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1、混合动力新技术,济南交通高级技工学校,周立平,电动汽车的发展背景与方向,电动汽车三种模式对比,混合动力电动汽车(HEV)发展趋势,混合动力电动汽车(HEV)概念,混合动力电动汽车选型策略,混合动力电动汽车工作原理,整车能量控制系统,混合动力新技术,电动汽车的发展背景与方向,未来的汽车应当向清洁、环保的方向发展，经过对各种新燃料，新能源和新动力的探索，电动汽车成为最主要的选择之一。电动汽车包括纯电动汽车(EV,Electrical Vehicle)、混合电动汽车(HEV,Hybrid Electrical Vehicle)和燃料电池汽车(FCV，Fuel Cell Vehicle)三种形式，它是
2、理想的零排放或低排放车辆。,未来需要,发展趋势及方向,返回,纯电动汽车：具有无污染、低噪音、结构简单、维修方便等优点，但在发展中受到了技术上的制约，有限的行驶里程和较长的充电时间使得它们的普及非常困难，产业化前景并不看好。燃料电池汽车：具有极高的效率、低排放、低噪音，其甲醇燃料有广泛的来源，并具有可再生等重大优势，已成为世界各大汽车集团新世纪激烈竞争的焦点，被喻为21世纪改变人类生活的十大高科技之首，但产业化仍需要较长的时间。混合动力电动汽车：它是由两种或两种以上的能源提供动力的汽车，是将新技术和老技术结合的最可行的产物，它同时具有纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点，既具有纯电动汽车的高效率和低
3、排放的性能，还具有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料的性能。混合电动汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案,电动汽车三种模式对比,返回,混合动力电动汽车(HEV)发展趋势,美国政府在1993年提出“新一代汽车合作计划”，其中的目标之一是“开发一种燃油经济性三倍于现有车辆的中型轿车，即每加仑燃油行驶80英里（折合3L/100km）。”从目前的研究来看，混合动力汽车是实现上述指标的主要途径。最近几年，美、日、欧等国家和地区的政府部门、研究机构纷纷将其研究重点转到更具实用性与发展前途的混合动力电动汽车上来。丰田仅全球销量已达万辆，并预计年销售破万辆。本田全球销量达万辆，并计划年销售占
4、。,在电动汽车的能源系统中，如蓄电池、超大电容器及储能高速飞轮等，目前还没有一种能源能够使电动汽车的性能完全与燃油汽车相匹敌，其主要原因在于这些能源系统不能提供足够高的比能量和比功率。为了解决这个问题，人们在电动汽车上加入辅助动力单元。这个辅助动力单元实际上是一个动力发电机组或某种原动机。原动机可以是内燃机、燃气轮机等热机。这就构成了目前所说的混合动力电动汽车。,返回,通用？,年左右三足鼎立,混合动力电动汽车(HEV)概念,国际电子技术委员会(International Electro-technical Commission,IEC)对混合动力车辆的定义为：在特定的工作条件下，可以从两种或两
5、种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。其中至少一种存储器或转化器要安装在汽车上。混合动力电动汽车(HEV)至少有一种能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能。混合动力动汽车是将电力驱动与辅助动力驱动结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生的优势的车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组。,返回,混合动力电动汽车选型策略,现在大部分的HEV是在传统的发动机汽车上增加蓄电池组作为电能存储装置，通过电动/发电机将电能转化为机械能。根据HEV零部件的种类、数量和连接关系可以将HEV的动力系统分为三种基本结构类型:串联式混合动力电动汽车(SHEV，Seri
