电动及混合动力系统简介

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中混合度HEV(144 V) 本田Civic， 长安杰勋 全混合HEV (288 V) 丰田Prius, 福特 Escape，一汽/东 风 纯电动 Plug-in HEV
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电动汽车/混合动力汽车发展趋 势
• 近期内ISG系统是主打产品 • 随着电池技术（特别是锂离子电池）的快速发展， 纯电动和Plug-in系统将得到重点关注和快速发 展，研发能力不足，新进入电动汽车领域的整车 厂尤其青睐此技术 • 鉴于电池发展的不确定性以及充电设施的制约， 采用双电机系统的强混合动力汽车将占据一定的 比例，并根据电池成熟程度，往Plug-in靠拢
2007年12月底，装配大郡B样系统的 长安混合动力杰勋下线，成为国内自主 品牌首款量产混合动力轿车 2008年3月底，长安C样系统通过测试， 开始小批量供货 2008年6～9月，装配大郡电机系统的 长安混合动力新能源汽车服务绿色奥运。 2008年12月，科技部“十城市千辆” 工程首先在重庆开始。首批10辆公务 车交付重庆市政府使用。 2009年6月上市销售
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3% 5 - 6% 8% - 12% 20%39% 35% 55% >50%
YES
(> 0.3 sec) YES
Minimal (< 3 kW) Modest (< 9 kW)
YES (-30% disp. AND Atkinson) YES
曲轴驱动ISG (42V)
(PbA/Adv. Battery)
Vehicle Control
Engine Control
ISG Control Power Controller
Battery Management
Battery
15kW
ISG
Trans.
皮带传动集成式起动发电机
Rotor Excitation + sensor signal Power
12 12V
• 环境保护
纯电动汽车动力系统
• 由电池（或未来的燃料电池） 提供能量，牵引电机系统将电 池能量转化成驱动力 • 结构简单，容易实现 • 采用电能，对石油依赖性低， 有利于国家能源安全 • 关键在于电池技术的突破 • 对牵引电机系统的效率要求很 高
整车控制器
电池管理 系统
电机控制器
电池
牵引电机
减速机.
ISG
Vehicle Control
Engine Control
Trans. Control
Motor Control
Battery Control
IPU
Battery
7-10kW
丰田THS混合动力系统
• 引擎:
• 1.5升, 4缸, 16阀 • 输出功率：53kW、 （4500rpm） • 最大力矩: 115Nm （4200 rpm）
纯电动汽车
• • 由于电池及充电设施的制约，销量非常有限 中国政府大力推动电动汽车的发展
除非电池技术出现重大突破，纯电
动汽车只能用于数量有限的专用市 场，例如：…
特殊用途电动车
邮递卡车 机场行李拖车: 80V, 18/30kW
城市及社区内用小型车
丰田 e-com
• 零售价: $14,000 • 电池: NiMH, 288V/28Ah • 行驶里程: 100km (城市/高速公 路驾驶循环) • 最高时速: 100 公里/小时
混动动力系统工作原理及优势
ISG
变速箱
发动机
高压电池
电力电子控制器
P (kW) 30 汽车载荷谱 20 10
ISG电动运行 发动机最经济工 作点运行
ISG发电运行
T (s)
发动机最经济工作点
0
混合动力系统实现方案：ISG系统
• 可以实现频繁启停、减 小发动机和部分制动回 收能量的功能 • 结构简单，对原车的改 动较小，成本较低，容 易实现，进入市场快 • 节油15%-25%（取决 于工况） • 近期国产混合动力车的 主要方案
丰田的燃料电池汽车
• •
丰田于2002年12月1日推出第一台供租赁试用的燃料电池汽车。 丰田自主开发的燃料电池电堆以及燃料电池系统
本田的燃料电池汽车
• • • •
本田公司已在美国获得上路的许可证 计划在最近推出样车试用项目 采用Ballard公司和本田自己制造的电堆 本田自产的燃料电池系统
纯电动/燃料电池汽车用牵引电机系统
混合电动车的关键技术
串联混合电动车
燃料电池
储能 电池 电驱动 系统
变速箱 内燃发动机
系统分析与优化
• 最优系统结构和零部 件配置 • 最优控制 • 热管理 • 结构应力分析 • 振动分析
混合动力 功能 实现方案 传统汽车 皮带驱动ISG
(12 V/42 V)
发动机 频繁启动
减小发动机
(助力/减少发动机拖 动的辅助功能)
再生制动
电动起步
慢爬模式
燃油经济性 改善程度
C-car, M-H Cycle
Possible
(unpleasant)
NO
NO Minimal (< 3 kW) Modest (< 9 kW) YES (full benefit)
fuel cell battery converter
再生制动工况
fuel cell
battery converter
inverter
inverter
motor
motor
福特和戴姆勒-克莱斯勒的 燃料电池电动车
Ecostar提供的集成式驱动系统

集变速箱、电动机、逆变控 制化器、DC/DC变换器于一 体 电子部分可拆卸式设计 连续功率50kW /峰值功率80 kW 变速箱角度可调节
• 2003年开始开发，经 过多轮完善 • 用于上海大众燃料电池 轿车中参与2008奥运 示范运行 • 用于上汽、长安、一汽 的燃料电池轿车中参与 世博会示范运行 • 计划以此系统为基础开 发新一代系列化牵引电 机系统产品
燃料电池汽车所面临的挑战
• 低温工作困难，冷起动时间过长
• 在快速动态工况下可靠性和耐久性不够
混合动力系统实现方案：双电机系统
• 可以实现频繁启停、减 小发动机、制动能量回 收和纯电动起步的全部 功能（强混合或全混合） • 节油30%-50%（取决 于工况） • 结构复杂，实现难度大， 成本比较高 • 有实力的厂商开发（丰 田、一汽、上汽等）
