1、2、混合动力汽车结构,HEV的工作原理,图1 发动机万有特性效率图,HEV的工作原理,在图1中，横坐标是发动机的转速，竖坐标是发动机的转矩，等高线表示效率。从发动机的万有特性图可以看出，本发动机高效区在转速2000一4500r/min及输出转矩95一125N.m之间，当发动机运行于低速或低转矩的情况下，发动机效率都比较低。HEV控制系统对发动机控制的目标就是使发动机尽量工作于高效区，这时发动机燃油消耗较低，尾气污染物排放较少。,HEV的工作原理,与传统汽车相比，HEV还有电动机作为辅助动力源，因此可在低速和低转矩工况下，关闭发动机，由电动机驱动车辆，从而避免发动机工作于低效区。而且在发动机工作
2、时，可以通过功率辅助或主动充电来调节发动机的工作点，使得发动机工作于高效区附一近。 当发动机工作在最佳效率转矩曲线和最大转矩曲线之间时，电动机可以作为功率辅助器运行，使得发动机的运行点向最佳效率转矩曲线靠近;类似，当发动机运行在最佳效率转矩曲线和高效区最小转矩曲线之间时，电动机可以作为发电机工作，此时发动机的输出转矩等于驱动转矩和发电转矩之和，通过调整发电转矩，就可以调节发动机的输出转矩，使得它向最佳效率转矩曲线靠近。,HEV的工作原理,传统汽车在多数路况下运行，只需发动机最大功率的一小部分，而其后各功率一般只用于短暂的加速、爬坡等路况。混合动力系统配各有电动机，能够提供很大的驱动转矩，可在需
3、要大功率的路况下提供功率辅助。图2是某HEV最大转矩曲线图，可以看出该HEV的最大输出转矩为发动机最大转矩和电动机最大转矩之和。因此，混合动力系统在选择发动机时可选择较小的额定功率。这样，在多数路况下混合动力系统的发动机在接近额定功率的区域工作，而在需要大功率输出的路况中，由电动机提供功率辅助。,HEV的工作原理,图2 混合动力系统功率辅助最大转矩曲线,HEV的工作原理,由于发动机在低速和低转矩区工作效率比较低，而接近额定功率区效率一般很高，所以选择小功率的发动机能够提高发动机的工作效率、降低质量，从而提高了燃油经济性，降低有害排放。,HEV的工作原理,发动机在低速和低转矩下运行效率比较低，此
4、时一般关闭发动机，采用纯电动的方式来驱动汽车。 混合动力系统在电动机单独驱动(简称为纯电动)下运行，排放为零，只需考虑燃油经济性。 纯电动的电能主要有两个来源:制动能量回收和发动机主动充电。制动能量回收由于没有消耗燃料，可认为燃油经济性为无穷大。发动机带动电动机给电池充电的情况就比较复杂，需要考虑发动机和电动机的效率，还要考虑能量转换效率，以及电池的使用寿命等因素。总的来说，纯电动工况的燃油经济性较高，排放为零。,HEV的工作原理,减速或制动时的能量回收： 传统汽车在减速或制动时，通过制动器将汽车的动能转换为热能消耗掉，这是一种能量浪费。而HEV在减速或制动时，电动机可作为发电机工作，利用发电
5、机来制动HEV，从而将汽车的动能转换为电能存入蓄电池。在保证行车安全的前提下，减速或制动能量回收是HEV提高燃油经济性的主要因素。,混合动力汽车用发动机选型,选择混合动力汽车用发动机时，首先要考虑的就是满足汽车性能要求的发动机尺、与额定功率问题。在大多数的混合动力汽车设计中，发动机的额定功率将由车辆需求的平均功率决定，结果与传统的汽车发动机相比，混合动力汽车用发动机是相对较小的。另外，对于所开发的并联混合动力汽车，为达到车辆的节能和低排放目标，要控制发动机工作在高效区，即在低负荷由电机提供驱动功率，发动机关闭:在高负荷(发动机满足不了整车需求)时，电机参与工作等。,混合动力汽车用发动机选型,此
6、外，在选用混合动力汽车用发动机时还要考虑到整车总布置问题，这是因为在混合动力汽车上采用了多种动力部件，而汽车的可用空间又非常有限，所选用的发动机应有利于动力传动系的合理布置。另外还要考虑发动机的噪声和振动、可靠性、使用寿命、维护成本、运行成本以及安全性能等因素。 考虑到上述因素并总结了目前各国在混合动力汽车研究中所选用的发动机方案知，可以应用于混合动力汽车的发动机主要有:转子式发动机、燃气轮机、斯特林发动机以及四冲程汽、柴油机等。,燃料转换装置优点和缺点,国外混合动力公交客车结构方案,国外已经上市的混合动力轿车技术参数,2 HEV的分类,目前国内外研究的HEV有多种结构，其分类方法一般有两种:
7、按“混合度”分类和按动力系统布置分类。 混合度是指电动机功率与发动机功率的比值。 根据混合度，HEV可分为:弱混合和强混合两类。两者均具有怠速停车、再生制动和电动机辅助功率功能。除此之外，强混合还具有纯电动行驶功能。通常混合度越高，燃油经济性越高，排放越低。本田Civic的混合度为15.9%，是弱混合的典型车型:丰田Prius2001的混合度为62.3%，是强混合的典型车型,混合动力汽车按动力系统布置分类,按动力系统布置分类，HEV可分为: 串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle，简称SHEV), 并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid E
8、lectric Vehicle，简称PHEV), 混联式混合动力汽车(Parallel and Series Hybrid Electric Vehicle ，简称PSHEV) 复合式混合动力汽车(Composite Hybrid Electric Vehicle，简称CHEV)。 四种HEV的动力系统布置结构见图3所示。,串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV),SHEV的动力系统结构是HEV中最简单的一种，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，该电能可通过功率转化器为蓄电池充电，或经由电动机和传动装置驱动汽车。 SHEV以电动机作为
9、主驱动装置，发动机作为辅助动力装置，以提高行驶里程。由于在发动机和发电机之间的机械连接无离合器，同时它们与其它传动系统无机械连接，故布置较灵活。此外，发动机受行驶路况影响较小，易运行在高效区。但是SHEV的能量转换、传输的环节多，造成能量转换效率比较低:而目，为满足爬坡等需要大功率的路况，发动机、发电机和电动机的额定功率都要求比较大。 典型的SHEV有丰田公司的Coaster等。,串联型混合电动汽车驱动系统,图4 串联型混合电动汽车驱动系统,串联型混合电动汽车驱动系统,串联型混合电动汽车驱动系统的结构如图4所示。其驱动系统由发动机、发电机、电动机、变速箱以及蓄电池等组成。串联型混合电动汽车驱动
10、系统结构形式单一，发动机、发电机和电动机成串联形式连接。发动机只用来发电，发电机负责提供电能给电动机，只有电动机用以直接驱动汽车。同时，发电机发出的部分电能存储到蓄电池里，在有需求的时候，蓄电池也同时给电动机供电来实现更大的功率输出,串联型混合电动汽车驱动系统,在串联型混合电动汽车驱动系统中，只有电动机输出的力可以加到驱动轴上。电力驱动模式是唯一的驱动模式。发动机和车轴没有直接的机械连接。这样可以减少汽车的瞬态响应对发动机的影响，使发动机点火喷油控制器能更稳定地控制发动机，使其始终工作在期望的高效工作点。通常的串联型控制策略是:当扭矩需求不是特别大时，发动机燃烧燃料提供能量给发电机发电，发电机
11、将电量提供给电动机用以驱动车辆，多余的能量则通过给电池充电存储起来;而到了扭矩需求很大时，不仅发动机通过发电机给电动机提供能量，而且电池也给电动机提供能量,串联型混合电动汽车驱动系统,串联型混合电动汽车特别适合于城市工况。因为城市工况中经常有频繁的起步、停车、加速和低速工况，这些工况对发动机而言都属于效率很低、排放很差的工况，而串联型混合电动汽车可以在整个过程中保证发动机工作于最佳工况点，避免了发动机的频繁启停。发动机保持稳定、高效、低污染的运行状态，将有害气体的排放控制在最低的范围内。,串联型混合电动汽车驱动系统,串联型混合电动汽车的结构和工作原理比较简单，控制系统的设计也相对要简单一些。有
12、很好的动力性能，是最接近电动汽车的混合电动汽车。但是串联型混合电动汽车驱动系统的各部件功率较大、外形较大、质量也较大，因此安装布置有很大的难度。而且，由于串联系统的能量要从热能转化为电能再转化为机械能，中间有很大的能量损失，燃油经济性不高。,并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV),PHEV采用发动机和电动机两套驱动系统。可采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或发动机和电动机联合驱动三种工作模式。 它以发动机作为主动力装置，电动机作为辅助动力装置，目的是为了降低排放和燃油消耗。在汽车需要大功率输出(如爬坡、加速等)时，发动机和电动机联合驱动
