混合动力汽车的传动系统发展趋势.ppt

LOGOLOGO电动汽车电动汽车课程报告课程报告行车记录仪 http:/ 3可编辑2024/5/7周二2 1.混合动力电动汽车混合动力电动汽车混合动力电动汽车的概念12混合动力电动汽车的分类可编辑2024/5/7周二33混合动力传动系统的地位 1.1 混合动力汽车的基本概念混合动力汽车的基本概念 v什什么么是是混混合合动动力力电电动动汽汽车车(Hybrid(Hybrid Electric Electric VehicleVehicle简简称称HEV)HEV)？优点：排放小，节能，可以再生制动优点：排放小，节能，可以再生制动;可编辑到到2020年单是中国汽车的保有量将达到年单是中国汽车的保有量将达到2亿；亿；面对碳排量和环境保护的压力，混合动力电动汽车有很好面对碳排量和环境保护的压力，混合动力电动汽车有很好的发展前景。的发展前景。2024/5/7周二4同时拥有电动机和内燃机两个动力源的汽车同时拥有电动机和内燃机两个动力源的汽车。1.2混合动力电动汽车的分类混合动力电动汽车的分类混合动力电动汽车并联串联混联复合按照传动系统结构按照传动系统结构可编辑2024/5/7周二5按照混合程度分按照混合程度分混合混合动力力电动汽汽车微混合微混合轻度混合度混合中度混合中度混合完全混合完全混合可编辑可以纯电动可以纯电动模式运行。模式运行。Prius发动机起停控制发动机起停控制在微混合基础上添加能量在微混合基础上添加能量回收功能回收功能荣威750、奔驰S400Lhybrid发动机和电动机协发动机和电动机协作，一定程度可以作，一定程度可以实现纯电动运行实现纯电动运行本田IMA2024/5/7周二61.2混合动力电动汽车的分类混合动力电动汽车的分类1.3传动系统在机车中的地位传动系统在机车中的地位动力源（发动机和电动机）转矩和矩和转速速传动系统车轮动力源（发动机）转矩和矩和速度速度传动系统车轮传统汽车传统汽车混合动力混合动力再生再生制动制动再生再生制动制动可编辑现在：整个动力系的核心，实现高效驱动、现在：整个动力系的核心，实现高效驱动、最优控制最优控制和和良好驾驶性能的关键。良好驾驶性能的关键。传统：转速传统：转速和转矩匹配和转矩匹配2024/5/7周二7对混合动力传动系统的理解对混合动力传动系统的理解控制系统控制系统硬件系统硬件系统先进的先进的机电技机电技术作为术作为物理机物理机构支撑。构支撑。整个系统的整个系统的“大大脑脑”，运用优良，运用优良算法，实现预期算法，实现预期传动要求。传动要求。总控制器指令总控制器指令传动系统传动系统输出转速和转矩输出转速和转矩到车轮。到车轮。可编辑2024/5/7周二8二二 混合动力汽车传动系统的发展混合动力汽车传动系统的发展v混合混合动动力力传动传动系系统统的的发发展主要展主要在在2 2个个方面方面:v 1 1.物理结构物理结构的发展；的发展；v 2.2.控制系统控制系统的发展；的发展；可编辑2024/5/7周二9电机技术电机技术1 物理结构的发展物理结构的发展1动力耦合、变速环节动力耦合、变速环节2电力电子电力电子 3可编辑2024/5/7周二10 电动机具有调速方便，响应快，低速大转矩等电动机具有调速方便，响应快，低速大转矩等特点。用以改善发动机的低速和高速转矩特性。特点。用以改善发动机的低速和高速转矩特性。增大电传动功率来代替种类繁多的机械和液压增大电传动功率来代替种类繁多的机械和液压系统是汽车产业的一个发展趋势。系统是汽车产业的一个发展趋势。2.1.1 电机技术电机技术可编辑2024/5/7周二11电机是混合动力传动系统的标志。电机是混合动力传动系统的标志。2.1.1 电机技术电机技术v混合动力电动汽车用的电机主要有：混合动力电动汽车用的电机主要有：v感应电机：高可靠性和低成本、低维护成本成为混感应电机：高可靠性和低成本、低维护成本成为混合动力的最有潜力的电力驱动选择，低功率因数，合动力的最有潜力的电力驱动选择，低功率因数，低效率等缺点需要改善。低效率等缺点需要改善。v永磁电机：永磁刷直流电机在高能量密度和高功率永磁电机：永磁刷直流电机在高能量密度和高功率密度，与感应电动机相比有很大优势。近些年能量密度，与感应电动机相比有很大优势。近些年能量密度和功率密度随着新永磁材料的出现还在提高。密度和功率密度随着新永磁材料的出现还在提高。