混合动力汽车动力系统概述

混合动力汽车动力系统概述混合动力汽车动力系统概述 Ningbo T op Vibro aco stics Technolog Co LtdNingbo Tuopu Vibro-acoustics Technology Co.,Ltd 段小成段小成 Mar 14, 2009 2009-3-14目录 2目录 ¾混合动力汽车结构形式分类 ¾混合动力汽车动力传动关键部件—ISG与蓄电池 ¾混合动力汽车常见运行工况 ¾混合动力汽车先驱 丰田P i¾混合动力汽车先驱—丰田Prius ¾混合动力汽车激励与NVH挑战¾混合动力汽车激励与NVH挑战 混合动力汽车结构形式分类 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类 3 ¾ 混合动力汽车产生背景：能源危机与环境污染，而混合动力汽车（HEV）由于油 耗低、污染小，应用前景乐观。 ¾ 根据电力驱动系统和内燃机动力总成的布置形式的不同，混合动力汽车可以分为 三类：三类： •• 串联式混合动力汽车串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electronic Vehicle(Series Hybrid Electronic Vehicle--SHEV)SHEV) •• 并联式混合动力汽车并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electronic Vehicle(Parallel Hybrid Electronic Vehicle--PHEV)PHEV) •• 混合式混合动力汽车混合式混合动力汽车(Parallel/Series Hybrid Electronic Vehicle(Parallel/Series Hybrid Electronic Vehicle--PSHEV)PSHEV)混合式混合动力汽车混合式混合动力汽车(Parallel/Series Hybrid Electronic Vehicle(Parallel/Series Hybrid Electronic Vehicle PSHEV)PSHEV) ¾ 根据电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不 同，混合动力系统还可以分为以下四类： •• 微混合动力系统、轻混合动力系统、中混合动力系统、完全混合动力系统微混合动力系统、轻混合动力系统、中混合动力系统、完全混合动力系统 混合动力汽车结构形式分类 SHEV 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—SHEV 4 串联式混合动力汽车是由发动机、发电机和驱 动电机三大动力总成组成 发动机 发电机和动电机三大动力总成组成，发动机、发电机和 驱动电机采用"串联"的方式组成驱动系统。 工作方式：发动机带动发电机发电，其电能通 过电机控制器直接输送到电机，再由电机产生 电磁力矩 动汽车 在发动机与 动桥之间通电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通 过电实现动力传递。动力蓄电池通过控制器串 接在发电机和电机之间，当发电机的发电功率接在发电机和电机之间，当发电机的发电功率 大于电机所需的功率时，控制器控制发电机向 电池充电；而当发电机发出的功率低于电机所 需的功率时，电池则向电机提供额外的电能。 上汽即将开发的混合动力汽车即为串联型 混合动力汽车结构形式分类 SHEV 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—SHEV 5 ¾ SHEV优点：优点 •• 发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响：始终在其最佳的工作区域内稳定运行发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响：始终在其最佳的工作区域内稳定运行 ，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标；，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标；，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标；，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标； •• 由于有电池进行驱动功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳由于有电池进行驱动功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳 定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机；定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机；定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机；定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机； •• 发动机与电机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大。