第5章_1_混合動力電動汽車

1、HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 1 頁5 5.1 1 概述概述5 5.2 2 混合動力電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計混合動力電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計 5 5.3 3 混合動力電動汽車制動能量回收系統(tǒng)混合動力電動汽車制動能量回收系統(tǒng)HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 2 頁1. 混合動力電動汽車的分類混合動力電動汽車的分類 （1）按連接方式分類：）按連接方式分類： 串聯(lián)式混合動力電動汽車（串聯(lián)式混合動力電動汽車（SHEV） 并聯(lián)式混合動力電動汽車（并聯(lián)式混合動力電動汽車（PHEV） 混聯(lián)式混合動力電動汽車（混聯(lián)式混合動

2、力電動汽車（PSHEV）（2）按混合程度分類）按混合程度分類 微混混合動力電動汽車微混混合動力電動汽車 輕混混合動力電動汽車輕混混合動力電動汽車 強混混合動力電動汽車強混混合動力電動汽車 全混混合動力電動汽車全混混合動力電動汽車HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 3 頁2. 串聯(lián)式混合動力電動汽車串聯(lián)式混合動力電動汽車組成：組成： 發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機各部件功用：各部件功用： 發(fā)動機僅僅用于發(fā)電發(fā)動機僅僅用于發(fā)電 發(fā)電機發(fā)出的電能直接輸送到電動機部分發(fā)電機發(fā)出的電能直接輸送到電動機部分 電能向電池充電電能向電池充電 電

3、動機產(chǎn)生的電磁力矩驅(qū)動汽車行走電動機產(chǎn)生的電磁力矩驅(qū)動汽車行走HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 6 頁優(yōu)點：優(yōu)點：（1）發(fā)動機能夠經(jīng)常保持在穩(wěn)定、高效、低污染的）發(fā)動機能夠經(jīng)常保持在穩(wěn)定、高效、低污染的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，使有害排放氣體控制在最低范圍；運轉(zhuǎn)狀態(tài)，使有害排放氣體控制在最低范圍；（2）總體結(jié)構(gòu)上看，比較簡單，易于控制，只有電）總體結(jié)構(gòu)上看，比較簡單，易于控制，只有電動機的電力驅(qū)動系統(tǒng)，其特點更加趨近于純電動汽動機的電力驅(qū)動系統(tǒng)，其特點更加趨近于純電動汽車；車；（3）三大部件總成在電動汽車上布置起來，有較大）三大部件總成在電動汽車上布置起來，有較大

4、的自由度。的自由度。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 7 頁缺點：缺點：（1）三大部件總成各自的功率較大，外形較大，質(zhì)）三大部件總成各自的功率較大，外形較大，質(zhì)量也較大，在中小型電動汽車上布置有一定的困難；量也較大，在中小型電動汽車上布置有一定的困難；（2）另外在發(fā)動機）另外在發(fā)動機發(fā)電機發(fā)電機電動機驅(qū)動系統(tǒng)中的電動機驅(qū)動系統(tǒng)中的熱能熱能電能電能機械能的能量轉(zhuǎn)換過程中，能量損失機械能的能量轉(zhuǎn)換過程中，能量損失較大。較大。 串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)較適合在大型客車上使用串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)較適合在大型客車上使用HARBIN INSTITUTE OF

5、TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 8 頁組成：組成： 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)是由發(fā)動機、電動機并聯(lián)式結(jié)構(gòu)是由發(fā)動機、電動機/發(fā)電機兩大發(fā)電機兩大部件總成組成部件總成組成HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 11 頁（1）驅(qū)動力合成式）驅(qū)動力合成式 驅(qū)動力合成式并聯(lián)混合動力電動汽車采用一個小功率的發(fā)動機，單獨地驅(qū)動汽車的前輪。 另外一套電動機驅(qū)動系統(tǒng)單獨地驅(qū)動汽車的后輪，可以在汽車啟動、爬坡或加速時增加混合動力電動汽車的驅(qū)動力。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 12 頁（2）轉(zhuǎn)矩合成式）轉(zhuǎn)矩合成式(雙軸式和單軸式雙

