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1、新能源汽车驱动电机与控制,第一部分 新能源汽车概述,情境一，新能源汽车动力系统概述； 情境二，混合动力系统结构、控制工作原理及功能； 情境三，纯电动汽车动力系统结构、控制工作原理及基本功能； 情境四，插电式混合动力汽车系统结构及工作原理；,情境一 新能源汽车动力系统概述,一、传统内燃机汽车系统,新能源汽车通常是传统内燃机汽车基础上通过部分改装或完全切换动力驱动系统而构成的一种新型汽车。它既继承了传统内燃机汽车的许多功能，同时又具备了新能源汽车的新特征。为了便于理解新能源汽车的分类，本情境将先简单介绍传统内燃机汽车及新能源汽车动力系统主要零部件，并在此基础上对新能源汽车进行分类。,情境一 新能源
2、汽车动力系统概述,传统内燃机汽车主要由两部分组成；驱动子系统和辅助子系统，其系统概念框图见图1-1。传统内燃机汽车的驱动子系统由内燃机、内燃机控制器、传动装置和燃油箱组成，其中传动装置根据车辆的配置不同，又可搭载手动变速器、半自动变速器和制动变速器等调速装置。辅助子系统主要由车身电子控制系统、底盘控制系统、车用空调控制系统、发电机和辅助电源组成，在部分高配汽车上还装配有电液助力转向（Electriacl Hydrau licpower Steering，EHPS）或电助力转向（Electriacl power Steering，EHPS）控制系统、电真空制动助力、电加热等。,情境一 新能源汽车
3、动力系统概述,在传统内燃机汽车驱动子系统中，一般而言内燃机控制器和变速箱控制器集成了整车控制器的功能，它们根据加速踏板和制动踏板的输入对内燃机进行喷油、点火及节气门开度控制，对变速器进行档位、离合控制，使整车按照驾驶员意图行驶。,情境一 新能源汽车动力系统概述,图1-1传统内燃机汽车系统框图,情境一 新能源汽车动力系统概述,在传统内燃机汽车中，内燃机是驱动车辆的唯一动力源，辅助系统的很多子系统都是基于内燃机的工作特性设计的，所有内燃机工作状态将直接影响各辅助子系统的工作。,情境一 新能源汽车动力系统概述,二、新能源汽车系统,与传统内燃机汽车系统不同，新能源汽车系统主要由三部分组成：驱动子系统、
4、电源子系统和辅助子系统，其概念框图详见图1-2.纯电动汽车的驱动子系统由电动机、电动机、电机控制器、整车控制器、传动装置和燃油箱组成，其中传动装置将根据车辆动力系统的不同结构配置相应的调速装置，目前可供选择的变速装置有手动变速器、半自动变速器、自动变速器和集成电机的调速装置等。,情境一 新能源汽车动力系统概述,插电式混合动力汽车驱动子系统与一般混合动力汽车的区别主要在于插电式混合动力增加了外接充电控制单元。与传统内燃机汽车不同，由于电动机在汽车上的应用，新能源汽车增加了一个独立的电源子系统，该电源子系统由动力电池、电池管理单元和外接充电控制单元组成。新能源汽车的辅助子系统主要由车身电子控制系统
5、、底盘控制系统、车用空调控制系统、转向控制系统、直流变压器和低压电源组成，新能源汽车辅助子系统与传统内燃机汽车的最大的不同是空调电动压缩机和EHPS/EPS成为标准配置。,情境一 新能源汽车动力系统概述,由图1-1和图1-2两个系统构成图可以看出，新能源汽车与传统内燃机汽车最大的区别就在于动力系统的不同：传统内燃机汽车的动力系统主要是利用内燃机将化学能转化为机械能，并通过传动装置将能量传递到车轮从而驱动车辆行驶；新能源动力汽车系统引入了电能这一新能源，利用电机将电能转化成机械能进而通过传动装置（或直接）将能量传递到车轮，单独或配合传统内燃机动力系统驱动车轮行驶。,情境一 新能源汽车动力系统概述
6、,图1-2新能源汽车系统框图,情境一 新能源汽车动力系统概述,与传统内燃机汽车相比，新能源汽车有如下几个新特点： 1.引入了一种新的动力源电动机，电动机将电能转化为机械能驱动车辆； 2.储存能量的装置除了传统车辆的燃油箱外，另外还增加了储存电能的动力电池； 3.纯电动汽车和插电式混合动力汽车可用外接充电设备为电源子系统补电； 4.原来由内燃机直接带动的辅助子系统改由独立的电驱动辅助装置实现，如电动空调压缩机、电动真空助力、电加热和EHPS/EPS等；,情境一 新能源汽车动力系统概述,5.用直流-直流（DC-DC）变压器替换了传统12v低压发电机； 6.增加了整车控制器、电机控制器、电池管理控制
7、器，控制的复杂程度大大增加。,情境一 新能源汽车动力系统概述,三、新能源汽车动力系统关键零部件,与传统内燃机汽车相比，新能源汽车在传统内燃机汽车的驱动子系统和辅助子系统基础上增加了电源子系统，而新能源汽车驱动子系统是在传统内燃机汽车驱动子系统的基础上通过增加电驱动系统，同时对传统内燃机汽车的内燃机系统和传动装置进行适当性改造，从而形成新的驱动子系统。为了便于对后续章节新能源汽车系统的理解，本情境简要介绍因新能源汽车而增加的部件以及相应的内燃机系统适应性改变。,情境一 新能源汽车动力系统概述,（一）驱动电机,驱动电机对于新能源汽车来说相当于另一个动力心脏，其重要性相当于传统车的内燃机。目前新能源
