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1、第三章 混合动力电动汽车3.0 概述3.1 混合动力电动汽车的结构分类3.2 混合动力电动汽车驱动系统分析3.3 混合动力电动汽车多能源控制系统及实例分析第三章 混合动力电动汽车重点 混合动力电动汽车的结构和性能难点 不同混合动力电动汽车的多能源动力系统的能量流分析及其控制电动汽车结构与原理第三章 混合动力电动汽车3.0 概 述 广义定义 由两种和两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电动汽车HEV(HybridElectricVehicle)。狭义定义 既有内燃机又有电动机驱动的车辆。3.0 概 述 优点 与纯电动汽车相比：行驶里程延长了24 倍
2、；能快速添加汽油或柴油。与传统燃油车相比：内燃机以最有效的模式工作，在相同行驶里程的条件下，燃油消耗和排放少；可以纯电动方式工作，实现零排放。缺点 结构和控制复杂。有排放。3.1 混合动力电动汽车的结构分类3.1.1 混合动力电动汽车的分类3.1.2 串联混合动力电动汽车3.1.3 并联混合动力电动汽车3.1.4 混联混合动力电动汽车3.1.5 混合动力电动汽车的比较3.1.1混合动力电动汽车的分类按结构分类 串联混合动力电动汽车SHEV(SeriesHybridElectricVehicle)并联混合动力电动汽车PHEV(ParallelHybridElectricVehicle)混联混合动
3、力电动汽车SPHEV(SeriesandParallelHybridElectricVehicle)3.1.1混合动力电动汽车的分类按主要动力源分类 电力主动型HEV(电量消耗型HEV)电机功率占整个系统功率的百分较大，发动机功率占整个系统功率的百分较小，不足以维持电池组荷电状态SOC。车辆行驶后的电池组荷电状态SOC 低于初始值，需外界能量源给电池组补充充电。发动机主动型HEV(电量维持型HEV)发动机功率占整个系统功率的百分较大，电机功率占整个系统功率的百分较小，电池组仅提供车辆行驶时的峰值功率。车辆行驶前后的电池组荷电状态SOC 基本维持不变。电池组容量可较小。一般不需外界能量源给电池组
4、补充充电。串联混合动力电动汽车 结构示意图 动力总成：发动机、发电机、电动机 串联混合动力电动汽车 结构示意图 串联混合动力电动汽车 能量流图(车载能源环节的联合)驱动桥 串联混合动力电动汽车 能量流图(车载能源环节的联合)蓄电池 蓄电池 电动机控制器 电动机控制器 电动机 电动机功率转换器 功率转换器 发电机 发电机 发动机 发动机驱动桥 驱动桥车轮 车轮车轮 车轮机械能 机械能电能 电能APU APU 串联混合动力电动汽车 特点 发动机和发电机组成辅助动力单元APU(AuxiliaryPowerUnite)一起工作产生所需的电能。发动机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器。发动机输出的机
5、械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。单条驱动线路：只有电动机驱动汽车行驶。发动机仅用于带动发电机发电，与驱动轮无机械连接，不直接驱动车辆。为发动机辅助型的电动车，可增加电动车的续驶里程。串联混合动力电动汽车 优点 动力电池组为基本能源，可实现“零污染”状态的行驶。发动机发电机组所发出的电能向动力电池组充电，用于补充动力电池组的电能，或直接供给驱动电动机，以延长续驶里程。发动机发电机组的发动机能够保持在稳定、高效、低污染的状态下运转，将有害气体排放控制在最低范围。还可采用燃气轮机、转子发动机等其它类型的发动机，进一步降低燃料消耗
6、和有害气体排放。趋近于纯电动车，只有电动机驱动车辆。可采用电动机集中驱动系统或电动轮驱动系统。总体结构较简单，易于控制，发动机发电机组和电动机之间没有机械联系，在车上布置有较大的自由度。串联混合动力电动汽车 缺点 电动机驱动功率必须能够克服车辆在行驶过程中的最大阻力，故电动机功率要求较大，外形尺寸较大，质量较重。由于电动机不经常在满负荷状态下工作，因此效率较低。要求动力电池组容量大，同时还需较大功率的发动机发电机组，一般发动机发电机的功率接近和等于电动机的功率。加上庞大的动力电池组，整车外形尺寸较大，质量较重，在中小型车上布置有困难，较适合应用于大型客车。发动机发电机电动机系统的机械能电能机械