6、es Hybrid Electric Vehicle)、并联式混合动力电动汽车(PHEV，Parallel Hybrid Electric Vehicle)和混联式混合动力电动汽车(PSHEV，Split Hybrid Electric Vehicle)。不同的结构类型随着具体结构模型和驱动模式的不同，又有不同的选型策略。,串联式混合动力电动汽车,串联式混合动力电动汽车结构由发动机、发电机和驱动电机三大主要部件总成组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动
7、电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。,串联式混合动力电动汽车,由发动机带动发电机所产生的电能和电池输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶，电力驱动是唯一的驱动模式。动力流程图如上图所示。只有电动机直接与驱动桥相连接(这一点与纯电动汽车相同)，而发动机与发电机直接连接产生电能，来驱动电动机或者给蓄电池充电。当蓄电池的荷电状态(SOC,State Of Charge)下降到一个预定值时，发动机即开始对蓄电池进行充电。发动机与驱动系统并没有机械地连接在一起，这种方式可以很大程度地减少发动机所受到的车辆的瞬态响应。瞬态响应的减少可以使发动机进行最优的喷油和点火控制，使其在最佳工况点附近
8、工作。,串联式混合动力电动汽车驱动模式,并联式混合动力电动汽车,并联式混合动力电动汽车的结构由发动机、电动/发电机两大部件总成组成，有多种组合型式，可以根据使用要求选用。两大动力总成的功率可以互相叠加，发动机功率和电动/发电机功率约为电动汽车所需最大驱动功率的0.51倍，因此，可以采用小功率的发动机与电动/发电机，使得整个动力系统的装配尺寸、质量都较小，造价也更低，行程也可以比串联式混合动力电动汽车的长一些，其特点更加趋近于内燃机汽车。并联式混合动力驱动系统通常被应用在小型混合动力电动汽车上。,并联式混合动力电动汽车,典型动力流程图如上图所示，发动机和电动机通过某种变速装置同时与驱动桥直接相连
9、接。电动机可以用来平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作，因为通常发动机工作在满负荷(中等转速)下燃油经济性最好。当车辆在较小的路面载荷下工作时，传统车辆的发动机的燃油经济性比较差，而并联式混合动力汽车的发动机此时可以被关闭掉而只用电动机来驱动汽车，或者增加发动机的负荷使电动机作为发电机，给蓄电池充电以备后用(即一边驱动汽车，一边充电)。由于并联式混合动力电动汽车在稳定的高速下发动机具有比较高的效率和相对较小的质量，所以它在高速公路上行驶具有比较好的燃油经济性。并联式驱动系统有两条能量传输路线，可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车，如果其中的一条驱动线路出了问题，另一个仍然可以
10、驱动汽车。这种设计方式可以使其以纯电动汽车，或低排放汽车的状态运行，但是此时不能提供全部的动力能源,并联式混合动力电动汽车驱动系统的驱动模式,混联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式混合动力电动汽车的结构组成，主要由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机基本保持稳定、高效、节能的运转，发电机和电池供给驱动电动机电能以驱动电动汽车行驶。,混联式混合动力电动汽车,混联式混合动力电动汽车,丰田Prius所采用的混合驱动方式，将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。这种机
11、构有两个自由度，可以自由地控制两个不同的速度(例如：发动机的转速与差速器输入轴的转速)。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。丰田Prius混合动力电动汽车的动力流程，如下图所示。,返回,Prius轿车动力系统工作方式(1)发动机效率低时，如起动、中等转速时，只有电动机提供动力，消耗电池储存的能量。(2)正常行驶时，发动机的一部分动力用于带动发电机发电，一部分动力用于带动车轮旋转，动力系统整体效率达到最优化。(3)若加速需要额外动力，发电机不向电池供电，而是直接给电动机供电，电动机得到充足电能。(4)减速和制动时，电动机起到发电机作用，由车轮驱动，
