任務(wù)一、混合動力汽車概念與分類

新能源汽車

構(gòu)造與維護(hù)項(xiàng)目四混合動力

汽車構(gòu)造與原理任務(wù)一

混合動力汽車

概念與分類

在上次學(xué)習(xí)純電動汽車概念與原理時，小李也聽到有混合動力汽車的介紹，什么事混合動力汽車，小李很感興趣。任務(wù)引入學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)：1.描述出混合動力汽車的基本結(jié)構(gòu)；知識目標(biāo)1.描述出混合動力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

2.掌握混合動力汽車的布置及參數(shù)；學(xué)習(xí)內(nèi)容輔助系統(tǒng)（或稱輔助模塊）包括輔助動力源、動力轉(zhuǎn)向單元、駕駛室顯示操縱臺和各種輔助裝置等。各個裝置的功能與傳統(tǒng)汽車上的基本相同，其結(jié)構(gòu)原理根據(jù)純電動汽車的特點(diǎn)和需求有所區(qū)別。隨著全球汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，石油資源供應(yīng)的日趨緊張，世界各國積極尋求代用燃料或者減少燃油的消耗量，大力開發(fā)新型節(jié)能環(huán)保汽車，目前混合電動汽車的發(fā)展就是按照這樣的發(fā)展邏輯而產(chǎn)生的，如圖4-1所示。圖4-1混合電動汽車的發(fā)展一、電動汽車電動汽車指以電機(jī)驅(qū)動，從車載電源獲得動力，并且滿足道路交通安全法規(guī)的車輛。根據(jù)《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》，電動汽車按動力電氣化水平分為兩類：稱為“純電驅(qū)動”電動汽車，例如純電動汽車、插電式電動汽車、增程式電動汽車以及燃料電池電動汽車）；另一類是動力蓄電池容量較小，大部分工況下主要由內(nèi)燃機(jī)提供驅(qū)動功率的電動汽車（稱為常規(guī)混合動力電動汽車）。這表明常規(guī)混合動力汽車不是新能源汽車，實(shí)際上是一種節(jié)能汽車，它還沒有改變用內(nèi)燃機(jī)做主驅(qū)動的設(shè)計（1）混合動力車輛的基本概念根據(jù)國際能源組織（IEA）的有關(guān)文獻(xiàn)，“能量與功率傳送路線”具有如下特點(diǎn)的車輛稱為混合動力車輛：①傳送到車輪推進(jìn)車輛運(yùn)動的能量，至少來自兩種不同的能量轉(zhuǎn)換裝置；②這些能量轉(zhuǎn)換裝置至少要從兩種不同的能量儲存裝置吸取能量；③從儲能裝置流向車輪的這些通道，至少有一條是可逆的。如果可逆的儲能裝置供應(yīng)的是電能時，則稱作混合動力電動車。（2）混合動力電動汽車的發(fā)展1.國外混合動力汽車的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r2）歐美等國美國的新能源汽車發(fā)展的核心是可再生生物能源汽車。由于國內(nèi)各種力量的博弈，美國近三任總統(tǒng)對未來節(jié)能與新能源汽車的重點(diǎn)發(fā)展方向搖擺不定?？肆诸D政府制定了PNGV計劃，提出重點(diǎn)發(fā)展混合動力電動汽車。而布什政府上臺后，又提出了FreedomCAR計劃，要重點(diǎn)發(fā)展燃料電池電動汽車。1）日本從目前世界范圍內(nèi)的整個形勢來看，日本是電動汽車技術(shù)發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個國家之一，特別是在發(fā)展混合動力電動汽車方面，日本居世界領(lǐng)先地位。2.我國混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

3）歐盟促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的概況歐盟的產(chǎn)業(yè)政策基本上都是導(dǎo)向性的，通過提出普遍的新能源產(chǎn)業(yè)目標(biāo)或發(fā)展方向，來引導(dǎo)各國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。歐盟更加側(cè)重于溫室氣體減排戰(zhàn)略，將滿足日益嚴(yán)格的二氧化碳排放限制要求作為發(fā)展新能源汽車的主要驅(qū)動力。歐盟選擇性地開展新能源汽車研究，主攻柴油機(jī)、生物燃料、氫燃料的市場化。在替代燃料開發(fā)應(yīng)用的發(fā)展方向上，生物燃料和氫燃料汽車是重點(diǎn)，但近期對于電動汽車給予高度關(guān)注目前我國各大汽車集團(tuán)都在進(jìn)行混合動力電動汽車研發(fā)，多數(shù)以混合動力電動客車為主。一汽研發(fā)的紅旗HQ3于2006年投產(chǎn)；而廣州本田更是緊跟豐田的步伐，也推出了多款混合動力車；上汽集團(tuán)與通用簽署協(xié)議，將聯(lián)手開發(fā)混合動力轎車和公交客車；上海別克君越eco-hybrid油電混合動力車是國內(nèi)第一款中高檔量產(chǎn)混合動力車型。二、按結(jié)構(gòu)布置形式分類（1）串聯(lián)式混合動力電動汽車（SeriesHybridElectricVehicle，SHEV）；（2）并聯(lián)式混合動力電動汽車（ParallelHybridElectricVehicle，PHEV）；（3）混聯(lián)式混合動力電動汽車（ParallelSeriesHybridElectricVehicle，PSHEV）。（1）串聯(lián)式混合動力汽車（SHWV）