发动机与电机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大。 ¾ SHEV缺点： •• 发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，需要功率足够大的发发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能，需要功率足够大的发 电机和电机；电机和电机； •• 要起到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充电或过放电，就要起到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充电或过放电，就 需要较大的电池容量；需要较大的电池容量； •• 发电机将机械能量转变为电能、电机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都发电机将机械能量转变为电能、电机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都发电机将机械能量转变为电能、电机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都发电机将机械能量转变为电能、电机将电能转变为机械能、电池的充电和放电都 有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率比较低。有能量损失，因此，发动机输出的能量利用率比较低。 混合动力汽车结构形式分类 PHEV 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—PHEV 6 并联式混合动力电动汽车是由发动机、电动/发 电机或驱动电机两大动力总成组成 发动机电机或驱动电机两大动力总成组成，发动机、 电动/发电机或驱动电机采用"并联"的方式组成 驱动系统，控制系统可以根据条件，确定由谁 驱动，是发动机和电机一起驱动，或是发动机 驱动，还是电机单独驱动。 工作方式：发动机通过主传动轴与变速器相联， 电机的转矩通过齿轮与内燃机的转矩在变速器电机的转矩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。 这种形式被称为转矩复合。在刹车和给电池充 电时，电机可以反转作为发电机。 混合动力汽车结构形式分类 PHEV 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—PHEV 7 ¾ PHEV优点：¾ PHEV优点： •• 发动机的功率与电机的功率之和为汽车需求的最大功率，发动机的功率可以小许发动机的功率与电机的功率之和为汽车需求的最大功率，发动机的功率可以小许 多 并且可以运行在功率较高的区域多 并且可以运行在功率较高的区域多，并且可以运行在功率较高的区域。多，并且可以运行在功率较高的区域。 ¾ PHEV缺点： •• 只有一个电动马达，在马达作为发电机给电池充电时，不能作为电机驱动车轮；只有一个电动马达，在马达作为发电机给电池充电时，不能作为电机驱动车轮； •• 发动机的转速像传统汽车一样随车速的变化而变化，从而不能稳定地工作在高效发动机的转速像传统汽车一样随车速的变化而变化，从而不能稳定地工作在高效 率区；率区；率区；率区； •• 当车辆在变工况时，性能较差。当车辆在变工况时，性能较差。 混合动力汽车结构形式分类 PSHEV 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—PSHEV 8 混联式（串、并联式）混合动力电动汽车是综 合串联式和并联式混合动力电动汽车结构特点合串联式和并联式混合动力电动汽车结构特点 组成的PSHEV，由发动机、电动/发电机和驱动 电机三大动力总成组成。 工作方式：由于混联式混合动力汽车既有发电 机 有电机 因此同时具有串联系统和并联系机又有电机，因此同时具有串联系统和并联系 统的特性。它有两个电机，为了获得最高的效 率，根据实际工况决定是由单纯由电机 还是率，根据实际工况决定是由单纯由电机、还是 由发动机和电机联合驱动车轮。当发动机驱动 汽车时，同时还可以通过发电机给电池充电， 让SOC较快回到平衡位置。 SOC：State of charge，蓄电池荷电评价指标SOC：State of charge，蓄电池荷电评价指标 混合动力汽车结构形式分类 PSHEV 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—PSHEV 9 ¾ PHEV优点：¾ PHEV优点： •• 可以根据功率需求自由确定发动机输出功率，并让发动机工作在高效区；可以根据功率需求自由确定发动机输出功率，并让发动机工作在高效区； 发动机较多地运行在相对稳定的转速发动机较多地运行在相对稳定的转速•• 发动机较多地运行在相对稳定的转速；发动机较多地运行在相对稳定的转速； •• 发动机的功率和电动机功率都较小。发动机的功率和电动机功率都较小。 ¾ PHEV缺点：缺点 •• 控制系统复杂；控制系统复杂； •• 系统多带来可靠性要求的相对提高系统多带来可靠性要求的相对提高•• 系统多带来可靠性要求的相对提高。