HEV-PHEV混合动力系统构型分析.ppt
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,HEV/PHEV混合动力系统构型分析,混合动力系统构型总体分析背景,节能原理,基本构型及其自由度分析HEV-并联,串并联,功率分流PHEV混合动力系统仿真与测试分析中国HEV/PHEV典型构型与技术路径选择,内容提要,3,汽车能效与混合动力发展背景,混合动力发展背景,基本原则与节能原理,混合动力能量来源:
电能Ee和油能Ef最经济的能量流是来自Plug-in的电能以最高效率被利用;内燃机燃料的化学能以最高效的方式被利用。
两个高效能量流没有交叉。
4,油箱,Ef,能量流(功率),车轮,电机,能量流(功率),变速箱和动力耦合装置,内燃机,电池,Ee,最高效能量流(平行流),基本原则与节能原理,不管是哪种混合动力构型,燃料的化学能经内燃机以可能的最高效率转换成机械能以后,再经过任何一个多余的环节,效率都会降低,无论这个环节是机械耦合还是机电耦合。
5,发电机,油箱,Ef,能量流(功率),车轮,电机,能量流(功率),变速箱和动力耦合装置,内燃机,电池,Ee,基本原则与节能原理,因此人们想到使用混合动力,主要因为:
可以通过电能这个“能量池”,把内燃驱动路径上热-机转换低效区的化学能,调整到电驱动路径上电-机转换高效利用的电能;可以回收整车惯性能量。
基本原则与节能原理,由此可以了解,混合动力节能的基本原理是:
1.发动机的三个聚类工况高效并联驱动工况:
保留内燃驱动中最高效率热-机能量转换路径上的工况点(有一定转速和转矩变化范围)。
未必都位于发动机的最高效率区,而是那些接近最高效率区、若增加一次机电机转换会得不偿失的那些点其它低效率工况点聚类成两个稳态工况点高效稳态发电工况:
最高效率点停机2.回收惯性能量,7,能量流(功率),车轮,电机,变速箱和动力耦合装置,电池,Ee,油箱,Ef,能量流(功率),内燃机,高效并联驱动工况高效稳态发电工况停机工况和工况在双电机/CVT等无极调速下可以归并为一个聚类工况,基本原则与节能原理,节能与新能源各种路径/措施的技术经济性,HEV/PHEV的节能潜力,混合动力系统构型分析,混合动力车辆是一种介于普通汽车和电动车辆之间的过渡型车辆,兼有两者的一些优点,如超低排放、高效率和续驶里程长,只是成本较采用传统动力系统的车辆稍高。
因此,混合动力是近期切实可行的一条车辆发展技术路线。
混合动力汽车根据动力系统的结构可以分为串联构型(Series)、并联构型(Parallel)、混联构型(Combined,Series-Parallel,Power-split)几种形式。
不同构型的混合动力系统各有其优缺点,其方案的选择取决于多种因素,例如:
应用环境、驾驶工况、成本考虑等。
1.串联构型(SeriesHybrid),串联构型的特征是只有一个能量转换装置可以为车辆提供驱动力。
在串联式混合动力汽车中发动机带动发电机发电,或通过燃料电池发动机直接输出电能系统能量以电能的形式进行混合一般具有部件体积大,重量大的特点,多应用于大型客车、货车等商用车型中,1.1串联构型特点,串联混合动力中发动机与车辆完全机械解耦,其运行工况不受汽车行驶工况的影响,可以始终控制在最佳的工作区稳定运行。
串联式混合动力电动汽车适合于负载频繁变化的市区工况,因为发动机可以不受道路情况影响保持高效率运行发电。
而在负荷持续较高的高速路工况行驶时,往往因为要经过机械能电能机械能多次能量转换,与传统车辆和并联构型相比,系统效率相对较低,不能体现出优势。
采用串联式结构控制简单,并可使汽车的排放降低。
然而由于车辆所需的功率完全由电机提供,发动机功率需要完全由发电机吸收,必须采用功率大的发电机和电动机,使整车成本提高。
1.2串联构型系统方程与自由度,从能量平衡的角度看,车辆所需功率由电机提供,电机所需功率由电池和发电机共同提供。
因此发电机输出功率为自由变量,系统具有一个能量自由度。
