混合動(dòng)力汽車(chē)構(gòu)造與工作原理

混合動(dòng)力汽車(chē)構(gòu)造

與工作原理學(xué)習(xí)單元一混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展學(xué)習(xí)單元二混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

學(xué)習(xí)單元一混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展

一、全球混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展混合動(dòng)力汽車(chē)的概念幾乎與汽車(chē)的概念同時(shí)出現(xiàn)，但是其最初的目的并非是有效降低燃油的消耗量，而是輔助汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)以保證其性能水平。事實(shí)上，早期內(nèi)燃機(jī)工程技術(shù)的發(fā)展水平不及電機(jī)工程技術(shù)。

二、我國(guó)混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)各大汽車(chē)集團(tuán)都在進(jìn)行混合動(dòng)力汽車(chē)的研發(fā)。一汽研發(fā)的紅旗HQ3于2006年投產(chǎn)；東風(fēng)集團(tuán)的混合動(dòng)力公交車(chē)已于2005年7月完成最終產(chǎn)品定型樣車(chē)試驗(yàn)，并通過(guò)驗(yàn)收；奇瑞集團(tuán)成立了國(guó)家節(jié)能環(huán)保汽車(chē)工程技術(shù)研究中心。

三、混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展與完善，未來(lái)混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：

(1)轎車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)的模塊化愈加明顯，將逐步推進(jìn)汽車(chē)動(dòng)力的電氣化。

(2)城市客車(chē)混合動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)平臺(tái)化趨勢(shì)，“發(fā)電機(jī)組+驅(qū)動(dòng)電機(jī)+儲(chǔ)能裝置”構(gòu)成了混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本技術(shù)平臺(tái)。通過(guò)切換不同的工作模式，控制不同的能源動(dòng)力轉(zhuǎn)化裝置，形成了油—電、氣—電、電—電各種不同的混合動(dòng)力系統(tǒng)，促進(jìn)了動(dòng)力系統(tǒng)的平穩(wěn)過(guò)渡與轉(zhuǎn)型。

(3)大多數(shù)混合動(dòng)力系統(tǒng)使用基于傳統(tǒng)變速器的混動(dòng)化擴(kuò)展方案，即使用現(xiàn)有變速器并進(jìn)行調(diào)整，讓其適用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

(4)從能量管理及智能控制技術(shù)方面提高汽車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，并兼顧排放。

(5)隨著混合動(dòng)力汽車(chē)節(jié)能空間的不斷挖掘，在熱管理開(kāi)發(fā)方面，不僅要考慮空調(diào)性能、熱平衡控制，還要考慮整理多個(gè)熱源(發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和蓄電池)，使全工況(高溫、低溫、常溫)的能耗最低。

學(xué)習(xí)單元二混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

一、混合動(dòng)力汽車(chē)分類(一)按混合程度分類根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率在整個(gè)系統(tǒng)輸出功率中所占的比重，混合動(dòng)力汽車(chē)可分為微混合動(dòng)力汽車(chē)、輕度混合動(dòng)力汽車(chē)、中度混合動(dòng)力汽車(chē)、重度混合動(dòng)力汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)五種。

1.微混合動(dòng)力汽車(chē)

微混合動(dòng)力汽車(chē)是在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電機(jī)基礎(chǔ)上加裝了皮帶驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)，用來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，從而消除了發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速，降低了油耗和排放。

2.輕度混合動(dòng)力汽車(chē)

電動(dòng)機(jī)的峰值功率和發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率比為5%～15%的為輕度混合動(dòng)力汽車(chē)，也稱為“輔助驅(qū)動(dòng)混合”動(dòng)力汽車(chē)，其代表車(chē)型為通用的混合動(dòng)力皮卡車(chē)。

