混动汽车 | 驱动系统架构解析:串联式混动架构、工作原理、效率链路解析、増程器、应用的关键

文摘   汽车   2024-10-25 06:46   上海  

-  关于「SysPro|电动汽车动力系统培训」专栏内容

-  第五部分:混动汽车驱动系统架构解析

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五. 混合动力汽车驱动系统架构解析
1. 学习目标
2. 混合动力汽车概览
  • 2.1 混动:一种在电机和内燃机之间的解决方案
  • 2.2 混动汽车的历史
  • 2.3 混动的技术优势
  • 2.4 混动概念的一般性原则
  • 2.7 混动动力总成的分类
  • 2.8 混动的基础架构
3. 串联式混合动力
  • 3.1 系统架构
  • 3.2 工作原理
  • 3.3 效率传递链路
  • 3.4 系统解析:増程器
  • 3.5 増程器应用的基本概念和注意事项
  • 3.6 总结
4. 并联式混合动力
  • 4.1 系统架构
  • 4.2 工作原理
  • 4.3 P2混动系统解析:梅赛德斯奔驰S300H动力系统
  • 4.4 P1+P2混动系统解析:ISA
  • 4.5 P2混动系统解析:ISA的应用
  • 4.6 P4混动系统解析:Audi Duo
  • 4.7 总结
5. 功率分流混合动力
  • 5.1 拓扑类型
  • 5.2 物理架构
  • 5.3 功率分流混动系统的关键特征
  • 5.4 输入型功率分流系统详解:TOYOTA Prius THS系统
  • 5.5 拓展:TOYOTA Prius THS系统工作模式详解
  • 5.6 输出型功率分流系统详解:GM Voltec混动系统
  • 5.7 拓展:GM Voltec混动系统的低速局限性
  • 5.8 输出型功率分流系统的升级:Opel Ampera插电式混动系统
  • 5.9 系统解析:VW GOLF GTE插电式混动系统
  • 5.10 总结
6. ICE与混动系统
  • 6.1 ICE在混动系统中的应用的关键
  • 6.2 汽油发动机和柴油发动机在混动系统应用中的差异
  • 6.3 燃气轮机和斯特林发动机在混动系统应用中的关键
  • 6.4 混动汽车控制器(HVCU)对动力总成控制的关键参数
  • 6.5 混动系统的主要工作模式
  • 6.6 关键技术解析:Load Shifting
  • 6.7 混动控制策略案例说明
7. 混动系统在市场上的应用
8. 总结

3. 串联式混合动力

3.1 系统架构

在上面我们提到过,串联式混动系统的发动机(ICE)和最终驱动之间是没有刚性连接的。ICE在这里只做一件事通过在高效区工作,驱动发电机来发电牵引电机,通过电池和/或发电机提供的电力来驱动车辆形式,如下面示意图所示。

图片来源:FH JOANNEUM

下面借用Fisker Karma(2011/2012款)说明下串联混动系统的动力配置。
这款车配备了两个电机,总功率为150KW,以及一个156KW的汽油发动机。这种配置使得Karma能够结合电动和燃油动力,既可以在纯电模式下行驶,也可以在电池电量不足时通过发动机带动发电机发电,从而提供更长的行驶里程和更灵活的驾驶选择。

图片来源:网络


3.2 工作原理

下面是一个串联式混合动力系统的物理架构图,包括了控制系统。
我们把这个系统分成6层:
  • 第一层,有一些机械组件:内燃机、发电机1、电动机2;
  • 第二层,代表了能量存储组件:给ICE提供能源的油箱、给电机提供动力的电池;
  • 第三层,是一些高压控制系统:2个逆变器;
  • 第四层,是一些低压驱动控制系统:1个ECU用来控制发动机的工作,2个控制器用来分别控制逆变器的动作,从而驱动电机工作;
  • 第五层,叫做能量管理层,负责管理所有的信息,包括:发动机管理、电池管理、驱动电源管理;
  • 第六层,代表了车辆与驾驶员之间的车辆接口,由此让系统知道驾驶意图,如加速、刹车等等。

图片来源:论文,Wolfgang.K

通过这张图,我们可以看到以下特点:
1. 内燃机(ICE)和发电机1与驱动轴(电机2)之间是没有机械连接;
2. 整套系统的参数配置(内燃机、电机、电池的能力大小),取决于充电单元(ICE/发电机)的功率大小:
  • 当功率比较小时候,一般称其为:增程器

  • 当功率中等时候,一般称其为:辅助动力单元

  • 当发电机与驱动电机功率相同时候,一般称为:全串联混合动力

当然,这套系统有一个明显缺点是成本较高,因为它需要2个电机+2个逆变器+2套控制系统

3.3 效率传递链路

下面我们看看串联式混合动力系统的一些特点和局限性。
如下图所示,串联式混合动力系统由内燃机、发电机、转换器、逆变器、牵引电机、差速器、DCDC、电池等多个部件组成。这种系统虽然对排放有益,但由于其复杂的能量转换链,即使在采用“最佳工作点”的ICE策略并不利于能源的高效利用。此外,在高功率水平下,这种系统的成本也会相对较高。

-> 我们分析下上图所示串联系统中能量传递的链路和特点:

根据一些统计数据,从ICE的化学能到机械能的转换效率大概30%~38%;再从机械能在转换到电能,其效率又会打个92折~93折;再从发电机到Converter也会有2%~3%的损耗。这里根据控制策略,整车可以决定是直接将这部分能量用于驱动,还是将其回馈到电池中:
  • 如果存储在电池中,必须考虑电池充电和放电的能量损失,大概在10%以内;
  • 如果能量通过逆变器给到驱动电机,这个过程中会有8%左右的能量损失,然后到减速器传动装置也会有一些机械损耗。
由此可知从ICE到驱动轮,最多一共会有11个产生能量损失的节点。根据控制策略,将这些传递效率相乘,可以获得最终的效率,如下图。

-> 所以,这里可以得到一些结论:

  • 串联式混动,可以让ICE工作在恒定的模式下,因此对排放是有益的;

  • 但是!由于整套系统能量传递链路比较长,对能源利用效率并不高,即使采用了“最佳工作点”的ICE策略,也无法完全弥补这一缺陷。

  • 此外,串联式混动系统在高功率应用中,其成本会也会较高,此时就需要我们综合评估下能耗和成本之间的影响,找到最佳解。


3.4 系统解析:増程器

(知识星球中发布)

串联式混动中最常见的例子是増程器,我们一般简称为REEV(Range Extender EV)。増程器,顾名思义,是一种用于增加车辆行驶里程的驱动系统,通过利用电机的发电功能,以补充电池的能量,实现“增程”。
下图是一个增程器的示意图,这个增程器具有热隔离和声学隔离的功能,并且配备了必要的控制系统。结合下图,解释下所示REEV驱动系统的主要特征:...

3.5 増程器应用的基本概念和注意事项

(知识星球中发布)

下面结合实践经验,说明下串联式混动系统中增程器的一些基本概念和应用特点...


3.6 总结

(知识星球中发布)

下面我们从能耗、控制策略、成本、维护等角度,总结下串联式混动系统的优点和缺点:....


【下周预告】

4. 并联式混合动力
  • 4.1 系统架构
  • 4.2 工作原理
  • 4.3 P2混动系统解析:梅赛德斯奔驰S300H动力系统
  • 4.4 P1+P2混动系统解析:ISA
  • 4.5 P2混动系统解析:ISA的应用
  • 4.6 P4混动系统解析:Audi Duo
  • 4.7 总结


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2024年10月24日 晚
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