对于一个给定的发电机输出功率,发动机可以自由选择工作转速,因此发动机转速为自由变量,发动机具有一个机械自由度。
1.3串联构型系统工作模式,a)纯电动驱动模式,b)发动机/电机联合工作模式(功率分配模式),c)制动能量回收模式,d)停车充电模式,2.并联构型(ParallelHybrid),并联构型的特点是有多个能量转换装置可以同时给车辆提供驱动力。
根据混合点的位置不同,并联构型又可细分为离合器前混合型(构型1)、离合器后混合型(构型2)、变速箱后混合(构型3)、双离合器型(构型4)和道路混合型(构型5)其中构型1结构多用于微混合和轻度混合系统。
构型2,3,4和5多用于全混合系统。
微混合动力中电机功率很小,通常只具备快速启/停发动机和部分制动能量回收功能。
轻度混合则在微混合的基础上增加了电机助力和更强的制动回收能力。
在全混合中电机功率已经足够大以实现单独驱动车辆能力,从而使系统具备纯电动能力。
2.1并联构型特点,并联构型系统中车辆驱动力通常主要由发动机提供,电机起到辅助作用。
所要求的电机、发动机功率可以降低,电池容量可以减小,电池组重量也可以降低,使制造成本降低。
根据离合器和混合点位置关系不同,并联系统可以细分为几种构型。
对于混合点前没有离合器的构型(构型1),离合器位于混合点后,发动机不能独立于电机脱开。
发动机起系统主要动力源的作用,电机只起辅助作用,一般没有纯电动状态,系统通常为微混合或轻度混合动力系统。
发动机和混合点之间存在离合器的构型(构型2,3,4),发动机可以通过离合器分离实现与传动系脱离,车辆由电机独立驱动。
因此,此类构型通常也需要功率较大的电机,系统多为深混合动力系统。
对于混合点后有离合器的系统(构型1,4),可以通过发动机和车辆传动系脱开,采用电机实现发动机迅速起动功能。
2.2并联构型系统方程与自由度,从能量平衡的角度看,车辆所需功率由电机和发动机共同提供。
因此电机输出功率(或发动机输出功率)为自由变量,系统具有一个能量自由度。
由于机械连接的限制,发动机和电机的转速均由车速决定,系统不具有机械自由度。
系统自由度体现在了扭矩变量的自由上,发动机和电机的输出扭矩叠加后共同驱动车辆。
2.3并联构型系统工作模式,a)发动机快速启动/停止模式,b)纯电动模式,c)联合工作模式,d)制动能量回收模式,2.3并联构型系统工作模式,3.混联构型(CombinedHybrid),混联式构型是串联构型与并联构型的综合。
系统的主要特征为:
1.至少包含两个电机;2.系统能量混合方式同时具备并联混合和串联混合特征。
3.1混联构型特点,混联式驱动系统兼具串联式和并联式的优点,具有更全面的混合动力工作模式,系统能量分配灵活度更高,能更好的适应车辆复杂的行驶工况。
对于频繁行驶/停车和蠕行的城市工况,系统可以通过关闭发动机,通过电机以纯电动方式行驶,充分利用了串联混和动力的优势。
对于持续中高负荷的高速路工况,发动机为车辆行驶提供主要能量,具有并联构型特征和优势。
多数混联构型(构型1,构型3-1)都利用了行星齿轮机构进行能量分配,在实现了能量分配的同时,还实现了车辆的变速器功能,替代了传统车辆的手动或自动变速器。
然而,混联构型往往系统比较复杂,需要动力分配装置(行星齿轮)和多个电机,使得系统成本和复杂度大大提高。
3.2混联构型系统方程与自由度,从能量平衡的角度看,车辆所需功率由电机和发动机共同提供。
因此电机输出功率(或发动机输出功率)为自由变量,系统具有一个能量自由度。
由于行星齿轮机构的特点,在实现了能量分配的同时提供了一个转速自由度,使得发动机转速为自由变量,与车辆行驶工况解耦。
3.3混联构型工作模式,a)纯电动模式,b)联合工作模式,3.3混联构型工作模式,c)制动能量回收模式,3.3混联构型工作模式,d)停车充电模式,3.3混联构型工作模式,主流整车产品构型方案小结,混合动力系统构型总体分析背景,节能原理,基本构型及其自由度分析HEV-并联,串并联,功率分流PHEV混合动力系统仿真与测试分析中国HEV/PHEV典型构型与技术路径选择,内容提要,HEV/PHEV构型技术并联,P1系统:
单电机与发动机直接连接,转鼓试验台油耗测试对比,不同车辆的油耗结果(NEDC工况),思域普通汽油车的油耗显著低于2辆参比车型,思域混合动力车的油耗显著低于思域汽油车,只有我国第二阶段油耗限值的53,转鼓试验台油耗测试对比,不同车辆的油耗结果(北京BJ工况),按北京(BJ)工况测试结果也说明:
思域混合动力车有显著的节油效果。
转鼓试验台油耗测试对比,对NEDC工况测试结果进一步分析表明:
市区工况(ECE)部分节油效果高达48,与北京工况的节油效果(44)相近,市郊工况(EUDC)部分节油13。
转鼓试验台油耗测试对比,节油效果随测试工况的平均车速的降低、加减速次数的升高而变得明显。
由于日本工况是热机后测量,HEV的优势不能充分发挥。
2.P1andP2HEV(VW,BMW)/P1和P2混合动力,P2,DaimlerP2Hybrid,P2系统:
电机与变速器直接连接,可利用现有变速器,只需作适用性改造;易于模块化;一般用于后驱纵置;前驱横置难度大。
HEV/PHEV构型技术并联,欧洲厂商P2系统,HEV/PHEV构型技术并联,P2系统的技术难点:
动态控制,HEV/PHEV构型技术并联,P3系统:
基于DCT的单电机后置系统,HEV/PHEV构型技术并联,串并联:
本田双电机深混系统构型,HEV/PHEV构型技术串并联,双电机混联直驱动力系统,39,结构看似简单,实际上加工非常复杂。
发动机到桥减速比大,防止高速行驶时发动机转速过高,电动机到桥减速比大,防止启动加速度小,采用油冷高速电机,油压控制的湿式离合器,一共五条轴线,加工难度很大。
HEV/PHEV构型技术串并联,40,本田/丰田深度混合动力系统双电机系统调压柔性输出技术(难点:
电力电子集成技术),HEV/PHEV构型技术串并联,系统介绍2.0LAtkinson循环发动机,AtkinsonCooledEGR,41,系统介绍2.0LAtkinson循环发动机,VTEC+EVTC:
动力凸轮和经济性凸轮(OutputcamandFEcam)经济性凸轮的进气门开启时间延长(wideduration)。
通过进气门晚关,将进气冲程吸入的气体在压缩冲程又排出去一部分,造成膨胀比大于压缩比的Atkinson循环的效果,FEcam:
正常驾驶工况Outputcam:
启动工况和大转矩工况,42,系统介绍2.0LAtkinson循环发动机,节能效果:
238g/kWh214g/kWh,10%better,43,典型混联式插电式混合动力系统分析,动力分流技术方案对比,PriusIII/普里斯三代,4-axiessystem/4轴系统,GM2mode/通用双模,HEV/PHEV构型技术功率分流,电功率分流系统中,发动机的功率通过两个功率流输出到车轮。
途径1是电功率流,发动机的部分功率转为电功率再转换为机械功率进行传递(串联)。
途径2机械功率流,即发动机部分功率通过行星齿轮和两个电机的速比调节,再输出用于驱动车轮(并联)。
因此功率分流系统也称为串-并联系统;,电功率流(串联),机械功率流(并联),机电耦合装置-功率分流型E-CVT原理,HEV/PHEV构型技术功率分流,速比杠杆(转矩杠杆),47,大速比i1,小速比i2,机械变速箱是一端固定的杠杆关系在某速比下,输入和输出的转速关系始终处于一个杠杆上,转矩关系也处于一个杠杆上速比不同时,在要求相同输出的情况下,输入会有更大幅度的变化,速比杠杆,速比i1,速比i2,速比i3,速比i4,速比i5,速比i6,GTI6,除非超速档,其它各档位下,输入轴的转速变化范围总是大于输出轴,输入,输出,例:
大众GTI6各驱动档的速比杠杆,单行星排(SCR),49,输入,输出,a为齿圈与太阳轮的齿数比(取值1.3-4);ns、nR和nC分别为太阳轮、齿圈和行星架的转速,ns、nR和nC中,任意两个确定,则第三个也就确定。
