1、第五章混合動力電動汽車第一節 概述第二節 混合動力電動汽車組成與原理第三節 混合動力電動汽車的主要系統設計2022-6-302022-6-30 第一節 概述一、混合動力電動汽車分類一、混合動力電動汽車分類 一般情況下，混合動力電驅動系含有一個可雙向能量流的動力系，如圖- 所示。 第一節 概述 混合動力電動汽車按照能量合成的形式主要分為串聯式()、并聯式()和混聯式三種。 根據在混合動力系統中，電機的輸出功率在整個系統輸出功率中占的比重，混合動力系統還可以分為以下四類:. 微混合動力系統微混合動力系統. 輕混合動力系統輕混合動力系統 輕混合動力系統除了能夠實現用發電機控制發動機的起動和停止，還能

2、夠實現:()在減速和制動工況下，對部分能量進行吸收；()在行駛過程中，發動機等速運轉，發動機產生的能量可以在車輪的驅動需求和發電機的充電需求之間進行調節。 這種混合動力系統在傳統內燃機上的起動電機上加裝了皮帶驅動起動電機，用來控制發動機的起動和停止，從而取消了發動機的怠速，降低了油耗和排放。. 中混合動力系統中混合動力系統中混合動力系統采用的是高壓電機。 另外，中混合動力系統還增加了一個功能:在汽車處于加速或者大負荷工況時，電動機能夠輔助驅動車輪，從而補充發動機本身動力輸出的不足，從而更好地提高整車的性能。 第一節 概述. 完全混合動力系統完全混合動力系統 該混合動力系統中電機和內燃機都可以獨

3、立(或在一起)驅動車輛。 因此在低速、緩加速行駛(如交通堵塞、頻繁起步-停車)、車輛起步行駛和倒車等情況下，車輛可以純電動行駛；急加速時電機和內燃機一起驅動車輛，并有制動能量回收的能力。二、混合動力電動汽車基本結構二、混合動力電動汽車基本結構 串聯式混合動力的結構如圖- 所示： 第一節 概述 并聯式混合動力的結構如圖- 所示： 第一節 概述 混聯式混合動力的結構如圖- 所示： 第二節混合動力電動汽車組成與原理一、串聯式混合動力電動汽車一、串聯式混合動力電動汽車 典型的串聯式混合動力電驅動系統的構造如圖- 所示： 第二節混合動力電動汽車組成與原理. 單發動機電動機模式單發動機電動機模式 在該模式

4、下，電動機所需的能源完全由發動機帶動發電機產生，即. 單蓄電池組電動機模式單蓄電池組電動機模式 在該模式下，電動機所需的能源完全由發動機帶動發電機產生，即. 混合牽引模式混合牽引模式 在突然加速時電動機所需的能源大于由發動機(運行在最佳工作區時)帶動發電機產生的功率，這時將有蓄電池組來提供一部分功率，該運行模式下功率關系為 第二節混合動力電動汽車組成與原理. 發動機充電模式發動機充電模式 當電池組的能量小于某個容量時，且電動機所需的能源小于由發動機(運行在最佳工作區時)帶動發電機產生的功率，這時發電機產生的電能將有一部分用來給蓄電池組充電，該運行模式下功率關系為. 再生制動模式再生制動模式 當

5、車輛制動時，電動機運行在發電機模式，將車輛的動能轉化為一部分電能，通過蓄電池組存儲起來。二、并聯式混合動力電動汽車二、并聯式混合動力電動汽車. 轉矩耦合轉矩耦合 在轉矩耦合中，發動機和電動機的轉矩可以根據需要分別獨立控制，但是兩者的轉速需要互成比例，機械耦合器將發動機和電動機的轉矩按照一定的比例關系加在一起，然后把合成后的轉矩傳遞給驅動輪。 可以用一個三端口的機械配置圖說明，如圖- 所示。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 假設耦合效率為，端口 工作在驅動狀況下，則端口 得到的驅動功率為 從而可得轉矩耦合器端口 輸出的轉矩為 式中:1、2轉矩耦合參數，由轉動比確定，當該裝置確定后，1，2 為確