串聯(lián)式混合動力汽車（SHWV）以電動機(jī)作為驅(qū)動裝置，發(fā)動機(jī)作為輔助動力裝置，以提高行駛里程。由圖4-2（左圖）可以看出，串聯(lián)式混合動力汽車動力由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)三部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)的方式組成的動力單元系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機(jī)，由電動機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動汽車。圖4-2串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及動力流傳遞線路圖發(fā)動機(jī)只作為動力源驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機(jī)，由電動機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動汽車，驅(qū)動系統(tǒng)只是電動機(jī)。小負(fù)荷時由電池驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動車輪，大負(fù)荷時由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動電動機(jī)。在這種聯(lián)結(jié)方式下，電池就象一個水庫，只是調(diào)節(jié)的對象不是水量，而是電能。電池對在發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量和電動機(jī)需要的能量之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而保證車輛正常工作。當(dāng)車輛處于啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機(jī)、電動機(jī)組和電池組共同向電動機(jī)提供電能；當(dāng)電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機(jī)，當(dāng)電池組缺電時則由發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組向電池組充電。整體工作過程如圖4-3所示。圖4-3串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運(yùn)行工況，可以將發(fā)動機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換步驟較多，機(jī)械效率較低。典型的有豐田公司的Coaster、及法國雷諾的Espace，如圖4-4所示。圖4-4法國雷諾的Espace（左圖）豐田公司的Coaster（右圖）下面對混合動力汽車的不同工況的能量流動路線進(jìn)行具體分析：①在市區(qū)行駛時，如果電池完全充滿，則選用純電池驅(qū)動方式。傳動系統(tǒng)能量流如圖4-5所示。圖4-5電池驅(qū)動串聯(lián)式傳動系統(tǒng)能量流②當(dāng)電池電量較低時，發(fā)動機(jī)被啟動，并將其設(shè)置在最大功率工作點(diǎn)上，發(fā)動機(jī)輸出的功率與汽車所需功率的差值將通過發(fā)電機(jī)為電池充電。如圖4-6所示。

圖4-6電池充電時串聯(lián)式傳動系統(tǒng)能量流③當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)提供的最大功率低于汽車所需的功率時，電池將提供這部分差額功率。如圖4-7所示。圖4-7混合動力時串聯(lián)式傳動系統(tǒng)能量流④在剎車或減速時，電動機(jī)起到發(fā)電機(jī)的作用，使部分動能轉(zhuǎn)化為電能存儲在電池里。如圖4-8所示。圖4-8制動時，串聯(lián)式傳動系統(tǒng)能量流串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運(yùn)行工況，可以將發(fā)動機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點(diǎn)是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機(jī)械效率較低。串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的三種基本控制模式（1）主要利用電池來驅(qū)動車輛，僅當(dāng)SOC降低到最小限值時，發(fā)動機(jī)才起動，發(fā)動機(jī)在最高效率區(qū)以輸出恒定功率的方式工作，當(dāng)SOC回升到最大限值時發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)。（2）“負(fù)荷跟隨”控制模式。（3）上述兩種控制模式的一個折中方案。串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的三種基本控制模式，可以參考圖4-9理解1-電流轉(zhuǎn)換器2-充電器3-驅(qū)動電動機(jī)4-動力蓄電池5-中央控制器6-發(fā)電機(jī)7-發(fā)動機(jī)圖4-9通用汽車公司的Series-SHEV結(jié)構(gòu)布置（2）并聯(lián)式混合動力汽車（PHEV）PHEV采用發(fā)動機(jī)和電動機(jī)兩套驅(qū)動系統(tǒng)?？刹捎冒l(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動、電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動或發(fā)動機(jī)和電動機(jī)聯(lián)合驅(qū)動3種工作模式，如圖4-10所示。圖4-10并聯(lián)混合動力系統(tǒng)示意圖

