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1、新能源汽车构造与维护,项目四 混合动力汽车构造与原理,任务一 混合动力汽车概念与分类,在上次学习纯电动汽车概念与原理时，小李也听到有混合动力汽车的介绍，什么事混合动力汽车，小李很感兴趣。,任务引入,学习目标,知识目标：1.描述出混合动力汽车的基本结构； 知识目标 1.描述出混合动力汽车的结构特点； 2.掌握混合动力汽车的布置及参数；,学习内容,辅助系统（或称辅助模块）包括辅助动力源、动力转向单元、驾驶室显示操纵台和各种辅助装置等。各个装置的功能与传统汽车上的基本相同，其结构原理根据纯电动汽车的特点和需求有所区别。 随着全球汽车工业的迅猛发展，石油资源供应的日趋紧张，世界各国积极寻求代用燃料或者
2、减少燃油的消耗量，大力开发新型节能环保汽车，目前混合电动汽车的发展就是按照这样的发展逻辑而产生的，如图4-1所示。,图4-1 混合电动汽车的发展,一、电动汽车,电动汽车指以电机驱动，从车载电源获得动力，并且满足道路交通安全法规的车辆。根据电动汽车科技发展“十二五”专项规划，电动汽车按动力电气化水平分为两类：,称为“纯电驱动”电动汽车，例如纯电动汽车、插电式电动汽车、增程式电动汽车以及燃料电池电动汽车）；,另一类是动力蓄电池容量较小，大部分工况下主要由内燃机提供驱动功率的电动汽车（称为常规混合动力电动汽车）。 这表明常规混合动力汽车不是新能源汽车，实际上是一种节能汽车，它还没有改变用内燃机做主驱
3、动的设计,（1）混合动力车辆的基本概念,根据国际能源组织（IEA）的有关文献，“能量与功率传送路线”具有如下特点的车辆称为混合动力车辆：,（2）混合动力电动汽车的发展,1.国外混合动力汽车的技术发展状况,2） 欧美等国 美国的新能源汽车发展的核心是可再生生物能源汽车。由于国内各种力量的博弈，美国近三任总统对未来节能与新能源汽车的重点发展方向摇摆不定。克林顿政府制定了PNGV计划，提出重点发展混合动力电动汽车。而布什政府上台后，又提出了Freedom CAR计划，要重点发展燃料电池电动汽车。,1）日本 从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在发展
4、混合动力电动汽车方面，日本居世界领先地位。,2.我国混合动力汽车的发展现状,3）欧盟促进新能源汽车产业发展的概况 欧盟的产业政策基本上都是导向性的，通过提出普遍的新能源产业目标或发展方向，来引导各国新能源汽车产业的发展。 欧盟更加侧重于温室气体减排战略，将满足日益严格的二氧化碳排放限制要求作为发展新能源汽车的主要驱动力。欧盟选择性地开展新能源汽车研究，主攻柴油机、生物燃料、氢燃料的市场化。在替代燃料开发应用的发展方向上，生物燃料和氢燃料汽车是重点，但近期对于电动汽车给予高度关注,目前我国各大汽车集团都在进行混合动力电动汽车研发，多数以混合动力电动客车为主。,二、按结构布置形式分类,（1）串联式
5、混合动力汽车（SHWV）,串联式混合动力汽车（SHWV）以电动机作为驱动装置，发动机作为辅助动力装置，以提高行驶里程。由图4-2（左图）可以看出，串联式混合动力汽车动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成的动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。,图 4-2 串联式混合动力系统结构及动力流传递线路图,发动机只作为动力源驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车，驱动系统只是电动机。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。在这种联结方
6、式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。,电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。整体工作过程如图4-3所示。,图 4-3 串联式混合动力系统结构图,串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气
7、排放。但是它的缺点是能量转换步骤较多，机械效率较低。典型的有丰田公司的Coaster、及法国雷诺的Espace，如图4-4所示。,图 4-4 法国雷诺的Espace（左图）丰田公司的Coaster（右图）,下面对混合动力汽车的不同工况的能量流动路线进行具体分析：,在市区行驶时，如果电池完全充满，则选用纯电池驱动方式。传动系统能量流如图4-5所示。,图 4-5 电池驱动串联式传动系统能量流,当电池电量较低时，发动机被启动，并将其设置在最大功率工作点上，发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电。如图4-6所示。,图 4-6 电池充电时串联式传动系统能量流,当汽车发动机提供的最大功