6、定的值。 同時從式(-)中可以看到角速度1、2、3 存在著如下關系，不能獨立控制。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 齒輪耦合是通過嚙合齒輪將多個輸入動力合成在一起，如圖- 所示。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 鏈或帶耦合是通過鏈條或者皮帶將兩個動力源輸出的動力進行合成，鏈或帶耦合結構簡單、沖擊小，但耦合效率較低。 其結構如圖- 所示。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 磁場耦合是將電動機的轉子與發動機的輸出軸做成一體，通過磁場作用力將電機輸出動力與發動機輸出的動力直接或者間接的耦合在一起，如圖- 所示，圖中1，2 均等于。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 以齒輪耦合為例，一種配置方式是

7、兩個傳動裝置分別位于發動機于轉矩耦合器之間和電動機與轉矩耦合器之間，如圖- 所示。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 一種配置方式是傳動裝置位于轉矩耦合器與驅動輪之間，如圖- 所示。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 對于電磁耦合，傳動裝置可以放置在發動機和電動機之間，也可以放在電動機之后，如圖- 和圖- 所示。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 第二節混合動力電動汽車組成與原理 還有一種特殊的轉矩耦合方式，稱為牽引力耦合，在這種耦合方式下，發動機驅動汽車的前輪(或者后輪)，而電動機驅動汽車的后輪(或者前輪)，通過前后車輪驅動力將兩個動力源提供的動力耦合在一起，如圖- 所示。 第二節混合動力電

8、動汽車組成與原理動力合成的規則如何. 轉速耦合轉速耦合 轉速耦合是指在動力系統中兩個動力源的輸出動力在耦合過程中，兩個動力源輸出的轉速相互獨立，而轉矩符合一定的比例關系，最終合成轉速是兩個動力源輸出轉速的耦合疊加，合成轉矩則不滿足這個疊加關系。 以圖- 所示的三端口配置為例: 第二節混合動力電動汽車組成與原理該三端口網絡符合能量守恒轉速耦合可以表示為由上式可以看出，轉矩之間應該滿足以下關系 第二節混合動力電動汽車組成與原理 依據驅動結構的不同，轉速耦合又可以分為行星齒輪式(圖-)和差速器式(圖-)兩種。 第二節混合動力電動汽車組成與原理三、混聯式混合動力電動汽車三、混聯式混合動力電動汽車 串聯

9、式混合動力、并聯式混合動力、混聯式混合動力三種混合動力驅動系統中發動機和電動機使用的比例如圖- 所示。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 混聯式混合動力電動汽車與串聯式和并聯式混合動力電動汽車比較，混聯式混合動力電動汽車的結構特點如下:()將串聯式混合動力電動汽車和并聯式混合動力電動汽車相結合，具有兩者的優點；()與串聯式混合動力電動汽車相比，增加了機械動力的傳遞路線；()與并聯式混合動力電動汽車相比，增加了電能的傳輸路線。 混聯式混合動力電動汽車具有以下優點:()三個動力總成比串聯式混合動力電動汽車三個動力總成的功率、質量和體積??；()有多種工作模式，節能最佳，有害氣體排放達到“超低污染”；

10、()發動機可直接驅動車輛，沒有機械能電能機械能的轉換過程，能量轉換的綜合效率比內燃機汽車高；()電動機可獨立驅動車輛行駛。 電動機利用低速大轉矩特性，帶動車輛起步，可在城市中實現“零污染”行駛。 當車輛需最大輸出功率時，電動機可給發動機提供輔助動力，因此發動機功率可選擇較小，燃料經濟性比串聯式混合動力電動汽車好。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 因為以上原因，混聯式混合動力系統在電動汽車中使用的更為廣泛，下面以普銳斯(prius)的混合動力系統(圖-)的結構為例進行分析。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 從圖- 可以看出混合傳動系統由動力分配裝置、發電機、電動機和減速齒輪等裝置組成。 其中