12、将汽车的动能转变为电能。(5)发电机根据电池的电量存储状况决定是否给电池充电。(6)汽车停驶或发动机转速其负荷超过一定范围，发动机自动熄火。,HEV蓄电池,蓄电池是混合动力电动汽车发展的关键技术,目前，在混合动力电动汽车上使用的蓄电池主要是铅酸电池、镍氢电池（MH-Ni）和锂离子电池，如克莱斯勒ESX2采用铅酸电池，丰田Prius和本田Insight用镍氢电池，日产Tino用锂离子电池。,永磁电动机目前是车用电动机的主流，一般可分为永磁直流有刷电动机与永磁无刷电动机，两者的主要差别在于永磁放置的位置。永磁式直流有刷电动机是将永磁放于不转动的定子上并在转子上安置线圈，因此须经碳刷与换向片将电流传
13、递至转子上。此结构的优点是以机械接触的方式使电动机随时处于最大转矩的输出条件，缺点是碳刷、换向片间的磨损与转子线圈散热不易等因素，限制电动机在高速、大电流状况下的应用。此类电动机在车辆应用多集中在3000rmin与数百瓦的输出功率以下的装置。,永磁无刷电动机则将永磁放在转子上并使用其它感测组件以达到类似碳刷、换向片的功能，其优点为散热容易且无碳刷磨损，因此摆脱高速与大功率化的限制，唯一需注意的是如何选配适合的换相感测组件与其安装位置，因为该类电动机需要匹配专用的驱动电路与换相感测组件。目前在混合动力汽车的应用越来越多，例如丰田与本田混合动力汽车采用此类电动机，瞬间输出功率达到数十千瓦与最高转速
14、需求在5000rmin以上。,HEV电动机,永磁同步电动机的结构如图所示，分为定子、转子与转子磁场位置检测机构等三部份。永磁同步电动机需要转子磁场位置的信息，以便在最佳的位置引入定子电流，形成所需的磁场，由此可得到最佳转矩或输出最大效率。一般多在电动机转子上安置传感组件作为磁场位置检测用，检测机构一般为编码器、霍尔感测组件与旋转变压器等3类，后两种常用。,磁场检测机构,汽车行驶时，蓄电池输出高电位直流电（200v），经变频器的三相桥式电路，变为高压交流电（500v），驱动体积小、功率高的交流电动机输出转矩M，经传动系驱动车轮。,混合动力电动汽车工作原理,1)起步 由于电机具有低速大转矩的特性，
15、所以并联式混合动力汽车的起步由电机单独来完成。当电池SOC比较低的时候，由发动机来提供起步时的动力；如果电池的剩余电量适中，即SOC值为中，则电机驱动，发动机关闭；如果电池的剩余电量多，即SOC值大，则电机驱动，发动机关闭。,并联式混合动力电动汽车工作原理,2)低速或城市工况 当混合动力汽车在城市道路或低速行驶时，若SOC值较高或为中的时候，汽车所需动力由电动机单独提供，电动机所需能量由蓄电池来供给；若SOC值较低时，汽车所需动力由发动机来提供，电动机转换为发电机发电为蓄电池充电。,3)加速 在加速模式下，控制策略主要是基于SOC状态来制定的，它主要是由电能源能够提供给汽车附加的驱动力的状态来
16、决定的。我们主要考虑以下三种方式：当SOC状态比较高时，若汽车此时是弱加速，电机只提供部分功率来辅助发动机驱动汽车，若此时汽车是急加速，电机则提供最大功率来辅助发动机。当SOC状态为中的时候，无论汽车是弱加速还是急加速，发动机工作，而电机驱动，提供部分功率辅助汽车的加速。当SOC比较低的时候，电机空转，发动机的节气门全开。,4)巡航 当发动机以恒定的速度行驶时，由于汽车克服路面阻力保持恒定速度行驶时的转矩是很小的，所以，发动机主要提供平均功率而不是峰值功率。此时，当发动机的功率大于路面所需要的功率时，并当SOC较低时，电机转换成发电机提供电能给电池充电以满足下一步的使用要求。,5)减速 在这种
17、模式下，会有部分制动能量回收，通常有两种模式：松开加速踏板；踩下制动踏板。在第一种模式下，电机的反拖作用使车速缓慢下降，若SOC值为小或为中时，部分制动能量被回收，此时发动机关闭，电机提供部分负转矩来给电池充电；在第二种模式下，车速迅速下降，若SOC值为小或为中时，大量的制动能量被回收，电机提供最大的负转矩来给电池充电，发动机关闭，如果电池的剩余电量多，即SOC值为大，则电机空转，发动机关闭。,6)驻车 当系统处于驻车模式时，此时汽车是不需要能量的，因此电机空转，发动机关闭。若此时电池SOC状态比较低，发动机开机驱动电机给电池充电。在上述整车能量管理策略下，如何在各个动力源之间分配能量，在能量