8、汽车上应用的驱动电机有：直流有刷电动机、交流感应电动机、永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机。下面将对这几种电动机的主要特征做一个简单介绍,情境一 新能源汽车动力系统概述,1直流有刷电动机,早期新能源汽车通常采用直流有刷电动机，该电动机的优点是控制简单、技术成熟、系统简单、成本低廉，目前仍有少量新能源汽车使用直流有刷电动机。但是，该电动机在车辆上使用存在明显的缺点:功率密度低、效率低，由于电刷和机械转向器的存在导致电动机的可靠性低。此外，机械转向器的转向能力限制了直流有刷电动机的容量、电压和转速。鉴于以上缺陷，新研制的新能源汽车已基本上不在考虑直流有刷电动机。,情境一 新能源汽车动力系统概述,2
9、交流感应电动机,交流感应电动机是工业领域应用最为广泛的电动机，该电动机的主要特点是转子和定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件，结构简单，运用可靠且耐用。与直流有刷电动机相比，交流感应电动机成本更低、维修更方便。交流感应电动机的缺点使效率较低、功率密度低、调速性能也较差，同时对控制要求相对较高。,情境一 新能源汽车动力系统概述,3永磁无刷直流电动机,永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机，它最大的特点是具有直流电动机的外特征而没有换向器和电刷组成的机械接触结构。因此，永磁无刷直流电动机运行可靠、寿命长、维修简便。永磁无刷电动机与其他电动机相比具有更高的能量密度和更高的效率。永磁无刷直流电动机
10、的永磁材料在温度过高时性能容易下降或出现退磁现象，这将导致电动机新能下降或电动机的损坏，在使用中必须严格控制，此外在恒功率工作时，控制也很复杂，这都导致永磁无刷直流电动机使用成本较高。尽管如此，永磁无刷直流电动机在新能源车上得到广泛应用。,情境一 新能源汽车动力系统概述,4开关磁阻电动机,开关磁阻电动机是一种新型电动机，他有很多明显特点：所有电动机中开关磁阻电动机的结构最简单，在转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是有简单的集中绕组，因而可靠性高、维修方便；该电动机的另一特点是调速范围宽、控制灵活、易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性，且在很广的范围内保持高效率，因而更适合新能源汽车的动力性要求
11、。该电动机的缺点是控制复杂且可控性差，功率密度也不够理想，噪声大；这些缺点限制的该类电动机的应用。,情境一 新能源汽车动力系统概述,（二）电机控制器,电机控制器的作用是在驱动时把来自动力电池的直流电转换为交流电，根据驾驶员对加速踏板操作需要调节电流与电压，以控制驱动电机；而在能量回收时电机成为发电机发电，所产生的交流电转换为直流电，向动力电池充电。,情境一 新能源汽车动力系统概述,电机控制器包括控制器、功率变换器和传感器等。控制器一般采用数字信号传感器（Digital Signal Processor，DSP）或单片机作为主控芯片，功率变换器一般采用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Ga
12、te Bipolar Transistor，IGBT）模块包括集成的智能功率模块（Intelligent Power Modulation，PWM）控制技术。目前混合动力汽车中多采用PWM硬开关技术。为了减小谐波，多电平技术也应用于插电式混合动力车 （Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）的电机驱动系统中。传感器用于采集转子位置，提供同步或者换向信号，一般采用霍尔元件、光电编码器等。常规电机控制方法包括：变压变频（VVVF）控制、矢量控制、模型参考自适应控制（MRAC）、自调整控制（STC）、变结构控制（VSC）等。,情境一 新能源汽车动力系统概述,（三）储
13、能系统,能量储能系统（Energy Storage System，ESS）是新能源汽车的能量载体，是用来储存能量，向外输出能量(放电)和从外部接受能量（充电）的装置，也称为动力电池或高压蓄电池。,评价储能系统的技术条件主要有比能量、比功率、效率、充电时间、维护要求、管理、寿命、成本、安全性、可靠性、对环境适应性及友好性等。对纯电动汽车而言，为了尽可能地提高车辆续驶里程，比能量成为首要考虑对象，而对于混合动力汽车，首要考虑的是燃油经济性及整车的加速、爬坡和能量回收等性能，故比功率成为首要考虑因素。,情境一 新能源汽车动力系统概述,储能系统主要由化学蓄电池组和电池管理单元两部分构成，储能系统的能量