與串聯(lián)相比，PHEV的優(yōu)點(diǎn)是并聯(lián)僅用到電動機(jī)和發(fā)動機(jī)，并且發(fā)動機(jī)和電動機(jī)的最大功率較小，而缺點(diǎn)是由于發(fā)動機(jī)與推進(jìn)系統(tǒng)是共軸連接的，所以并聯(lián)需要是離合器，這使得并聯(lián)結(jié)構(gòu)復(fù)雜控制難度大。本田的Accord和Civic采用的是并聯(lián)式聯(lián)結(jié)方式，如圖4-11所示。圖4-11本田的Accord混合動力汽車（左圖）、Civic混合動力汽車（右圖）圖4-12并聯(lián)混合動力系統(tǒng)示意圖圖4-12為并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)示意圖。并聯(lián)結(jié)構(gòu)的特征是以機(jī)械形式進(jìn)行復(fù)合，發(fā)動機(jī)通過變速裝置和驅(qū)動橋直接相連，電機(jī)可同時用作電動機(jī)或發(fā)電機(jī)以平衡發(fā)動機(jī)所受的載荷，使其能在高效率區(qū)域工作。1.PHEV的傳動系統(tǒng)能量流圖4-13PHEV的傳動系統(tǒng)能量流圖4-14功率輔助時并聯(lián)式傳動傳統(tǒng)能量流圖4-15能量回收時并聯(lián)式傳動傳統(tǒng)能量流圖4-16電池充電時并聯(lián)式傳動傳統(tǒng)能量流圖4-17電池驅(qū)動時并聯(lián)式傳動傳統(tǒng)能量流圖4-18發(fā)動機(jī)驅(qū)動時并聯(lián)式傳動傳統(tǒng)能量流3、并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)兩種基本控制模式（1）發(fā)動機(jī)輔助混合動力模式這種模式主要利用電池-電機(jī)系統(tǒng)來驅(qū)動車輛，僅當(dāng)以較高的巡航速度行駛、爬坡和急加速時才使發(fā)動機(jī)起動。這種控制模式的優(yōu)點(diǎn)是大多數(shù)情況下車輛都是用電池的電能來工作，車輛的排放和燃油消耗較少，同時發(fā)動機(jī)的起動機(jī)可以取消而利用車輛運(yùn)動的慣性力起動發(fā)動機(jī)。這種控制模式的缺點(diǎn)是，由于發(fā)動機(jī)每次關(guān)機(jī)期間，發(fā)動機(jī)和催化轉(zhuǎn)化裝置的溫度降低而導(dǎo)致它們的效率降低，尾氣排放增加。（2）電機(jī)輔助混合動力模式這種模式主要利用發(fā)動機(jī)來驅(qū)動車輛，電機(jī)只在兩種狀態(tài)下使用：一是用于瞬間加速和爬坡需要峰值功率時，可使發(fā)動機(jī)工作在最高效率區(qū)間，以降低排放和減少燃油消耗；二是在車輛減速制動時電機(jī)被用來回收車輛的制動動能對電池進(jìn)行充電。這種模式的主要缺點(diǎn)是車輛不具備純電動模式，在行駛過程中若經(jīng)常加速，電池的電能消耗到最低限度，則會失去電機(jī)輔助能力，駕駛員會感到車輛動力性能有所降低。4、日產(chǎn)風(fēng)雅混合動力汽車混合動力系統(tǒng)（1）混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1-離合器22-電子控制式7擋自動變速器3-電機(jī)4-離合器15-發(fā)動機(jī)6-逆變器7-鋰離子蓄電池圖4-19日產(chǎn)風(fēng)雅混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（2）工作過程系統(tǒng)起動、一般行駛動力傳輸路線、動力少，如圖4-20、圖4-21、圖4-22所示。1-鋰離子蓄電池2-離合器23-驅(qū)動電機(jī)4-離合器15-發(fā)動機(jī)6-逆變器圖4-20日產(chǎn)風(fēng)雅混合動力系統(tǒng)起動時1）系統(tǒng)起動1-鋰離子蓄電池2-離合器23-驅(qū)動電機(jī)4-離合器15-發(fā)動機(jī)6-逆變器圖4-21一般行駛時混合動力系統(tǒng)的工作過程1-鋰離子蓄電池2-離合器23-驅(qū)動電機(jī)4-離合器15-發(fā)動機(jī)6-逆變器圖4-22電量少時混合動力系統(tǒng)工作過程2）減速或制動時如圖4-23所示-鋰離子蓄電池2-離合器23-驅(qū)動電機(jī)4-離合器15-發(fā)動機(jī)6-逆變器圖4-23制動時混合動力系統(tǒng)的工作過程3）加速或爬坡時如圖4-24所示完全加速或爬坡時混合動力系統(tǒng)工作過程1-鋰離子蓄電池2-離合器23-驅(qū)動電機(jī)4-離合器15-發(fā)動機(jī)6-逆變器圖4-24制動時混合動力系統(tǒng)的工作過程4）離合器控制離合器1與一般手動變速器離合器結(jié)構(gòu)相同，是干式離會器。