HEV-PHEV构型分析

电
结合
离
合
器
驱动
3－2
3.3 混联构型工作模式
c)制动能量回收模式
发电
发动机
电机
自动变速箱
车轮
电
发
2
自动变速箱
离
合
器
车轮
行星齿轮组
电机
发电机
电池
电机
电
充
发电
车轮
行星齿轮组
发动机
发电
发动机
离
合
器
电机
电池
1
发
电池
电
电机
发电机
变速箱
电
车轮
发
行星
齿轮
发动机
分离
离
合
器
电机
电池
3－1
电
充
3－2
3.3 混联构型工作模式
• 串联混合动力中发动机与车辆完全机械解耦，其运行工况
不受汽车行驶工况的影响，可以始终控制在最佳的工作区
稳定运行。
• 串联式混合动力电动汽车适合于负载频繁变化的市区工况，
因为发动机可以不受道路情况影响保持高效率运行发电。
而在负荷持续较高的高速路工况行驶时，往往因为要经过
机械能―电能―机械能多次能量转换，与传统车辆和并联
整车能量管理控制技术
Hale Waihona Puke Baidu
燃料电池的功率密
降成本技术
混合动力系统构型分析
• 混合动力车辆是一种介于普通汽车和电动车辆之
间的过渡型车辆，兼有两者的一些优点，如超低
排放、高效率和续驶里程长，只是成本较采用传
统动力系统的车辆稍高。因此，混合动力是近期
切实可行的一条车辆发展技术路线。
• 混合动力汽车根据动力系统的结构可以分为串联
发动机可以通过离合器分离实现与传动系脱离，车辆由电
机独立驱动。因此，此类构型通常也需要功率较大的电机，
系统多为深混合动力系统。对于混合点后有离合器的系统
（构型1，4），可以通过发动机和车辆传动系脱开，采用
电机实现发动机迅速起动功能。
2.2 并联构型系统方程与自由度
• 从能量平衡的角度看，车辆所需功率由电机和发动机共
低。
• 根据离合器和混合点位置关系不同，并联系统可以细分为
几种构型。对于混合点前没有离合器的构型（构型1），
离合器位于混合点后，发动机不能独立于电机脱开。发动
机起系统主要动力源的作用，电机只起辅助作用，一般没
有纯电动状态，系统通常为微混合或轻度混合动力系统。
发动机和混合点之间存在离合器的构型（构型2，3，4），
构型(Series)、并联构型(Parallel)、混联构型
(Combined, Series-Parallel, Power-split)几种形式。
不同构型的混合动力系统各有其优缺点，其方案
的选择取决于多种因素，例如：应用环境、驾驶
工况、成本考虑等。
1. 串联构型(Series Hybrid)
• 串联构型的特征是只有一个能量转换装置可以为
需功率由电池和发电机共同提供。因此发电机输出功率为
自由变量，系统具有一个能量自由度。对于一个给定的发
电机输出功率，发动机可以自由选择工作转速，因此发动
机转速为自由变量，发动机具有一个机械自由度。
1.3 串联构型系统工作模式
b)发动机/电机联合工作模式
（功率分配模式）
a)纯电动驱动模式
驱动
发电
发动机
发动机
车轮
电机
电池
离
合
器
变速箱
电池
1
变速箱
车轮
发动机
离
合
器
离
合
器
2
变速箱
车轮
电机
电机
电池
发动机
电池
离
合
器
变速箱
车轮
电机
车轮
3
道
路
5
电池
4
2.1 并联构型特点
• 并联构型系统中车辆驱动力通常主要由发动机提供，电机
起到辅助作用。所要求的电机、发动机功率可以降低，电
池容量可以减小，电池组重量也可以降低，使制造成本降
节能与新能源各种路径/措施的技术经济性
3~5%