14、主要都储存在化学蓄电池组中，而电磁管理单元主要是控制化学蓄电池组的充放电过程并监控化学蓄电池组的健康状态，使得储能系统健康、安全、可靠的运行。下面简要介绍几种新能源汽车常用化学蓄电池组及电池管理单元。,情境一 新能源汽车动力系统概述,1化学蓄电池组,铅酸电池,铅酸电池是新能源汽车成熟应用的动力电池，它原材料来源丰富、可靠性好、价格便宜、制造工艺简单、在二次化学电源中起着非常重要的作用，比功率也能满足电动汽车的动力性要求；特别是阀控电池的出现使传统的蓄电池得到了进一步的利用。但是，铅酸电池有两大缺点：一是比能量低，质量和体积太大，而且一次充电续驶里程较短；二是充电速度慢，使用寿命短，使用成本比较
15、高。铅酸电池废电池酸液中含有大量的铅，随意排放会造成严重污染。因此，随着动力电池技术的发展和保护环境的需要，铅酸电池必将被其它电池所替代。,情境一 新能源汽车动力系统概述,镍氢电池,镍氢电池（NiMH）与铅酸电池相比更合适新能源汽车的要求，其主要优点是能量密度及功率密度均高于铅酸电池和镍镉电池，循环使用寿命长；其快速充电和深度放电性能好，充电效率高；无重金属污染，全密封，免维护。缺点是成本高，自放电损耗大；单体电池之间一致性差；对环境温度敏感，电池组热管理要求高。由于热管理要求高，能量密度和功率密度相对不高，导致镍氢电池体积大、质量大、在混合动力车（Hybrid Electric Vehicl
16、e，HEV）上安装困难。,情境一 新能源汽车动力系统概述,锂电池,锂电池主要优点是体积小、比能量和比功率高、安全性高、环保性好。锂电池的能量密度大约是镍氢电池的153倍。单元电池的平均电压相当于3个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值，这样能减少电池组合体的数量，从而使因单元电池电压差所造成的电池故障的概率减小许多，大大延长了电池组合体的寿命。锂电池是所有可充电电池中综合性能最优的一种电池；与其他电池相比，锂电池应用于新能源汽车，在容量、功率方面均具有较大的优势口当前，锂电池存在的主要问题是：快充放电性能差、价格高和安全保护困难等；在过充过热或碰撞的状态下，锂电池可能存在因热失效或短路等原因导致起火
17、的隐患。为减小此类隐患，必须使用复杂的电池管理系统，从而增大了电池的成本和体积。,情境一 新能源汽车动力系统概述,2电池管理单元,电池管理单元(Battery Management Unit，BMU)由电池模块检测控制器、主控制器、电流传感器等构成，对单体电池电压、温度进行实时监测，对高电压系统与车身之间有无漏电或绝缘性能进行实时监测，对使用过程中出现的单元不一致进行平衡维护对工作中出现的异常情况进行必要的保护。 储能系统中一个非常重要的功能是高压安全控制系统，当BMU监测到车辆碰撞、漏电或发生故障时，设置于化学蓄电池组与高压用电装置之间的高压继电器电路被切断以使高电压系统的电路与动力电池电路
18、断开，从而防止短路或触电事故发生，确保人员的安全。,情境一 新能源汽车动力系统概述,车辆碰撞检测可以依靠安全气囊系统的加速度传感器(G Sensor)或惯性开关进行。而当电动汽车组成部件发生碰撞故障时，BMU以来自各相关部件的自诊断信息为基础判断车辆不可行驶或安全受到影响时，切断高电压电路。,情境一 新能源汽车动力系统概述,（四）内燃机,内燃机是混合动力汽车的重要驱动源：对于轻度和中度混合动力汽车而言，内燃机是主要驱动源多，对于多模式强混合动力汽车而言，在充电保持模式下，内燃机是主要驱动源；,情境一 新能源汽车动力系统概述,一般说来，所有传统车的内燃机经过相应改动，都可以应用于混合动力汽车。所
19、需的所需改动主要包括机械连接方式和内燃机控制两方面。 在机械连接方面，由于在混合动力汽车上大量使用电子附件，例如电子水泵、电子空调等，因此可以大大减省通过内燃机带动的附件。对于有电动发电一体机(Integrated-Starter-Generator，ISG)的混合动力系统，若ISG电机是和内燃机直接连接，则由于电机转动惯量的影响，内燃机的飞轮通常会有变化。,情境一 新能源汽车动力系统概述,在内燃机控制方面，由于电能及电驱动系统的引入，内燃机不再是整车的唯一动力源，同时动力系统主控制器整车控制单元(Vehicle Control Unit，vcu)的出现，使得内燃机的工作方式比传统车有明显变化
20、，主要体现在： 燃机需要较频繁地停止和起动； 在纯电动爬行工况下可能处于空转而不工作(没有喷油点火)的状态; 在低速高负荷的情况下，出于对经济性和降低排放的考虑，可以取消喷油加浓，动力性的损失由电机助力来补偿。,情境一 新能源汽车动力系统概述,基于混合动力汽车对内燃机提出的新工作方式的需求，需选择适合混合动力汽车的内燃机。如丰田普锐斯(Prius)采用的阿特金森循环内燃机就是一个典型范例。与传统奥托循环内燃机相比，阿特金森循环内燃机通过推迟进气阀门的关闭以及推迟排气阀门的开启，减少了泵气损失，并提高了压缩比，从而提高了内燃机的热效率和燃油经济性。该内燃机的缺点是在高转速区域和低转速区域工作时效