它接合，斷開的操作是出液壓氣缸自動控制的，車輛行駛時，輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)速差大約為50r/min。能夠?qū)崿F(xiàn)更為平穩(wěn)的行駛。當(dāng)發(fā)動機(jī)開始工作的情況下，為了使驅(qū)動扭矩不發(fā)生變化，輸入端和輸出端的轉(zhuǎn)速差控制在約為100r／min，控制滑行的同時，離合器1接合。這時電機(jī)發(fā)揮起動作用。（3）混聯(lián)式混合動力汽車（HEV）圖4-25并聯(lián)混合動力系統(tǒng)示意圖圖4-26混聯(lián)混合動力系統(tǒng)的傳動系統(tǒng)能量流下面是對帶有行星齒輪組的混聯(lián)式HEV在不同工況下的傳動系統(tǒng)能量流。①在高速巡航時，由發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動。此時相當(dāng)于傳統(tǒng)燃油汽車運(yùn)行。傳動系統(tǒng)能量流如圖4-27所示。圖4-27發(fā)動機(jī)驅(qū)動時混聯(lián)式傳動系統(tǒng)能量流②在市區(qū)行駛時，如果電池完全充滿，則選用純電池驅(qū)動方式。傳動系統(tǒng)能量流如圖4-28所示。圖4-28電動機(jī)驅(qū)動時混聯(lián)式傳動系統(tǒng)能量流③在剎車或減速時，電動機(jī)起到發(fā)動機(jī)的作用，將部分動能轉(zhuǎn)化為電能存儲到電池里，如圖4-29所示。圖4-29能量回收時混聯(lián)式傳動系統(tǒng)能量流④在起步或加速階段，發(fā)動機(jī)只為耦合器提供總功率的一部分，剩下的功率要由電機(jī)來提供，實(shí)現(xiàn)“功率輔助”是目的，傳動傳統(tǒng)能量流如圖4-30所示。圖4-30功能輔助時混聯(lián)式傳動系統(tǒng)能量流⑤當(dāng)電池電量較低時，發(fā)動機(jī)被啟動，并將其設(shè)置在最大功率工作點(diǎn)上，發(fā)動機(jī)輸出的功率與汽車所需功率的差值將通過發(fā)電機(jī)為電池充電，如圖4-31所示。圖4-31電池充電時混聯(lián)式傳動系統(tǒng)能量流豐田Prius所采用的混合驅(qū)動方式將發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)通過一個行星齒輪裝置連接起來，即為混聯(lián)式混合動力驅(qū)動，充分利用了串聯(lián)和并聯(lián)兩種驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)，如圖4-32所示。圖4-32豐田普銳斯混合動力系統(tǒng)三種混合動力系統(tǒng)的比較（1）結(jié)構(gòu)的比較三種混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較，如圖4-33所示。圖4-33三種混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較（2）按照對電能的依賴程度分類按照對電能的依賴程度分類，混合動力汽車還可分為弱混合、中混合、強(qiáng)混合以及外插電式混合（PlugInHybirid）幾種。1）弱混混合動力系統(tǒng)弱混混合動力系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)上的啟動電機(jī)（一般為12V）上加裝了皮帶驅(qū)動啟動電機(jī)（也就是常說的Belt-alternatorStarterGenerator，簡稱BSG系統(tǒng)）。該電機(jī)為發(fā)電啟動（Stop-Start）一體式電動機(jī)，用來控制發(fā)動機(jī)的啟動和停止，從而取消了發(fā)動機(jī)的怠速，降低了油耗和排放。2）輕混合動力系統(tǒng)代表車型是通用的混合動力皮卡車。該混合動力系統(tǒng)采用了集成啟動電機(jī)（也就是常說的IntegratedStarterGenerator，簡稱ISG系統(tǒng)）。3）中混合動力系統(tǒng)該混合動力系統(tǒng)同樣采用了ISG系統(tǒng)。與輕度混合動力系統(tǒng)不同，中混合動力系統(tǒng)采用的是高壓電機(jī)。4）完全混合動力系統(tǒng)該系統(tǒng)采用了272-650v的高壓啟動電機(jī)，混合程度更高。與中混合動力系統(tǒng)相比，完全混合動力系統(tǒng)的混合度可以達(dá)到甚至超過50％。技術(shù)的發(fā)展將使得完全混合動力系統(tǒng)逐漸成為混合動力技術(shù)的主要發(fā)展方向。完全混合動力代表產(chǎn)品為豐田的Prius（電機(jī)50KW），可節(jié)油40%。5）外插電式混