13、汽车，故发动机和电动机的额定功率选较小值，就可达到动力性要求。 在汽车减速或刹车时，电动机工作在发电状态，向蓄电池充电，即再生制动。与SHEV相比，PHEV的发动机和电动机的功率较小，但结构比较复杂，同时控制难度增加。 典型PHEV有:日野公司的HIMR型大客车、本田公司的Insight轿车等。,并联型混合电动汽车驱动系统,与串联型混合电动汽车不同的是，并联型混合电动汽车采用内燃机和电机两套独立的驱动系统驱动车轮。其驱动系统主要由发动机、电机和变速箱等组成。并联型混合电动汽车根据结构的不同又可以划分为单轴式、双轴式和分路式三种。,并联型混合电动汽车驱动系统,图5 单轴式并联型混合电动汽车的驱动
14、结构,并联型混合电动汽车驱动系统,单轴式并联型混合电动汽车的驱动结构如图5所示。其发动机通过主传动轴与变速箱相连，电动机转矩则通过齿轮与内燃机的转矩在变速器前进行复合，传到驱动轴上的功率是两者的和。,并联型混合电动汽车驱动系统,图6双轴式并联型混合电动汽车的驱动结构图,并联型混合电动汽车驱动系统,双轴式并联型混合电动汽车的驱动结构如图6所示。它有两套机械的变速箱，分别用来与发动机和电机相连。它们通过各自的变速箱之后，经齿轮系进行复合。因此，他们之间的转速比例关系是可调的,分路式并联型混合电动汽车的驱动结构,图 7 分路式并联型混合电动汽车的驱动结构,分路式并联型混合电动汽车的驱动结构,分路式并
15、联型混合电动汽车的驱动结构如图1.7所示。其发动机和电机各成一套动力系统，与双轴式不同的是，它们各自驱动前轮或后轮，通过转速来复合。有的分路式混合动力电动汽车的电机直接驱动前轮或者后轮，没有变速箱和离合器。 并联型混合电动汽车结构的多样性决定了其控制的灵活性。其发动机和电机是相互独立的，可自由控制各自的出力。其通用的控制策略和思想是:当车辆在怠速、低速等小功率工况下运行时，只采用电动机驱动，关闭发动机;而当控制系统监测到这时的工况是处于发动机的高效区时，就只利用发动机来驱动，并且在这个时候，还可以用发动机来通过电机给电池充电，在急加速和高速运行时，又可以让电机和发动机同时出力。另外，还可以调节
16、电机出力，使发动机仍然保持工作在高效区内。,并联型混合电动汽车驱动系统,并联型混合电动汽车因为结构独立、控制灵活可以实现很好的控制结果，但同样也给控制算法的实现提高了难度，控制器的集中控制增多，不像串联型混合电动汽车的控制较为分散和成熟。另外，由于采用两套独立的驱动系统，它们的复合装置的开发难度也很大。,并联型混合电动汽车驱动系统,并联型混合电动汽车用电动驱动的方式来代替发动机效率很低、排放很差的工况，只让发动机保持稳定、高效、节能的运行状态，具有很好的燃油经济性和环保性能。另外，由于并联型混合电动汽车可以将发动机和电机的功率复合起来，所以在部件选型的时候，可以选择功率小一点的发动机和电机。功
17、率小的部件的体积通常会要小些，安装和布置都要容易些，同时价格成本也较低。,混联式混合动力汽车(Parallel and Series Hybrid Electric Vehicle ，PSHEV,PSHEV在结构上综合了SHEV和PHEV的特点。与SHEV相比，它增加了机械动力传递路线:与PHEV相比，它增加了电能的传输路线。发动机和电动机可选择比较小的功率，控制策略灵活，发动机可以比较容易地工作在高效率区域。但是结构复杂，成本高。,混联型混合电动汽车驱动系统,混联型混合电动汽车的驱动系统结合了串联型和并联型结构的优点。目前销售最成功的丰田Prius混合动力电动汽车就采用了这种结构。,混联型混
18、合电动汽车驱动系统,混联型混合电动汽车驱动系统,混联型混合电动汽车的驱动系统的结构如图8所示。其发动机经离合器将动力输出到行星架上，行星齿轮按照固定的比例将扭矩分配到内圈的太阳轮和外部的齿圈。齿圈轴与电动机、传动轴动机和传动轴相联，太阳轮轴与发电机相联。动力分配装置将发动机一部分转矩(大约为70%)直接传递到驱动轴上，将另一部分转矩传送到发电机上。发电机发出的电将根据指令来决定是给电池组充电，还是驱动电动机以增加驱动力，这样就可以起到调速的作用。,混联型混合电动汽车驱动系统,图8 Prius:混联型混合电动汽车驱动结构,混联型混合电动汽车驱动系统,混联型结构可以灵活实现各种工作模式。低速和启动