21、率较差。,情境一 新能源汽车动力系统概述,在强混和插电式混合动力系统中，当车辆低速行进时，通过离合器或行星齿轮机构的操作可以避免内燃机工作在低转速区域，而在高转速区域则是通过电机的介入尽可能少地使内燃机直接驱动车辆，因而可以极大地提高系统的燃油经济性；而在中混合系统中，由于内燃机还需要适应较大的工况变化范围，因此阿特金森循环技术的应用不能像在强混合动力系统中一样有利。此外，汽油均质混合气压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)内燃机是另一种适合强混和插电式混合动力系统的内燃机。,情境一 新能源汽车动力系统概述,除了以上提到的两种内燃机技术
22、之外，缸内直喷技术u、停缸技术等内燃机新技术也可以应用在混合动力汽车上。通过对多种内燃机技术的合理选择与组合，再应用在新能源汽车上可以带来更大的收益。同时，由于在混合动力汽车上，电机能够承担部分车辆扭矩需求，因此在实现同等加速、爬坡等动力性能要求的条件下，混合动力汽车可以选择排量相对较小的内燃机，实现发动机小型化(Engine Downsizing)，从而进一步降低燃油消耗与减少污染物排放。,情境一 新能源汽车动力系统概述,5传动装置,传动装置用于改变从动力源到驱动轮之间的传动比，将动力源的动力经济而方便地传至驱动轮，以便能够适应外界负载与道路条件变化的需要。在新能源汽车上，为了将电机引入系统
23、，通常车辆传动装置都要做适应性更改，尤其在纯电动汽车、强混合动力汽车上，由于电机较大，可以自由地实现正向驱动和反向驱动，所以可以简化传动装置，取消传动装置中的倒车机构。下面介绍几种适用新能源汽车的变速箱。,情境一 新能源汽车动力系统概述,机械式自动变速箱,机械式自动变速箱(Automated Mechanical AMT)是在手动变速箱(Manual Transmission，MT)基础上加装控制系统实现自动换挡的传动装置，结构简单、成本低、生产难度小。早期AMT的最大缺点是舒适性差，换挡动力中断明显。现在随着技术的进步，AMT性能大大提高，尤其是相比其他自动变速器AMT的节油性能明显。,情境
24、一 新能源汽车动力系统概述,AMI的另一大优点是传递大扭矩特性及传递效率高。从性价比考虑，AMI是新能源汽车，尤其是混合动力汽车的理想选择。目前多家汽车原始设备制造商(Original Equipment Manufacturer，OEM)都在自主研发基于AMT变速机构的电驱变速箱，该电驱变速箱的最大特点是将新能源汽车用的电机与AMI变速器耦合，通过高强度静音链传动，将电机和变速器输出轴耦合在一起，解决了换挡过程中的动力中断问题，这种新型的电驱变速箱充分结合了电机和AMT变速箱的优点，可以进一步降低油耗。,情境一 新能源汽车动力系统概述,自动变速箱,自动变速箱(Automatic Transm
25、ission，AT)是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。液力变扭器是利用内燃机输出轴驱动一组泵轮，而泵轮搅动液力变扭器内的密封油，通过油介质带动另一侧连接输出轴的涡轮，从而实现变速和变扭。,情境一 新能源汽车动力系统概述,但只靠液力变扭器显然是不行的，因此自动变速箱在液力变扭器后都连接了几组行星齿轮，每组行星齿轮就相当于自动变速箱的一个挡位9通过锁止和解锁行星齿轮与变速箱输出轴的连接就可以实现换挡动作。其优点是技术成熟可靠，应用范围广，可承载大扭力输出。AT的不足是换挡品质不如无极变速箱(Continuously Variable Trans
26、mission，CVT)双离合器变速箱(Dual Clutch Transmission，DCT)，相对于MT和AMT则动力传递效率低。AT适用于以内燃机作为主要动力源的混合动力汽车。,情境一 新能源汽车动力系统概述,无级变速箱,目前在新能源汽车上也有搭载无级变速箱(Continuously Variable Transmission，CVT无极变速器。与传统的变速传动方式相比，CVT能提供无限数目的齿轮齿数比，内燃机可以尽量工作在高效区，从而在绝大多数情况下实现节油。另外，CVT的无级变速特性使得整车的换挡品质较好，无动力中断问题。CVT的缺点是控制复杂、成本高、钢带摩擦损失较大，在一定程度