v轮毂电机：传动路线大大缩短，实现无齿轮传动，轮毂电机：传动路线大大缩短，实现无齿轮传动，在效率和扭矩比传统电机方面有很大优势。在效率和扭矩比传统电机方面有很大优势。Honda Insight用用的永磁同步电机的永磁同步电机可编辑想要轮毂电机应用于混合动力传动系想要轮毂电机应用于混合动力传动系统必须采用串联混合传动系统，串联统必须采用串联混合传动系统，串联系统低效率不可回避，所以轮毂电机系统低效率不可回避，所以轮毂电机不太适合混合动力传动系统。不太适合混合动力传动系统。2024/5/7周二12集成启动集成启动/发电机发电机ISG电机技术的发展使电机技术的发展使ISG成为可能。成为可能。对于中度混合动力传动系统而言，集成启动对于中度混合动力传动系统而言，集成启动/发电机发电机具有以下优点：具有以下优点：1 结构紧凑，传统汽车用到发电机和启动电机，两个电机，占结构紧凑，传统汽车用到发电机和启动电机，两个电机，占用空间大，重量增加多。用空间大，重量增加多。2 ISG可以完成传统汽车中两个部件功能同时，辅助提供峰值可以完成传统汽车中两个部件功能同时，辅助提供峰值功率，改善机车动力性能。功率，改善机车动力性能。3 针对一个电机的控制，简单可靠。针对一个电机的控制，简单可靠。可编辑2024/5/7周二13CVT和动力耦合发展趋势和动力耦合发展趋势可编辑 近年混合动力系统中近年混合动力系统中CVT兼任动力耦合的功能，及兼任动力耦合的功能，及两者的功能一体化，结构简单，控制更加方便。两者的功能一体化，结构简单，控制更加方便。2024/5/7周二14 电机的加入使无级变速电机的加入使无级变速(CVT)成为混合动力传动成为混合动力传动变速方式首选，主要有变速方式首选，主要有电子无级变速电子无级变速和和金属带式无级金属带式无级变速变速。CVT缺点是成本略高。缺点是成本略高。CVT可以实现连续光滑的速度变化，实现动力与工可以实现连续光滑的速度变化，实现动力与工况的最佳匹配；可以使发动机一直工作与高效区，提高况的最佳匹配；可以使发动机一直工作与高效区，提高HEV的整车效率。的整车效率。电子无极变速电子无极变速E-CVT以1997年，丰田Prius中电子无级变速为起点，电子无级变速成为混合动力的主要变速方案。优点：1、无离合器，传动效率高。2、无级变速，发动机可以一直工作于高效区。3、怠速停止发动机，电机驱动机车，提高效率，减少排放。4、下坡或减速时完全再生制动。可编辑2024/5/7周二15ToyotaPrius,CamryHybrid,HighlanderHybrid-FordEscapeHybrid,FusionHybrid-NissanAltimaHybrid-LexusHybrids.通过行星轮系实现发动机和电机之间机械耦合和无级变速缺点：需要润滑、传动能量损失、噪声。无级变速完全靠一个电动机实现，对电动机性能要求很高。近年来，研究转向无齿轮无级变速。可编辑2024/5/7周二16双转子电机实现无级变速和耦合功率的两个路径：由发动机直接传递至输出轴；电能通过滑环流入电机绕组，驱动输出轴。完全实现电磁耦合，不需要润滑；非常有吸引力的变速和动力耦合方案。当需要的当需要的转速速变化化时，通通过控制控制电机部分机部分的的输出功率出功率可以保持可以保持发动机的机的转速不速不变，实现无极无极变速速。可编辑2024/5/7周二17式子中d为输出轴转速无刷电子无极变速无刷电子无极变速2024/5/7周二可编辑18与前一种与前一种e-CVT相比，去掉相比，去掉了电刷；通过电磁场完成能了电刷；通过电磁场完成能量的传递，结构更加简单，量的传递，结构更加简单，易于维护。易于维护。2024/5/7周二19金属带式无极变速金属带式无极变速v原理：主、被动工作轮的固原理：主、被动工作轮的固定和可动两部分形成定和可动两部分形成V形槽，形槽，与金属传送带啮合。当主、与金属传送带啮合。当主、被动工作轮可动部分作轴向被动工作轮可动部分作轴向移动时，改变了传送带的回移动时，改变了传送带的回转半径，从而改变传动比，转半径，从而改变传动比，实现无级变速传动实现无级变速传动。缺点：缺点：1变变速范围小，速范围小，需要另外增需要另外增加变速齿轮。加变速齿轮。2 受金属带受金属带的强度限制，的强度限制，应用有限。应用有限。可编辑2024/5/7周二202.1.3 电力电子应用电力电子应用电力电子学在混合动力传动电力电子学在混合动力传动系统中的应用极大改善了混系统中的应用极大改善了混合动力汽车各方面的性能。