万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

2021年8月5日
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一、混合动力系统构型总体分析

1.1 背景,节能原理,基本构型及其自由度分析

混合动力发展背景

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汽车能效与混合动力发展背景

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。

最高效能量流(平行流)

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• 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。

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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。

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• 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

①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

②高效稳态发电工况:最高效率点

③停机

2. 回收惯性能量

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①高效并联驱动工况

②高效稳态发电工况

③停机

工况①和工况②在双电机/CVT等无极调速下可以归并为一个聚类工况

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HEV/PHEV的节能潜力

节能与新能源各种路径/措施的技术经济性

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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

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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

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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

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b)发动机/电机联合工作模式(功率分配模式)

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c)制动能量回收模式

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d)停车充电模式

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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。

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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

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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

 

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b)纯电动模式

 

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c)联合工作模式

 

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d)制动能量回收模式

 

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3.混联构型(CombinedHybrid)

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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

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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

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b)联合工作模式

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c)制动能量回收模式

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d)停车充电模式

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主流整车产品构型方案小结

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1.2 HEV -并联,串并联,功率分流

HEV/PHEV构型技术–并联

P1系统:单电机与发动机直接连接

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转鼓试验台油耗测试对比

不同车辆的油耗结果(NEDC工况)

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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%

不同车辆的油耗结果(北京BJ工况)

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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。

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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%。

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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。

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。

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欧洲厂商P2系统

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P2系统的技术难点:动态控制

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P3系统:基于DCT的单电机后置系统

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HEV/PHEV构型技术– 串并联

串并联:本田双电机深混系统构型

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双电机混联直驱动力系统

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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。

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)

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系统介绍—2.0L Atkinson循环发动机

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VTEC+EVTC:动力凸轮和经济性凸轮(Outputcam and FE cam)–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.

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FEcam: 正常驾驶工况

Outputcam: 启动工况和大转矩工况

• 节能效果:238g/kWh→214g/kWh,10% better

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典型混联式插电式混合动力系统分析

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HEV/PHEV构型技术 –功率分流

动力分流技术方案对比

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机电耦合装置 -功率分流型E-CVT原理

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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.

速比杠杆(转矩杠杆)

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1. 机械变速箱是一端固定的杠杆关系

2. 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

3. 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

例:大众GTI 6各驱动档的速比杠杆

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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

单行星排(SCR)

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• 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

运动特性方程          ns+anR=(a+1)nC

双排

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从Prius到Volt- 混联的构型问题

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吉利ESD

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GL-ESD“ESD”—Energy Split Device

−既能像Prius 的PSD那样实现混合动力系统的功率分流

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HEV典型构型方案对比

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1.3 PHEV

插电式混合动力概述

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)

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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:AER PHEV和Blend PHEV;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REEV

Blend PHEV即通常所说的PHEV

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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

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纯电驱动汽车的“纯度”与机电耦合结构的关系

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纯电驱动汽车的“纯度”

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二、混合动力系统仿真与测试分析
2.1 典型HEV动力系统分析
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混合动力的发动机原理

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发动机的经济性

• 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。

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发动机高效运转#1

• 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)

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发动机高效运转#2

• 在最低效率区发动机停止,车辆依靠电机驱动。

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机电耦合装置- 行星齿轮的转速杠杆模型

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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ρ

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机电耦合装置- 行星齿轮各轴的转速关系

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转速杠杆原理

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。

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Nc:PlanetGear转速

Nr:RingGear转速

Ns:SunGear转速

ρ :SunGear到RingGear变速比

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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。

机电耦合装置:行星齿轮各轴的扭矩关系

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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:

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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Sun Gear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)。

低负荷行走:纯电驱动

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• 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。

低负荷→中负荷行走:发动机启动

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• 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

中负荷行走:发动机单独驱动(电池不提供能量)

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• 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

中高负荷行走:发动机驱动+电机驱动(电池提供能量)

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• 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。

低车速减速:驱动电机变发电机回收制动能量

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• 制动能量回收,能量通过Motor转为电能,向电池充电。

工作模式分区图

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混合动力轿车工作过程动态仿真

混合动力系统前向仿真模型

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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

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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

enginepower demand is fixed at 30kW

enginestart  at point A and ends at pointB(best fuel efficiency point)

enginetransition process starts from A to B

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UDDS工况循环下的仿真结果

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混合动力节能效果小结

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2.2 HEV客车仿真分析

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。

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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。