7、能的能量转换过程中，能量损失较大；在动力电池组的充、放电过程中也存在能量损耗,能量转换的综合效率比内燃机汽车低。发动机发电机组与动力电池组之间的匹配要求较严格，要根据动力电池组SOC 的变化，自动起动或关闭发动机，以避免动力电池组过放电和过充电，需要更大容量的电池。并联混合动力电动汽车 结构示意图 动力总成：发动机、电动机Insight 并联混合动力电动汽车 结构示意图(电机在离合器之后)并联混合动力电动汽车 结构示意图(电机在离合器之前，起ISG 作用)并联混合动力电动汽车 能量流图(机械能的联合)驱动桥 并联混合动力电动汽车 能量流图(机械能的联合)蓄电池 蓄电池 电动机控制器 电动机控制
8、器 电动机 电动机发动机 发动机 离合器 离合器驱动桥 驱动桥车轮 车轮车轮 车轮机械能 机械能电能 电能变速器 变速器 并联混合动力电动汽车 特点 2 条驱动线路：内燃机和电动机都可通过各自的驱动线路驱动车轮。3 种驱动模式：发动机单独驱动，电动机单独驱动，发动机和电动机混合驱动。为电力辅助型的燃油车，可降低排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于驱动电动车所需的功率或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量充入电池。并联混合动力电动汽车 优点 只有发动机和电动机两个动力总成，两者的功率可以等于50%100%车辆驱动功率，比SHEV 三个动力总成的功率、质量和体积小很多。发动机可直接
9、驱动车辆，没有SHEV 发动机的机械能电能机械能的转换过程，能量转换的综合效率比SHEV 高。车辆需要最大输出功率时，电动机可以给发动机提供额外的辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃油经济性比SHEV好.与电动机配套的动力电池组容量较小，使整车质量减小。电动机(如ISG)可带动发动机起动，调节发动机的输出功率，使发动机基本稳定在高效率、低污染状态下工作。发动机带动电机发电向电池组充电，可延长续驶里程。并联混合动力电动汽车 缺点 需要配备与内燃机汽车相同的传动系统，总布置基本与内燃机汽车相同，动力性能接近内燃机汽车。发动机工况会受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于SHEV。需要装置离合器、
10、变速器、传动轴和驱动桥等总成，还有电动机、动力电池组和动力组合器等装置，因此动力系统结构复杂，布置和控制更困难。并联混合动力电动汽车 组合驱动方式双轴式转矩结合式 双轴式转矩结合式单轴式转矩结合式 单轴式转矩结合式（如（如Insight Insight）驱动力结合式 驱动力结合式（双轴驱动）（双轴驱动）转速结合式 转速结合式 混联混合动力电动汽车 结构示意图(以丰田Prius 为例)动力总成：发动机、发电机、电动机Prius 混联混合动力电动汽车 结构示意图(以丰田Prius 为例)混联混合动力电动汽车 能量流图(以丰田Prius 为例)行星齿轮机构将 行星齿轮机构将3 3 个动力总成相连：个
11、动力总成相连：发动机 发动机 行星架，发电机 行星架，发电机 太阳轮 太阳轮电动机 电动机 齿圈 齿圈驱动桥 行星齿轮机构驱动桥 混联混合动力电动汽车 混联混合动力合成装置行星齿轮机构工作原理 结构：太阳轮与发电机相连，齿圈与传动装置相连，行星架与发动机相连。发动机动力传递：一部分动力通过行星齿轮传给齿圈，然后通过传动轴传给驱动车轮；另一部分动力传给太阳轮经发电机转化为电能。各部件角速度方程：1+kp2-(1+kp)3=0kp基本齿数比，kp=Z2/Z1；Z1、Z2分别为太阳轮、齿圈的齿数；1、2、3分别为太阳轮、齿圈和行星架的角速度。各部件运动方程：J11=1M1-2M2/kpJ33=M3+
12、3M2(kp+1)/kpJ1太阳轮及其相关部件的转动惯量；J3行星架的总转动惯量M1、M2、M3分别为作用在太阳轮、齿圈及行星架上的转矩1、2、3分别为太阳轮、齿圈、行星架的传动效率1-1-太阳轮 太阳轮;2-;2-齿圈 齿圈;3-3-行星架 行星架;4-;4-行星齿轮 行星齿轮 混联混合动力电动汽车 特点 将串联HEV 和并联HEV 相结合，具有两者的优点。与串联HEV 相比，增加了机械动力的传递路线。与并联HEV 相比，增加了电能的传输路线。混联混合动力电动汽车 优点 三个动力总成比SHEV 三个动力总成的功率、质量和体积小。有多种驱动模式，节能最佳，有害气体排放达到“超低污染”。发动机可