18、分配过程中能否保证能量均衡，是并联混合动力电动汽车能量管理的关键。,返回,能量管理系统采取层级式控制：最上层为整车能量管理系统，统一协调和控制各个低端控制器；中间一层包括五个低端控制器，即发动机控制器、发电机控制器、电动机控制器、离合器及制动器控制器和电池能量管理系统（BMS）等；最下层为各个执行器，即发动机、电机、离合器等部件。,整车能量控制系统,返回,并联式混合动力系统的整车能量管理主要解决两个问题：系统运行模式的切换和混合模式下功率、能量的分配。(1)模式切换策略 根据不同的工况要求，以优化各部件工作点为目的，可以在这些运行模式中进行切换。巡航模式、加速模式、减速模式、起步模式和驻车模式
19、等，以适应不同的工况。(2)功率分配策略 功率分配是系统能量管理策略研究的关键。通常功率分配都被看作是一个以减小油耗和改善排放为目标的优化问题。功率分配决定了混合动力系统中发动机的工作区域。目前被广泛采用或研究的功率分配策略大体上可以分为：恒定工作点策略、优化工作区策略、ICE优化曲线策略、瞬时优化策略和全局优化策略、智能优化策略等。,并联式混合动力电动汽车 能量管理系统,不同的管理策略可以得到不同的燃油消耗，排放和电池的SOC状态值，设计混合动力电动汽车主要目的是在保证汽车性能的条件下降低汽车的燃油消耗和排放，同时，还要兼顾电池的寿命问题，(1)电辅助式管理策略 在这种管理策略中，当发动机功
20、率不足时，电机作为一种辅助能源来工作，具体描述如下：1)当汽车在所允许的最低速度之下行驶时，电机运行。2)当汽车所需的转矩大于发动机能提供的最大转矩时，电机提供辅助转矩。3)当发动机在给定转速下运行在低效率时，发动机会关机，由电机提供所需的转矩。4)当电池SOC过低时，发动机会提供额外的转矩给电机，用来给电池发电。5)制动能量再生时，电机给电池充电。,PHEV不同管理策略,(2)自适应管理策略 这种管理策略也叫实时控制，它同时考虑了发动机的燃油消耗和排放，在每一时间步，都根据这一规则将转矩需求合理的分配给发动机和电机，以达到优化燃油消耗和排放的目的，在实际中，燃油消耗和排放同时达到最优化是不可
21、能的，这种管理策略实际上是两种情况的折衷，要想同时达到最优，发动机只能在很小的区域运行，但车辆的实际运行情况非常复杂，要想保证发动机仅仅只运行在一个很小的区域是不可能的，所以自适应管理策略实际上是上述情况的一种折衷.,(3)SOC转矩平衡式管理策略 这种管理策略的思想是根据电池SOC的状态以及需求的转矩之间产生一个修正的转矩，电池的SOC状态维持在制定的最高状态和最低状态的中间，同时保证发动机的工作点维持在高效范围内。1)当汽车在所允许的最低速度之下行驶时，电机运行。2)当汽车所需的转矩大于发动机能提供的最大转矩时，电机提供辅助转矩。a)当发动机在给定转速下运行在低效率时，发动机会关机，由电机
22、提供所需的转矩。b)当电池SOC低于最高值和最低值的平均值时，发动机会提供额外的转矩给电机，用来给电池发电。c)制动能量再生时，电机给电池充电。这种管理策略的基本思想和电辅助管理策略的基本思想大致相同，所不同的地方就在于控制发动机实际发出多少转矩，前一种是在需要发动机提供转矩的基础上将发动机的转矩提高一些，来满足充电的需要，而后一种则不同，它是根据现在的SOC状态和转矩比来对发动机进行修正的。,(4)模糊逻辑能量管理策略 采用上述管理策略，比如采用电辅助式管理策略时，在部分负荷(此时发动机运行效率较高)下，由发动机提供动力驱动传动系统；而在低负荷或高负荷等特殊工况下，蓄电池和电动机参与工作，进
23、行电驱动或混合驱动。此时，电驱动的主要功能是解决低负荷排放差和高负荷动力不足的问题。但是，这样的动力分配实际上并未能完全发挥混合驱动的优势，因为混合动力驱动系统的效率不仅与发动机运行效率相关，而且也受蓄电池和电动机效率的影响。为此，在进行能量分配过程中，寻求利用模糊逻辑实现发动机、蓄电池和电动机整体工作效率的最优化控制。由于汽车的各种不同工况下的能量需求，以及电池的不同SOC状态，很难精确的论定，混和动力电动汽车能量管理系统是个复杂的非线性的系统，而模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制。它是模糊数学同控制理论相结合的产物。它具有不要求知道被控对象
