第四章混合动力汽车的总体构造课件.pptx
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- 第四 混合 动力 汽车 总体 构造 课件
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1、第五章第五章 混合动力电动汽车混合动力电动汽车 的构造与原理的构造与原理 2007年秋天,丰田在中国推出年秋天,丰田在中国推出了目前为止最大排量的混合动力车了目前为止最大排量的混合动力车型型雷克萨斯雷克萨斯LS600L。该车。该车匹匹配配5.0L传统传统发动机和发动机和1台功率等台功率等同于同于1升发动机的电动机,其动力水升发动机的电动机,其动力水平与奔驰平与奔驰S600及宝马及宝马760相当。其相当。其百公里油耗只相当于百公里油耗只相当于1台台1.8升发动升发动机的传统轿车机的传统轿车,起起动时可以实现零排放动时可以实现零排放第一节第一节 单桥驱动式全面混合型混合动力乘用车单桥驱动式全面混合
2、型混合动力乘用车 1997年年丰田公司首次推出丰田公司首次推出Prius HV,采用,采用THS(TOYOTA HYBRID SYSTEM)和和THS-的第一代和第二代的第一代和第二代Prius HEV是较为典型的代表,且已有多种变型产是较为典型的代表,且已有多种变型产品。如在品。如在THS基础上增加无级变速器的基础上增加无级变速器的THS-C系统、在系统、在THS-的基础上增加电的基础上增加电气式四轮驱动系统的气式四轮驱动系统的THS-+E-Four等。等。THS的主要组成:电动机、汽油机、逆变器、驱动用的主要组成:电动机、汽油机、逆变器、驱动用电池(电池(Ni-MH)、散热器等。散热器等。
3、1-控制装置总成控制装置总成 2,5-ECVT动力分配系统总成动力分配系统总成3-镍氢电池组镍氢电池组 4-发动机发动机THS-的主要组成的主要组成 主要由发动机(汽油机)、发电机、电动机、动力电池、逆变器等主要由发动机(汽油机)、发电机、电动机、动力电池、逆变器等18 个部件个部件组成。当汽车处于不同的工作模式时,系统中参与工作的部件数量不同,其组成。当汽车处于不同的工作模式时,系统中参与工作的部件数量不同,其燃料、电力、燃料、电力、动力(机械力动力(机械力)和和热量的传递热量的传递路线亦有所不同。路线亦有所不同。1-发动机发动机(汽油机汽油机)2-发电机发电机 3-电动机电动机 4-高压电
4、池高压电池 5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器 6-空调用逆变器空调用逆变器 7-升压电升压电路路 8-12V充电用充电用DC/DC 9-辅助电源辅助电源 10-汽油箱汽油箱 11-差速器差速器 12-空气压缩机电机空气压缩机电机 13 发动机用冷却器发动机用冷却器 14-逆变器用冷却器逆变器用冷却器 15-冷凝器冷凝器(制冷剂用制冷剂用)16-散热器散热器 17-蒸发器蒸发器 18 空调单元空调单元系统系统THSTHSTHS-THS-车型车型PriusPriusSUVSUV发动机排量发动机排量/L1.51.53.33.3上市时间上市时间/年年199719972000200020032003
5、20052005DCDC总线电压总线电压/V274274500500650650电动机最大功率电动机最大功率/kW303033335050123123电动机最大转矩电动机最大转矩/Nm305305350350400400333333电动机最大转速电动机最大转速/r/min60006000670067001240012400 丰田公司的主要混合动力系统丰田公司的主要混合动力系统 THS电压变换系统电压变换系统THS-电压变换系统电压变换系统THS-混合动力汽车的工作原理混合动力汽车的工作原理(1)发动机起动发动机起动与传统燃油汽车不同,与传统燃油汽车不同,THS的发动机起动时,不使用专门的起动机