13、直接驱动车辆，没有机械能电能机械能的转换过程，能量转换的综合效率比内燃机汽车高。电动机可独立驱动车辆行驶。电动机利用低速大转矩特性，带动车辆起步，可在城市中实现“零污染”行驶。车辆需最大输出功率时，电动机可给发动机提供辅助动力，因此发动机功率可选择较小，燃料经济性比SHEV 好。混联混合动力电动汽车 缺点 发动机驱动是基本驱动模式，电动机驱动是辅助驱动模式，动力性更接近内燃机汽车。发动机工况受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于SHEV。需要配备两套驱动系统；发动机传动系统需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动桥等传动总成；另外，还有电动机、减速器、动力电池组，以及多能源动力(发动机动力与电动
14、机动力)组合或协调专用装置。因此，多能源动力系统结构复杂，总布置困难。多能源动力系统的工作模式有多种形式，需复杂的多能源动力总成控制系统，才能达到高经济性和“超低污染”。3.1.5混合动力电动汽车的比较 驱动方式的比较传统汽车：只有发动机直接驱动汽车串联HEV：只有电动机直接驱动汽车(类似与纯电动汽车)并联 HEV：发动机和电动机都可直接驱动汽车3.1.5混合动力电动汽车的比较 结构的比较发动机 发动机发电机 发电机功率转换器 功率转换器蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱发动机 发动机功率转换器 功率转换器蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱发动机
15、 发动机功率转换器 功率转换器蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱发电机 发电机串联 串联HEV HEV并联 并联HEV HEV混联 混联HEV HEV电力接连 电力接连机械连接 机械连接液流连接 液流连接3.1.5混合动力电动汽车的比较 主要应用范围的比较 串联HEV：大客车。如武汉理工大学串联混合动力大客车。并联HEV：轿车。如本田Insight。混联HEV：轿车。如丰田Prius。纯电动汽车：小型或微型车。如NissanHypermini3.1.5混合动力电动汽车的比较结构模式串联HEV 并联HEV 混联HEV动力总成发动机、发电机、电机三大动力总成发动机、电动/发
16、电机两大动力总成发动机、电动/发电机、电动机三大动力总成发动机的选择范围发动机功率发动机排放发动机的选择有多种形式发动机功率较大发动机工作稳定，排气净化较好发动机一般为传统的内燃机发动机功率较小发动机工况变化大，排气净化较差发动机的选择有多种形式发动机功率较小发动机排放介于串联与并联HEV 之间驱动模式 只有电动机驱动模式发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-电动机混合驱动模式发动机驱动模式、电动机驱动模式、发动机-电动机混合驱动模式、电动机-电动机混合驱动模式传动效率发动机-发电机-电动机能量转换效率较低发动机传动系统的传动效率较高发动机传动系统的传动效率较高3.1.5混合动力电动汽车的比
17、较结构模式串联HEV 并联HEV 混联HEV制动能量回收 能够回收制动能量 能够回收制动能量 能够回收制动能量整车总布置三大动力总成之间没有机械式连接装置，结构布置的自由度较大，但三大动力总成的质量、尺寸都较大，在小型车辆上不好布置，一般在大型车辆上采用发动机驱动系统保持机械式传动系统，发动机与电动机两大动力总成之间被不同的机械装置连接起来，结构复杂，使布置受到一定限制三大动力总成之间采用机械式连接装置，三大动力总成的质量、尺寸都较小，能够在小型车辆上布置，但结构更加复杂，要求布置更加紧凑适用条件适用于大型客车或货车，适应在路况较复杂的城市道路和普通公路上行驶。更加接近纯电动汽车性能。适用于小
18、型汽车，适应在城市道路和高速公路上行驶。接近普通内燃机汽车性能。适用于各种类型汽车，适应在各种道路上行驶。更加接近普通内燃机汽车性能。3.1.5混合动力电动汽车的比较结构模式串联HEV 并联HEV 混联HEV造价三大动力总成的功率较大，质量较重，制造成本较高只有两大动力总成，两大动力总成的功率较小，质量较轻，电动/发电机具有双重功能，还可利用普通内燃机汽车底盘改装，制造成本较低虽然有三大动力总成，但三大动力总成的功率较小，质量较轻，需要采用复杂的控制系统，制造成本较高3.2 混合动力电动汽车驱动系统分析3.2.1 混合动力电动汽车驱动系统的能量管理3.2.2 串联混合动力电动汽车的工作模式3.