24、的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据；控制系统的鲁棒性适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统；以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”；控制推理采用“不精确推理”等优点。,较低，总的能量利用效率,即为,；若由电驱动，总的能量利用效率,，要考虑电动机的机械效率,，蓄电池的库仑效率,以及蓄电池充电时发动机的运行效率,，即,，从而使,根据并联混合动力电动汽车整车能量管理策略，确定模糊逻辑能量管理的控制原则如下：1)为延长电池的使用寿命和提高电池的充放电效率，电池的SOC在循环工况的起始和结束时，应基本保持不变。2)为提高整车系统效率，发动机应尽可能在
25、高效率区工作，因此，在电池SOC允许情况下，对于起步或城市道路低、中速运行模式，尽可能用电机起步或驱动。3)在混合动力驱动系统中，控制系统将以发动机为主能源，电机为辅助能源。管理系统根据汽车需求转矩与发动机最优转矩的差值，结合SOC状态，决定电机工作状态，以此来调节发动机的工作状态，保证或尽量使发动机工作在最优转矩曲线上。4)在保证制动安全的前提下，回收制动能量,模糊控制简介,针对混合动力汽车在效率与排放、SOC状态值等控制方面的要求，应用MATLAB平台下的Fuzzy编辑器，建立两输入、一输出的模糊推理系统，,SOC,FIS(mamdani),输入变量的论域为0，当驾驶员请求转矩高于 时，采
26、用发动机工作于最大转矩线上的控制方法；当请求转矩小于零时，采用制动控制策略，即请求转矩全部由电动机提供，作为发电机为电池充电。因此模糊控制论域定为0，。为方便起见，将输入变量论域转化到-3，+3上，“-3”表示零转矩，“0”表示优化转矩，“+3”表示最大转矩。其中优化转矩可以是优化燃油曲线或最大效率曲线，以此来体现控制目标。,输入变量SOC的论域为0，1。“0”表示SOC的最小值，“1”表示SOC的最大值。,输入变量 和输出变量 模糊子集取为：模糊子集取为：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大或NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB电池SOC的模糊子集取为：“太低”，“较低”，“低”，“适
27、中”，“高”，“较高”，“太高”或very low,lower,low,normal,high,higher,very high,模糊控制规则表,也可以用IFandTHEN模糊语言来描述控制规则，现举例如下：IF is NM and SOC is very low THEN is NMIF is NS and SOC is low THEN is ZEIF is ZE and SOC is normal THEN is ZEIF is PM and SOC is high THEN is ZE其中，四条控制规则的含义为：1、表示整车传动部件总的请求转矩比优化转矩小较多，并且电池SOC为很低时，
28、发动机工作在低于最优曲线附近直接输出驱动转矩，多余能量用于电动机转换为发电机给蓄电池充电；表示整车传动部件总的请求转矩与优化转矩相差不大，并且电池SOC为低时，电机不工作，发动机按最优曲线工作直接输出驱动转矩；表示整车传动部件总的请求转矩与优化转矩相等，并且电池SOC为正常时，电机不工作，发动机按最优曲线工作直接输出驱动转矩；表示整车传动部件总的请求转矩比优化转矩大较多，并且电池SOC为高时，电机参与工作提供辅助转矩，调节发动机按最优曲线工作。,ADVISOR模型库里包含几十种汽车Simuliuk模型，用户可以根据自己的需要，通过修改己有的模型或建立新模型来建立自己所需要的汽车模型。,ADVISOR2002仿真时PHEV模型的顶层Simuliuk框图,ADVISOR仿真,模糊逻辑管理策略仿真模块ADVISOR的混合动力汽车仿真模型是在Simulink环境下设计的。为了应用上述建立的模糊逻辑推理系统，需要建立模糊逻辑能量管理策略模块完善与ADVISOR中提供的整车模糊逻辑能量管理系统仿真模块接口。应用上述模糊逻辑推理系统建立的模糊逻辑管理策略模块如图所示。将之嵌入仿真软件进行仿真。,模糊逻辑管理策略仿真模块,性能仿真结果,知识不足,谢 谢,请多指教,