6、,而是使用发电的发动机起动时,不使用专门的起动机,而是使用发电机起动。汽车起动时散热器尚未工作,故无热量交换,此时燃料、电力和动力机起动。汽车起动时散热器尚未工作,故无热量交换,此时燃料、电力和动力(机机械力械力)的传递路线分别为:的传递路线分别为:燃料传递路线:燃料传递路线:10-汽油箱汽油箱1-发动机发动机电力传递路线:电力传递路线:4-高压电池高压电池8-12V充电用充电用DC/DC 5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器2-发电机发电机动力传递路线:动力传递路线:2-发电机发电机1-发动机发动机(2)发动机热机和充电发动机热机和充电 当发动机需要热机或蓄电池需要充电时,燃料、电力、动力当
7、发动机需要热机或蓄电池需要充电时,燃料、电力、动力(机械力机械力)和热量的和热量的传递路线为:传递路线为:燃料传递路线:燃料传递路线:10-汽油箱汽油箱1-发动机发动机电力传递路线:电力传递路线:2-发电机发电机8-12V充电用充电用DC/DC 4-高压电池和高压电池和9-辅助电源辅助电源动力传递路线:动力传递路线:1-发动机发动机2-发电机发电机热传递路线:热传递路线:1-发动机发动机16-散热器;散热器;5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器逆变器用冷却器(3)汽车电动机起步汽车电动机起步 与传统汽车不同,与传统汽车不同,HEV起步时通常使用电驱动,燃油发动机不参与工作。
8、起步时通常使用电驱动,燃油发动机不参与工作。此时电力、动力此时电力、动力(机械力机械力)和热量的传递路线为:和热量的传递路线为:电力传递路线:电力传递路线:4-高压电池高压电池8-12V充电用充电用DC/DC5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器7升压电路升压电路3-电动机电动机动力传递路线:动力传递路线:3-电动机电动机11-差速器差速器(车轮车轮)热传递路线:热传递路线:1-发动机发动机16-散热器;散热器;5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器14-逆变器用逆变器用冷却器冷却器(4)发动机和电动机发动机和电动机并联并联加速起步加速起步 当汽车需要大转矩或急加速起步前进时,发动机和电动机同时参
9、与工作。此时燃当汽车需要大转矩或急加速起步前进时,发动机和电动机同时参与工作。此时燃料、电力、料、电力、动力和动力和热量的传递路线热量的传递路线分别为:分别为:燃料传递路线:燃料传递路线:10-汽油箱汽油箱1-发动机发动机电力传递路线:电力传递路线:4-高压电池高压电池8-12V充电用充电用DC/DC 5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器7升压升压电路电路3-电动机电动机动力传递路线动力传递路线:3-电动机电动机11-差速器差速器(车轮车轮)+1-发动机发动机11-差速器差速器(车轮车轮)热传递路线:热传递路线:1-发动机发动机16-散热器;散热器;5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器14-逆