19、2.3 并联混合动力电动汽车的工作模式3.2.4 混联混合动力电动汽车的工作模式 混合动力电动汽车驱动系统的能量管理-能量蓄电池提供的补充能量发动机最大效率工作时的输出能量蓄电池再生制动回收的能量发动机输出的多余能量时间起步减速(制动)发动机关闭匀速+车辆行驶所需能量加速-车辆行驶所需能量 车辆行驶所需能量=发动机工作能量 发动机工作能量+电机工作能量 电机工作能量时间车速 混合动力电动汽车驱动系统的能量管理 起步 为避免发动机的怠速及低负荷工况，以减小油耗，故发动机不工作，仅电机利用其低速大转矩的特性单独使车辆起步。加速 发动机启动后以最大效率工作驱动车辆，电机提供部分功率辅助车辆加速。匀速
20、 发动机按油耗最小的最优工作曲线工作，当发动机输出功率大于车辆行驶所需功率时，多余功率驱动以发电状态工作的电机发电而向蓄电池充电。减速(制动)发动机关闭不工作，电机进行再生制动向蓄电池充电.串联混合动力电动汽车的工作模式 启动/正常行驶/加速模式 发动机通过发电机和蓄电池一起输出电能并传递给功率转换器，然后驱动电动机，通过机械传动装置驱动车轮。发动机 发动机发电机 发电机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机 传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接串联混合动力电动汽车的工作模式 轻载模式 发动机发出的功率大于车辆所需功率，多余的能
21、量通过发电机给蓄电池充电直到SOC 达到预定的限值。发动机 发动机发电机 发电机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机 传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接串联混合动力电动汽车的工作模式 减速/制动模式 电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率转换器给蓄电池充电。发动机 发动机发电机 发电机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机 传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接串联混合动力电动汽车的工作模式 蓄电池充电模式 停车时，发动机可通过发电机和功率转换器给蓄电池充电
22、。发动机 发动机发电机 发电机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机 传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接并联混合动力电动汽车的工作模式 启动/加速模式 车辆启动或节气门全开加速时，发动机和电动机同时工作，共同分担驱动车辆所需的动力，如发动机和电动机分别承担总功率的80%和20%。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接并联混合动力电动汽车的工作模式 正常行驶模式 车辆正常行驶时，电动机关闭，仅由发动机工作提供车辆行
23、驶所需动力。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接并联混合动力电动汽车的工作模式 减速/制动模式 车辆减速行驶或制动时，电动机工作于发电机模式进行再生制动，通过功率转换器给蓄电池充电。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接并联混合动力电动汽车的工作模式 行驶中给蓄电池充电模式 当车辆轻载时，发动机输出功率驱动车辆行驶，同时发动机输出的多余功率驱动以发电状态工作的电机
24、发电而向蓄电池充电。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接混联混合动力电动汽车的工作模式 发动机主动型混联混合动力电动汽车 车辆运行时，主要是发动机驱动车辆，如尼桑Tino。电力主动型混联混合动力电动汽车 车辆运行时，主要是电动机驱动车辆，如丰田Prius。混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型混联混合动力电动汽车 启动模式 发动机关闭，由蓄电池给电动机提供电能驱动车辆。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连
25、电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型混联混合动力电动汽车 加速模式 节气门全开车辆加速行驶时，发动机和电动机同时工作，共同分担车辆行驶所需的动力。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型混联混合动力电动汽车 正常行驶模式 电动机关闭，发动机工作，提供车辆所需动力。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电
26、力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型混联混合动力电动汽车 减速/制动模式 电机工作于发电模式进行再生制动，通过功率转换器给蓄电池充电。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型混联混合动力电动汽车 行驶中给蓄电池充电模式 发动机一部分动力用于驱动车辆，另一部分动力由发电机经功率转换器给蓄电池充电。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动
27、机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式发动机主动型混联混合动力电动汽车 蓄电池充电模式 当停车时，发动机可通过发电机给蓄电池充电。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式电力主动型混联混合动力电动汽车 启动/轻载模式 发动机关闭，由蓄电池给电动机提供电能驱动车辆。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置
28、 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式电力主动型混联混合动力电动汽车 加速模式 发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需功率。电动机所需电能由蓄电池和发电机共同提供。通常用行星齿轮机构分流发动机的输出功率，一部分用于驱动车辆，一部分用来驱动发电机。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式电力主动型混联混合动力电动汽车 正常行驶模式 发动机和电动机一起工作，
29、共同提供车辆所需功率。电动机所需电能仅由发动机驱动发电机提供。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式电力主动型混联混合动力电动汽车 减速/制动模式 电动机工作于发电机模式进行再生制动，通过功率转换器给蓄电池充电。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式电力主动型混联混合动力电动汽车
30、 行驶中给蓄电池充电模式 发动机一部分动力用于驱动车辆，另一部分动力由发电机经功率转换器给蓄电池充电。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机混联混合动力电动汽车的工作模式电力主动型混联混合动力电动汽车 蓄电池充电模式 当停车时，发动机可通过发电机给蓄电池充电。发动机 发动机功率转换器 功率转换器 蓄电池 蓄电池 电动机 电动机传动装置 传动装置油箱 油箱电力接连 电力接连 机械连接 机械连接 液流连接 液流连接发电机 发电机课外作业3 阐述串联、并联和混联3 种混合动力电动汽车的结构和各自在不同工作模式下的能量流。