在這種類型的系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間裝有集成啟動(dòng)發(fā)電機(jī)(IntegratedStarterandGenerator，ISG)，發(fā)動(dòng)機(jī)依然是主要?jiǎng)恿?，?qū)動(dòng)電機(jī)不能單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，只是在爬坡或加速時(shí)輔助驅(qū)動(dòng)，同時(shí)具有制動(dòng)能量回收和啟停功能；發(fā)動(dòng)機(jī)排量可減少10%～20%，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率約為發(fā)動(dòng)機(jī)的10%，節(jié)油率可達(dá)到10%～15%。輕度混合動(dòng)力汽車(chē)除了能夠?qū)崿F(xiàn)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和停止外，還能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

(1)在減速和制動(dòng)工況下，對(duì)部分能量進(jìn)行回收。

(2)在行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)等速運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量可以在車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)需求和發(fā)電機(jī)的充電需求之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.中度混合動(dòng)力汽車(chē)

中度混合動(dòng)力汽車(chē)采用的是高壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)。另外，中度混合動(dòng)力汽車(chē)還增加了一個(gè)功能，即在汽車(chē)處于加速或者大負(fù)荷工況時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠輔助驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)本身

動(dòng)力輸出的不足，從而更好地提高整車(chē)的性能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率和發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率比為15%～40%的為中度混合動(dòng)力汽車(chē)，其代表車(chē)型有本田思域、別克君越。中度混合

動(dòng)力汽車(chē)同樣采用的是在發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間安裝ISG系統(tǒng)。

4.重度混合動(dòng)力汽車(chē)

重度混合動(dòng)力汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)都可以獨(dú)立(或在一起)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，因此在低速、緩加速行駛(如交通堵塞、頻繁起步/停車(chē))、車(chē)輛起步行駛和倒車(chē)等情況下，車(chē)輛由純電動(dòng)方式行駛；急加速時(shí)可通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，同時(shí)具有制動(dòng)能量回收和啟停功能。

5.插電式混合動(dòng)力汽車(chē)

插電式混合動(dòng)力汽車(chē)是一種將純電動(dòng)系統(tǒng)和現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)的產(chǎn)物，如圖1-1所示。圖1-1插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)

(二)按運(yùn)行模式分類

1.單一模式混合動(dòng)力汽車(chē)

單一模式混合動(dòng)力汽車(chē)可以按照3種方式操控，即僅使用電能驅(qū)動(dòng)、僅使用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)與電能驅(qū)動(dòng)的組合。

2.雙模式混合動(dòng)力汽車(chē)

雙模式混合動(dòng)力汽車(chē)的核心實(shí)質(zhì)上是一個(gè)電控可調(diào)變速器，它利用現(xiàn)有的傳動(dòng)系統(tǒng)，配有2個(gè)電動(dòng)機(jī)，可以在兩種混合動(dòng)力運(yùn)行模式之間自動(dòng)切換。

(三)按驅(qū)動(dòng)方式分類

1.串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的布置如圖1-2所示。圖1-2串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的布置

2.并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的布置如圖1-3所示，它使用電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩種不同的裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，動(dòng)力的流向?yàn)椴⒙?lián)傳遞。它的關(guān)鍵特征是，變速箱內(nèi)的兩個(gè)機(jī)械功率被疊加在

一起，發(fā)動(dòng)機(jī)是基本能源設(shè)備，而電池組和電動(dòng)機(jī)則起到能量緩沖作用。

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)是，并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既可以單獨(dú)使用發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，又可以同時(shí)使用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。圖1-3并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的布置

3.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的布置如圖1-4所示，混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是串聯(lián)和并聯(lián)的組合，它具有串聯(lián)式和并聯(lián)式的特性，相比于單純的串聯(lián)式或并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，它擁有更多可選擇的運(yùn)行方式。圖1-4混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的布置

4.復(fù)合式混合動(dòng)力系統(tǒng)

典型復(fù)合式混合動(dòng)力系統(tǒng)的布置如圖1-5所示，它具有與混聯(lián)式相似的結(jié)構(gòu)。圖1-5復(fù)合式混合動(dòng)力系統(tǒng)的布置