即这是一个两输入一输出的关系。
输入3个会过“定位”,只输入1个,则另两个状态不确定。
转速支点排列顺序为SCR,齿轮变速,单行星排,S,C,R,S,C,R,双排,50,a为第一组行星排齿圈与太阳轮的齿数比(取值1.3-4);b为第二组行星排齿圈与太阳轮的齿数比,S1,C1,R1,S2,S2,C2,R2,S1,C1,R1,S1,C1-R2,S2,R1-C2,从Prius到Volt-混联的构型问题,51,吉利ESD,52,GL-ESD“ESD”EnergySplitDevice既能像Prius的PSD那样实现混合动力系统的功率分流,吉利ESD,HEV典型构型方案对比,混合动力系统构型总体分析背景,节能原理,基本构型及其自由度分析HEV-并联,串并联,功率分流PHEV混合动力系统仿真与测试分析中国HEV/PHEV典型构型与技术路径选择,内容提要,插电式电动汽车是全球公认的新能源汽车(介于纯电动与混合动力之间),插电式混合动力概述,可通过插电进行充电的混合动力电动汽车,PHEV,AERPHEV(全电型插电式),电量下降阶段(CD),在全车速-全负荷范围内,不启动发动机,电机单独驱动即可满足车辆动力性需求的电动汽车,BlendPHEV(混合型插电式),电量下降阶段(CD),在车速高,负荷大的工况,自动启动发动机来保证整车动力性需求的电动汽车,电量维持阶段(CS)动力性不下降全性能增程型REEV,代表车型:
FiskerKarma(串联构型)GMVolt(混联构型),电量维持阶段(CS)动力性下降城市增程型REEV,主要采用串联构型。
代表车型:
AudiA1e-tron,插电式电动车的技术分类,广义的PHEV指可通过插电进行充电的混合动力汽车;属于纯电驱动电动汽车的一种类型PHEV包含两种类型:
AERPHEV和BlendPHEV;可以称为全电型PHEV和混合型PHEV增程式电动汽车是一类特殊的PHEV,即全电型PHEV;它又可分为城市型和全性能型REEVBlendPHEV即通常所说的PHEV;,插电式混合动力概述,全电型插电式,混合型插电式,基于中国城市污染控制要求应更多发展全电型插电式混合动力,BlendPHEV,AERPHEV=REEV,全电型插电式是全电运行(全电行驶里程,油耗为零)混合型插电式是混合电动(电量下降里程,有油耗),全电型插电式是混合动力混合型插电式也是混合动力,插电式混合动力概述,纯电驱动汽车的“纯度”与机电耦合结构的关系,纯电驱动汽车的“纯度”,PHEV/REEV典型混合动力构型方案,前轮电机驱动功率111马力(82千瓦);电池纯电动里程110公里;40千瓦增程器可以增加1000公里续驶里程;三缸发动机60马力(45千瓦)+40千瓦发电机组成增程器;,VolvoC30纯电动串联增程器,VolvoC30纯电动并联增程器(四驱),前轮电机驱动功率111马力(82千瓦);电池纯电动里程75公里;40千瓦增程器可以增加1000公里续驶里程;三缸增压发动机190马力(140kW)+6速AT驱动后轮,同时带动40千瓦发电机;0-100公里/小时小于6秒;,前轮电机驱动功率111马力(82千瓦);电池纯电动里程50公里;40千瓦增程器可以增加1000公里续驶里程;三缸增压发动机190马力(140kW)+2速AT驱动前轮,同时带动40千瓦发电机;,VolvoC30纯电动并联增程器(前驱),PHEV/REEV典型混合动力构型方案,混合动力系统构型总体分析混合动力系统仿真与测试分析典型HEV动力系统分析HEV客车仿真分析PHEV仿真与试验分析Hondai-MMD,GMVolt中国HEV/PHEV典型构型与技术路径选择,内容提要,典型混合动力系统,典型混合动力系统,典型混合动力总成系统图,混合动力的发动机原理,米勒循环发动机,电动气门,WOT线,Engine转速,扭矩,发动机的经济性,效率高,效率低,最佳效率线,燃油消耗率(g/kWh)体现了发动机的工作效率。