6、軸式和單軸式) 轉(zhuǎn)矩合成式并聯(lián)混合動力汽車的發(fā)動機通過傳動系統(tǒng)直接驅(qū)動混合動力電動汽車，并直接（單軸式）或間接（雙軸式）帶動電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)動向蓄電池充電。 蓄電池也可以向電動機/發(fā)電機提供電能，此時電動機/發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電動機，可以用來啟動發(fā)動機或驅(qū)動汽車。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 13 頁（3）轉(zhuǎn)速合成式）轉(zhuǎn)速合成式 轉(zhuǎn)速合成式并聯(lián)混合動力汽車的發(fā)動機和電動機通過離合器和一個“動力組合器”來驅(qū)動汽車。 可以利用普通內(nèi)燃機汽車的大部分傳動系統(tǒng)的總成，電動機只需通過“動力組合器”與傳動系統(tǒng)連接，結(jié)構(gòu)簡單，改制容易，維修方便。HARBIN I

7、NSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 16 頁 混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合。發(fā)動混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合。發(fā)動機發(fā)出的功率一部分通過機械傳動輸送給驅(qū)動橋，另機發(fā)出的功率一部分通過機械傳動輸送給驅(qū)動橋，另一部分則驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。一部分則驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。 發(fā)電機發(fā)出的電能輸送給電動機或蓄電池，電動發(fā)電機發(fā)出的電能輸送給電動機或蓄電池，電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩通過動力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動橋。機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩通過動力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動橋。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 19 頁與純電動汽車比較：（1）由于有原動

8、機作為輔助動力，蓄電池的數(shù)量和質(zhì)量可減少；（2）汽車的續(xù)駛里程和動力性可達到內(nèi)燃機的水平；（3）借助原動機的動力，可帶動空調(diào)、真空助力、轉(zhuǎn)向助力及其它輔助電器，無需消耗蓄電池組有限的電能，從而保證了駕車和乘坐的舒適性。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 20 頁與內(nèi)燃機汽車比較：（1）可使原動機在最佳的工況區(qū)域穩(wěn)定運行，避免或減少了發(fā)動機變工況下的不良運行，使得發(fā)動機的排污和油耗大為降低；（2）在人口密集的商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等地可用純電動方式驅(qū)動車輛，實現(xiàn)零排放；（3）可通過電動機提供動力，因此可配備功率較小的發(fā)動機，并可通過電動機回收汽車減速和制動時的

9、能量，進一步降低了汽車的能量消耗和排污。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 21 頁HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 22 頁1驅(qū)動電動機及其控制技術(shù)驅(qū)動電動機及其控制技術(shù) 混合動力電動汽車對驅(qū)動電動機的要求是能量密度高、體積小、重量輕、效率高。 從發(fā)展趨勢來看，電驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)主要集中在交流感應(yīng)電動機和永磁同步電動機上，對于高速、勻速行駛工況，采用感應(yīng)電動機驅(qū)動較為合適；而對于經(jīng)常起動停止、低速運行的城市工況，永磁電動機驅(qū)動效率較高。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源

10、汽車技術(shù) 第 23 頁2動力電池及其管理系統(tǒng)動力電池及其管理系統(tǒng) 動力電池是混合動力電動汽車的基本組成單元，其性能直接影響到驅(qū)動電動機的性能，從而影響整車的燃油經(jīng)濟性和排放。 混合動力電動汽車用的電池工作負荷大，對功率密度要求較高。但體積和容量小，而且電池的SOC工作區(qū)間較窄，對循環(huán)壽命要求高。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 24 頁3整車能量管理控制系統(tǒng)整車能量管理控制系統(tǒng) 混合動力電動汽車的整車能量控制系統(tǒng)的主要功能是進行整車功率控制和工作模式切換的控制。 整車能量控制系統(tǒng)如同混合動力電動汽車的大腦，指揮各個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，以達到效率、排放