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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。

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MANHATTAN路况传统柴油机动力系统能流图

 

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MANHATTAN路况串联混合动力能流图

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中国公交工况串联混合动力能流图

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MANHATTAN路况并联混合动力的能流图

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中国公交并联混合动力的能流图

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中国公交路况传统柴油机动力系统能流图

 

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能流图分析

 我们从两方面来分析以上的能流图,首先从制动回馈方面来分析。在MANHATTAN、中国公交城区、中国公交城郊快速路况下,理论可以利用的制动回馈能量分别为72%、52%、40%左右。

• MANHATTAN工况下理论上回馈的能量最为可观。采用以上构型的串联混合动力在MANHATTAN、中国公交城区、中国公交城郊快速路况下制动回馈的利用率分别为80%、83%、77%左右。并联混合动力在MANHATTAN、中国公交城区、中国公交城郊快速路况下制动回馈的利用率分别为41%、53%、44%左右。可见串联式混合动力实际利用的回馈能量是并联混合动力的两倍左右。

• 其次从部件损失方面来分析。串联混合动力系统柴油机效率为32%左右,并联混合动力系统柴油机效率为29%左右,传统柴油机动力客车柴油机效率为28%左右。串联混合动力发电机及整流器效率为91%左右。不同工况下电池的效率有比较大的差别(因为充放电的强度不同引起的)。在MANHATTAN路况下电池效率最低。电机效率与路况关系也比较密切,串联式混合动力在MANHATTAN路况下电机总效率低于80%,在中国公交城区工况和城郊工况下驱动效率达84%。采用的并联式混合动力的电机效率较低,低于80%。

MANHATTAN路况

• 如果车辆完全相同(车重一样、辅件功率一样),在MANHATTAN路况下,串联混合动力构型的能量传递效率最好(比传统手动档车改善11.6%),其次为并联(比传统手动档改善9.2%)。但考虑辅件功率和车重后(混合动力比传统车重、辅件消耗大),混合动力的节油效果不明显,甚至不节油。

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中国公交城区路况

•如果车辆完全相同(车重一样、辅件功率一样),在中国城区路况下,串联混合动力构型的能量传递效率与并联的相当,经济性较传统手动档高15%左右。但考虑辅件功率和车重后(混合动力比传统车重、辅件消耗大),混合动力的节油效果不到10%。

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中国公交城郊快速路况

• 如果车辆完全相同(车重一样、辅件功率一样),在中国公交城郊快速路况下,并联混合动力构型的能量传递效率稍好,经济性较传统手动档高8%左右。但考虑辅件功率和车重后(混合动力比传统车重、辅件消耗大),混合动力的节油效果不明显,甚至不节油。

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混合动力的经济性潜力分析

根据以上初步分析,不同路况、不同部件效率对系统的经济性影响很大,因此合理设计、匹配混合动力相当重要。下面通过仿真方法对混合动力的经济性潜力进行分析。

1.串联混合动力系统匹配仿真分析及经济性潜力

影响串联混合动力经济性的因素有:制动回馈利用率、电机效率、储能装置效率、发电机效率、发动机负荷率、辅件功率、车重等。以下分别进行分析。

提高发动机的负荷率

• 右图为在MANHATTAN工况下,发动机效率与发动机平均功率的关系图。当发动机平均功率从25kW(辅件功率5kW),提高到29kW(辅件功率10kW),发动机效率提高1.5%左右。但再增大发动机的平均功率,对效率的影响不大。在其他路况下,提高发动机的平均功率(发动机平均功率在22kW~41kW之间),发动机的效率改善不多,在0.5%左右。

• 提高发动机的负荷率有两种方法:(1)采用小发动机来提高发动机负荷率;(2)从系统控制的角度限制APU的最小输出功率,考虑怠速停机等等。

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总的看来系统通过提高发动机负荷率对效率改善不多,因为柴油机的效率在很宽范围内变化不大。

减少辅件功率

• 下三图分别为MANHATTAN、中国公交城区和中国公交城郊路况下,辅件功率与油耗关系。•可见,在MANHATTAN、中国公交城区和中国公交城郊快速路况下,每增加1kW的辅件功耗,油耗分别增加2.47L/100km、1.52L/100km、1.09L/100km