10、变器用冷却器逆变器用冷却器(5)发动机和电动机发动机和电动机串联串联工作工作 车辆正常行驶时,发动机的动力超过汽车行驶动力的需求,此时采用发动机和电车辆正常行驶时,发动机的动力超过汽车行驶动力的需求,此时采用发动机和电动机的串联工作模式,发动机带动发电机发出的电力一部分驱动电动机,另一部动机的串联工作模式,发动机带动发电机发出的电力一部分驱动电动机,另一部分用于对动力蓄电池充电:分用于对动力蓄电池充电:燃料传递路线、热传递路线(略)燃料传递路线、热传递路线(略)电力传递路线:电力传递路线:2-发电机发电机5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器4-高压电池高压电池;2-发电机发电机7-逆变器(升压
11、)逆变器(升压)3-电动机电动机动力传递路线动力传递路线:1-发动机发动机2-发电机发电机 1-发动机发动机11-差速器差速器(车轮车轮)3-电动机电动机11-差速器差速器(车轮车轮)(6)汽车全负荷高速行驶汽车全负荷高速行驶需要大功率需要大功率 发动机、电动机、发电机和蓄电池将全部输出动力供汽车行驶需要。发动机、电动机、发电机和蓄电池将全部输出动力供汽车行驶需要。电力传递路线:电力传递路线:4-高压电池高压电池8-12V充电用充电用DC/DC 5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器7-升压升压电路电路3-电动机;电动机;2-发电机发电机5-逆变器逆变器7-升压电路升压电路3-电动机电动机动力传
12、递路线:动力传递路线:3-电动机电动机11-差速器差速器(车轮车轮)+1-发动机发动机11-差速器差速器(车轮车轮)+1-发发动机动机2-发电机发电机(7)行驶中发动机充电)行驶中发动机充电(多用于加速结束后,以一定速度行驶的工况多用于加速结束后,以一定速度行驶的工况)汽车行驶中蓄电池电量不足时,采用行驶中发动机充电工作模式,发汽车行驶中蓄电池电量不足时,采用行驶中发动机充电工作模式,发动机的动力一部分用于直接驱动汽车,一部分带动发电机并向蓄电池动机的动力一部分用于直接驱动汽车,一部分带动发电机并向蓄电池充电。充电。电力传递路线:电力传递路线:2-发电机发电机5-逆变器逆变器4-高压电池高压电
13、池动力传递路线:动力传递路线:1-发动机发动机2-发电机发电机+1-发动机发动机11-差速器差速器(车轮车轮)(8)电动机电动机行驶行驶(用于用于倒车和缓行等倒车和缓行等工况工况)在汽车倒车或缓行等工况时,采用电动机行驶模式。此时发动机不参与工作。在汽车倒车或缓行等工况时,采用电动机行驶模式。此时发动机不参与工作。动力传递路线:动力传递路线:3-电动机电动机11-差速器差速器(车轮车轮)电力传递路线:电力传递路线:4-高压电池高压电池5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器7升压电路升压电路3-电动机。电动机。(9)制动能量制动能量回收回收(Regenerative Braking)汽车制动、下坡
14、行驶时,通常采用制动能量回收模式工作,此时发动机停止工作。汽车制动、下坡行驶时,通常采用制动能量回收模式工作,此时发动机停止工作。电力传递路线:电力传递路线:2-发电机发电机5-逆变器逆变器4-高压电池高压电池动力传递路线:动力传递路线:11-差速器差速器(车轮车轮)2-发电机发电机热传递路线:热传递路线:1-发动机发动机16-散热器;散热器;5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器逆变器用冷却器(10)汽车)汽车滑行滑行 汽车滑行时,虽然不需要车辆驱动动力,但空调系统仍需要驱动力,此时汽车滑行时,虽然不需要车辆驱动动力,但空调系统仍需要驱动力,此时电力和热量的传递路线为:电力