(四)按行駛模式分類

1.手動(dòng)行駛模式

手動(dòng)行駛模式是在發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的功率輸出時(shí)，通過(guò)駕駛員手動(dòng)選擇切換功能來(lái)決定行駛模式。手動(dòng)行駛模式有發(fā)動(dòng)機(jī)模式、純電動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)混合模式3種。

2.非手動(dòng)行駛模式

非手動(dòng)行駛模式不具備手動(dòng)選擇功能。車(chē)輛的行駛模式是根據(jù)不同工況由控制單元自動(dòng)切換的。

二、混合動(dòng)力汽車(chē)基本組成與工作模式

混合動(dòng)力汽車(chē)是傳統(tǒng)汽車(chē)向純電動(dòng)車(chē)過(guò)渡的一種綜合動(dòng)力車(chē)型，它既保留了傳統(tǒng)汽車(chē)的部分結(jié)構(gòu)，又增添了電動(dòng)/發(fā)電機(jī)控制器、電池系統(tǒng)、APG逆變器、混合動(dòng)力控制模塊(HCM)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元(見(jiàn)圖1-6)，因而在結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜，動(dòng)力輸出也更加靈活。圖1-6混合動(dòng)力汽車(chē)基本組成

(一)串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)基本結(jié)構(gòu)與工作模式

1.串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-7所示，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、HV蓄電池和變壓器等組成。系統(tǒng)工作時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)工作驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，直接向驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸送電能。圖1-7串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2.串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式

1)HV蓄電池驅(qū)動(dòng)工作模式

高壓(HighVoltage)蓄電池簡(jiǎn)稱HV蓄電池，它的驅(qū)動(dòng)工作模式如圖1-8所示。圖1-8HV蓄電池驅(qū)動(dòng)工作模式

2)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式

發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式如圖1-9所示。圖1-9發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式

3)混合驅(qū)動(dòng)工作模式

混合驅(qū)動(dòng)工作模式如圖1-10所示。圖1-10混合驅(qū)動(dòng)工作模式

4)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+充電工作模式

發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+充電工作模式如圖1-11所示。圖1-11發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+充電工作模式

5)發(fā)動(dòng)機(jī)僅充電工作模式

發(fā)動(dòng)機(jī)僅充電工作模式如圖1-12所示。圖1-12發(fā)動(dòng)機(jī)僅充電工作模式

6)制動(dòng)能量回收工作模式

制動(dòng)能量回收工作模式如圖1-13所示。圖1-13制動(dòng)能量回收工作模式

3.串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的3種基本控制模式

1)HV蓄電池驅(qū)動(dòng)控制模式

這種控制模式是指僅當(dāng)充電電荷狀態(tài)降低到最小限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)才啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在最高效率區(qū)以輸出恒定功率的方式工作，當(dāng)充電狀態(tài)回升到最大限值時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。它的主要缺點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)停會(huì)貫穿于車(chē)輛行車(chē)的整個(gè)過(guò)程，由于發(fā)動(dòng)機(jī)每次停止運(yùn)轉(zhuǎn)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)和催化轉(zhuǎn)換器裝置的溫度穩(wěn)定，從而導(dǎo)致它們的效率降低，所以這種控制模式也稱為“恒溫器式控制”。

2)“負(fù)荷跟隨”控制模式

“負(fù)荷跟隨”控制模式是指保持動(dòng)力蓄電池的充電量在規(guī)定的范圍之內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)工作并盡可能地供應(yīng)接近車(chē)輛行駛所需的電能，動(dòng)力蓄電池并不向車(chē)輛提供動(dòng)力，僅起負(fù)荷調(diào)節(jié)的作用。這種控制模式的動(dòng)力蓄電池的充放電量較小，能量損失最小；其缺點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)不能工作在最佳轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下，因此其排放變差、效率降低。