• 相当于总油耗的3~5%左右。因此系统设计时应该注意降低每个辅件的功耗。

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减重

• 在MANHATTAN、中国公交城区和中国公交城郊路况下,车重与油耗关系分别如右三图所。•可见,在MANHATTAN、中国公交城区和中国公交城郊快速路况下,每增加1000kg的车重对应的油耗分别增加3.16L/100km、1.77L/100km、1.68L/100km

• 相当于总油耗的4~6%左右。因此系统设计时应该注意降低车重。降低车重方法除了优化部件外,采用高电压制,也是减小部件尺寸的有效方法之一。

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改善发电机效率
• 由于本系统采用的发电机效率已达91%,因此目前进一步改善的余地不大。

 

采用高效储能装置

•储能装置效率不但影响能量损耗,影响散热风扇功耗,而且也影响制动回馈的利用。因为在回馈过程中,制动强度高时,总线电压超过储能装置允许的限值时,电机将自动保护,不再进行回馈。如下图所示,当制动回馈功率在80kW以下,制动能量基本能够吸收,但当制动回馈功率大于80kW后由于电机的限压保护,制动的能量不能完全利用。因此采用效率高的储能装置(如超级电容)将获得更好的经济性。本文仿真用的超级电容的参数如右表所示。为了配合超级电容,系统需要一些改造,电机的工作电压范围调整为250~480VDC。

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• 采用超级电容后,在MANHATTAN、中国公交城区和中国公交城郊快速路况下大约可以节省28%、17%、14%左右的驱动能量,同时散热功耗可以降低0.2kW左右。

• 在MANHATTAN路况下,采用超级电容的系统比采用镍氢电池的系统节油10L/100km左右;在中国公交城区路况节油3.13L/100km左右;在中国公交城郊快速路况下节油3.3L/100km。可见在拥堵制动频繁的MANHATTAN路况下节油比较明显。在中国公交城区和城郊路况下,节油相当。MANHATTAN路况下,辅件功率为5kW时,制动回馈的利用率可以达到100%,储能装置效率达到98%。但是由于发动机的负荷率有所降低,引起发动机平均效率有所降低(此时可以通过控制方法来提高发动机的负荷率,因为采用超级电容后,APU能量通过储能装置转换后损失不大)。

采用高效电机

• 由于电机的平均效率不高(最高平均效率只有84%左右),电机的驱动与制动的能量损失达到驱动能量的20~40%左右。因此提高电机系统的效率是改善经济性最有效的方法之一。

• 提高电机的效率方法有很多,采用永磁电机是一种好的方法。本节仿真采用的数据引自Advisor的永磁电机PM100,并按比例进行修正。仿真结果如右表。在MANHATTAN路况下,采用永磁电机的系统较采用交流感应电机的系统节油9L/100km左右;在中国公交城区工况下节油3.6L/100km;在中国公交城郊快速工况下节油3.3L/100km。辅件功率为5kW时,在MANHATTAN路况下的能流图如右图所示。采用永磁电机后,电机效率提高到将近90%。

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串联式混合动力经济性潜力

• 采用以上的措施后,串联混合动力系统经济性大大提高。与传统柴油机(手动、AT)的经济性比较见右图(附件功率分别为5kW、10kW和15kW)。

• 系统经过改善后,在MANHATTAN路况下,辅件功率较小时,经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高44%和31%;辅件功率中等时,经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高37%和27%;辅件功率高时,经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高33%和25%。

• 在中国公交城区路况下,辅件功率较小时,经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高37%和23%;辅件功率中等时,经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高31%和20%;辅件功率高时,经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高28%和18%。

• 在中国公交城郊快速路况下,辅件功率较小时,经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高28%和15%;辅件功率中等时,经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高24%和12%;辅件功率高时,经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高23%和13%。

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2.并联混合动力系统匹配仿真分析及经济性潜力

• 与串联式混合动力系统一样,提高发动机的负荷率、车辆减重、降低辅件功耗也是提高系统经济性的途径。本节主要从采用高效储能装置、高效电机及选择电机大小的角度来分析并联式混合动力的经济性。