将发动机各个高效区域连接,可以得到最佳效率线。
燃油消耗率是指单位能量(kWh)取得时所需要的燃料质量(g),这个值越小表明发动机的燃油经济性越高。
Engine转速,扭矩,效率高,效率低,最佳效率线,发动机高效运转#1,等输出线(双曲线),在各要求功率线和最佳效率线的交叉点工作时发动机最理想。
输出(W)=转速(rad/s)扭矩(Nm),Ne1,Te1,Engine转速,扭矩,效率高,效率低,最佳效率线,在最低效率区发动机停止,在最低效率区发动机停止,车辆依靠电机驱动。
发动机高效运转#2,如果将Carrier轴固定,Sun轴上的转速是1时,可根据几何关系计算出Ring轴上的转速是,Zs,转速为1,转速为,Sun,Ring,Carrier,机电耦合装置-行星齿轮的转速杠杆模型,RingGear,SunGear,Zr,=Zs/ZrNr/Ns=,Zs,Zr,1,100N,27.8N,72.2N,72.2N,机电耦合装置-行星齿轮的转速杠杆模型,Generator,Engine,Sun,Carrier,Ring,Motor,行星齿轮的3个轴(RingGear、Carrier、SunGear)的转速关系成下式关系,可用如左侧的共线图所示。
Nc=Ns+Nr,(1+),(1+),1,ENG,RingGear(Motor),SunGear(Generator),PlanetGear(Engine),PinionGear,Generator,Motor,输出,Nc:
PlanetGear转速Nr:
RingGear转速Ns:
SunGear转速:
SunGear到RingGear变速比,只要决定其中2个轴的转速,另一个轴的转速就被决定。
速比根据行星齿轮的减速比决定。
转速,0,转速杠杆原理,机电耦合装置-行星齿轮各轴的转速关系,行星齿轮的3个轴(RingGear、Carrier、SunGear)上的扭矩平衡,从Carrier到RingGear轴、SunGear轴的传输扭矩关系为:
Tr=Tc,Tc:
PlanetGear扭矩Tr:
RingGear扭矩Ts:
SunGear扭矩:
Sun和Ring的变速比,机电耦合装置:
行星齿轮各轴的扭矩关系,Generator,Engine,Sun,Carrier,Ring,Motor(车轮),Ts=Tc,可以认为Carrier轴的Engine扭矩被Sun轴和Ring轴按照上述比率分割。
Carrier轴上的Engine扭矩通过SunGear轴以Carrier轴作为支点将扭矩传输到Ring轴。
如果SunGear没有扭矩发生,Engine扭矩将不能传输到Ring轴(车轮)。
纯电动能量流示意图,低负荷行走:
纯电驱动,纯电驱动时,能量由电池输出,经电机转化为机械能,驱动整车;,纯电动杆杠示意图,发动机启动过程能量流示意图,低负荷中负荷行走:
发动机启动,发动机启动过程中,需要克服发动机阻力;发动机启动过程中,Generator工作状态由发电变为驱动。
如上图状态1时,Generator不工作,状态2时,Generator处于发电状态,状态3时,Generator处于驱动状态;发动机启动过程中,Motor一直处于驱动状态,发动机启动过程杠杆示意图,发动机单独驱动能量流示意图,中负荷行走:
发动机单独驱动(电池不提供能量),发动机驱动过程中,电池不提供能量;发动机驱动过程中,功率分流系统可能处于功率直接传递,功率分流和功率循环三种状态;功率直接传递时,能量直接由机械输出;功率分流时,发动机输出的部分能量由Generator转为电能,再由Motor转为机械能;功率循环时,发动机输出的部分能量由Motor转为电能,再由Generator转为机械能,发动机单独驱动杆杠示意图,发动机驱动+电机驱动能量流示意图,发动机驱动+电机驱动状态时,电池输出部分能量,通过电机转为机械能,驱动整车;,发动机驱动+电机驱动杆杠示意图,中高负荷行走:
发动机驱动+电机驱动(电池提供能量),制动能量回收,能量通过Motor转为电能,向电池充电;,制动能量回收能量流示意图,制动能量回收杠杆示意图,低车速减速:
驱动电机变发电机回收制动能量,工作模式分区图,混合动力系统前向仿真模型,PriusPowerSplitArchitecture:
Planetarygear,Chassis&body,Includealltheconstrains,混合动力轿车工作过程动态仿真,E-CVT调速电机对发动机工作点的调节过程:
发动机目标功率30千瓦,混合动力工作过程动态仿真,enginepowerdemandisfixedat30kWenginestartatpointAandendsatpointB(bestfuelefficiencypoint)enginetransitionprocessstartsfromAtoB,A,B,TwofiguresbelowarefromAtoB,混合动力工作过程动态仿真,E-CVT调速电机对发动机工作点的调节过程:
发动机目标功率30千瓦,UDDS工况循环下的仿真结果,混合动力轿车工作过程动态仿真,混合动力节能效果小结,传统车,油耗,0,能量损失(60%),(发动机效率),怠速油耗(15%),减速时能量油耗(5%),车辆行走必须的能量(20%)(车辆+电消耗品),日本10-15Mode,混合动力轿车工作过程动态仿真,混合动力系统构型总体分析混合动力系统仿真与测试分析典型HEV动力系统分析HEV客车仿真分析PHEV仿真与试验分析Hondai-MMD,GMVolt中国HEV/PHEV典型构型与技术路径选择,内容提要,仿真方法,仿真模型为前向式,采用MatlabSimulink建立,各个部件的模型均采用实测部件的MAP建模。
上图为串联混合动力的前向仿真模型信息流图。
包括一个驾驶员模型,该模型给出加速踏板位置和制动命令信号用于车辆跟踪给定的车速信号,仿真信息沿功率的传递方向从发动机、电机、变速箱到车轮。
混合动力系统模型中的蓄电池模型采用Rint模型。
串联混合动力系统模型已经过实物台架试验的验证,仿真结果与台架实测结果相差5%以内,因此,认为其他模型的仿真结果也是可信的。
道路工况,由于道路工况和整车性能指标会对整车部件的选择产生重要的影响,所以在进行适合于城区道路公交车辆的开发时,首先需要考虑城市道路工况的特殊性。
本节选用几种较典型的工况进行比较分析。
从较为拥堵MANHATTAN(曼哈顿)道路工况到比较顺畅的快速工况。
其中中国公交车典型工况是中国汽车技术中心根据大量的数据统计结果,并结合国外法规制定的,反映了中国当前实际公交车工作情况的循环工况。
本节仿真只针对柴油机串联混合动力客车、柴油机并联混合动力构型3客车、传统柴油动力手动档客车及AT档客车。
由于缺乏发动机的排放数据,本节只比较经济性能。
动力系统的仿真比较,右三图分别为当辅件功率小(5kW,传统为4kW)、辅件功率中(10kW,传统9kW)、辅件功率大(15kW,传统14kW)的情况下,不同构型的客车在3种不同工况下的油耗比较。
从中可见传统AT车的油耗最高。
混合动力在中国公交城区工况下效果比较好,当辅件功率小的时候经济性最好,比传统AT车好24%左右,但随着辅件功率增大以后效果变差,当辅件功率为15kW时,节油只有16%左右。
串联式混合动力车在MANHATTAN工况下经济性比并联式稍好,在中国公交城区工况下经济性与并联式相当,在中国公交城郊快速工况下经济性比并联式稍差。
仿真发现:
混合动力系统只有在中国公交城区工况下油耗才明显比传统手动档车低,在其他工况下混合动力经济性与传统手动档相差不大。
下面通过能量流来分析原因。
MANHATTAN路况传统柴油机动力系统能流图,MANHATTAN路况串联混合动力能流图,中国公交工况串联混合动力能流图,城郊快速路况,城区工
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- HEV PHEV 混合 动力 系统 构型 分析