合动力汽车各方面的性能。未来电子电力动力系是混合未来电子电力动力系是混合动力电动汽车中最昂贵的子动力电动汽车中最昂贵的子系统系统可编辑在混合动力传动中的应用电动机的驱动控制再生制动能量回收CD-CD变换2024/5/7周二212.1.3电力电子的应用电力电子的应用v丰田新一代混合丰田新一代混合动力系力系统THS中中电力力电子技子技术的的应用用v 高高压电源、各种逆源、各种逆变器和器和14V蓄蓄电池用池用辅助助DC-DC变换器器组成功成功率控制器。集成了率控制器。集成了DSP控制器、控制器、驱动和和电路保路保护、直流、直流稳压电容、冷却容、冷却回路和汽回路和汽车通信的通信的CAN总线接口等。接口等。可编辑2024/5/7周二222.1.3 电力电子的应用电力电子的应用v 电动机机/发电机用逆机用逆变单元：元：目前目前电动汽汽车多用多用PWM控控制型逆制型逆变器。器。这种逆种逆变器器线路路简单、效率高。、效率高。v PWM逆逆变器的器的发展展趋势：v 一一 采用采用IGBT器件，工作器件，工作频率高，减少启率高，减少启动时的的电流冲流冲击。v 二二 电机机额定功率提高，定功率提高，扩大大调速范速范围，提高功率比。，提高功率比。v 三三 采用采用DSP为核心的核心的计算机控制系算机控制系统，可使，可使电机快速恒机快速恒转矩启矩启动及弱磁及弱磁高速高速运行；运行；该系系统稳定，定，电流冲流冲击小，控制小，控制效率高。效率高。v 可编辑2024/5/7周二232.1.3 电力电子学的应用电力电子学的应用可编辑电力电子装置密封问题，使其耐受高温，并能防止各种汽车液电力电子装置密封问题，使其耐受高温，并能防止各种汽车液体的侵入。体的侵入。电磁兼容电磁兼容/电磁干扰（电磁干扰（EMC/EMI）问题，混合动力汽车空间）问题，混合动力汽车空间狭小，有很多芯片和弱狭小，有很多芯片和弱电电电路，电路，需要需要解决解决EMC/EMI问题。问题。“高开关频率高开关频率”和和“高采样率高采样率”普遍应用于混合动力电动汽车普遍应用于混合动力电动汽车的电力电子装置中，的电力电子装置中，这这需要高精度的编码器和解算器，需要高精度的编码器和解算器，当当电机电机中出现中出现宽宽温度梯度和饱和状态时，温度梯度和饱和状态时，实现鲁棒控制实现鲁棒控制。HEV对电力电子技术的要求对电力电子技术的要求：2024/5/7周二24电力电子的最新发展电力电子的最新发展可编辑2012年年2月英月英飞凌公司推出了一种新型封装技凌公司推出了一种新型封装技术，使使车用用电力力电子器件的子器件的电流承受能力和效率提高。流承受能力和效率提高。首批推出的采用首批推出的采用H-PSOF封装技封装技术的的产品是品是40VOptiMOS T2功率晶体管，它功率晶体管，它们的漏极的漏极电流高流高达达300A，导通通电阻（阻（RDS(on)）低至）低至0.76毫欧。毫欧。2024/5/7周二25为汽车设计人员在提高效率降低排放方面提供为汽车设计人员在提高效率降低排放方面提供了更大的余地。了更大的余地。可编辑富士富士电机机2012年年6月提出了月提出了HEV/EV用的用的IGBT模模块端子的超声波端子的超声波焊接技接技术。该技技术具具备高熔点和高高熔点和高强度，而且不存在度，而且不存在线性膨性膨胀系数差，可系数差，可获得得较高的可靠性高的可靠性2024/5/7周二262.2 控制系统的研究控制系统的研究控制系统是整个转动系统的灵魂，能否高效完项各控制系统是整个转动系统的灵魂，能否高效完项各项指标控制系统的好坏至关重要。项指标控制系统的好坏至关重要。控制系统控制协调各个部件完成以下性能指标：控制系统控制协调各个部件完成以下性能指标：1.燃油经济性燃油经济性2.最优驱动力最优驱动力3.最小排放最小排放4.连续稳定的功率输出连续稳定的功率输出5.再生制动的实现再生制动的实现可编辑1控制系统的仿真和控制策略2最新混合动力车辆的控制系统。2024/5/7周二27这些指标不能兼得，这些指标不能兼得，控制系统根据驾驶控制系统根据驾驶员的要求而取舍员的要求而取舍仿真流程仿真流程输入工况入工况控制策略控制策略发动机和机和电动机所机所需的需的转速和扭矩速和扭矩发动机和机和电动机的机的实际转速和扭矩速和扭矩实际车速速反反馈馈所需车速所需车速可编辑2024/5/7周二28控制策略控制策略2024/5/7周二可编辑29鲁棒性强，操作简单，易于实现逻辑门限控制策略限控制策略搜索效率高，算法简单，易于实现；但是容易受随机震荡影响。