3)折中控制模式

折中控制是上述兩種控制模式的折中，這種方案在動(dòng)力蓄電池的充電狀態(tài)較高時(shí)，主要采用純電動(dòng)模式；而當(dāng)動(dòng)力蓄電池的充電電荷狀態(tài)降低到設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

發(fā)電機(jī)工作，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)的排放和效率，將其輸出功率嚴(yán)格控制在一定的變化范圍內(nèi)。

(二)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)基本結(jié)構(gòu)與工作模式

1.并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)使用驅(qū)動(dòng)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩種不同的裝置來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，動(dòng)力的流向?yàn)椴⒙?lián)，如圖1-14所示，所以稱為“并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)”。圖1-14并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2.并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)典型工作模式

1)純電動(dòng)工作模式

在純電動(dòng)工作模式下，當(dāng)車(chē)輛起步、低速及輕載行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，車(chē)輛由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖1-15所示。圖1-15純電動(dòng)工作模式

2)混合動(dòng)力工作模式

在混合動(dòng)力工作模式下，在車(chē)輛正常行駛、加速及爬坡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，如圖1-16所示。圖1-16混合動(dòng)力工作模式

3)動(dòng)力蓄電池充電工作模式

在動(dòng)力蓄電池充電工作模式下，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，當(dāng)電池電量過(guò)低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛的同時(shí)向電池補(bǔ)充充電，如圖1-17所示。圖1-17動(dòng)力蓄電池充電工作模式

4)制動(dòng)能量回收工作模式

在制動(dòng)能量回收工作模式下，當(dāng)車(chē)輛減速及制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)模式工作，如圖1-18所示，回收車(chē)輛制動(dòng)能量并向電池充電。圖1-18制動(dòng)能量回收工作模式

(三)混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的基本結(jié)構(gòu)與工作模式

1.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1-19所示圖1-19混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2.混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作模式

1)純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式

純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式如圖1-20所示圖1-20純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式

2)純電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式

純電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式如圖1-21所示圖1-21純電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作模式

3)混合驅(qū)動(dòng)工作模式

混合驅(qū)動(dòng)工作模式如圖1-22所示圖1-22混合驅(qū)動(dòng)工作模式

4)制動(dòng)能量回收工作模式

制動(dòng)能量回收工作模式如圖1-23所示圖1-23制動(dòng)能量回收工作模式

5)停車(chē)充電工作模式

停車(chē)充電工作模式如圖1-24所示圖1-24停車(chē)充電工作模式

6)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、HV蓄電池充電工作模式

發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、HV蓄電池充電工作模式如圖1-25所示圖1-25發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、HV蓄電池充電工作模式．

三、混合動(dòng)力汽車(chē)的特點(diǎn)

混合動(dòng)力汽車(chē)具有如下特點(diǎn)：

(1)能量轉(zhuǎn)換裝置至少要從兩種不同的能量?jī)?chǔ)存裝置(如燃油箱、HV蓄電池、飛輪、超級(jí)電容等)吸取能量，如圖1-26所示。

(2)送到車(chē)輪推進(jìn)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的能量至少來(lái)自兩種不同的能量轉(zhuǎn)換裝置(如內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸?shù)臋C(jī)械能和HV蓄電池傳輸?shù)碾娔?。

圖1-26兩種不同能量?jī)?chǔ)存裝置

(3)從儲(chǔ)能裝置到車(chē)輪的通道中至少有一條是可逆的(既可放出能量，也可吸收能量)，并至少有一條是不可逆的。

(4)可逆的儲(chǔ)能裝置供應(yīng)的是電能。

(5)采用復(fù)合動(dòng)力后可按平均需用的功率來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，此時(shí)處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況，當(dāng)需要大功率而發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足時(shí)，由HV蓄電池來(lái)補(bǔ)充；當(dāng)負(fù)荷少時(shí)，富余的