27、上限制了CVT在新能源车上的应用。另外受传动钢带强度限制，CVT无法承载大功率输出，所以较大车型上很少应用CVT。,情境一 新能源汽车动力系统概述,双离合器变速箱,双离合器变速箱(Dual Clutch Transmission，DCT)是基于双轴式常啮齿轮和MT演变而成，它通过扭转减振盘连接飞轮，其输出端分别驱动齿轮组的奇数挡和偶数挡口一用离合器C1和C2的分离与接合，交替转换传力挡位，满足自动换挡的需求。与AT和AMT相比，DCT有良好的燃油经济性，换挡中无动力中断，动力性好，且具有良好的换挡品质，乘坐舒适；元液力变矩器，但可实现与使用AT相匹配的功能；结构简单，体积小，重量轻，功率密度高
28、；成本较低。由于它优势明显，虽然成熟的DCT并不多，但在某些混合动力汽车上也开始逐渐应用。,情境一 新能源汽车动力系统概述,4新能源汽车分类,根据电能在驱动车辆过程中贡献的大小，新能源汽车可分为一般混合动力汽车、插电式混合动力汽车和纯电动汽车。一般混合动力汽车是指同时装备两种动力源热动力源(由传统内燃机产生)与电动力源(电池与电动机产生)的汽车；根据热动力源和电动力源在车辆驱动中贡献大小及功能复杂度，混合动力汽车又分为弱混、中混和强混三种混合动力汽车。插电式混合动力汽车是一种新型的强混合动力汽车，其与普通强混合动力汽车最大的区别是它可以通过与电网连接的充电器给电池充电。,情境一 新能源汽车动力
29、系统概述,纯电动汽车是指仅以电池为储能单元，以电动机为驱动系统的车辆。图1-3是新能源汽车根据电能贡献进行分类的型谱。,图1-3新能源汽车分类型谱,情境一 新能源汽车动力系统概述,为了更好地区分弱混、中混和强混三种混合动力汽车，表1-1列出了更详细的特征信息。,表11混合动力汽车主要特征对照表,注:本田CIVICInsight具有有限的纯电动功能，但在实际路况中难以实现。,为了更好地理解混合动力汽车、纯电动汽车和插电式混合动力汽车的不同，将在后续章节中对三类新能源汽车的动力系统结构及工作原理作进一步的叙述。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,传统内燃机汽车由于在实际运行工况下经常运
30、行在效率不理想区域，加上车辆的频繁制动以及传动装置效率低等因素导致内燃机的燃油经济性低，同时也伴随较大环境污染，这些不利条件都要求设计一种油耗低且对环境友好的汽车。另一方面，纯电动汽车具有二些优于传统内燃机汽车的优点，如能量效率高及对环境的零排放等优点，但由于目前技术的限制，还没有找到足够高能量密度的储能技术使得纯电动汽车在每次充电后的续驶里程与传统内燃机汽车相当。混合动力汽车正好利用了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，克服了它们的缺点。本章主要讨论混合动力汽车动力系统结构和电控系统工作原理。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,一、 混合动力系统概述,混合动力系统是指由两个或两个以
31、上不同工作原理的动力源组成，可以将不同动力源组合在一起用于驱动车辆的系统。混合动力汽车的目的是利用各个动力源的各自长处弥补单一动力源所无法达到的经济性和续驶里程等指标要求。图1-2所示的新能源汽车系统将外接充电控制单元去掉就形成了混合动力汽车系统。混合动力汽车动力系统主要由内燃机、内燃机控制器、电动机、电机控制器、整车控制器、传动装置、燃油箱和动力电池组成。通常情况下，混合动力汽车动力系统由不少于两个的动力源组成，但多于两个动力源的结构将使驱动系统非常复杂。图1-4所示的是一种典型的两动力源混合动力汽车动力系统概念图，图中同时标明了动力系统运行时的能量流。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原
32、理及功能,图1-4混合动力汽车动力系统概念图,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,与传统内燃机汽车和纯电动汽车相比，混合动力汽车动力系统有显著的优点。它既继承了石油燃料高比能量和高比功率的长处，弥补了纯电动汽车续驶里程短的不足，又发扬了纯电动汽车作为“绿色汽车节能和低排放的优点，显著改善了整车燃油经济性能和排放性能，达到两种车辆优点的折中统一。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,混合动力汽车动力系统优点具体体现在：,实现了能源的直接再生。样的动力需求下内燃机排量减小，因而燃油经济性好，排放减少； 采用具有高功率水平的电机电池，甚至可以改善整车动力性能； 部分混合动力系统小
