2、混合动力汽车结构

燃料转换装置优点和缺点
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国外混合动力公交客车结构方案
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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: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 Electric 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。
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
串联型混合电动汽车驱动系统
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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
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。
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
混合动力汽车用发动机选型
• 此外，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。
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。
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。
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。
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
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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。
• 分路式并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。
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 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。