混合动力电车原理

动力电池—电动汽车及电动汽车用动力电池一．前言1.1动力电池简介1.2动力电池的现状及发展趋势1.3电动汽车简介1.3.1背景随着世界石油资源的日益枯竭及其对于环境所造成的污染，汽车的动力源将不得不逐步摆脱石油资源的束缚而采用一些新的能源取代，这直接推动着汽车业的一次重大技术革命。其中，以动力蓄电池为主要或辅助动力源的混合动力(HEV)或纯电动汽车(EV)是主要发展方向之一（另外的发展方向是太阳能电池，燃料电池等）。1.3.2汽车基本结构介绍所谓汽车，其基本含义是能自动行驶的车，是与牲畜力相对应。其基本原理是发动机（提供动力）将其他形式的能量通过连动杆转化成动能，驱动汽车行使，并由转向装置，制动装置等各部分共同构成了汽车。这是无论那一个品牌的汽车所据有的共同特征。就汽车的动力问题历史上曾利用蒸汽机，汽油发动机为其动力源，但当代汽车多是以柴油发动机为动力源。如1.3.1所述，随着石油短缺及二氧化碳污染加剧，寻找新型能源迫在眉睫。如今，用于汽车动力源的能源有太阳能，乙醇，氢燃料电池及锂电池。1.3.3电动汽车分类注：EV：ElectricVehicleHEV:Hybrid-ElectricVehiclePHEV:PluginHybrid-ElectricVehicle电动汽车EVHEVPHEV微混MICROHEV重混FULLHEV中混MEDIUMHEV轻混MILDHEVEV是纯电动汽车，动力电源是电池，所用的电池可以是锂离子电池，也可以是铅酸电池或镍氢电池等，只需要用电动机，不需要用内燃机；HEV是混合动力汽车，也叫油电混合式动力汽车，电池一般用于启动和加速，汽油用于正常行驶，所用的动力电池一般是高功率电池，可以是锂离子动力电池、高功率镍氢动力电池，也可以超级电容器，所有电池容量一般在10Ah（安时）左右，在正常使用过程中一般不用于充电，主要靠刹车回收能量；PHEV就叫插电式混合动力汽车，电池容量在30~60Ah，一般靠电池的能量可以行驶50~80公里左右，其余靠汽油做动力行驶，对电池要求要兼顾容量型（ＥＶ）和功率型（ＨＥＶ）两者，其充电可以采用家庭用的电源进行充电，电流一般小于１０Ａ，充电时间比较长，也可以用大电流充电，充电时间在１０分钟到３０分钟左右，充电电流比较大，需要专门的充电设施。1.3.3.1HEV及其分类混合动力汽车有多种，我们所说的混合动力汽车多是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，其关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。1.3.3.1按电动机和发动机的连接方式分类根据混合动力驱动的联结方式分混合动力系统总成分为并联，串联和混联三种方式。串联：⑴如上图所示，串联式动力系统基本结构是由发动机（汽油机）、发电机和电动机三个主要部分组成，它们之间用串联方式组成SHEV动力单元系统，发动机（汽油机）驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。其工作过程是⑴当汽车处于小负荷状态时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机（我觉得此时也可以由发动机和电池共同带动电动机）。⑵当车辆处于启动、加速、爬坡工况况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机（我认为若此时电池电量低，则由发电机一方面为电动机提供电能，另一方面同时也为电池组充电，这样就是多余的能量储存起来避免了能量的浪费），当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。优点：串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。奇瑞的A5混合动力车就是采用了串联的形式。缺点是能量几经转换，机械效率较低，驱动电机功率大。⑵并联⑴如上图所示，并联式动力系统由发动机（汽油机）和电动机并列共同驱动汽车，但该方式是以发动机（汽油机）为主要动力源，不能关闭。发动机（汽油机）与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供动力，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡发动机燃油消耗较大时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮。优点是在不同的路况下，发动机都能保持在最佳或较佳的工作状态，从而降低油耗。缺点是若超过了电池的行驶里程，则比普通汽车更增加了电池的负担，毫无优势。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。混并联⑴如上图所示，混联式装置包含了串联式和并联式的特点，。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种，在低速时只靠电动马达驱动行驶，速度提高时发动机和电动马达相配合驱动的“混联方式”。启动和低速时是只靠电动马达驱动行驶，当速度提高时，由发动机和电动马达共同高效地分担动力，这种方式需要动力分担装置和发电机等，因此结构复杂。该结构的优点是控制方便，具有较理想的综合性能，发动机和发电机都可以采取比较小的功率。缺点是结构比较复杂，要求高，成本高。丰田的Prius属于以电机为主的形式。1.3.3.2对电能的依赖程度分类从对电能的依赖程度即混合度（电机功率比内燃机功率）来分，混合动力可分为微混合动力（弱混），轻混合动力，中度混合动力，重度混合动力（也称全混合动力，强混合动力等）四种。一.是微混合动力系统，代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternatorStarterGenerator,简称BSG系统）。