30~35%
10~15%
60~90%
70~95%
节油潜力
油
耗
零排放
微混
电机
轻混
深混
电机
动力电池
插电式混合动力
关
键
技
术
变速器
发动机启停技术
BSG / ISG电机技术
48V电池及电气技术
发动机
纯电动
燃料电池
动力电池
车轮
离合器
离合器
发动机
电机
动力电池
油效果好；
(-) 需匹配两个大功率
电机；
(-) 高速时的功率分流
导致一部分的效率损
失。
OEM
应用情况
30~80kW
30~100kW
道
路
5
分离
离
合
器
电机
离
合
器
车轮
电
发
电池
1
4
分离
离
发动机 合
器
变速箱
电机
电
电池
电池
发动机
发
分离
电机
车轮
分离
离
合
器
充电
发动机
2
变速箱
车轮
电
发
充电
车轮
充/放电
电机
变速箱
结合
充电
离
合
器
发动机
充/放电
驱动
充电
结合
充/放电
驱动
d)制动能量回收模式
电池
4
3. 混联构型(Combined Hybrid)
行星
齿轮
发动机
发动机
分离
离
合
器
停机
变速箱
放电
电机
离
合
器
变速箱
车轮
电机
车轮
电池
动
驱
分离
离
发动机 合
器
4
动
驱
2
3
停机
电池
电池
变速箱
分离
动
放电
电机
离
合
器
车轮
驱
电池
停机 分离
离
发动机
合
器
发动机
放电
停机
放电
变速箱
车轮
电机
车轮
驱动
道
路
5
2.3 并联构型系统工作模式
c)联合工作模式
驱动
电/
发
电池
1
驱动 结合
车轮
电机
车轮
动
电机
d)停车充电模式
行星
齿轮
车轮
发动机
电机
发电机
电
充
电
充
电池
电机
1
自动变速箱
驱动
离
合
器
变速箱
车轮
电机
电池
2
自动变速箱
车轮
行星齿轮组
发动机
离
合
器
车轮
行星齿轮组
发电
发动机
电
发
发电
发动机
分离
离
合
器
电机
发电机
电机
电
充
电池
电机
电池
3－1
3－2
主流整车产品构型方案小结
功率解耦构型
（Power Split）
发电机
行星齿轮
和
动力耦
合装置
车轮
4
基本原则与节能原理
• 不管是哪种混合动力构型，燃料的化学能经内
燃机以可能的最高效率转换成机械能以后，再
经过任何一个多余的环节，效率都会降低，无
论这个环节是机械耦合还是机电耦合。
电池, Ee
能量流（功率）
电
机
发
电
机
油箱，Ef
能量流（功率）
内燃
机
变速箱
和
动力耦
合装置
车轮
5
基本原则与节能原理
②高效稳态发电工况：最高效率点
③停机
2. 回收惯性能量
7
基本原则与节能原理
电池, Ee
能量流（功率）
电
机
变速箱
和
动力耦
合装置
发
电
机
油箱，Ef
能量流（功率）
②
① 高效并联驱动工况
② 高效稳态发电工况
③ 停机
• 工况①和工况②在
双电机/CVT等无极
调速下可以归并为
一个聚类工况
内燃
机
①
③
车轮
HEV/PHEV的节能潜力
电池
变速箱
车轮
2. 并联构型(Parallel Hybrid)
•
•
•
•
并联构型的特点是有多个能量转换
装置可以同时给车辆提供驱动力。
根据混合点的位置不同，并联构型
又可细分为离合器前混合型（构型
1）、离合器后混合型（构型2）、
变速箱后混合（构型3）、双离合器
型（构型4）和道路混合型 (构型5)
其中构型1结构多用于微混合和轻度
电
断油/停缸
/驱
电机
电池
2
结合
离
合
器
变速箱
车轮
停机
发动机
电池
3
停机
离
合
器
发动机
发
