第三章 混合动力电动汽车

混合动力电驱动系统及可能的动力流：
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29 April 2014
一、概述
混合动力电驱动系统及可能的动力流：
1).动力系1单独向载荷提供动力； 2).动力系2单独向载荷提供动力； 3).动力系1和动力系2两者都向载荷提供动力； 4).动力系2由载荷获得功率（再生制动）； 5).动力系2从动力系1获得功率 6).动力系2由载荷和动力系1中同时获得功率； 7).动力系1同时向载荷和动力系2提供动力； 8).动力系1向动力系2提供功率，同时动力系2 向载荷提供 动力； 9).动力系1向载荷提供动力，同时载荷向动力系2提供功率
12 12
ig i12
3
R Z 2 2 R1 Z1
1 ig 2 (1 ig )3 0 3
i 1 1 g 2 1 ig 1 ig
k1 k2
1 1 ig ig 1 ig
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2.2.2 转速耦合配置
转速耦合配置-典型转速耦合器件
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并联式混合动力结构
关键特征：机械耦合器中两个功率被相加，内燃 机为基本能量设备，蓄电池和电动机驱动装置 为能量缓冲器
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混联混合动力结构
关键特征：两个功率耦合器-机械和电气的耦合 器；串并组合体，拥有更多运行模式，结构与 控制复杂，成本较高
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一、概述
发展混合动力电动汽车的原因：
1 . 发动机燃油效率特性和实际的运行要求不相匹配
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一、概述
发展混合动力电动汽车的原因：
2 . 现阶段，动力电池的能量密度低，使EV的性能不能与ICE车相竞争
电池类型 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 USABC中期 目标 USABC长期 目标
混合动力汽车：
采用两种或两种以上的储能器、能源或转换器作为驱动能源，其中至 少有一种能提供电能。 HEV HEV
103hp
47hp / 1.3kWh
103hp
47hp / 1.3kWh
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一、概述
为回收传统车辆中以热能消耗的制动能量，通常在混合动力驱 动系统中，需要含有一个可双向能量流的动力系。
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2.1、串联式混合动力电驱动系
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优点：
1). There is no mechanical connection between the engine and the driven wheels. Consequently, the engine can be potentially operated at any point on its speed–torque (power) map.(易于实现发动机最大效 率工作) 2). the drive train may not need multigear transmission, the structure of the drive train can be greatly simplified and is of less cost.(结构简化，成本低，操 控性增强） 3). The control strategy of the drive train may be simple, compared to other configurations, because of its fully mechanical decoupling between the engine and wheels.(控制策略简化) 缺点:能量的两次转换;牵引电机是单一驱动动力;成本高
150~350 600~1200 150~300 600~1200
250~450 800~1200 >200(350) 200 400 600 1000 <150 <100
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动力电池的能量密度和功率
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一、概述
发展混合动力电动汽车的原因：
4.
3 . 车辆制动期间的能量消耗，在市区运行时尤其明显 在城市行驶的现代汽车，在停车-起动模式下，传动装置的效率也非常低。
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第三章 混合动力电动汽车
张政 曹军义 曹秉刚
西安交通大学 机械工程学院
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内容
一、概述； 二、混合动力电动汽车的结构； 三、功率流的控制； 四、举例； 五、发展现状与展望
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一、概述
发展混合动力电动汽车的原因：
1 . 发动机燃油效率特性和实际的运行要求不相匹配
比能量/ Wh/kg 30~45 46~60 60~70 90~130(96) 100 200
能量密度/ 比功率/ 循环寿命/ Wh/L W/kg 次 60~90 80~110 130~170 140~200 135 300 50~300 400~600
成本/ $/kWh 150 300 200~350
常见转矩耦合装置：变速箱
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2.2.1 转矩耦合配置
常见转矩耦合装置：带轮或链式组合件
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2.2.1 转矩耦合配置
常见转矩耦合装置：耦合转动轴
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2.2.1 转矩耦合配置
转矩耦合的电驱动结构
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单轴或两轴； 传动装置位置； 不同的传动比； 优化设计：牵引需求，发动机尺寸、电动机尺寸及其转 速转矩特性。
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2.1、串联式混合动力电驱动系
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运行模式（各自应用情况？）：
1).仅电牵引模式（Pure electric traction mode）； 2). 仅发动机牵引模式（Pure engine traction mode） 3).混合牵引模式（Hybrid traction mode:）； 4).发动机牵引和蓄电池充电模式（Engine traction with battery charging mode）； 5).再生制动模式（Regenerative braking mode） 6).动力电池充电模式（Battery charging mode）； 7).混合式动力电池充电模式（Hybrid battery charging mode）
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总的功率=稳定功率+波动功率
波动率的处理需要引入具有缓冲功能的模块。
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29 April 2014 二、混合动力电动汽车结构 混合动力电动汽车根据能量流的结构分类
按照推进系统能量流和功率流的配置结构关系，分为 串联、并联、混联和复合式混合动力结构。
功率变换器中两个电功率相加在一起；燃油、内燃机和 12 发电机为基本能量源，蓄电池为能量缓冲器。
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2.2.2 转速耦合配置
转速耦合配置
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上图为:概念性机械转速耦合方案.（三端口、两自由度） 在混合动力汽车应用中，1-内燃机；2-电动机；3-驱动轮； 转速耦合器特性： 功率守恒的约束：
3 k11 k22
T3
T1 T2 k1 k2
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2.2.2 转速耦合配置
行星齿轮支架被锁止在车架上:（逆时针为角速度正方向）
i132
3 2 R Z 2 2 3 R1 Z1 1
行星齿轮支架不受限制:
1 3 1 i 3 2 (1 i 3 )3 0 2 3 按常规，不习惯负的传动比，若定义传动比为正值:
i132
复合式混合动力结构
关键特征：两个功率耦合器-机械和电气的耦合 器；电气耦合功能由功率变换器移植蓄电池， 并在电动机/发电机和电池组之间加入一个功率 变换器 15
2.1、串联式混合动力电驱动系
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单向能源；双向能源；电耦合器；再生制动。
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2.1、串联式混合动力电驱动系
串联式混合动力电动汽车的控制图
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2.2、并联式混合动力电驱动系
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单向能源；双向能源；机械耦合器；再生制动。
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2.2、并联式混合动力电驱动系
并联式混合动力电动汽车的控制图
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2.2、并联式混合动力电驱动系
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机械耦合模式
1). 转矩耦合（torque coupling）； 2). 转速耦合（speed coupling）; 转矩耦合:机械联轴器将发动机和电动机的转矩相加，并 将总转矩传递给驱动轮；转矩可独立控制，但在功率 守恒的约束条件下，发动机和电机的转速以一定的关 系相互耦合，不可独立控制。 转速耦合:发动机和电动机的转速相加,转矩耦合在一起， 转矩不能独立控制。
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2.2、并联式混合动力电驱动系
2.2.1 转矩耦合
29 April 2014
上图为:概念性机械转矩耦合方案.（三端口、两自由度） 在混合动力汽车应用中，1-内燃机；2-电动机；3-驱动轮； 功率平衡： 转矩耦合器：
T33 T11 T22
T3 k1T1 k2T2
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2.2.1 转矩耦合配置
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2.2.2 转矩耦合配置
转速耦合的典型电驱动结构
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工作模式： 1.混合牵引； 2.单发动机牵引； 3.单电动机牵引； 4.再生制动； 5.蓄电池由发动机充电。
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2.2.3 转矩和转速耦合混合配置