8、率低于汽车所需的功率时，电池将提供这部分差额功率。如图4-7所示。,图4-7 混合动力时串联式传动系统能量流,在刹车或减速时，电动机起到发电机的作用，使部分动能转化为电能存储在电池里。如图4-8所示。,图4-8 制动时，串联式传动系统能量流,串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。,串联式混合动力驱动系统的三种基本控制模式 （1）主要利用电池来驱动车辆，仅当SOC降低到最小限值时，发
9、动机才起动，发动机在最高效率区以输出恒定功率的方式工作，当SOC回升到最大限值时发动机关机。 （2）“负荷跟随”控制模式。 （3）上述两种控制模式的一个折中方案。,串联式混合动力驱动系统的三种基本控制模式，可以参考图4-9理解,1-电流转换器 2-充电器 3-驱动电动机 4-动力蓄电池 5-中央控制器 6-发电机 7-发动机 图4-9 通用汽车公司的Series-SHEV结构布置,（2）并联式混合动力汽车（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3种工作模式，如图4-10所示。,图4-10 并联混合动力系统示意图,与串联相
10、比，PHEV的优点是并联仅用到电动机和发动机，并且发动机和电动机的最大功率较小，而缺点是由于发动机与推进系统是共轴连接的，所以并联需要是离合器，这使得并联结构复杂控制难度大。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式，如图4-11所示。,图4-11 本田的Accord混合动力汽车（左图）、Civic混合动力汽车（右图）,图4-12 并联混合动力系统示意图,图4-12为并联式混合动力系统示意图。并联结构的特征是以机械形式进行复合，发动机通过变速装置和驱动桥直接相连，电机可同时用作电动机或发电机以平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作。,1.PHEV的传动系统能量流,图4-13 P
11、HEV的传动系统能量流,图 4-14 功率辅助时并联式传动传统能量流,图 4-15 能量回收时并联式传动传统能量流,图 4-16 电池充电时并联式传动传统能量流,图 4-17电池驱动时并联式传动传统能量流,图 4-18 发动机驱动时并联式传动传统能量流,3、并联式混合动力驱动系统 两种基本控制模式,（1）发动机辅助混合动力模式,这种模式主要利用电池-电机系统来驱动车辆，仅当以较高的巡航速度行驶、爬坡和急加速时才使发动机起动。这种控制模式的优点是大多数情况下车辆都是用电池的电能来工作，车辆的排放和燃油消耗较少，同时发动机的起动机可以取消而利用车辆运动的惯性力起动发动机。这种控制模式的缺点是，由于
12、发动机每次关机期间，发动机和催化转化装置的温度降低而导致它们的效率降低，尾气排放增加。,（2）电机辅助混合动力模式,这种模式主要利用发动机来驱动车辆，电机只在两种状态下使用：一是用于瞬间加速和爬坡需要峰值功率时，可使发动机工作在最高效率区间，以降低排放和减少燃油消耗；二是在车辆减速制动时电机被用来回收车辆的制动动能对电池进行充电。这种模式的主要缺点是车辆不具备纯电动模式，在行驶过程中若经常加速，电池的电能消耗到最低限度，则会失去电机辅助能力，驾驶员会感到车辆动力性能有所降低。,4、日产风雅混合动力汽车混合动力系统,（1）混合动力系统结构,1-离合器2 2-电子控制式7挡自动变速器 3-电机 4
13、-离合器1 5-发动机 6-逆变器 7-锂离子蓄电池 图4-19 日产风雅混合动力系统的结构,（2）工作过程,系统起动、一般行驶动力传输路线、动力少，如图4-20、图4-21、图4-22所示。,1-锂离子蓄电池 2-离合器2 3-驱动电机 4-离合器1 5-发动机 6-逆变器 图4-20 日产风雅混合动力系统起动时,1）系统起动,1-锂离子蓄电池 2-离合器2 3-驱动电机 4-离合器1 5-发动机 6-逆变器 图4-21 一般行驶时混合动力系统的工作过程,1-锂离子蓄电池 2-离合器2 3-驱动电机 4-离合器1 5-发动机 6-逆变器 图4-22 电量少时混合动力系统工作过程,2）减速或制