15、和热量的传递路线为:电力传递路线:电力传递路线:4-高压电池高压电池8-12V充电用充电用DC/DC6-空调用逆变器空调用逆变器12-空气压缩机电机空气压缩机电机热传递路线:热传递路线:12-空气压缩机电机空气压缩机电机17-蒸发器;蒸发器;5-驱动电池用逆变器驱动电池用逆变器14-逆变器用冷却器;逆变器用冷却器;12-空气压缩机电机空气压缩机电机15-冷凝器冷凝器(制冷剂用制冷剂用)(11)汽车停车汽车停车当汽车在十字路口停车并且空调处于关闭状态时,当汽车在十字路口停车并且空调处于关闭状态时,THS系统停止工作。系统停止工作。混合动力汽车变速机构总成混合动力汽车变速机构总成 发动机的动力直接
16、传至行星齿轮的行星架,一部分动力再传至与车轮连接的电发动机的动力直接传至行星齿轮的行星架,一部分动力再传至与车轮连接的电动机,另一部分动力传至发电机。动机,另一部分动力传至发电机。通过控制发动机、发电机、电动机的转速即通过控制发动机、发电机、电动机的转速即可达到所需要的车速。可达到所需要的车速。由于发电机及电动机的转速可以在一定范围内任意设置,由于发电机及电动机的转速可以在一定范围内任意设置,因此车辆可实现无级变速。该装置被称为电子控制无级变速器因此车辆可实现无级变速。该装置被称为电子控制无级变速器E-CVT。下表为车速与发动机、电动机和发电机转速关系的一个下表为车速与发动机、电动机和发电机转
17、速关系的一个测试实例,测试实例,蓄电池功率蓄电池功率为负时表示充电,反之为放电。为负时表示充电,反之为放电。动力分配机构的组成及工作原理动力分配机构的组成及工作原理 动力分配机构使用的是行星齿轮装置。动力分配机构使用的是行星齿轮装置。齿圈、齿圈、行星齿轮架行星齿轮架和和中心齿轮中心齿轮分别与分别与电动机电动机、发动机发动机和和发电机发电机相连。相连。发动机动力直接传递到行星齿轮架,再通过行星齿轮架分配到齿圈与中心齿轮。发动机动力直接传递到行星齿轮架,再通过行星齿轮架分配到齿圈与中心齿轮。与电动机直接相连的齿圈的动力通过减速器传递到车轮,当电动机有动力输出时,与电动机直接相连的齿圈的动力通过减速
18、器传递到车轮,当电动机有动力输出时,齿圈上的动力由发动机和电动机的动力两部分组成。齿圈上的动力由发动机和电动机的动力两部分组成。分配到中心齿轮的动力通过带动发电机而发电,发电机的电力可以直接供给电动分配到中心齿轮的动力通过带动发电机而发电,发电机的电力可以直接供给电动机使用,也可以向蓄电池充电。机使用,也可以向蓄电池充电。动力分配机构齿圈、行星架、太阳轮转速之间的动力分配机构齿圈、行星架、太阳轮转速之间的关系关系 假定太阳轮的齿数为假定太阳轮的齿数为Zs、转矩为、转矩为Ts、转速为、转速为ns;齿齿圈的齿数为圈的齿数为Zr、转矩为、转矩为Tr、转速为、转速为nr ;行星齿轮行星齿轮架的转矩为架
19、的转矩为Tp、转速为、转速为np齿圈、行星架、太阳轮转速之间的关系为:齿圈、行星架、太阳轮转速之间的关系为:ns+nr Zr/Zs-np(1+Zr/Zs)=0 或或 nr=ns-np(1+Zr/Zs)Zs/Zr齿圈、行星架、太阳轮转矩之间的关系为:齿圈、行星架、太阳轮转矩之间的关系为:Tsns+Trnr+Tpnp=0(输入(输入、输出功率的代数和为、输出功率的代数和为0)上式上式可以作为车辆在不同行驶工况时的发动机、发电机和电动机控制可以作为车辆在不同行驶工况时的发动机、发电机和电动机控制的理论基础。的理论基础。车辆在不同行驶工况时,对发动机、发电机和电动机转速的要求车辆在不同行驶工况时,对发
20、动机、发电机和电动机转速的要求停车时,停车时,要求发动机、发电机、电动机都停止,三者的转速均为零。要求发动机、发电机、电动机都停止,三者的转速均为零。汽车起步时汽车起步时,仅依靠电动机带动,使车辆加速前进。,仅依靠电动机带动,使车辆加速前进。发动机起动时发动机起动时,发电机兼备汽车发动机起动机的功能,当使发电机转速提高,发电机兼备汽车发动机起动机的功能,当使发电机转速提高后,发动机即被起动。当发动机起动,则开始发电,并把电流输给蓄电池或后,发动机即被起动。当发动机起动,则开始发电,并把电流输给蓄电池或电动机。电动机。正常行驶时,车辆动力主要来自发动机。几乎不进行发电,发电机以很低的转速正常行驶