动
变速箱
变速箱
驱动 结合
离
发动机
合
器
发
电
/驱
离
合
器
充/放电
发动机
离
合
器
变速箱
电池
离
合
器
变速箱
车轮
电机
电
发
3
停机
驱动 结合
离
发动机 合
器
电池
充/放电
变速箱
车轮
电机
车轮
道
路
发电/驱动
5
电池
充电
变速箱
车轮
电机
车轮
发电
停机
发动机
a)纯电动模式
车轮
发动机
动
自动变速箱
车轮
动
驱
2
自动变速箱
车轮
行星齿轮组
动
发动机
离
合
器
车轮
行星齿轮组
驱
电机
发电机
电池
电
离
合
器
电机
电池
1
放
发动机
放
电池
电机
电
电机
发电机
停机
驱
变速箱
电
停机
行星
齿轮
发动机
分离
离
合
器
放
停机
电机
3－1
电机
电池
3－2
3.3 混联构型工作模式
b)联合工作模式
驱动
1
车轮
发电
行星齿轮组
车辆提供驱动力。在串联式混合动力汽车中发动
机带动发电机发电，或通过燃料电池发动机直接
输出电能
• 系统能量以电能的形式进行混合
• 一般具有部件体积大，重量大的特点，多应用于
大型客车、货车等商用车型中
发动机
发电机
电机
变速箱
车轮
辅助功率单元APU
电池
燃料电池
电机
电池
1
变速箱
车轮
2
机械连接
电连接
混合点
1.1 串联构型特点
单电机构型
（P2）
主电机
离合器耦合电机
本田双电机
i-MMD
Battery
变速器
构型图
四驱电桥构型
车轮
Motor
BSG
构型分类
Generator
发动机
发动机
减速器
ICE
车轮
主电机功率
副电机功率
60~147kW
42~134kW
混动功能
具备全部混动功能
技术特点
(+) 通过电机调速实现
e-CVT功能，市区节
机为车辆行驶提供主要能量，具有并联构型特征和优势。
• 多数混联构型（构型1，构型3-1）都利用了行星齿轮机构
进行能量分配，在实现了能量分配的同时，还实现了车辆
的变速器功能，替代了传统车辆的手动或自动变速器。
• 然而，混联构型往往系统比较复杂，需要动力分配装置
（行星齿轮）和多个电机，使得系统成本和复杂度大大提
车轮
增程式EV
车轮
发电机
电机
电机
蓄电池
燃料电池堆
离合器
离合器
变速器
增程器
离合器
发动机
变速器
驱动电机
储氢罐
混合动力专用发动机技术
增程器发动机技术
传动系机电耦合技术
高能量密度、高安全性和
度、冷启动、可靠
低成本动力电池成组技术
性等性能提升技术
制动能量回收技术
高效率、高性能的电机及电池技术
同提供。因此电机输出功率(或发动机输出功率)为自由
变量，系统具有一个能量自由度。由于机械连接的限制，
发动机和电机的转速均由车速决定，系统不具有机械自
由度。系统自由度体现在了扭矩变量的自由上，发动机
和电机的输出扭矩叠加后共同驱动车辆。
2.3 并联构型系统工作模式
a)发动机快速启动/停止模式
b)纯电动模式
高。
3.2 混联构型系统方程与自由度
• 从能量平衡的角度看，车辆所需功率由电机和发动机共同
提供。因此电机输出功率(或发动机输出功率)为自由变量，
系统具有一个能量自由度。由于行星齿轮机构的特点，在
实现了能量分配的同时提供了一个转速自由度，使得发动
机转速为自由变量，与车辆行驶工况解耦。
3.3 混联构型工作模式
混合系统。构型2，3，4和5多用于
全混合系统。
微混合动力中电机功率很小，通常
只具备快速启/停发动机和部分制动
能量回收功能。轻度混合则在微混
合的基础上增加了电机助力和更强
的制动回收能力。在全混合中电机