14、动时如图4-23所示,-锂离子蓄电池 2-离合器2 3-驱动电机 4-离合器1 5-发动机 6-逆变器 图4-23 制动时混合动力系统的工作过程,3）加速或爬坡时如图4-24所示,完全加速或爬坡时混合动力系统工作过程 1-锂离子蓄电池 2-离合器2 3-驱动电机 4-离合器1 5-发动机 6-逆变器 图4-24 制动时混合动力系统的工作过程,4）离合器控制,离合器1与一般手动变速器离合器结构相同，是干式离会器。它接合，断开的操作是出液压气缸自动控制的，车辆行驶时，输入端和输出端的转速差大约为50r/min。能够实现更为平稳的行驶。当发动机开始工作的情况下，为了使驱动扭矩不发生变化，输入端和输出
15、端的转速差控制在约为100 rmin，控制滑行的同时，离合器1接合。这时电机发挥起动作用。,（3）混联式混合动力汽车（HEV）,图 4-25 并联混合动力系统示意图,图4-26 混联混合动力系统的传动系统能量流,下面是对带有行星齿轮组的混联式HEV在不同工况下的传动系统能量流。 在高速巡航时，由发动机单独驱动。此时相当于传统燃油汽车运行。传动系统能量流如图4-27所示。,图 4-27 发动机驱动时混联式传动系统能量流,在市区行驶时，如果电池完全充满，则选用纯电池驱动方式。传动系统能量流如图4-28所示。,图 4-28 电动机驱动时混联式传动系统能量流,在刹车或减速时，电动机起到发动机的作用，将
16、部分动能转化为电能存储到电池里，如图4-29所示。,图 4-29 能量回收时混联式传动系统能量流,在起步或加速阶段，发动机只为耦合器提供总功率的一部分，剩下的功率要由电机来提供，实现“功率辅助”是目的，传动传统能量流如图4-30所示。,图 4-30 功能辅助时混联式传动系统能量流,当电池电量较低时，发动机被启动，并将其设置在最大功率工作点上，发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电，如图4-31所示。,图 4-31 电池充电时混联式传动系统能量流,丰田Prius所采用的混合驱动方式将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来，即为混联式混合动力驱动，充分利用了串联和并
17、联两种驱动方式的优点，如图4-32所示。,图4-32 丰田普锐斯混合动力系统,三种混合动力系统的比较,（1）结构的比较,三种混合动力系统结构比较，如图4-33所示。,图 4-33 三种混合动力系统结构比较,（2）按照对电能的依赖程度分类,按照对电能的依赖程度分类，混合动力汽车还可分为弱混合、中混合、强混合以及外插电式混合（Plug In Hybirid）几种。,1）弱混混合动力系统,弱混混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternator Starter Generator， 简称BSG系统）。该电机为发电启动（Stop-St
18、art）一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。,2）轻混合动力系统,代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的Integrated Starter Generator，简称ISG系统）。,3）中混合动力系统,该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。,4）完全混合动力系统,该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。
19、完全混合动力代表产品为丰田的Prius（电机50KW），可节油40%。,5）外插电式混合动力系统,外插电式混合动力系统 是一种被设计成可以在正常使用情况下从非车载装置中获取能量的混合动力电动汽车，充电方法如图 4-34所示。,图 4-34 外插电式混合动力系统,其它划分型式,（1）按照行驶模式的选择方式划分,1）有手动选择功能的混合动力电动汽车hybrid electric vehicle with selectiveswitch具备行驶模式手动选择功能的混合动力电动汽车。车辆可选择的行驶模式包括热机模式、纯电动模式和混合动力模式三种。 2）无手动选择功能的混合动力电动汽车hybrid ele
20、ctric vehicle withoutselective switch不具备行驶模式手动选择功能的混合动力电动汽车。车辆的行驶模式根据不同工况自动切换。,（2）按照车辆用途划分,1）混合动力电动乘用车hybrid electric passenger car 2）混合动力电动客车hybrid electric bus 3）混合动力电动货车hybrid electric goods vehicle,（1）动力蓄电池式混合动力电动汽车； （2）超级电容器式混合动力电动汽车； （3）机电飞轮式混合动力电动汽车； （4）动力蓄电池与超级电容器组合式混合动力电动汽车。,（3）按照可再充电能量储存系统划分,且听下回（谢谢）,