系统多带来可靠性要求的相对提高。 混合动力汽车结构形式对比 2009-3-14混合动力汽车结构形式对比 10 混合动力汽车结构形式对比 2009-3-14混合动力汽车结构形式对比 11 ¾ 串联式、并联式、混联式混合动力汽车性能比较 混合动力汽车结构形式分类 微混合动力系统 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—微混合动力系统 12 ¾ 微混合动力系统：¾ 微混合动力系统： •• 这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V12V）上加装了皮带驱动）上加装了皮带驱动 启动电机（也就是常说的启动电机（也就是常说的BeltBelt alternator Starter Generatoralternator Starter Generator 简称简称BSGBSG系统）系统）启动电机（也就是常说的启动电机（也就是常说的BeltBelt--alternator Starter Generator, alternator Starter Generator, 简称简称BSGBSG系统）。系统）。 该电机为发电启动该电机为发电启动(Stop(Stop--Start)Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止， 从而取消了发动机的怠速 降低了油耗和排放 从从而取消了发动机的怠速 降低了油耗和排放 从严格意义上来讲 这种微混严格意义上来讲 这种微混从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，这种微混严格意义上来讲，这种微混 合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶 提供持续的动力 在微混合动力系统里 电机的电压通常提供持续的动力 在微混合动力系统里 电机的电压通常有两种：有两种：12v12v和和42v42v提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：有两种：12v 12v 和和42v42v。。 其中其中42v42v主要用于柴油混合动力系统。主要用于柴油混合动力系统。 ¾ 代表车型： •• PSAPSA的混合动力版的混合动力版C3C3和丰田的混合动力版和丰田的混合动力版VitzVitz；； 混合动力汽车结构形式分类 轻混合动力系统 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—轻混合动力系统 13 ¾ 轻混合动力系统：¾ 轻混合动力系统： •• 该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的Integrated Starter Integrated Starter GeneratorGenerator 简称简称ISGISG系统） 与微混合动力系统相比 轻混合动力系统除了能系统） 与微混合动力系统相比 轻混合动力系统除了能GeneratorGenerator，简称，简称ISGISG系统）。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能系统）。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能 够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：（够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：（11）在减速和）在减速和制动工制动工 况下 对部分能量进行吸收 （况下 对部分能量进行吸收 （22）在行驶过程中 发动机等速运转 发动机产）在行驶过程中 发动机等速运转 发动机产况下，对部分能量进行吸收；（况下，对部分能量进行吸收；（22）在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产）在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产 生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动 力系统的混合度一般在力系统的混合度一般在2020％以下％以下力系统的混合度 般在力系统的混合度 般在2020％以下。％以下。 ¾ 代表车型： •• 通用的混合动力皮卡车通用的混合动力皮卡车 混合动力汽车结构形式分类 中混合动力系统 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—中混合动力系统 14 ¾ 中混合动力系统：¾ 中混合动力系统： •• 该混合动力系统同样采用了该混合动力系统同样采用了ISGISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系 统采用的是高压电机 另外 中混合动力系统还增加了一个功能 在汽车处于加统采用的是高压电机 另外 中混合动力系统还增加了一个功能 在汽车处于加统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加 速速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输 出的不足 从而更好的提高整车的性能 这种系统的混合程度较高 可以达到出的不足 从而更好的提高整车的性能 这种系统的混合程度较高 可以达到出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到 3030％左％左右，目前技术已经成熟，应用广泛。