21、时,车辆动力主要来自发动机。几乎不进行发电,发电机以很低的转速转动,但电动机转速高于发动机转速。转动,但电动机转速高于发动机转速。加速时,随着发动机转速的提高,发电机开始发电,发出的电力和蓄电池的电力加速时,随着发动机转速的提高,发电机开始发电,发出的电力和蓄电池的电力一起向电动机供电。一起向电动机供电。在发动机的一部分输出动力和电动机的共同作用下,使汽车在发动机的一部分输出动力和电动机的共同作用下,使汽车加速前进。加速前进。再加上电动机的驱动力。发动机的一部分输出动力,通过发电机,传再加上电动机的驱动力。发动机的一部分输出动力,通过发电机,传输到电动机,从而变换为车辆的驱动力并由电子控制式无
22、级变速器进行变速。输到电动机,从而变换为车辆的驱动力并由电子控制式无级变速器进行变速。第二节、双桥驱动全面混合型混合动力乘用车第二节、双桥驱动全面混合型混合动力乘用车 双轴(桥)驱动的混联式双轴(桥)驱动的混联式HEV也是常见的也是常见的HEV之一,该类车辆类似于之一,该类车辆类似于燃油车的越野车和燃油车的越野车和SUV。常见的型式有两种。一种是前轮由混合动力。常见的型式有两种。一种是前轮由混合动力驱动,后轮由电动机驱动;另一种则是后轮由混合动力驱动,前轮由驱动,后轮由电动机驱动;另一种则是后轮由混合动力驱动,前轮由电动机驱动。电动机驱动。丰田公司开发的丰田公司开发的Estima混合动力系统和
23、富士重工混合动力系统和富士重工9 scrambler混合动混合动力系统都是双桥驱动全面混合型,请感兴趣的同学自学。力系统都是双桥驱动全面混合型,请感兴趣的同学自学。第二节第二节 轻度混合动力乘用车轻度混合动力乘用车 轻度混合动力乘用车有本田公司轻度混合动力乘用车有本田公司Insight 和和 Civic、大发公司的、大发公司的HIJET CARGO HEV、TOYOTA“CROWN”HEV、Hyundai Click HEV等。等。其中最为典型的是采用其中最为典型的是采用IMA(Integrated Motor Assist)混合动)混合动力系统的本田公司的力系统的本田公司的Insight和和
24、 Civic HV。IMA是轻度混合动力乘用车中比较典型的结构。是轻度混合动力乘用车中比较典型的结构。发动机为发动机为i-VTEC汽油机,排量汽油机,排量1.339L,采用的新技术主要有可变气门相位及升,采用的新技术主要有可变气门相位及升程控制程控制VTEC和停缸工作技术,电动机为薄片式无刷直流电动机,变速器为本田和停缸工作技术,电动机为薄片式无刷直流电动机,变速器为本田公司开发的公司开发的Multi Matic S型无级自动变速器。型无级自动变速器。IMA总成置于机舱之中,动力电池总成置于机舱之中,动力电池和动力控制单元和动力控制单元PCU(Power Control Unit)置于后排车座
25、后下方。置于后排车座后下方。Civic混合动力汽车上系统的布置混合动力汽车上系统的布置 TOYOTA的的“CROWN”HEV采用的轻度混合动力系统是采用的轻度混合动力系统是THS-M。其特。其特点是电动机的辅助动力通过皮带、电磁离合器与汽车动力系统连接在点是电动机的辅助动力通过皮带、电磁离合器与汽车动力系统连接在一起,传统车辆的动力系统改动化最小,动力蓄电池仅为一起,传统车辆的动力系统改动化最小,动力蓄电池仅为36V。IMA混合动力总成混合动力总成 IMA混合动力系统总成的特点是将发动机和薄片式无刷直流电机、无级混合动力系统总成的特点是将发动机和薄片式无刷直流电机、无级自动变速器集成为一体,使
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