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，电机不直接参与驱动，而是用来控制发动机的快速启动和停止即启动时，将发动机迅速提高到较高的转速；减速、刹车时停止发动机，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。而电动机亦可透过再生制动把动力储起。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：12v和42v。其中42v主要用于柴油混合动力系统。通常节油10%以下。二.是轻混合动力系统，代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的IntegratedStarterGenerator，简称ISG系统）。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：（1）在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；（2）在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20％以下。三.是中混合动力系统。本田旗下混合动力的Insight,Accord和Civic都属于这种系统。该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30％左右，目前技术已经成熟，应用广泛。例如别克君越EcoHybrid（电机15KW），通常节油20%左右。四.是完全混合动力系统。丰田的Prius和未来的Estima属于完全混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50％。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。强混合动力代表产品为TOYOTAPRIUS（电机50KW），可节油40%。以上各种不同的混合方式，都能在一定程度上降低成本和排放。各大汽车厂商在过去的十几年，通过不断的研发投入，试验总结，商业应用，形成了各自的混合动力技术之路，而在市场上的表现也是各具特色。1.3.3.2.PHEV-插电式混合动力汽车外接充电式混合动力汽车是最新的一代混合动力汽车类型，近年来受到各国政府、汽车企业和研究机构的普遍关注，国内外专家认为，PHEV有望在几年后得到广泛的推广使用。据统计，法国城镇居民80％以上日均驾车里程少于50km，在美国，汽车驾驶者也有60％以上日均行驶里程少于50km，80％以上日均行驶里程少于90km。PHEV特别适合于一周有5天仅驾车用于上下班，行驶里程50～90km之间的工薪族使用。PHEV是在混合动力汽车上增加了纯电动行驶工况，并且加大了动力电池容量，使PHEV采用纯电动工况可行驶50～90km，超过这一里程，即必须起动内燃机，采用混合驱动模式。所以PHEV的电池容量一般达5～10kW·h，约是纯电动汽车电池容量的30～50％，是一般混合动力汽车电池容量的3～5倍，可以说它是介于混合动力汽车与纯电动汽车之间的一种过渡性产品。PHEV由于更多的依赖动力电池驱动汽车，因此它的燃油经济性进一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。由于动力电池容量的加大，每辆车的售价至少比一般HEV高2000美元。随着蓄电池容量的加大，汽车价格将上升，但是燃油消耗和尾气排放则下降。因此可以认为，电动汽车是以使用和损耗蓄电池为代价来换取节油、减排的效果，动力电池性/价比的大幅提升将是电动汽车能否迅速推广使用的关键所在。我认为，PHEV是在并联式基础上改进的，与并联式的区别仅在于其能在没有发电机的情况下单独靠电池提供动力。二.相关国家标准2.1混合动力汽车的标准补《国家混合动力汽车标准》已经明确十月一日正式实施2.2混合动力汽车电池的标准2.3.纯电动汽车电池的标准三.相关厂家HEV及EV的相关性能及数据1.比亚迪（BYD）（I）比亚迪HEV整体性能比亚迪于2008年初在底特律车展上首次展出其自主研发的HEV—F6DM，并接连推出F3DM，已开始推向市场，售价15-18万左右。F6DM与F3DM均在排量1.0L的汽油发动机上配套使用输出功率为50kW的马达以及输出功率为20kW的发电机。电池容量为19.8kWh，只凭借电池的功率可行驶100km。可使用家用电源充电，9个小时即可充满。F3DM如下图所示：在纯电动模式下的续航里程可达到100公里，最高时速可达160公里/小时，普通家用电源下9小时就能够充满，专业充电站10分钟能够充电50%，售价15万左右。F3DM的动力蓄电池种类,是比亚迪自己生产的磷酸铁钴锂电池,型号FADM07309,电池组标称电压330V,容量45Ah。电池单体标称电压:3.3V，由100块串联而成，整体电池重300Kg。（能行驶100公里么，电池容量仅仅45AH,我认为不能!F3DM标称的百公里耗电是16度，50公里等速的巡航里程为100公里，这仅仅是理想状态下的最佳表现。首先，电池组的电压是330V，容量45安小时，即使不考虑内阻的损耗，保护电池放电到20%发电机自动启动，最大的蓄电量，也不到15度。）F6DM如下图所示：配备了最大功率为50kW、排量1.0L的直列4缸发动机，功率为75kW的马达和容量为20kWh的锂离子充电电池。可以仅靠电池和马达驱动，也就是可以实现EV行驶，每充电一次可行驶100km，之后可以作为混合动力车行驶330km。行驶时的CO2排量非常少，仅70g/km。利用240V的家庭电源，9小时可充满。快速充电时10分钟就可以充50%。锂电池正极材料采用了热稳定性出色的磷酸铁。电流容量为60Ah，可以保证充电2000次。该公司公布的数据显示，电池容量为20kWh的电池重200kg，单位重量的能源密度为100Wh/kg。锂电池配置在中央烟道和车架内，行李箱中只需配备有插电用充电器以及充电电池的电源管理系统