采用高效储能装置

• 采用超级电容后,预计可以从制动回馈及储能装置的损失中节省10%以上的驱动能量。

• 仿真结果显示,采用超级电容后,油耗相对于原系统有较大的改善。在MANHATTAN路况下节油7~10L/100km左右;在中国公交城区路况节油2L/100km左右;在中国公交城郊快速路况下节油3L/100km左右。可见在MANHATTAN路况下节油比较明显。在中国公交城区和城郊路况下,节油相当。MANHATTAN路况下,辅件功率为5kW的能流图如右图,可见制动回馈的利用率由29.64%提高到38.15%,储能装置效率达到96%。

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采用高效电机

• 采用永磁电机是一种好的方法。本节仿真采用的数据同样引自Advisor的永磁电机PM100,并按比例适当修改。仿真结果见下。在MANHATTAN路况下,采用永磁电机的系统较采用交流感应电机的系统节油4L/100km左右;在中国公交城区工况下节油2.5L/100km;在中国公交城郊快速工况下节油1L/100km。辅件功率为5kW时,在MANHATTAN路况下的能流图如下图所示。可见采用永磁电机后,电机效率提高到87%左右。但因为采用的电机比较小,节油效果没有串联式高。

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合理选择电机

• 并联式混合动力由于采用小的电机,制动回馈能量的利用率低。因此在MANHATTAN及中国公交城区路况下,经济性明显比串联式低。

• 首先分析制动能量的分布以及采用不同大小的电机对制动能量利用率的影响。在MANHATTAN路况下,选用50kW电机时,制动能量的利用率为60%左右,如果选用的电机功率增加到100kW,制动能量的利用率可以达到90%以上,但是随后增加电机功率,制动能量的利用率的增加不大。

• 选择100kW的电机,仿真结果如右表所示。可见在MANHATTAN路况下,采用100kW永磁电机的系统油耗比采用60kW永磁电机的系统节油6.1L/100km;在中国公交城区路况下节油2L/100km;在中国公交城郊快速路况下节油1.4L/100km。

• 辅件功率为5kW时,在MANHATTAN路况下的能流图如图6-64示。可见制动能量的利用率从55%增加到85%左右。

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并联混合动力潜力

• 采用以上的措施后,系统经济性大大提高。与传统柴油机(手动、AT)的经济性比较如右图

• 可见系统经过改善后,在MANHATTAN路况下,辅件功率较小时(5kW,冬天),经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高41%和29%;辅件功率中等时(10kW),经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高33%和22%;辅件功率高时(15kW,夏天),经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高29%和20%。

• 系统经过改善后,在中国公交城区路况下,辅件功率较小时(5kW,冬天),经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高35%和21%;辅件功率中等时(10kW),经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高28%和16%;辅件功率高时(15kW,夏天),经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高25%和15%。

• 系统经过改善后,在中国公交城郊快速路况下,辅件功率较小时(5kW,冬天),经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高29%和16%;辅件功率中等时(10kW),经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高24%和13%;辅件功率高时(15kW,夏天),经济性较传统(AT)和传统(手动档)车分别提高22%和13%。

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串联、并联混合动力性能比较

• 将串联、并联及传统动力系统(手动、AT)放到一块进行比较。可见在这3种路况下,串联式、并联式混合动力经济性均比传统车均有明显改善,在拥堵的MANHATTAN路况下经济性改善最为明显,比传统AT车改善达40%,比传统手动档车改善30%。在MANHATTAN、中国公交城区路况下,由于采用的电机较大,回收的能量较多,串联混合动力经济性比并联混合动力稍好。在中国公交城郊快速路况下,串联式与并联式经济性相当。

• 从成本和结构复杂度方面比较,串联混合动力结构简单,容易实现无级变速,但成本较高(需要30个模块超级电容、150kW永磁电机)。并联混合动力成本较低(需要10个模块超级电容,100kW永磁电机),但是结构复杂,不容易实现无级调速。

• 混联式混合动力具有串联和并联的优点,因此采用大电机的混联式混合动力经济性潜力会更好。

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2.3 PHEV仿真与试验分析– Honda i-MMD,GM Volt

典型混联式插电式混合动力系统分析

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 i-MMD系统的能量管理策略示意图

国外典型插电式混合动力测试分析

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典型混联式插电式混合动力系统分析

动力系统控制策略—在每一个模式下提高燃油经济性

• 主要是提高Hybridmode和EngineDrive mode发动机的效率

–Hybrid mode:

典型的串联式混合动力控制思路,发动机和车轮机械解耦,让发动机工作在最佳燃油经济性的一条线上。驱动电机的需求功率由电池弥补。

–Engine drive mode:

发动机驱动的同时,发电机和驱动电机参与调节发动机的工作点,使其工作在最佳燃油经济性曲线

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• 在CS阶段切换模式–EV mode 和Hybrid mode/ Engine drive mode 的切换–Hybrid mode 和Engine drive mode 的切换

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动力系统控制策略—通过切换模式提高燃油经济性

• EVmode 和 Hybridmode/ Engine drive mode 的切换

–考虑能够提升的燃油经济性(fueleconomy enhancement effect)

• intermittent hybrid mode和 hybrid mode only 相比,在低速/低负荷工况,最多能提升50%;在高速/高负荷工况,能效反而下降

• Hybrid  mode 和 Enginedrive mode 的切换

–考虑需求转矩和对应的效率

• 从巡航速度缓慢加速,enginedrive mode 效率更高,比hybridmode 最多提升12%;激烈驾驶时,hybridmode 效率更高

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动态转矩协调控制:串联与并联模式的切换

从串联进入并联的过程包括两部分:首先对离合器两端转速进行动态协调控制,然后对车辆转矩进行动态协调控制。如图,发电机首先控制发动机转速降低(34s至36s),在转速快速下降过程中,发动机转矩会快速升高,此时通过控制发电机将发动机转矩拉回至司机需求转矩值(35s)。当离合器两端转速相同时,离合器接合。此时控制两电机的输出转矩和发电转矩同比逐渐减小(36s至37s (将发动机转矩从发电变为驱动,值不变)),最后全部输出转矩来自发动机,完成模式切换过程。整个过程中,输出轴转速与输出转矩保持在一稳定值,未出现剧烈波动或动力中断问题。

退出并联进入串联的过程与上过程相反,首先同比逐渐增大两电机的输出转矩与发电转矩(将发动机转矩从驱动变为发电,值不变)使得整车输出转矩全部来自驱动电机,同时发动机输出转矩全部通过发电机发电。然后将离合器断开,最后根据工况对发动机与发电机进行单独控制。整个过程中的输出轴转速与转矩信号未出现剧烈波动或中断。

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典型混联式插电式混合动力系统分析

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精进双电机“负载分配”电驱动系统技术

  • 全球率先采用非对称特性的双电机直驱系统,实现3000Nm以上的超高转矩及250kW以上的超高功率,打破“山区必须用变速器”的传统设计规范;

  • 比单电机效率提高~4%。电机成本增加1万元,但节约5%电池即3-4万元;降低运营电耗5%,生命周期节约4-6万元运营电费。

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典型混联式插电式混合动力系统分析

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i-MMD系统的能量管理策略示意图

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对比:丰田功率分流混合动力E-CVT

 

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

enginepower demand is fixed at 30kW

enginestart  at point A and ends at pointB(best fuel efficiency point)

enginetransition process starts from A to B

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系统介绍—2.0L Atkinson循环发动机

• VTEC+EVTC:动力凸轮和经济性凸轮(Outputcam and FE cam)–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

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• 节能效果:238g/kWh→214g/kWh,10% better

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系统介绍—驱动电机

• 低负荷区效率极高

• 主要技术点:

–磁阻转矩(reluctancetorque)

–高电压

–高转速

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驱动电机效率MAP图(包含逆变器的效率)

• 磁阻转矩(reluctancetorque)

–城市工况中低负荷的工作点比较多,需要降低电磁转矩(magnettorque)增加磁阻转矩(reluctancetorque)。因为在低转矩工况下,磁通量波动(magneticflux fluctuation)产生的铁损(ironloss)不可忽视。

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•高电压

–实现驱动电机的小型化,同时保证了驱动电机的功率

–最大电压700V

•高转速

–为了保证电机在高转速下结构安全,设计了一些槽

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系统介绍—电池

• 电池单体:

–专门开发的单体,4.5倍容量,增加20%的能量密度

• 电池包:

–frame & cover: aluminum –plate: magnesium

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系统介绍—动力控制单元PCU

• PCU:

–驱动电机和发电机的控制器

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总结

• EV range: 13 miles

• CD fuel economy: 115 MPGe

• CS fuel economy: 46 mpg

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动态转矩协调控制:串联与并联模式的切换

从串联进入并联的过程包括两部分:首先对离合器两端转速进行动态协调控制,然后对车辆转矩进行动态协调控制。如图,发电机首先控制发动机转速降低(34s至36s),在转速快速下降过程中,发动机转矩会快速升高,此时通过控制发电机将发动机转矩拉回至司机需求转矩值(35s)。当离合器两端转速相同时,离合器接合。此时控制两电机的输出转矩和发电转矩同比逐渐减小(36s至37s (将发动机转矩从发电变为驱动,值不变)),最后全部输出转矩来自发动机,完成模式切换过程。整个过程中,输出轴转速与输出转矩保持在一稳定值,未出现剧烈波动或动力中断问题。

退出并联进入串联的过程与上过程相反,首先同比逐渐增大两电机的输出转矩与发电转矩(将发动机转矩从驱动变为发电,值不变)使得整车输出转矩全部来自驱动电机,同时发动机输出转矩全部通过发电机发电。然后将离合器断开,最后根据工况对发动机与发电机进行单独控制。整个过程中的输出轴转速与转矩信号未出现剧烈波动或中断。

万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

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三、中国HEV/PHEV典型构型与技术路径选择
3.1 轿车

 

中国 HEV/PHEV的技术路径选择

万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

日本以丰田为代表是深度混合的世界领先者,其插电式混合一般基于深混,纯电里程短;

欧洲跳过了深度混合动力直接从微混合和轻混合进入插电式混合,且构型一般采用P2;

美国以通用为代表直接进入插电混合,插电混合构型复杂但纯电里程长,受美国市场欢迎;

中国已比亚迪为代表直接进入插电式混合,构型与控制较为简单,纯电里程长,适合国情。

中国插电式乘用车混合动力构型与参数选择

PHEV/REEV轿车:构型比较与选择

万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

 

(1)PHEV/REEV对构型的敏感程度低于HEV,同时,混联构型产业化难度大,串联式或者并联式是PHEV乘用车的一种合理选择。
(2)中国法规规定纯电续行驶里程为50公里,纯电行驶时不能开启发动机,这一规定可以强化排放性能,同时也可以避免电池电量下降阶段的发动机/电机频繁切换,从而简化控制。这一纯电动里程也正好介于PHEV和REEV之间。

 

 插电式混合动力轿车评估:典型车型

中国插电/增程式电动汽车代表车型:比亚迪秦

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与市场上其它车型对比

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插电式混合动力乘用车国内外比较
• 混合动力阶段油耗需进一步降低
• 混合动力模式下的整车平顺性较差
• 混合动力系统成本较高
• 可靠性的市场验证时间较短

 

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PHEV用户使用行为

万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

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插电式混合动力乘用车技术进展

插电式混合动力轿车实际使用能耗大幅改善

基于上海使用数据的统计分析:

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插电式混合动力机电耦合技术取得突破:SUV四驱构型(没有串联)

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改进型“三擎四驱双模”动力系统

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前驱动力总成在比亚迪第二代混动总成的基础上优化,采用一台1.5TI的涡轮增压发动机、110kw永磁同步电机和DCT双离合变速器组成;后动力总成采用110kw电机加单速比减速器结构;动力电池采用高能量密度的三元电池方案。整车满足多种驱动模式组合,达到纯电模式行驶工况零排放、混合动力模式行驶工况动下降低燃油消耗率、四驱模式通过率高等优点。

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比亚迪插电式混合动力与主流插电式混合动力性能对比

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插电式混合动力轿车评估:典型混合动力结构

全电型PHEV机电耦合动力构型可以更简单

• 日本丰田深度混合动力世界领先,其插电式混合一般基于输入功率分流,结构复杂;

• 欧洲跳过了深度混合动力直接进入插电式混合,构型采用离合器耦合并联,控制复杂;

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适合中国企业使用的四种全电型插电式电动汽车机电耦合机构

插电式混合动力乘用车技术进展

插电式混合动力机电耦合技术取得突破:双电机串并联构型

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插电式混合动力机电耦合技术:双行星排功率分流构型

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3.2 客车

客车直驱混联系统

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精进电动ISG同轴混联直驱插电、深混合动力系统

ISG混联系统彻底解决了BSG混联不可克服的可靠性问题

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宽电压范围驱动电机和ISG电机(许用范围300~720 V )