功率已经足够大以实现单独驱动车
辆能力，从而使系统具备纯电动能
力。
离
合
器
发动机
变速箱
车轮
发动机
离
合
器
电机
电机
发电机
电
充
电池
/
电
充 电 3－1
放
发动机
变速箱
电机
电池
离
合
器
车轮
/
动
驱 电
发
自动变速箱
驱动
驱动
驱动
/发
电
电
离
合
器
电
放
/
充电
电
/ 放
动
驱 电
发
充
电池
自动变速箱
驱动
电机
电机
发电机
发动机
发动机
充
放 电/
电
车轮
发电
发动机
驱动
2
驱动
车轮
行星齿轮组
驱动/
发电
行星
齿轮
电机
充电
放电 /
电机
电池
/
电
充 电
放
驱动
/发
驱动
停机
发电机
发电机
电机
变速箱
放
车轮
电池
电
放
辅助功率单元APU
车轮
电
辅助功率单元APU
发动机
变速箱
电机
驱动
发电
电池
发动机
发电机
车轮
充
辅助功率单元APU
变速箱
电机
电
电池
c)制动能量回收模式
d)停车充电模式
制动
发动机
发电机
电机
发动机
发电机
辅助功率单元APU
电机
电
电池
车轮
充
电
充
辅助功率单元APU
变速箱
停车
• 由此可以了解，混合动力节能的基本原理是：
1. 发动机的三个聚类工况
①高效并联驱动工况：保留内燃驱动中最高效率热-机能
量转换路径上的工况点（有一定转速和转矩变化范围）。
未必都位于发动机的最高效率区，而是那些接近最高效
率区、若增加一次机→电→机转换会得不偿失的那些点
其它低效率工况点聚类成两个稳态工况点
HEV/PHEV混合动力系统构型分析
欧阳明高
ouymg@tsinghua.edu.cn
内容提要
混合动力系统构型总体分析
背景，节能原理，基本构型及其自由度分析
HEV -并联，串并联，功率分流
PHEV
混合动力系统仿真与测试分析
中国HEV/PHEV典型构型与技术路径选择
混合动力发展背景
构型相比，系统效率相对较低，不能体现出优势。
• 采用串联式结构控制简单，并可使汽车的排放降低。然而
由于车辆所需的功率完全由电机提供，发动机功率需要完
全由发电机吸收，必须采用功率大的发电机和电动机，使
整车成本提高。
1.2 串联构型系统方程与自由度
• 从能量平衡的角度看，车辆所需功率由电机提供，电机所
3.1 混联构型特点
• 混联式驱动系统兼具串联式和并联式的优点，具有更全面
的混合动力工作模式，系统能量分配灵活度更高，能更好
的适应车辆复杂的行驶工况。
• 对于频繁行驶/停车和蠕行的城市工况，系统可以通过关
闭发动机，通过电机以纯电动方式行驶，充分利用了串联
混和动力的优势。对于持续中高负荷的高速路工况，发动
汽车能效与混合动力发展背景
3
基本原则与节能原理
• 混合动力能量来源：电能Ee和油能Ef
• 最经济的能量流是来自Plug-in的电能以最高效
率被利用；内燃机燃料的化学能以最高效的方
式被利用。两个高效能量流没有交叉。
最高效能量流（平行流）
电池, Ee
油箱，Ef
能量流（功率）
能量流（功率）
电
机
内燃
机
变速箱
车轮
发动机
电池
自动变速箱
发动机
车轮
电机
电池
电机
2
自动变速箱
行星齿轮组
发电机
车轮
电池
1
离
合
器
变速箱
电机
电机
发电机
离
合
器
发动机
离
合
器
电机
3－1
车轮
行星齿轮组
电机
电池
3－2
• 混联式构型是串联构型与并联构型的综合。系统的主要特征为：
• 1. 至少包含两个电机；
• 2. 系统能量混合方式同时具备并联混合和串联混合特征。