右，目前技术已经成熟，应用广泛。 ¾ 代表车型： •• 本田旗下混合动力的本田旗下混合动力的Insight, Accord Insight, Accord 和和CivicCivic都属于这种系统都属于这种系统 混合动力汽车结构形式分类 完全混合动力系统 2009-3-14混合动力汽车结构形式分类—完全混合动力系统 15 ¾ 完全混合动力系统：¾ 完全混合动力系统： •• 该系统采用了该系统采用了272272--650v650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相 比 完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过比 完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过5050％ 技术的发展将使得完％ 技术的发展将使得完比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过5050％。技术的发展将使得完％。技术的发展将使得完 全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。 ¾ 代表车型： •• 丰田的丰田的PriusPrius和未来的和未来的EstimaEstima属于完全混合动力系统。属于完全混合动力系统。 混合动力汽车功率复合方式 转矩复合 2009-3-14混合动力汽车功率复合方式—转矩复合 16 ¾ 转矩复合：¾ 转矩复合： •• 转矩复合式结构的特点是发动机通过主传动轴与变速器相联转矩复合式结构的特点是发动机通过主传动轴与变速器相联,,电机的转矩与发动电机的转矩与发动 机的转矩在变速器前或变速器后进行复合机的转矩在变速器前或变速器后进行复合传到驱动轴上的转矩是两者的和 在传到驱动轴上的转矩是两者的和 在机的转矩在变速器前或变速器后进行复合机的转矩在变速器前或变速器后进行复合,,传到驱动轴上的转矩是两者的和。在传到驱动轴上的转矩是两者的和。在 这种结构中这种结构中,,发动机与主传动轴之间通过机械联接。随着行驶工况的变化发动机与主传动轴之间通过机械联接。随着行驶工况的变化,,发动机发动机 的转速必然会随车速变化 这就使发动机运行区域的选择受到了限制的转速必然会随车速变化 这就使发动机运行区域的选择受到了限制为选择控为选择控的转速必然会随车速变化。这就使发动机运行区域的选择受到了限制的转速必然会随车速变化。这就使发动机运行区域的选择受到了限制,,为选择控为选择控 制策略增加了困难。为了调节发动机的输出转矩制策略增加了困难。为了调节发动机的输出转矩,,根据需求转矩根据需求转矩,,调节电动机的转调节电动机的转 矩矩使得发动机转矩输出保持恒定或调整到其设定值使得发动机转矩输出保持恒定或调整到其设定值矩矩,,使得发动机转矩输出保持恒定或调整到其设定值。使得发动机转矩输出保持恒定或调整到其设定值。 ¾ 典型代表： •• 本田本田InsightInsight 混合动力汽车功率复合方式 转速复合 2009-3-14混合动力汽车功率复合方式—转速复合 17 ¾ 转速复合：¾ 转速复合： •• 速度复合结构型式通过行星机构可以实现多个部件转速的复合速度复合结构型式通过行星机构可以实现多个部件转速的复合,,而各个部件间的而各个部件间的 转矩保持一定的比例关系 这种行星机构有两个自由度转矩保持一定的比例关系 这种行星机构有两个自由度但通过不同离合器和制但通过不同离合器和制转矩保持一定的比例关系。这种行星机构有两个自由度转矩保持一定的比例关系。这种行星机构有两个自由度,,但通过不同离合器和制但通过不同离合器和制 动器的作用动器的作用,,可以实现单自由度、固定传动比的传动。采用行星差速机构的混联可以实现单自由度、固定传动比的传动。采用行星差速机构的混联 式混合动力汽车中 在驱动轴转速不变时式混合动力汽车中 在驱动轴转速不变时通过调节发电机通过调节发电机使发动机转速可以变使发动机转速可以变式混合动力汽车中，在驱动轴转速不变时式混合动力汽车中，在驱动轴转速不变时,,通过调节发电机通过调节发电机,,使发动机转速可以变使发动机转速可以变 化。此外发动机、发电机的转矩与作用在齿圈上转矩是成一定比例的化。此外发动机、发电机的转矩与作用在齿圈上转矩是成一定比例的,,传到驱动传到驱动 轴上的转矩是从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩的矢量和 这种结构可以轴上的转矩是从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩的矢量和 这种结构可以轴上的转矩是从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩的矢量和。这种结构可以轴上的转矩是从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩的矢量和。