11、和動力性的最佳，同時兼顧行駛車輛的平順性。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 25 頁4動力傳動系統(tǒng)匹配動力傳動系統(tǒng)匹配 包括合理的選擇和匹配發(fā)動機功率、動力電池容量和電動機的功率等，以確定車輛的混合度，組成性能最優(yōu)的混合驅(qū)動系統(tǒng)。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 26 頁5能量再生制動回收系統(tǒng)能量再生制動回收系統(tǒng) 由于制動關(guān)系到行車安全性，如何在最大限度回收制動時的車輛動能與保證安全的制動距離和車輛行駛穩(wěn)定性之間取得平衡，是再生制動系統(tǒng)需要解決的難題之一，再生制動系統(tǒng)與車輛防抱死制動系統(tǒng)的結(jié)合可以完

12、美地解決這一難題。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 27 頁6先進車輛控制技術(shù)在混合動力電動汽車上的應(yīng)用先進車輛控制技術(shù)在混合動力電動汽車上的應(yīng)用 傳統(tǒng)汽車的車輛動力學(xué)控制系統(tǒng)與混合動力系統(tǒng)控制以及制動能量回收控制的結(jié)合，將是混合動力電動汽車控制技術(shù)的下一個研究熱點。 傳統(tǒng)汽車的驅(qū)動控制系統(tǒng)、車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)等如何與混合動力電動汽車的能量管理及動力系統(tǒng)控制相結(jié)合，將越來越顯示其重要性與必要性。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 28 頁 混合動力電動汽車獲得高的燃油經(jīng)濟性主要通過以下原則來實現(xiàn)：（1）

13、將較小型發(fā)動機安裝在汽車上并使發(fā)動機在較高負荷下工作（獲取較高的效率）；（2）將制動時產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能用于汽車加速或為其提供動力；（3）采用高效率的電動機將汽車從靜止狀態(tài)起動起來等。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 29 頁 ADVISOR采用了實驗數(shù)據(jù)建模法，即通過對大量的實驗數(shù)據(jù)（如發(fā)動機的萬有特性圖和排放特性數(shù)據(jù)）分析處理獲得描述發(fā)動機工作特性的近似方程。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 30 頁HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 31 頁 在混聯(lián)

14、式混合動力電動汽車上對以電動和發(fā)電模式工作的電機有更高的要求：恒轉(zhuǎn)矩、恒功率（弱磁控制）工作，高效率的大功率輸出，接近雙倍功率的過載量（出現(xiàn)于車輛再生制動時的發(fā)電模式，此時電動機轉(zhuǎn)速變化范圍可達幾轉(zhuǎn)到上萬轉(zhuǎn)）。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 32 頁1逆變器逆變器/電動機控制策略電動機控制策略HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 33 頁 電動機的轉(zhuǎn)矩電動機的轉(zhuǎn)矩速度曲線給出了牽引驅(qū)動期望的速度曲線給出了牽引驅(qū)動期望的寬調(diào)速范圍輪廓，它具有三個特征工作區(qū)：寬調(diào)速范圍輪廓，它具有三個特征工作區(qū)： （1）恒

15、轉(zhuǎn)矩：從零轉(zhuǎn)速到基速）恒轉(zhuǎn)矩：從零轉(zhuǎn)速到基速 （2）恒功率：基速到最大速度（恒功率區(qū)結(jié)束）恒功率：基速到最大速度（恒功率區(qū)結(jié)束時刻的速度）時刻的速度） （3）有限轉(zhuǎn)差）有限轉(zhuǎn)差 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 34 頁2電動機功率設(shè)計電動機功率設(shè)計 在額定轉(zhuǎn)速以下，電動機以恒轉(zhuǎn)矩模式工作，在額定轉(zhuǎn)速以上，以恒功率模式工作。 相應(yīng)參數(shù)選取包括： （1）電動機額定功率 （2）電動機額定轉(zhuǎn)速 （3）電動機最高轉(zhuǎn)速 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 35 頁 依據(jù)控制策略，電動機起動功率應(yīng)滿足汽車的依據(jù)控制策