19、时，行星齿轮只有一个自由度，发动机关闭，只有电池供电电动机来输出扭矩。当扭矩需求较大时，启动发动机，在发动机运行时，行星齿轮将发动机的功率分为两条线路。一条通过齿圈直接传到变速器，另一条驱动发电机发电，给电池充电或直接驱动电机。根据电池状态和动力需求，由发电机来承担发电或调速的作用;制动时，电动机和发电机均可以进行能量回收，向电池充电。由于电动机可以辅助出力，因此可以保证发动机工作在最高效率区内。,混联型混合电动汽车驱动系统,混联型混合电动汽车的传动系统的效率很高，它能最好地实现燃油经济性和最低排放。其各零部件的功率较小，因此体积小、质量轻，布置较为灵活。但是，混联型混合动力电动汽车的结构相当
20、复杂，行星齿轮等复合机构的开发难度和工艺要求很高，制造成本也相对要高。,复合式混合动力汽车(Composite Hybrid Electric Vehicle，CHEV,CHEV结构更加复杂，一般用于双轴独立驱动系统，相当于一套完整的串联系统加上一套完整的并联系统，工作模式更加多样化，成本最高，控制系统也最复杂。,混合动力汽车用电机的选择,在混合电动汽车中，电机的作用主要有两种:一是用于驱动车辆，即作为电动机使用，二是回收制动能量和给电池充电，作为发电机使用。与通常工业中所用的驱动电机不同的是:用于混合动力电动汽车的驱动电机要求能够频繁的启动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高扭矩，而高速行
21、驶时则要求低扭矩，并且对速度变化范围要求大:而工业驱动电机通常都优化工作在额定工作点。,混合动力汽车用电机的选择,因此，电动汽车用驱动电机与普通工业驱动电机在负载要求、技术性能及工作环境等方面的特点可归纳如下 ： 1）电动汽车驱动电机需要有4-5倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求;而工业驱动电机只要求有2倍的过载能力。 2)电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计:而工业驱动电机只要根据典型的工作模式进行设计。,混合动力汽车用电机的选择,3)电动汽车驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图，在较宽的转速和扭矩范围内都有较高的效率;而工业驱动电机只需在额定工作点附近进行效率优
22、化。 4)电动汽车驱动电机通常需要和发动机或其他电机共同工作，因此要求其可控性高、稳态精度高、动态性能好;而工业驱动电机只有某一特定的性能要求。 5)电动汽车驱动电机通常要求安装在机动车上，空间小，而且工作环境恶劣，如高温、坏天气及频繁振动等;而工业驱动电机通常固定工作运行。,混合动力汽车用电机的选择,目前，在全世界范围的电动汽车研究中，不同的研究机构采用了不同种类的电机。主要包括直流电机、鼠笼式感应电机、永磁同步电机(包括永磁无刷直流电机)和开关磁阻电机。直流电机调速性能好、控制简单、成本低，但是过于笨重、维护性差，法国多采用直流电机。鼠笼式感应电机可靠、易维护、价格低廉、效率很高、比功率较
23、高，是目前应用最广泛的电机。永磁同步电机具有高比功率、高效率的特点，但是成本太高。开关磁阻电机结构简单坚固、成本低、功率密度高、调速控制简单，但转矩脉动大、工作噪声大。,混合动力汽车用动力电池,在混合动力汽车中，储能元件起着向电动机供能及向动力传动系输出峰值功率的作用，其另外一个作用是吸收制动再生能量并将其存储起来 。,混合动力汽车用动力电池,能量回收制动(Regenerative breaking)对提高混合动力汽车的总效率是非常有意义的，据文献介绍，对应EPA混合燃油循环，能量回收制动可减少车辆驱动能量需求的14%。对公路用重型载货汽车当在8%的坡道上并维持1OOkm/h下坡车速时，通常需