这种结构可以 有非常灵活的控制策略有非常灵活的控制策略,,因此可以实现对混合动力能量流的最优控制。因此可以实现对混合动力能量流的最优控制。 ¾ 典型代表： •• 丰田丰田PriusPrius 混合动力汽车关键部件 ISG 2009-3-14混合动力汽车关键部件—ISG 18 ¾ Integrated Starter/Generator (ISG) :¾ Integrated Starter/Generator (ISG) : • These systems automatically turn the engine off when the vehicle comes to a stop and restart it instantaneously when the accelerator is pressed so that fuel isn'tand restart it instantaneously when the accelerator is pressed so that fuel isn t wasted for idling. In addition, regenerative braking is often used to convert mechanical energy lost in braking into electricity, which is stored in a battery andmechanical energy lost in braking into electricity, which is stored in a battery and used to power the automatic starter. 混合动力汽车关键部件 ISG 2009-3-14混合动力汽车关键部件—ISG 19 ¾ Integrated Starter/Generator (ISG) Integrated Starter/Alternator (ISA)¾ Integrated Starter/Generator (ISG)，Integrated Starter/Alternator (ISA) • 起动/发电一体机(Integrated Starter Generator，简称ISG)，也有称ISA (Integrated Starter Alternator)，是用一个电机代替发动机上传统的起动机和发电机，具有起动和Starter Alternator)，是用 个电机代替发动机上传统的起动机和发电机，具有起动和 发电两种基本功能。 • ISG系统由电机 整流/逆变功率变换器和储能元件（主要为蓄电池）组成 电机是系• ISG系统由电机、整流/逆变功率变换器和储能元件（主要为蓄电池）组成。电机是系 统的执行机构，目前可选择的主要有异步电机、永磁电机、开关磁阻电机和爪极电机 。功率变换器主要由微处理器、功率主电路、信号检测及调理电路构成，对电机功能。功率变换器主要由微处理器、功率主电路、信号检测及调理电路构成，对电机功能 转换及电压有效调整起重要的控制作用. • 在发动机起动过程中，电能由蓄电池经功率变换器逆变供给ISG电机，快速拖动发动在发动机起动过程中，电能由蓄电池经功率变换器逆变供给ISG电机，快速拖动发动 机到起动速度后进行点火，完成起动过程；发动机起动后，拖动ISG电机运行，此时 电机处于发电状态，电能通过功率变换器整流后给蓄电池充电，并给车用负载供电。电机处于发电状态 电能通过功率变换器整流后给蓄电池充电 并给车用负载供电 混合动力汽车关键部件 BSG 2009-3-14混合动力汽车关键部件—BSG 20 ¾ Belt Integrated Starter/Generator (BSG)¾ Belt Integrated Starter/Generator (BSG) • 是一种具备怠速停机和启动功能(STOP-START)的混合动力技术，其采用皮带传动方 式进行动力混合，内部结构与ISG基本一致。式进行动力混合，内部结构与ISG基本 致。 奇瑞A5 BSG混合动力车 混合动力汽车关键部件 蓄电池 2009-3-14混合动力汽车关键部件—蓄电池 21 ¾ 混合动力汽车蓄电池¾ 混合动力汽车蓄电池 • 常用的动力蓄电池包括铅酸电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池、超级电容，以及镍 氢电池等。氢电池等。 •• 电化学电池：电化学电池：又称动力蓄电池，在电动车辆上已有相当的应用经验，其中颇具应用潜 力的几种包括铅酸电池 镍氢电池和锂离子电池等 铅酸电池技术发展较为成熟 可力的几种包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等。铅酸电池技术发展较为成熟，可 靠性高、原料易得且价格便宜，但铅酸电池的比能量较低，在过放电和过充电时，其 使用寿命将显著缩短，深度放电以及环境温度变化也对电池性能影响较大。使用寿命将显著缩短，深度放电以及环境温度变化也对电池性能影响较大。 •• 燃料电池：燃料电池：一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发 电装置。它不经历热机过程，不受热力循环限制，故能量转换效率高。但氢燃料电池电装置。它不经历热机过程，不受热力循环限制，故能量转换效率高。但氢燃料电池 的真正实用化还面临氢的制取和存储困难、使用成本高等难。 •• 镍氢电池：镍氢电池：正极为镍氧化物，负极为氢载体合金所存储的氢，具有很好的耐过充电特镍氢电池：镍氢电池：正极为镍氧化物，负极为氢载体合金所存储的氢，具有很好的耐过充电特 性，良好的使用安全性和充放电效率，以及该电池的反应物中无溶解析出物。 混合动力汽车关键部件 蓄电池 2009-3-14混合动力汽车关键部件—蓄电池 22 ¾ 混合动力汽车蓄电池¾ 混合动力汽车蓄电池 •• 锂电池：锂电池：是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。电池内 部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负部采用螺旋绕制结构，用 种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负 极间间隔而成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件，以便电 池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。单节锂电池的电压为3.6V，容量也池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。单节锂电池的电压为3.6V，容量也 不可能无限大，因此，常常将单节锂电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求 •• 飞轮电池：飞轮电池：又称电机械电池，它用物理方法实现储能。飞轮电池中有一个电机，充电飞轮电池：飞轮电池：又称电机械电池，它用物理方法实现储能。飞轮电池中有 个电机，充电 时，该电机以电机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即增加飞 轮的转速从而增大其动能；放电时，电机以发电机状态运转，在飞轮的带动下向外输 出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。目前，飞轮电池难以推广应用的原因是 其昂贵的价格以及使用过程中的安全可靠性能。 •• 超级电容：超级电容：具有高的比功率、高的循环效率以及全充和全放能力。在混合动力汽车上 主要用于车辆起步、加速、制动能量回收等工况。 混合动力汽车关键部件 蓄电池 2009-3-14混合动力汽车关键部件—蓄电池 23 ¾ 混合动力汽车蓄电池对比¾ 混合动力汽车蓄电池对比 混合动力汽车常见运行工况 2009-3-14混合动力汽车常见运行工况 24 ¾ 混合动力汽车运行均有以下特点：¾ 混合动力汽车运行均有以下特点： •• 11、、发动机运行于高效区和低排放区：发动机运行于高效区和低排放区：发动机在高效区工作时，有利于油耗的降低和 排放污染物的减少；当发动机工作在效率较低的区域时，其油耗和排放污染物均会增排放污染物的减少；当发动机工作在效率较低的区域时，其油耗和排放污染物均会增 大。由于混合动力汽车有电机作为辅助动力源，因此可以有效地调整发动机的运行工 况：在低速和低转矩工况下，关闭发动机，由电机驱动车辆，从而避免发动机工作于况：在低速和低转矩工况下，关闭发动机，由电机驱动车辆，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运行区 域，使得发动机工作于高效区附近。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，电机可以作为功率辅助器运行，使得发动机的运行区域向最佳效率转矩曲 线靠近。 •• 22、、减速或制动时的能量回收：减速或制动时的能量回收：传统汽车在减速或制动时，通过制动器将汽车的动能 转换为热能消耗掉，这是一种能量浪费。而混合动力汽车在减速或制动时，电机可作 为发电机工作，利用发电机来制动车辆，从而将汽车的动能转换为电能存入动力蓄电 池。在保证行车安全的前提下，减速或制动能量回收是HEV提高燃油经济性的主要因 素。 混合动力汽车常见运行工况 2009-3-14混合动力汽车常见运行工况 25 ¾ 混合动力汽车运行均有以下特点：¾ 混合动力汽车运行均有以下特点： •• 33、发动机小型化：、发动机小型化：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 其后备功率一般只用于短暂的加速、爬坡等路况。混合动力总成配备有电机能够提其后备功率 般只用于短暂的加速、爬坡等路况。混合动力总成配备有电机,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。因此，混合动力总成在 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总成的发动机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总成的发动机在 接近额定功率的区域工作，而在需要大功率输出的路况中，由电机提供功率辅助。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 ，并降低排放。 •• 44、、先进控制技术的运用：先进控制技术的运用：普遍采用以计算机为核心的现代计算机技术和自动控制技 术，各种智能控制系统，包括自适应控制技术（MRAC）、模糊控制技术（Fuzzy） 、专家控制系统（Expert system）、神经网络控制系统（Neural networks）等，不 仅降低了车辆的油耗和污染物排放量，也使混合动力汽车更加安全、节能、环保和舒 适。 