出时，齿圈上的动力由发动机和电动机的动力两部分组成。分配到中心齿轮的动力通过带动发电机而发电，发电机的电力可以直接供给电动机使用，也可以向蓄电池充电。,1
7、4,丰田普锐斯,技术特点分析 发动机技术 额定功率相对较小，容易工作于高效区； 工作循环为Atkinson循环，其热效率高，膨胀比大； 采用VVT（智能可变气门正时）装置，可以根据工况准确调整进气门开启与关闭时刻，始终保持最高充气效率。 功率变换单元 201.6VDC转化为500V三相交流，结构不变的情况下增大了电动机的功率，减少能量损失； 201.6VDC转换为201.6VAC，提供给空调电动压缩机。 技术、结构复杂，成本高，省油、环保但不“经济”,THS-的主要组成,主要由发动机（汽油机）、发电机、电动机、动力电池、逆变器等18 个部件组成。当汽车处于不同的工作模式时，系统中参与工作的部件
8、数量不同，其燃料、电力、动力（机械力）和热量的传递路线亦有所不同。,1-发动机(汽油机) 2-发电机 3-电动机 4-高压电池 5-驱动电池用逆变器 6-空调用逆变器 7- 升压电路 8-12V充电用DC/DC 9-辅助电源 10-汽油箱 11-差速器 12-空气压缩机电机 13 发动机用冷却器 14-逆变器用冷却器 15-冷凝器(制冷剂用) 16-散热器 17-蒸发器 18 空调单元,THS-混合动力汽车的工作原理,(1) 发动机起动 与传统燃油汽车不同，THS的发动机起动时，不使用专门的起动机，而是使用发电机起动。汽车起动时散热器尚未工作，故无热量交换，此时燃料、电力和动力(机械力)的传递
9、路线分别为： 燃料传递路线：10-汽油箱1-发动机 电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC 5-驱动电池用逆变器2-发电机 动力传递路线：2-发电机1-发动机,(2)发动机热机和充电当发动机需要热机或蓄电池需要充电时，燃料、电力、动力(机械力)和热量的传递路线为： 燃料传递路线：10-汽油箱1-发动机 电力传递路线：2-发电机8-12V充电用DC/DC 4-高压电池和9-辅助电源 动力传递路线： 1-发动机2-发电机 热传递路线：1-发动机16-散热器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器,(3)汽车电动机起步与传统汽车不同，HEV起步时通常使用电驱动，燃油发动机不参与工作。
10、此时电力、动力(机械力)和热量的传递路线为： 电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC5-驱动电池用逆变器7升压电路3-电动机 动力传递路线： 3-电动机11-差速器(车轮) 热传递路线：1-发动机16-散热器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器,(4)发动机和电动机并联加速起步当汽车需要大转矩或急加速起步前进时，发动机和电动机同时参与工作。此时燃料、电力、动力和热量的传递路线分别为： 燃料传递路线：10-汽油箱1-发动机 电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC 5-驱动电池用逆变器7升压电路3-电动机 动力传递路线： 3-电动机11-差速器(车轮)+1-发动机
11、11-差速器(车轮) 热传递路线：1-发动机16-散热器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器,(5)发动机和电动机串联工作车辆正常行驶时，发动机的动力超过汽车行驶动力的需求，此时采用发动机和电动机的串联工作模式，发动机带动发电机发出的电力一部分驱动电动机，另一部分用于对动力蓄电池充电： 燃料传递路线、热传递路线（略） 电力传递路线：2-发电机5-驱动电池用逆变器4-高压电池；2-发电机7-逆变器（升压）3-电动机 动力传递路线：1-发动机2-发电机1-发动机11-差速器(车轮) 3-电动机11-差速器(车轮),(6)汽车全负荷高速行驶需要大功率发动机、电动机、发电机和蓄电池将全部输出动力
12、供汽车行驶需要。 电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC 5-驱动电池用逆变器7-升压电路3-电动机；2-发电机5-逆变器7-升压电路3-电动机 动力传递路线： 3-电动机11-差速器(车轮)+ 1-发动机11-差速器(车轮)+ 1-发动机2-发电机,（7）行驶中发动机充电(多用于加速结束后，以一定速度行驶的工况)汽车行驶中蓄电池电量不足时，采用行驶中发动机充电工作模式，发动机的动力一部分用于直接驱动汽车，一部分带动发电机并向蓄电池充电。 电力传递路线：2-发电机5-逆变器4-高压电池 动力传递路线： 1-发动机2-发电机+1-发动机11-差速器(车轮),(8)电动机行驶（用于倒