33、负荷工况下可采用电机单独驱动，避免了内燃机在低效率区间工作； 怠速时可停止内燃机工作，减少不必要的油耗；,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,缺点是动力系统结构及控制复杂。混合动力汽车整车多能源控制系统根据汽车的行驶工况不同，控制发电机或驱动电机的工作象限，保证储能装置中的能量始终维持在一定范围内浮动，无需停车充电或更换电池。值得一提的是，通过对驱动电机的精确控制，混合动力汽车可吸收汽车行驶中的相当一部分制动能量，以电能的形式存储在动力电池中。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,二、 混合动力系统结构,混合动力汽车动力系统中通常存在两类能量流：一类是机械能量流；另一类是电
34、能量流。每个交汇点都是两部分能量相加或将一部分能量分解成两部分能量。这样，也可由能量的耦合或解耦特性来区分混合动力汽车的构造，如电耦合动力系统、机械耦合动力系统或机栅电耦合动力系统。在目前常见的混合动力汽车中，主要有四种典型的混合动力系统结构，分别是串联式、并联式、混联式和双模式，下面简单介绍这四种混合动力系统结构。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,（一） 串联式混合动力系统结构,串联式混合动力系统(图1-5)，也称增程式电动汽车动力系统，主要由内燃机、发电机、驱动电机和动力电池几个部件组成，该结构的主要特征是驱动电机是驱动车辆的唯一动力源，通过驱动电机控制器将电池中储存的电能和
35、内燃机带动发电机工作产生的电能耦合在一起，最终通过驱动电机驱动车辆。由于内燃机和车轮之间没有机械连接，故能独立于汽车行驶工况对内燃机进行控制和调节能量，内燃机被控制在高效工作区间工作。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,图1-5 串联式混合动力系统,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,串联式混合动力系统的优势是机械结构简单，控制原理也相对简单。在内燃机工作的时候，由于内燃机不用驱动车辆，使得内燃机可以一直被控制在最佳工况点，可以提高燃油效率，减低废气排放。缺点是能量转换次数多，使得整体效率较低：而且需要采用较大的驱动电机和较高功率的电池，且必须要两套电机系统，这将导致成本
36、上升。串联式混合动力系统的结构特点决定其工作相对比较简单，驱动电机是驱动车辆行驶的唯一动力源，驱动电机工作所需的能量既可以由电池单独提供，也可以通过内燃机带动发电机发电提供多也可以由内燃机发电机组和电池共同工作给驱动电机提供电能。当车辆处于中低速巡航、滑行、怠速的工况，车辆对功率需求不大时，如果蓄电池电量比较饱满，则内燃机不需要工作，仅靠电池给驱动电机供电。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,如果蓄电池电量不足且动力需求不大时，则由内燃卅发电机组共同工作给电池补电，同时供给驱动电机所需电能；用电负荷较大时由内燃机带动发电机发电给驱动电机供电；当车辆处于起动、加速、爬坡工况时内燃机一
37、发电机组和电池组共同向驱动电机提供电能。当驾驶员踩制动时，驱动电机将作为发电机回收制动能量，由于串联式混合动力汽车的驱动电机和电池都比较大，所以可以回收较多的制动能量。串联式混合动力系统主要有如下几种工况：纯电机驱动、串联、怠速充电和制动能量回收四种。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,（二） 并联式混合动力系统结构,并联式混合动力系统主要由内燃机、驱动电机、动力电池和机械耦合装置几个部件组成，其典型结构形式之一如图1-6所示。该结构的主要特征是驱动车辆的机械动力主要来自两部分，一是由内燃机通过燃烧燃油将化学能转化成机械能驱动车辆；二是驱动电机通过将动力电池中储存的电能转换成机械能
38、驱动车辆，即内燃机和驱动电机共同参与驱动车辆行驶。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,动力电池中的电能来源有两部分：一是车辆低负荷运行时，内燃机输出的功率一部分用于驱动车辆，一部分用于驱动电机发电给动力电池补电；二是通过驱动电机能量回收的部分电能储存到动力电池中。这种结构对驱动电机输出功率和电池能量要求不高，可根据内燃机和传动装置选择相应的驱动电机和蓄电池，可供选择资源较多。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,图1-6 并联式混合动力系统,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,并联式混合动力系统与串联式动力系统相比，能量转换次数少，故系统效率较高。通常情况下，并