16、略，電動機起動功率應(yīng)滿足汽車的最大爬坡度和加速時間要求最大爬坡度和加速時間要求 由最大爬坡度要求得由最大爬坡度要求得 由原地起步加速時間要求得 015.21sincos2maxmaxmaxFdtAuCmgmgfF0d)(6 . 310uFFFmtuwftHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 36 頁 目前，電化學(xué)蓄電池仍是多源混合驅(qū)動的一個基本組成元素，無論是在串聯(lián)、并聯(lián)還是在混聯(lián)的混合傳動結(jié)構(gòu)中，電化學(xué)蓄電池都被用做輔助能源。 大多數(shù)混合電動車輛在再生制動時就像通常的電動車一樣：牽引電動機工作于發(fā)電模式，汽車的動能通過牽引電動機傳遞給電池。 HARB

17、IN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 37 頁 蓄電池的等效電路圖蓄電池的等效電路圖 放電時：充電時：waaRiEU waaRiEUHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 38 頁蓄電池放電：蓄電池放電： itanaAauttiQtictiQ0d),()(),( ttiitiQtiQattaAauaumiid,),(),(1 ttiQickitanaAd),()(01 ttiiQkkmiittaaAnd,11 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 39 頁)()(),(naaAI

18、tii 111d,)()(),(miittaaAmaawttiiQkltikEbktiR),()()(),(ktiRtikEktuawa11),()()(miiiAdktukEtHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 40 頁 蓄電池充電：蓄電池充電： HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 41 頁蓄電池不工作時：蓄電池不工作時： HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 42 頁 具體的汽車行駛功率的變化與蓄電池的瞬時負載電流、電壓和內(nèi)阻的變化，特別是與蓄電池中得出能量變化

19、密切相關(guān)。 內(nèi)阻為 電動勢為 1 , 0)()()()()()(),(tktkkltikEkbktRaw)()(kEtEHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 43 頁（1）蓄電池開路電壓和內(nèi)阻計算模塊 （2）功率限制模塊 （3）蓄電池負載電流計算模塊 （4）SOC計算模塊 （5）蓄電池散熱模型 （6）蓄電池總成模型 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 44 頁HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 45 頁 動力分配裝置圖動力分配裝置圖 通過對行星機構(gòu)的變速比和受力分析

20、可以得到如通過對行星機構(gòu)的變速比和受力分析可以得到如下方程下方程 ：213321)1 ()1 (0)1 (TkkTkTkkPRPSPPPHARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 46 頁 驅(qū)動力：驅(qū)動力： 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的行星齒輪機構(gòu)可以充分滿足車輛用任何一種獨立驅(qū)動模式或任何一種混合驅(qū)動模式，平穩(wěn)有序的運轉(zhuǎn)來帶動車輛行駛，不會發(fā)生任何的運動干擾。riTFTtqt0HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 47 頁 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 48 頁 混聯(lián)式混合

21、動力電動汽車的控制方法：（1）恒工作點控制方法；（2）總功率損失最小化原則；（3）維持電池的SOC值。 1) 起步或在低速下運行機械連接電力連接A：電池組電動機車輪2) 減速或制動機械連接電力連接E：車輪電動機電池組3)正常行駛機械連接電力連接B：發(fā)動機車輪C：發(fā)動機發(fā)電機電動機車輪4) 蓄電池放電機械連接電力連接B：發(fā)動機車輪C：發(fā)動機發(fā)電機電動機車輪D：發(fā)動機發(fā)電機電池組5) 全油門加速機械連接電力連接A：電池組電動機車輪B：發(fā)動機車輪C：發(fā)動機發(fā)電機電動機車輪HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 54 頁 在汽車這樣一個非常復(fù)雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)中