13、车和缓行等工况）在汽车倒车或缓行等工况时，采用电动机行驶模式。此时发动机不参与工作。 动力传递路线： 3-电动机11-差速器(车轮) 电力传递路线：4-高压电池5-驱动电池用逆变器7升压电路3-电动机。,(9)制动能量回收（Regenerative Braking）汽车制动、下坡行驶时，通常采用制动能量回收模式工作，此时发动机停止工作。 电力传递路线：2-发电机5-逆变器4-高压电池 动力传递路线： 11-差速器(车轮)2-发电机 热传递路线：1-发动机16-散热器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器,（10）汽车滑行汽车滑行时，虽然不需要车辆驱动动力，但空调系统仍需要驱动力，此时电力和
14、热量的传递路线为： 电力传递路线：4-高压电池8-12V充电用DC/DC6-空调用逆变器12-空气压缩机电机 热传递路线：12-空气压缩机电机17-蒸发器；5-驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器；12-空气压缩机电机15-冷凝器(制冷剂用),(11)汽车停车 当汽车在十字路口停车并且空调处于关闭状态时，THS系统停止工作。,第二节、双桥驱动全面混合型混合动力乘用车,双轴（桥）驱动的混联式HEV也是常见的HEV之一，该类车辆类似于燃油车的越野车或SUV。主要有两种型式：前轮由混合动力驱动，后轮由电动机驱动；后轮由混合动力驱动，前轮由电动机驱动。丰田公司开发的Estima混合动力系统和富士重工9
15、 scrambler混合动力系统都是双桥驱动全面混合型，请感兴趣的同学自学。,动力系统布置型式,一种是车顶车厢底部空间并用式，发动机和电动机/发电机布置于车厢底部， 逆变器和电池组放置于空间宽大的车顶；另一种是车厢底部布置方式。共轨燃油喷射发动机、三相感应式电动机/发电机、高功率逆变器、高性能镍氢电池等动力总成部件全部布置于车厢底部。,第三节 混合动力电动巴士,举例：三菱AEROSTAR NONSTEP HEV的混合动力系统采用了车顶车厢底部空间并用型和串联式混合动力系统。两个感应式电动机并联 (最高功率67kW)。发电机为40kW的交流永磁发电机。发动机的动力全部经过发电机转变为电能驱动电动
16、机使车辆行驶或经过逆变器之后存储于电池或驱动辅助电动机(空调压缩机、动力转向泵等用)等。采用的控制方式为变压、变频。,燃油车和HEV的驱动力、车速关系图,采用串联式混合动力系统，发动机的全部动力由发电机转换为电能并存储于蓄电池或驱动电动机。串联式混合动力系统中，发电机效率对汽车的油耗有重要影响。发动机低负荷和低转速下，发电机的效率较低。故整车控制系统应尽量使发动机工作在发电效率高的工况，以提高HEV的经济性。,发动机转速对发电机效率的影响,发动机动力和电动机动力是设计混合动力电动巴士时需要确定的参数之一。通常，汽车低速行驶时，电动机的辅助动力占汽车行驶所需的最大驱动力的比例较大；随着车速提高，
17、电动机辅助动力占汽车行驶所需的最大驱动力的比例逐渐减少。,在起步与加速和正常行驶的部分条件下，电动机发挥辅助驱动作用，在减速时，与主制动器联合制动，产生大部分制动力，并回收制动能量。 在停车或正常行驶的部分条件，根据蓄电池的荷电状态，柴油机运转或停止工作。,第四节 超级电容器混合动力汽车,日产柴油机工业公司的超级电容混合动力汽车的主要性能参数,并联式超级电容混合动力汽车的布置电动机/发电机和柴油机可以分别单独驱动或联合驱动车辆行驶，系统的全部总成均布置于货厢下部。,串联式超级电容混合动力汽车的动力系统的布置超级电容器、逆变器、电动机/发电机、采用Miller循环的CNG发动机等均布置于车辆的后
18、部，CNG气瓶安装于车辆顶部。,超级电容混合动力汽车的超级电容控制器,在小于5s的瞬时放电时，放电功率可达40kW，放电电流可达400A，在连续放电时，最大放电功率可达25kW，最大放电电流可达250A。工作温度基本可以满足汽车的使用条件。,充放电电流和电压的关系,第五节 清洁燃料混合动力汽车,清洁燃料汽车使用的燃料主要有：天然气和二甲醚两大类；混合动力的类型有串联、并联和混联三种；车辆型式有乘用车、货车和巴士三种；能量储存装置有锂离子蓄电池、超级电容器和飞轮储能器三种。,混合动力系统为串联式，电动机/发电机和发动机之间的分离和接合依靠单向离合器完成。电能储存装置超级电容器被置于车辆前端顶部，