24、要大约600kw的纯制动功率，再如常见的6%坡道、80km/h下坡车速也需350kw的纯制动功率，因此在混合动力汽车上要求储能装置应在长时间内能够接收制动功率(例如2分钟)，为使储能装置小致太重，要求其应具有比较高的比功率和比能量。,混合动力汽车用动力电池,目前有可能应用的几种能量存储装置如表下所示表 混合动力汽车用能量存储装置, 基木原理 减速连接 存储装置 加速连接 机械能 无级变速CVT 飞 轮 无级变速CVT 电能一机械能发电机 电动飞轮电池电动机 电能 发电机 电化学电池 电动机 电能 发电机 超级电容 电动机 液压能 液压泵 储能器 液压传动 ,混合动力汽车用动力电池,能量存储系统
25、即动力电池方而，日本一直在全球处于领先地位，美国紧随其后。这两国的动力电池发展的方向，基木上代表了混合动力汽车电池发展的趋势。从丰田Prius和本田Insight混合动力轿车采用的电池以及美国PNGV计划的报告来看，混合动力汽车的动力电池短期内采用飞轮电池、超级电容和铅酸蓄电池的可能性小大。目前，混合动力汽车蓄电池的研究主要集中在锂离子电池和镍氢电池。主要研究课题仍然是围绕延长电池的使用寿命、提高功率密度和效率、降低电池的重量和成本等关键问题进行,混合动力汽车用动力电池,飞轮电池 ： 飞轮电池又称电动机械电池，它已突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。飞轮电池中有一个电动机，充电时，该电机
26、以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”，即增加飞轮的转速从而增大其动能:放电时，电机以发电机状态运转，在飞轮的带动下向外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换。飞轮电池中的飞轮是在真空环境下运转的，转速可达200,OOOr/min，但这也对构成材料的强度密度比提出了更高的要求。另外，飞轮电池具有24kw/kg的比功率和125wh/kg的比能量并且几乎免维护，具有较低的寿命周期成本，使之十分适合用作重型卡车混合动力传动系的储能元件。目前，飞轮电池难以推广应用的原因是其昂贵的价格以及使用过程中的安全可靠性能。,混合动力汽车用动力电池,超级电容 ： 超级
27、电容具有高的比功率(可达24kw/kg、高的循环效率(可达929g%)，包括峰值功率工况在内)以及全充和全放能力。在混合动力汽车上主要用于车辆起步、加速、制动能量回收等工况。另外，由于超级电容采用物理方式存储电能而没有可转变的化学反应，具有优越的工作循环承受能力和寿命。但其最主要的缺点是较低的比能量，目前大约在71 Owh/kg，如果单独应用超级电容，为满足整车性能需要的超级电容增多，整车的重量和成本较高。因此，超级电容只适合于对比能量需求低的轻度混合动力汽车，或与电化学电池组合使用，效果更加。,混合动力汽车用动力电池,电化学电池 ： 电化学电池又称蓄电池，在电动车辆上已有相当的应用经验，其中
28、颇具应用潜力的几种包括铅酸电池、镍氢电池和铿离子电池等。 目前，驱动用铅酸电池的比能量一般为3040wh/kg，比功率一般为150200w/kg，循环使用寿命一般为500700次。铅酸电池技术发展较为成熟，可靠性高、原料易得且价格便宜，但铅酸电池的比能量较低，在过放电和过充电时，其使用寿命将显著缩短，深度放电以及环境温度变化也对电池性能影响较大。铅酸电池今后的发展目标为提高比能量，增大循环使用寿命，进一步降低成本，发展密封免维护电池，目前在纯电动汽车或混合动力汽车上也有应用。,混合动力汽车用动力电池,镍氢电池的正极为镍氧化物，负极为氢载体合金所存储的氢，具有很好的耐过充电特性，良好的使用安全性
29、和充放电效率，以及该电池的反应物中无溶解析出物。这些特性非常适合混合动力汽车。实际上，混合动力汽车用电池的最大特点为常处于放电和充电状态，经常有能量的消耗和补充，但只要控制好电池的SOC应用范围，上述因素对镍氢电池的寿命影响并小大。所以在上市的车型中，镍氢电池占主体。专家也预测将来一段时间内，镍氢电池是最具竟争力的。国内也在大力开展这方而的工作，并取得了可喜的成果。,混合动力汽车用动力电池,锂离子电池能量密度可达到1OOwh/kg，功率密度可达到300w/kg，并且循环使用寿命长。但其价格较高，安全性尚需进一步提高。美国、日本都在开发锂聚合物电池，目前已投入关键性的安全实验考核。 综上所述，由于飞轮电池和超级电容用作混合动力汽车储能元件仍存在着一些技术难点和缺陷，使得电化学电池成了目前混合动力汽车储能元件的主流。,