混合动力汽车常见运行工况 2009-3-14混合动力汽车常见运行工况 26 ¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况：¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况： •• 11、纯电机驱动、纯电机驱动 •• 22 发动机单独驱动发动机单独驱动•• 22、发动机单独驱动、发动机单独驱动 •• 33、混合驱动、混合驱动 行车充电行车充电•• 44、行车充电、行车充电 •• 55、制动、制动//减速能量回馈减速能量回馈 •• 66、停车充电、停车充电 混合动力汽车常见运行工况 2009-3-14混合动力汽车常见运行工况 27 ¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况：¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况： •• 11、纯电机驱动、纯电机驱动：车辆起步、怠速或发动机处于低负荷区时，关闭发动机，由ISG电 机提供全部驱动力矩机提供全部驱动力矩 混合动力汽车常见运行工况 2009-3-14混合动力汽车常见运行工况 28 ¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况：¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况： •• 22、发动机单独驱动：、发动机单独驱动：正常行驶情况下，由发动机单独驱动车辆 混合动力汽车常见运行工况 2009-3-14混合动力汽车常见运行工况 29 ¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况：¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况： •• 33、混合驱动：、混合驱动：混合驱动中电机动力输出情况为：电机需求扭矩为车辆需求扭矩与发 动机提供的扭矩之差，发动机提供的扭矩小于车辆需求扭矩时电机提供缺少的扭矩动机提供的扭矩之差，发动机提供的扭矩小于车辆需求扭矩时,电机提供缺少的扭矩 ；相反，发动机提供的扭矩大于车辆需求扭矩时，电机将发动机提供的多余扭矩回收 ，用于给电池充电，用于给电池充电 混合动力汽车常见运行工况 2009-3-14混合动力汽车常见运行工况 30 ¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况：¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况： •• 44、行车充电：、行车充电：当电池电量不足而车辆运行所需的功率不能使发动机高效运行时，发 动机在高效区运行，多余电能可为电池充电动机在高效区运行，多余电能可为电池充电 混合动力汽车常见运行工况 2009-3-14混合动力汽车常见运行工况 31 ¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况：¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况： •• 55、制动、制动//减速能量回馈：减速能量回馈：在制动或减速行驶时，由电机发电实现制动能量回馈 混合动力汽车常见运行工况 2009-3-14混合动力汽车常见运行工况 32 ¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况：¾ 并联式ISG混合动力汽车运行有如下六种工况： •• 66、停车充电：、停车充电：当车辆停止且动力蓄电池电量不足时，由发动机驱动电机给动力蓄电 池充电池充电 丰田混合动力车 Prius 2009-3-14丰田混合动力车--Prius 33 ¾ 动力系统形式：¾ 动力系统形式： •• 丰田丰田PriusPrius动力系统采用混联形式动力系统采用混联形式 丰田混合动力车 Prius 2009-3-14丰田混合动力车--Prius 34 ¾ 动力系统形式：¾ 动力系统形式： • Prius变速箱由行星齿轮机构代替 发电机带动太阳轮（sun gear），内燃机带动行星轮（planet gear carrier），电动机与外环（ring gear）相连。同时，电动机的输出轴直接与传动轴连接。3台机器以不同的转速的和转向搭配就能实g 同时 动机 输 轴 接与传动轴 接 台机 同 转 转向搭 就能实 现任意输出速度和驱动模式。可以说这个concept是非常巧妙的，它的机械结构非常简单。 丰田混合动力车 Prius 2009-3-14丰田混合动力车--Prius 35 ¾ 起步与倒车：¾ 起步与倒车： • 0到20km/h以内Prius一般只使用电动机，只要电池有充足的能源。这时，内燃机不 动，这样就避免了内燃机在低转速时的低功效。而发电机则无扭矩的反向旋转。（行动，这样就避免了内燃机在低转速时的低功效。而发电机则无扭矩的反向旋转。（行 星轮不动，太阳轮和外环动）。倒车时原理相同，只不过电动机的转向相反。 