19、DME发动机、电动机/发电机、DC/DC、DC/AC变换器、离合器等被置于车辆后端，HEV用逆变器置于车辆后轮前面。,日野汽车公司开发的某款装备DME发动机混合动力汽车的动力系统布置,单向离合器DME串联式混合动力汽车采用了一个与发动机的飞轮和减震器相连单向离合器，用于分离和接合电动机/发电机和发动机之间连接，实现车辆的再生制动和串联等工作模式。 PRM型永磁电机为了达到小型化和高效率的目的，电动机兼发电机采用了永磁磁阻型PRM (Permanent magnet Reluctance Motor),DME混合动力汽车的工作模式,离合器1分离 ，离合器2接合、发动机停止工作,离合器1和2都接合
20、、发动机和电动机同时工作,离合器1和2都接合、发动机工作，电动机作为发电机使用，向蓄电池充电,离合器1分离 、2接合、发动机停止工作，电动机作为发电机使用，将制动能量转换为电能向蓄电池充电。,DME混合动力汽车的工作模式有电力驱动、并联驱动、发动机驱动和制动能量回收四种模式。,第六节 可外电源充电式混合动力汽车PHEV（Plug-In HEV）,一、充电式混合动力汽车的特点具有从电网电源充电功能（普通HEV无此功能），兼备EV和HEV的优点，在解决能源供给和降低温室气体CO2排放方面具有明显优势。既可使用电网电源的电能，又可以使用由随车的发电机提供的电能。,若取掉电网电源充电器，其动力系统和普
21、通并联式HEV没任何区别。,美洲杉（Sequoia）HEV动力系统,第七节 飞轮电池混合动力汽车,本田公司开发的混合动力汽车用FWB的主要性能指标为：储存电能250 Wh，最大功率15 kW、FWB自重34.7 kg，充放电效率93（单向），最高转速50000r/min，真空箱的压力为10Pa以下。在FWB混合动力汽车上并联使用两个FWB则可实现30 kW的驱动功率。,44,通用别克君越 2.4L ECO-Hybrid,45,通用别克君越 2.4L ECO-Hybrid,汽车启动阶段，借由电动机辅助，降低起步油耗，加快起步加速； 爬坡或急加速时，电机辅助驱动； 匀速行驶时，移用发动机剩余的动力
22、为电池充电； 减速过程中，发动机会切断动力输出，并且为电池充电； 汽车的所有动力系统被切断。,各工况下的控制策略,46,通用别克君越 2.4L ECO-Hybrid,技术特点 混合动力系统结构：传统发动机BAS系统(Belt Alternator Starter 皮带传动起动/发电机，通过皮带与发动机曲轴相连)，该系统由起动/发电机单元、张紧轮和皮带、发动机控制模块及36V镍氢电池等组成； 实现功能：怠速停机、助力、行车发电、制动能力回收（回收发动机断油后剩余能量）； Auto Stop智能停机模式： 进入条件：变速器挂D档空调关闭或处于Eco（电动）模式电池电量高于L指示车速大于20km/h
23、；驾驶员踩下刹车踏板便能激活智能停机模式；否则发动机怠速； 松开制动踏板后，发动机会立即重新启动并恢复至怠速状态； BAS系统结构简单、重量轻，对整车原有结构改动很小，成本低（仅比传统车高出2万元）；但是由于电机功率过小，电池容量有限，节油效果不明显；,47,东风本田 CIVIC Hybrid IMA系统,48,本田IMA系统,系统特点3阶段可变气门正时系统 根据发动机转速，切换进排气凸轮轴正时，可实现完全关闭气门，禁止发动机换气，消除发动机的泵气损失 高速车辆减速，发动机倒拖时配合断油功能，实现发动机停缸技术，最大程度减少发动机油耗,49,东风本田 CIVIC Hybrid,分工况控制策略,
24、50,东风本田 CIVIC Hybrid,IMA系统的发动机和电机 该系统也应用在本田INSIGHT混合动力上,51,东风本田 CIVIC Hybrid,技术特点 3-Stage i-VTEC 双凸轮轴 发动机 VTEC：可变气门正时及升程电子控制 3-Stage：通过低转速、高转速、气缸停止三阶段对阀门进行控制；即起步时，低速凸轮轴工作，输出较大扭矩；急加速时，高速凸轮轴会接管对气门的控制，增大功率输出；行驶速度在3540km/h区间时，发动机停止工作（不点火，气门全部关闭，但活塞继续运动），完全靠电动机驱动车辆。 IMA系统实质上就是ISG型式的轻度并联混合动力系统，可以实现怠速停机、混合
25、驱动、纯电动、行车发电及制动能量回收功能； 电动机同曲轴固定在一起，安装在汽油发动机和CVT之间，纯电动及制动能量回收时，曲轴跟着回转，带动活塞运动； 车身改动不大，技术与成本能较好平衡。 原装进口，售价较高。,52,奔驰S400 Blue Hybrid,53,奔驰S400 Blue Hybrid,电机内置于发动机 和变速器间的液力变 矩器中； 电池安装在引擎盖 下，可将电池和车辆 的温度控制系统集成 在一起，以便控制其 温度以保证最佳性能。,54,奔驰S400 Blue Hybrid,动力总成,动力电池组,55,雪弗兰Silverado混合动力,动力电池安装于后座椅下,56,日产混合动力,电动机&起动机,锂离子电池,逆变器,电动机&起动机,CVT,发动机,电磁离合器,57,Hino混合动力,58,Hino混合动力,