Trans. Traction Motor 30kW
• • 燃油经济性 大大改善排放
改善燃油经济性的主要途径
• 减少汽车做功
• 降低重量、轮胎阻力、空气摩擦阻力 • 回收制动能量
• 增加零部件的瞬时效率
• 降低发动机与动力系统的损耗 • 优化燃烧过程（如：稀薄燃烧、Miller循环等) • 增加燃烧温度（柴油、陶瓷发动机）
• 增加系统的平均效率
• 在怠速或汽车减速时关闭发动机 • 以电机和电池储能取代发动机低效工况区域 • 以电机和电池储能辅助减小的发动机
• 为一汽混合动力轿车配套
• 2004年开始开发 • 第二代A样机已提供近20套 • 参与2008奥运示范运行项目
• 正与整车客户商谈产品开发计 划
电动/混合动力系统方案：串联Plug-in系统
• 在纯电动汽车上加一个车载 发电机组（Range Extender) • 具备一定的纯电动续驶里程 （50-100公里） • 短途用电，长途用Range Extender • 结构简单，容易实现 • 采用电驱动，运行成本低 • 对电池要求较高 • 通用、丰田、比亚迪采用此 方案
福特 - TH!NK City
新应用概念:接站电动车
• 利用公交作长途旅行工具
• 电动车为局部区域的代步工 具 • 会员制:所有的电动车为会 员所共有 • 为使用者带来便利:
• • • • 交通的灵活性 切实可行的替代方案 长途旅行时的”自由时空” 不需拥有多余的私用车
• 为社区带来的好处:
• 减少空气污染 • 缓解交通堵塞
•
电动机:
• 3kW, 1680 – 11440rpm • 最大力矩：56Nm 0300rpm • 电池电压：36V
丰田皮带传动ISG电机设计指标
电压: 最大电流: 输出功率: 电动: 再生制动: 最高转速: 尺寸: 重量: 驱动方式: 冷却: 21.6 V 140 A rms 2.1 kW (546-1,200 rpm) 6.2 kW (5,000-9,000 rpm) 15,000 rpm 153.5 mm(diameter) x 214.0 mm (length) 10.6 kg 皮带盘 发动机冷却水
本田 Civic 动力系统
- LSR CVT
特殊发动机:
• 1.3L I-4, 63kW at 5700rpm • 119 Nm at 3300rpm • Two sparks per cylinder for lean burn • Variable valve timing control capable of closing the intake valve for three cylinders
纯电动、燃料电池、混合动力 汽车技术简介
兼顾燃油经济性与环保的未来汽车技术
完美的环保车
FCHV
THS Diesel DI CNG D-4 Lean Burn VVT-i EV
Series Hybrid
替代能源
柴油发动机 汽油发动机
混合动力 汽车
纯电动 汽车
开发电动汽车的动机
• 能源安全性 • 能源经济性
燃料电池的优越性
• 零排放(纯氢式)或接近零排放 • 比内燃发动机好得多的燃油经济性(2-3倍) • 可使用灵活多样的初始燃料
• • • • 氢气Hydrogen 甲醇(从有机废料中提取) 天然气 石油
燃料电池的工作原理
Oxygen Side ½ O2 + 2 H+ + 2 e- H2O
Cathode 2e2eAnode
Generator Range Extender Engine Control
Vehicle Control
Motor/Generator Control
Battery Control
Power Electronics Controller
Battery
Traction Motor
Trans.
Biblioteka Baidu
混合电动车功能与实现方案
• 电动机:
• 最大输出功率:33kW, 1040 – 5600rpm • 最大力矩: 350Nm 0-300rpm • 电池电压： 274V
Estima 动力系统示意图
Toyota Hybrid System – CVT (THS-C)
2.4-liter high expansion ratio cycle gasoline engine
• 对燃料杂质的要求较高
• 制造成本较高 • 车内储氢 • 加氢基础设施
燃料电池汽车的发展趋势
• • 燃料电池有成为未来汽车动力系统的潜力 但是还有许多技术和基础设施方面的难题需 要解决才能实现产业化
世界各国都在投入一定资源开发燃料电池汽
车；然而产业化还需假以时日
混合动力汽车发展的推动力
混合动力车现在就可以满足客户的需要:
Fuel Tank
Planetary Gear + Clutch
Front
CVT
Battery
Rear Electric motor
Front Electric motor
Inverter
THS-C 系统的布置图
强混合动力车用双电机系统
• 为东风混合动力轿车配套
• • • • 2003年开始开发 至今已经提交近20套系统样机 已完成10万公里行车试验 样车进行日常运行
V or 36V
Starter Quick & Noiseless
ECU
Alternator Efficiency + 5-10%
丰田的 THS-M 皮带传动ISG系统
• • • 用于丰田的CROWN牌轿车 2001年8月开始在东京出租车 上试运行 引擎:
• 3升, 6缸, 24阀 • 147kW/5000rpm
Water (H2O)
2H+
Hydrogen Side H2 2 H+ + 2 eH2 Fuel
Air
1/2 02
Catalyst
PEM Electrolyte Heat
Balance H2 + ½ O2 H2O
Ballard的燃料电池电堆
MK5
MK7
MK8
MK9
燃料电池混合动力系统
正常行驶工况
变速箱:
• Metal belt continuous variable transmission (CVT) • Speed variation range of 2:1
电动机辅助系统 (IMA)
• 10kW, 1000 - 4000rpm • 49Nm, 0-1000 rpm
中度混合电动车用ISG系统