39、联式混合动力系统只需要一个功率较小的电机和电池就可以了。但并联式混合动力系统结构复杂，这就需要一套严密的控制策略和复杂的控制系统来对其进行控制。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,在车辆起步及小负荷工况下，由电动机提供的驱动力可以满足车辆行驶要求，内燃机不需要工作。当动力电池电量低于某一个阀值（不同的电池阀值有所不同)时，内燃机由电机(非传统起动电机)起动开始工作并作为车辆主要动力源。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,当车辆加速或爬坡时，电动机和内燃机能够同时向传动机构提供动力，提供可与传统内燃机汽车相当的起步性能一旦对驱动车辆的动力需求不大时，车辆将根据电池电量和内
40、燃机的工作效率选择电动机单独驱动车辆，或者内燃机单独驱动车辆，或者同驱动车辆，比如在高速巡航时单独使用汽油内燃机；而在低速行驶时，可以单靠电动概驱动，不用汽油内燃机辅助。如果电池电量偏低时，电动机将作为发电机发电为电池补充电能即电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，所以也称为电动一发电机组，电动机将搬据内燃机的工况和效率特性选择最优的发电时机，从而提高系统能量使用效率。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,并联式混合动力汽车通常采用能够满足汽车巡航需要的较小内燃机，依靠电动机或其他辅助装置提供加速与爬坡所需的附加动力。其结果是提高了总体效率，同时并未牺牲动力性能。 在传统内燃机汽车
41、中，当驾驶员踩制动时，车辆动能通过摩擦片转换成热量白白浪费掉了。而混合动力汽车却能部分回收这些能量主要是根据电机和电池的大小，以及制动力分配决定回收能量的多少，这部分回收的能量将被暂时储存起来供加速时或辅助电源使用。 由于电动机和蓄电池组的存在，可以充分利用内燃机的最优工作区间，使内燃机工作在二个相对高效的工况，使排放和燃油经济性得到改善。 并联式混合动力系统主要有如下几种运行模式：纯内燃机驱动、行车充电、电机助力、怠速充电和能量回收五种。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,（三） 混联式混合动力系统结构,混联式混合动力系统是一种特殊的混合动力系统，也称为动力分流(Power Sp
42、lit)系统。其中丰田普锐斯(Prius)混合动力系统就是混联式混合动力系统结构的典型例子，其系统结构如图1-7所示。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,图1-7普锐斯（Prius）混联式混合动力系统,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,该混联式混合动力系统主要由内燃机、电机1、电机2、电机控制器、动力电池和单排行星齿轮机构几个部件组成6该混联式混合动力系统最大的特点是用一个机械行星齿轮机构将两个电机和一个内燃机耦合在一起。单行星排结构可以实现无级变速器功能使整个系统效率较高，特别是在城市循环工况。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,该系统最大弱点就是其恒定的
43、扭矩分配导致在高速巡航运行时系统效率较低。在普锐斯(Prius)系统中，内燃机28的扭矩必须传递到电机1，在正常行驶状态不会对系统产生大的影响，但是在节气门全开行驶加速状态下，扭矩和能量的分配也同正常行驶时是一样的，电机1必须设计得足够大才能够处理28的内燃机输出扭矩。为了更好地理解普锐斯(Prius)混合动力系统，此处简单介绍普锐斯(Prius)的行星齿输机构，结构如图1-8所示。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,图18普锐斯（Prius）混合动力系统行星齿轮机构,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,从图1-8可知，行星齿轮机构由一个太阳轮、若干个行星齿轮和一个齿轮圈
44、构成，其中行星齿轮由行星架的固定轴支承，允许行星轮在支承轴上转动。行星齿轮和相邻的太阳轮、齿圈总是处于常啮合状态，通常都采用斜齿轮以提高工作的平稳性。该机构在普锐斯(Prius)混合动力系统的作用是实现两个电机、内燃机动力源之间的动力耦合，实现系统几种工作模式的切换，根据系统效率实现传动比合理切换。当车辆处在起步、小负荷工况时，不需要大功率输出驱动车辆，在动力电池电量允许的情况下，仅由电机2提供的驱动力可以满足车辆行驶要求，此时内燃机不运转电机1只是反向空转，整车处于纯电动行驶工况，其能量流图如图1-9所示。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,当车辆加速或爬坡时，车辆需要很大的动力