容易陷于极小值。粒子群算法粒子群算法（PSO）很强的全局寻优能力遗传算法算法（GA）学习能力强神神经网网络随机组合优化模模拟退火退火应用于混合动力传动系统的控制策略（算法）有很多种。应用于混合动力传动系统的控制策略（算法）有很多种。主要有：主要有：通常应用中是将多个策略组合应用，取优补短，达到好通常应用中是将多个策略组合应用，取优补短，达到好的控制效果。的控制效果。基于逻辑门限控制策略介绍基于逻辑门限控制策略介绍2024/5/7周二可编辑30控制规则控制规则本田超级四轮驱动控制系统本田超级四轮驱动控制系统SPORT hybrid sh-awd可编辑 SPORT hybrid sh-awd控制系统是由一台控制系统是由一台3.5升自然进气升自然进气V6发动机与发动机与3台大功率电机组成；厂家称，这套系统在动力方台大功率电机组成；厂家称，这套系统在动力方面可以媲美一台采用传统动力技术的面可以媲美一台采用传统动力技术的V8发动机，而在油耗方发动机，而在油耗方面则几乎与一台自然进气四缸发动机相同。面则几乎与一台自然进气四缸发动机相同。2024/5/7周二31 车辆在转弯时，为了让车辆的转向更为顺畅，内侧车辆在转弯时，为了让车辆的转向更为顺畅，内侧后轮的动力输出会被限制，而由此节省下来的能量就会后轮的动力输出会被限制，而由此节省下来的能量就会被驱动外侧后轮的电机所使用，以提高外侧后轮的扭矩被驱动外侧后轮的电机所使用，以提高外侧后轮的扭矩输出。输出。奥迪奥迪A7iHEV智能混合动力系统智能混合动力系统可编辑 滑行混合动力滑行混合动力(Coasting Hybrid)的运行模式，控制系的运行模式，控制系统集合油门、制动、坡度、速度、导航信息进行综合判断，统集合油门、制动、坡度、速度、导航信息进行综合判断，再借助大功率电动机频繁关闭和起动车头的发动机，大幅再借助大功率电动机频繁关闭和起动车头的发动机，大幅提升动力系统的工作效率提升动力系统的工作效率2024/5/7周二32无人驾驶技术对混合动力传动系统影响无人驾驶技术对混合动力传动系统影响2024/5/7周二可编辑33 各种控制中，如果可以有实时的路况信息提供，则控各种控制中，如果可以有实时的路况信息提供，则控制系统可以更高效的实现机车的控制；制系统可以更高效的实现机车的控制；Google的全球导的全球导航可以提供这样的服务；并且由航可以提供这样的服务；并且由Google最先提出的无人最先提出的无人驾驶技术，被认为在安全，节能、驾驶体验和节约时间方驾驶技术，被认为在安全，节能、驾驶体验和节约时间方面都有很大吸引力。面都有很大吸引力。据报道，据报道，Google计划自己开发自动驾驶汽车；其首计划自己开发自动驾驶汽车；其首选的车型应该是选的车型应该是HEV。这对混合动力传动系统提出的要求。这对混合动力传动系统提出的要求是：是：快速的响应，根据导航信息提供的路况和车主的选择，快速的响应，根据导航信息提供的路况和车主的选择，结合最优控制期望，驱动机车行驶。结合最优控制期望，驱动机车行驶。3 混合动力传动系统的发展展望混合动力传动系统的发展展望 观察技术的发展史，可以发现危机推动技术的观察技术的发展史，可以发现危机推动技术的更新换代；随着全球能源危机的加剧，更新换代；随着全球能源危机的加剧，HEVHEV在市场中在市场中的占有率会逐步上升；而相应的对混合动力传动系的占有率会逐步上升；而相应的对混合动力传动系统的性能提出更高的要求。统的性能提出更高的要求。可编辑2024/5/7周二34 从从HEV到到PHEV可以发现，可以发现，HEV在朝着摆脱在朝着摆脱化石能源的方向发展。混合动力传动系统发展化石能源的方向发展。混合动力传动系统发展体现在：体现在：l更先进的机电技术的应用；更先进的机电技术的应用；l更优秀的控制策略的加入。更优秀的控制策略的加入。2024/5/7周二可编辑35 随着混合动力各方面技术的成熟，以及人随着混合动力各方面技术的成熟，以及人们环保意识的觉醒，混合动力将会是未来汽车们环保意识的觉醒，混合动力将会是未来汽车动力的主体。而混合动力传动系统拥有很好的动力的主体。而混合动力传动系统拥有很好的发展前景。发展前景。可编辑2024/5/7周二362024/5/7周二37