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精进电动ISG同轴混联

 

城市客车工况特征与新能源客车的技术挑战

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现有电动汽车技术分析:常规混合动力客车

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现有电动汽车技术分析:纯电池电动客车

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现有电动汽车技术分析:纯燃料电池客车

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新能源城市客车动力选型与优化思路

工作基础:2000年以来,清华大学汽车安全与节能国家重点实验室《新能源汽车项目团队》研究了现有各类新能源城市客车技术:

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总体思路:针对新能源城市客车技术难题,交叉融合三类电动车动力技术,为能源多元化与燃料低碳化技术转型与平稳过渡探索一体化解决方案。

研发目标:系统平台化、总成模块化、车型系列化

多能源一体化混合动力系统技术平台

“十三五”PHEV/REEV混合动力客车构型趋势

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PHEV/REEV客车动力系统通用构型:串联+高效环保APU+钛酸锂电池+纯电驱动

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串联构型:发电机组与与驱动装置解耦,没有离合器带来的可靠性问题,动力系统三大总成易于模块化、系列化,整车布置方便,适用与各种尺寸车辆;

高效环保APU(发动机与发电机总成):发动机功率减小,运行在最佳工况,易于模块化、系列化(最小的APU仅仅用于驱动空调和应急充电)和能源多元化;

钛酸锂电池:功率大、寿命长、能量回馈效率高、快充性能好,可以满足每天多次充电要求,数倍提高每天纯电里程;

纯电驱动:单级减速、无级变速、高效驱动、大功率回馈、单电机/轮边双电机灵活使用、便于全低地板设计。

多能源发电机研发

用于混合动力系统的发动机/电机总成基本控制方法

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火花点燃式天然气发动机/电动机总成

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车用燃料电池发动机耐久性控制

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动力系统平台化扩展与系列化车型开发

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技术推广应用

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中国新能源汽车产业化展望

“纯电驱动”战略加速推进   

以丰田奔驰通用大众本田现代汽车公司战略取向:先进燃油车——混合动力车——燃料电池车 (发动机优先战略)

以特斯拉等为代表新兴电动汽车新秀的战略取向:豪华电动跑车——中级电动轿车——小型电动车(纯电动战略)

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在融入世界新能源汽车发展主流中创造适应中国交通体系的纯电驱动技术特色与优势

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基于出行特征的PHEV自适应能量管理

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插电式混合动力构型设计的三个基本问题

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基于出行特征PHEV能耗评价

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基于总拥有成本模型的电池容量优化 

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HEV/PHEV构型技术 –功率分流

机电耦合装置 -功率分流型E-CVT原理

万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

VOLT增程式电动车构型

万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

VOLT增程式电动车动力模式

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VOLT增程式电动车动力模式测试

万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

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典型混联式插电式混合动力系统分析

典型插电式混合动力起步加速过程

万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

插电式混合动力轿车评估:技术法规建议

中国PHEV电池驱动里程测试规范的两种选择

万字长文:HEV/PHEV混合动力系统构型解析

建议:应鼓励全电型插电式混合动力车。申请补贴的插电式车型应满足:

选择测试纯电续驶里程,而不是电量消耗阶段续驶里程;

纯电续驶里程大于等于50公里。

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主流双电机混合动力系统对比分析 汽车技术

主流双电机混合动力系统对比分析

本文以丰田 THS、 通用 Volt、 本田 i-MMD、 上汽EDU 四大构型,两大类(动力分流,串并联)为例,对目前市场上主流双电机混合动力系统的构型、 特点等加以简要对比分析。 一、主流双电机混...
汽车的行驶系统组成及工作原理 汽车技术

汽车的行驶系统组成及工作原理

概述   行驶系统的作用是将车身、动力总成、传动系统与悬架等连接成一个整体,支撑整车,使汽车平顺行驶,如图 20-1 所示。行驶系统由车架、车桥、车轮和悬架等部件组成。   &nb...
汽车动力

汽车动力

汽车动力系统就是指将发动机产生的动力,经过一系列的动力传递,最后传到车轮的整个机械布置过程。 本页为汽车动力系统技术文章专题页。

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