11、動力分配裝置的結構如下圖- 所示。 第二節混合動力電動汽車組成與原理 下面以普銳斯為例進行說明。. 起動和中低速運行起動和中低速運行 當車輛起動出發，或者以低速運行時候，主要牽引電動機提供原動力，若蓄電池處于低荷電狀態時候，則發動機立即起動(圖-)。 第二節混合動力電動汽車組成與原理. 正常工況運行正常工況運行 在正常工況下行駛的時候，發動機功率經過動力分配裝置分配為兩個功率流通路:一部分直接驅動車輪，另一部分通過發電機產生電能再驅動電動機，通過電動機來驅動車輪。 通過控制兩個能量通道分配的比例，可以獲得最大的運行效率，見圖-。 第二節混合動力電動汽車組成與原理. 全加速工況全加速工況 在全加

12、速工況下，功率除了由發動機提供外，蓄電池組還提供額外的功率，通過發動機和牽引電動機的轉矩耦合，來提供加速所需要的功率，見圖-。 第二節混合動力電動汽車組成與原理. 減速或制動減速或制動 這時牽引電動機工作在發電狀態下，用于回收再生制動能量，并把回收的能量存儲到蓄電池組內，提高能量的利用率，見圖-。 第二節混合動力電動汽車組成與原理. 電池組充電電池組充電 若蓄電池處于低荷電狀態時候，則發動機立即起動，見圖-。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計一、驅動電機及其控制技術一、驅動電機及其控制技術 目前在交流伺服系統中應用的各種控制策略大致可以分為如下三類:()針對交流電動機數學模型的控制策略()

13、基于現代控制理論的控制策略()基于智能控制思想的控制策略 常規的模擬 控制系統原理框圖如圖- 所示。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計 圖中，()是給定值，()是系統的實際輸出值，給定值與實際輸出值構成控制偏差()為 ()作為 控制器的輸入，()為 控制器的輸出和被控對象的輸入。 可得模擬 控制器的控制規律為: 其中， 為控制器的比例系數； 為控制器的積分系數； 為控制器的微分系數。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計二、動力電池及其管理系統二、動力電池及其管理系統. 充電方法充電方法)恒壓充電法 恒定電壓充電法是指在充電過程中以恒定電壓對電池進行充電。 在這個過程中，充電電流滿足公式:

14、)恒定電流充電法 恒定電流充電法是指在充電過程中電壓在變化，從而保證全程以恒定不變電流進行充電。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計)恒流/ 恒壓充電法 這種充電方法將充電過程分為三個階段。()預充電階段()恒流充電階段()恒壓充電階段)變流充電法 鋰離子電池可接受的充電電流隨充電時間呈指數規律下降，若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線(圖- 中曲線)以上會導致電池電解液發生析氣反應，影響電池壽命。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計)間歇充電法 間歇充電法是指在充電一段時間后增加一段間歇時間，減少極化現象。)脈沖充電法 在脈沖充電過程中，在充電電流大小逼近電池充電可接受電流的基礎上，用

15、脈沖電流對電池充電，充電電流時有時無，充電狀態和暫停狀態相互交替。. 停止充電時機停止充電時機)慢充停止判斷()半定電流法:半定電流法是當充電電流達到起始充電電流一半的時候停止充電，如圖- 所示 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計()定時器控制充電法:定時器控制充電法是由時間來確定，當連續充電達到一定時間后停止充電，如圖- 所示 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計)快充停止判斷() 終止充電方式:該方法是鎳鎘電池最常用的快充方法，電池以恒定的電流進行充電，在電池未充滿前，電池的電壓持續的上升，當電池充滿時，電池的電壓達到頂峰，繼續持續充電，電池的電壓將會下降，如圖- 所示。 第三節混合動力

16、電動汽車的主要系統設計() / 終止充電方式:對于鎳氫電池，在達到充電周期結束的時候，并沒有明顯的 現象，所以上述的 終止充電方式對于鎳氫電池來說不是一種可靠的充電停止方法。 當鎳氫電池即將充滿的時候，電池的溫度會迅速的上升，如圖- 所示。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計()恒流充電:鋰電池和其他一些電池當充電電壓過高的很容易損壞，此時采取在充電開始時候，采用電池可以容忍的最大充電電流進行恒流充電，這個過程中充電電壓不斷升高克服電池的反電動勢，當電壓升高到電池可以承受的極限電壓時候保持不變，進行恒壓充電，這時充電電流將逐漸減少，當充電電流小于預先設定值的時候，表明電池已經充滿，停止充電(