22、，單純的建立數(shù)學(xué)模型來對設(shè)計變量進行優(yōu)化是很不現(xiàn)實的，可以使用仿真軟件ADVISOR與數(shù)值計算的結(jié)合進行優(yōu)化，效果顯然高于簡單的計算選取。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 55 頁 0100km加速時間 ： 最大爬坡度 ： 燃油消耗量 ： HC排放量 ： CO排放量 ： NOx排放量 ： 發(fā)動機功率； 電動機功率； 電池組功率。 ),(1100bmePPPFt),(2maxbmePPPFi),(bmePPPGg ),(bmeHHPPPGg),(bmeCCPPPGg),(bmeNNPPPGgePmPbPHARBIN INSTITUTE OF TECH

23、NOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 56 頁 通過以上函數(shù)，對各種性能的重要性進行加權(quán)值分析，使用MATLAB中的MIN函數(shù)容易得到插值數(shù)據(jù)中的最小值，同時找出對應(yīng)于最小值的設(shè)計變量值作為最終的設(shè)計結(jié)果。 得到動力源優(yōu)化分配的結(jié)果之后，再次使用仿真軟件對整車的性能進行仿真分析，在UDDS循環(huán)工況下分別對使用傳統(tǒng)設(shè)計方法和優(yōu)化設(shè)計方法得到的整車性能進行仿真分析。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 57 頁HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 58 頁 結(jié)論：結(jié)論： （1）在沒有降低原車動力性的條件下，經(jīng)改裝的混聯(lián)

24、式混合動力電動車燃油經(jīng)濟性與排放性能都有明顯的改善，達到節(jié)能和環(huán)保的目的。 （2）采用傳統(tǒng)設(shè)計方法改裝的車在動力性上稍好于采用優(yōu)化方法改裝的車，但在經(jīng)濟性上后者要遠遠好于前者，在車的動力性沒有降低的情況下，盲目的提高動力性是沒有必要的。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 59 頁制動能量回收系統(tǒng)：制動能量回收系統(tǒng)：定義：定義： 是混合動力電動汽車重要組成部分之一，又叫再生制動系統(tǒng)，是指汽車在制動或下坡時將儲存于車身上的勢能和動能，通過電動機轉(zhuǎn)化為電能，并儲存于儲能裝置中的過程。 組成：組成： 制動能量回收系統(tǒng)由驅(qū)動輪、主減速器、變速器、電動機、AC

25、/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、能量儲存系統(tǒng)以及控制器組成。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 60 頁HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 61 頁 三種控制策略： （1）前、后輪制動力理想分配時的控制策略 （2）前、后輪制動力比例分配時的控制策略 （3）最優(yōu)能量回收控制策略 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 62 頁 汽車制動時，如果前、后輪制動力理想分配，則前、后輪同時抱死，對附著條件的利用、制動時汽車的方向穩(wěn)定性均有利。前、后輪制動力理想分配時的控制策略原

26、理見下圖 。HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 64 頁 如何在盡量對原有制動系統(tǒng)改動小的情況下，從驅(qū)動輪分離出再生制動力，可以采用另外一種分配控制策略并行制動。 并行制動是指再生制動與機械制動以固定的關(guān)系分享驅(qū)動輪制動力。也就是說，驅(qū)動輪制動力等于再生制動力與機械制動力總和。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY新能源汽車技術(shù) 第 66 頁 當(dāng)總制動力需求小于此時能提供的最大再生制動力時，僅由再生制動力起作用；當(dāng)總制動力大于此時能提供的最大再生制動力時，總制動力減去最大再生制動力是應(yīng)該提供的機械制動力，剩余的需提供的機械制動力將分配為前輪機械制動力和后輪機械制動力。 前、后輪機械制動力的分配按照盡量使總的前、后輪制動力分配接近理想制動力曲線。 HARBIN INSTITUTE OF TECHNOL