45、，内燃机和电机2共同提供扭矩驱动车辆。内燃机输出扭娃的72通过动力分配器给了外齿圈，28由电机1发电给电机2供电，电机2利用电机1提供的电能向外齿圈提供额外的扭矩，加速踏板越深内燃机输出扭矩越大，同时电机1提供的电能也越多，使得电机2向外齿圈提供更多的扭矩。假如内燃机的输出不能满足系统输出扭矩需求且动力电池电量允许时，电机2将进一步提高输,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,图19普锐斯(Prius)纯电动行驶工况能量流图,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,出扭矩，其能量流图如图110所示。,图1-10 加速摩爬坡工况能量流图,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能
46、,当车辆在巡航工况下时，内燃机不需要提供太大的动力输出，只需提供动力克服空气阻力和滚动阻力即可。此时内燃机以低速运行，电机1由发电状态转换为驱动状态，而电机2正好相反，由驱动车辆转换为发电，进入普锐斯(Prius)混合动力系统的“特异模式“其工作时能量流图见图1-11。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,当松开加速踏板时，车辆进入滑行状态，内燃机不需要驱动车辆。由于行星齿轮机构的特点，内燃机处于停机状态，内燃机不会对车辆形成传统内燃机的制动阻力作用，为了保持常规车驾驶感觉，电机2被作为发电机工作，给动力电池充电，其发电阻力模拟了内燃机制动的情形。当车辆制动时，电机2将通过大幅度提升
47、发电功率，以产生更大的发电阻力来降低车速，其制动需求不足的部分将由基础制动系统来实现。采用制动能量回收方式产生的能,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,图1-11 巡航工况能量流圈,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,量被储存在动力电池中供以后使用，其能量流图见图1-12。,图1-12 车辆能量回收工况能量流圈,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,当电池电量不在最佳平衡点时，系统将根据动力系统的状态实时控制电机1或电机2发电给系统补电，根据该动力系统的结构特点，系统可在多个工况下为动力电池补电如起步、怠速、巡航，甚至加速、爬坡等工况。混联式混合动力系统主要有如下几
48、种工作方式：纯电动模式、加速爬坡运行模式、高速巡航“特异”模式、怠速充电模式和能量回收模式等。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,（四） 双模式混合动力系统结构,串联、并联和混联是三种基本的混合动力运行模式，这三种模式的任意两种模式组合起来就构成了双模式混合动力驱动系统，下面以一种典型的具有串联和并联功能的双模混合动力系统为例介绍双模混合动力系统结构，该系统结构如图1-13所示，其主要特征是使用了两个离合器，通过两个离合器的接合状况，可以分别实现串联或并联两种功能。该系统可充分利用两个离合器，根据系统的最佳效率选择系统工作在串联或并联模式，从而使车辆达到较好的燃油经济性和较低的排放
49、。该结构的缺点是系统包含两套电机和两个离合器，比较复杂。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,图1-13 双模式混合动力系统,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,双模式混合动力系统结构特点决定其工作模式及相应的控制比较复杂。当车辆处在起步、低速等工况时，不需要大功率输出驱动车辆，仅由电动机提供的驱动力可以满足车辆行驶要求，此时利用离合器将内燃机和电机1与驱动系统分离。在此工况下，当电池电量充足时，内燃机不需要工作，整车处于纯电动行驶工况；当电池电量低于某一个阀值(不同的电池阀值有所不同)时，内燃机起动带着电机1发电给系统供电，此时系统工作在串联工况。,情境二 混合动力系统结构、控制工作原理及功能,当车辆加速或爬坡时，单靠内燃机或电机2不足以满足驾驶员的需求，此时需要将内燃机和电机1并入驱动系统一起驱动车辆，尤其是急加速时，内燃机、电机1和电机2三个动力部件同时出力驱动车辆。一旦车辆处于稳态运行时，基于燃油效率优化的原则，断开离合器C2将电机2与驱动系统脱离，让内燃机单独驱动车辆，此时系统工作在内燃机单独驱动工况。在动力需求一般的工况下且电池电量不足时，内燃机能量分为两部分：一是维持车辆运行；二是通过电机1发电为蓄电池补充电能。当驾驶员踩制动时，电机2将作为发电机回收制动能量，回收的能量将被暂时储存起来供加速时或辅助电源使用。通常情况下，双模式混合动力系统的电