丰田混合动力车 Prius 2009-3-14丰田混合动力车--Prius 36 ¾ 加速和上坡：¾ 加速和上坡： • 发动机启动，同时发电机和电动机同向旋转，（三轮同时同向旋转）这样就能获得极 大的扭矩。Prius的内燃机功率非常弱，而且始终是以优化功效的工作模式运行。然大的扭矩。Prius的内燃机功率非常弱，而且始终是以优化功效的工作模式运行。然 而加上两台电机的辅助，最大输出功率可以超过120kw，最大输出扭矩可以超过 500Nm。500Nm。 丰田混合动力车 Prius 2009-3-14丰田混合动力车--Prius 37 ¾ 高速行驶：¾ 高速行驶： • 发动机提供动力，发电机不动。（太阳轮不动，其他两轮同向旋转）在电池电力不足 时，发电机也可以进入发电模式。而在高速下坡时，内燃机可以被关闭。这个运行模时，发电机也可以进入发电模式。而在高速下坡时，内燃机可以被关闭。这个运行模 式是Prius的弱项，因为这时两台电机几乎没有作用，而内燃机又不够强大。 丰田混合动力车 Prius 2009-3-14丰田混合动力车--Prius 38 ¾ 制动：¾ 制动： • 制动时发动机的燃油喷射会自动停止。这是的转速搭配与纯电动时相同，只是这时发 电机的磁场启动，进入发电模式，并进行制动能量回馈。电机的磁场启动，进入发电模式，并进行制动能量回馈。 丰田混合动力车 Prius 2009-3-14丰田混合动力车--Prius 39 ¾ 悬置系统：¾ 悬置系统： • Prius采用左右支撑加下拉杆三点悬置布置形式。 左悬左悬 右悬The engine mounting system used in the new Prius is th d l ti t SAE 2001 01 1415the pendulum mounting system. SAE 2001-01-1415 混合动力汽车激励与NVH挑战 2009-3-14混合动力汽车激励与NVH挑战 40 ¾¾ 混合动力汽车与常规汽车相比在混合动力汽车与常规汽车相比在NVNV方面存在如下不同：方面存在如下不同：¾¾ 混合动力汽车与常规汽车相比在混合动力汽车与常规汽车相比在NVNV方面存在如下不同：方面存在如下不同： • 有些HEV发动机由于与Torque Converter直接相连，无飞轮，轴系扭振严重；有些HEV发动机由于与Torque Converter直接相连，无飞轮，轴系扭振严重； • HEV在运行中发动机频繁Start-stop，对车内瞬间冲击影响大； • 动力总成质量较常规汽车大 从而导致悬置刚度变高 Idle与Runup隔振变差• 动力总成质量较常规汽车大，从而导致悬置刚度变高，Idle与Runup隔振变差； • ISG电机在低转速下产生大扭矩，容易引起车内部件共振，对NVH影响较大； 电机与逆变器产生的高频噪声使车内声品质变差• 电机与逆变器产生的高频噪声使车内声品质变差； • 发动机模式与电机模式切换，对传动系统产生较大冲击； • 空调压缩机、FEAD布置与常规汽车布置不一样导致额外的NVH问题； • 由于发动机排量小，缸体变轻，容易产生结构声，发动机本体噪声变大； 混合动力汽车激励与NVH挑战 2009-3-14混合动力汽车激励与NVH挑战 41 ¾¾ Engine startEngine start--stop NVH issuestop NVH issue：：¾¾ Engine startEngine start--stop NVH issuestop NVH issue：： Reduce the source excitation Isolation and damping treatment 混合动力汽车激励与NVH挑战 2009-3-14混合动力汽车激励与NVH挑战 42 ¾¾ PriusPrius NVH effect after NV improvementNVH effect after NV improvement：：¾¾ PriusPrius NVH effect after NV improvementNVH effect after NV improvement：： The mount positions were therefore reviewed and an optimization study was performed for the engineoptimization study was performed for the engine mounting system by examining the spring constant of the engine mount within a range that minimized compromise on other performance factors. Moreover, by reducing the distance between the principal elastic axis and the center of gravity with regard to rolling and yawing of the power plant, it was possible to ensure an engine mounting vibration performance better than theengine mounting vibration performance better than the previous model.