17、圖-)。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計. 動力電池管理系統動力電池管理系統 在TeslaRoadster中選擇的是日本Sanyo 電池，共使用了6831節，采用分層次管理的辦法:()69節電池構成一個Brick，每個Brick中的電池全部并聯；()9個Brick構成一個Sheet，每個Sheet中的9個Brick 串聯；()11個Sheet 再串聯，構成整個電池包，如圖- 所示。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計三、動力傳動系統匹配三、動力傳動系統匹配 各參數匹配的基本步驟是:()發動機功率；()電動機各參數(包括電動機額定功率、額定轉速、最高轉速)；()電池參數選擇(功率及容量)

18、；()傳動系的傳動比。. 發動機功率發動機功率滿足最大車速:滿足最大爬坡度:取(-)和(-)中較大值作為發動機功率。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計. 電動機的選擇電動機的選擇 在混合動力汽車中，電動機選用的原則是高功率密度、寬調速范圍、維護方便、可靠性高，并且實現雙向控制容易，可以對制動能量進行回收，目前普遍選擇的是永磁同步電動機。 電動機額定功率 要綜合已定的發動機功率來考慮，主要以滿足混合動力汽車混合最高車速的要求來確定，即發動機最大功率與電動機最大功率之和至少等于混合最高車速時汽車所需功率，表達式為:. 電池的選擇電池的選擇 電池在不同的荷電狀態下對應不同的內阻和峰值功率，在 工

19、作區內峰值放電功率必須大于電動機的最大功率。 另外，電池總電量也要滿足汽車連續加速和爬坡時電動機做功的需求，即電池在 工作區內所能提供的電量必須大于電動機持續做的總功。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計. 傳動比的選擇傳動比的選擇 主減速器速比就為車輛傳動系統最小傳動比。 的最小傳動比應從滿足車輛最高車速的要求來選擇。 首先應滿足最高車速要求另外，發動機在最高車速時還應能發揮其最大功率，所以還應滿足: 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計 最小傳動比可以依據發動機單獨驅動車輛時，最高車速的功率平衡點來進行計算。即即最大傳動比應滿足最大爬坡度的要求: 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計 同

20、時汽車的最大驅動力應小于或等于其在地面的附著力:所以， 設計變速器擋的各擋比以等比級數分配。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計四、整車能量管理控制系統四、整車能量管理控制系統. 串聯式混合動力汽車的能量管理策略串聯式混合動力汽車的能量管理策略)恒溫器策略)功率跟蹤式策略)基本規則型策略. 并聯式混合動力汽車的能量管理策略并聯式混合動力汽車的能量管理策略)靜態邏輯門限策略)瞬時優化能量管理策略)全局最優能量管理策略)模糊能量管理策略. 混聯式混合動力汽車的能量管理策略混聯式混合動力汽車的能量管理策略)發動機恒定工作點策略)發動機最優工作曲線策略 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計五、能量再

21、生制動回收系統五、能量再生制動回收系統 汽車的制動性能主要由下列三個方面來評價:()制動效能，即制動距離與制動減速度。()制動效能的恒定性，即抗熱衰退性能。()制動時汽車方向的穩定性，即制動時汽車不發生跑偏、側滑以及失去轉向能力的性能。. 影響再生制動的因素影響再生制動的因素)驅動類型)變速器類型與擋位)電機類型及其控制策略)蓄能器類型 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計. 制動力的分配制動力的分配)前后軸上分配制動力 對于一般汽車而言，根據其前后軸制動器制動力的分配，制動過程可能出現如下三種情況:()前輪先抱死拖滑，然后后輪抱死拖滑。 該情況下屬于穩定工況，但在制動過程中汽車喪失轉向能力，附著條件沒有充分利用。()后輪先抱死拖滑，然后前輪抱死拖滑。 此時后軸可能出現側滑，屬于不穩定工況，附著利用率低。()前后輪同時抱死拖滑。 該情況較前兩種情況下的附著利用率高，可以避免后軸側滑，是“理想”的情況。 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計 圖- 是汽車在水平路面上制動時的受力情形。 假設附著系數是一個定值0，對后輪接地點取力矩得 第三節混合動力電動汽車的主要系統設計 對后輪接地點取力矩得 令 稱為制動強度。 則可以求的店面法向