混合动力汽车动力传动及其资料

1混合动力汽车动力传动及其资料混合动力汽车动力传动及其资料混合动力汽车自动变速系统混合动力汽车自动变速系统 n n与传统内燃机汽车类似，由于发动机和电机的转速工作范围与车速范围不一致，需要将混合动力汽车动力源的动力变速变矩地传递至驱动车轮，同时混合动力汽车变速传动系统还要完成发动机和电机动力的分配和藕合第1页/共82页混合动力汽车自动变速系统混合动力汽车自动变速系统 n n混合动力汽车可以选用专门针对混合动力系统设计的变速传动系统，也可是使用传统变速系统实现所要功能现在常见的混合动力轿车有:Prius(Toyota),Estima(Toyota),Tino(Nissan),Civic(Honda)和Insight(Honda)，其选用的变速传动系统如表1所示第2页/共82页混合动力汽车自动变速系统混合动力汽车自动变速系统n n表1 混合动力汽车使用的变速传动系统第3页/共82页混合动力汽车自动变速系统混合动力汽车自动变速系统n n除除PriusPrius和和EstimaEstima外，混合动力轿车多采用外，混合动力轿车多采用CVTCVT，而，而ToyotaToyota采用的采用的THS(Toyota Hybrid System)THS(Toyota Hybrid System)是一种区是一种区别于传统变速系统的行星齿轮结构，其通过协调别于传统变速系统的行星齿轮结构，其通过协调发动机、发电机和电动机的转速，实现动力分配发动机、发电机和电动机的转速，实现动力分配和无级变速的双重功能。

和无级变速的双重功能n n由于受开发周期、开发成本和技术水平的限制以由于受开发周期、开发成本和技术水平的限制以及自主知识产权方面的要求，我国混合动力汽车及自主知识产权方面的要求，我国混合动力汽车开发多选择传统汽车所使用的变速系统开发多选择传统汽车所使用的变速系统第4页/共82页混合动力汽车自动变速系统混合动力汽车自动变速系统n n按照实现自动变速的原理，自动变速器可分为三类:一类是液力变矩器和行星齿轮变速箱组成的液力自动变速器(Automatic Transmission简称AT);一类是无级变速器(Continuously Variable Transmission，简称CVT);另一类是由传统固定轴式变速箱和干式离合器以及相应的电液控制系统组成的机械式自动变速器(Automatic Mechanical Transmission,简称AMT)第5页/共82页液力自动变速器（液力自动变速器（AT)n nAT，在汽车上应用的历史已有60多年，是现在传统汽车中应用范围最广的自动变速系统，图1所示为宝马7型的6速自动变速器第6页/共82页液力自动变速器（液力自动变速器（AT)n n 图图1 1 宝马宝马6 6速自动变速器速自动变速器 第7页/共82页液力自动变速器（液力自动变速器（AT)n n液力自动变速器由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统液力自动变速器由液力变矩器、行星齿轮和液压操纵系统组成，液力变扭器是组成，液力变扭器是ATAT最关键的部件，由泵轮、涡轮和导最关键的部件，由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，它除了起离合器的作用外，还具有在一定轮等构件组成，它除了起离合器的作用外，还具有在一定范围内无级变速和变矩的能力，对负载有良好的自动调节范围内无级变速和变矩的能力，对负载有良好的自动调节和适应性。

因此，液力自动变速器换档平稳，操作容易，和适应性因此，液力自动变速器换档平稳，操作容易，但其缺点也较多但其缺点也较多:一是对速度变化反应较慢，没有手动变速一是对速度变化反应较慢，没有手动变速器灵敏，无法满足对驾驶感觉要求较高的人的需求器灵敏，无法满足对驾驶感觉要求较高的人的需求:二是费二是费油不经济，传动效率低变矩范围有限，近年引入电子控制油不经济，传动效率低变矩范围有限，近年引入电子控制技术一定程度上改善了这方面的问题技术一定程度上改善了这方面的问题;三是机构复杂，设计、三是机构复杂，设计、制造和维护困难制造和维护困难n n由于由于ATAT的燃油经济性较差，而且结构复杂不容易进行结构的燃油经济性较差，而且结构复杂不容易进行结构改变，应用于混合动力汽车时不仅影响整车燃油经济性，改变，应用于混合动力汽车时不仅影响整车燃油经济性，而且还受到其过长的开发周期和过高的开发、使用成本的而且还受到其过长的开发周期和过高的开发、使用成本的影响第8页/共82页无级变速器无级变速器(CVI)n nCVTCVT技术的发展，已经有了一百多年的历史德国奔驰公司是在汽车技术的发展，已经有了一百多年的历史德国奔驰公司是在汽车上来用上来用CVTCVT技术的鼻祖，早在技术的鼻祖，早在18861886年就将年就将V V型橡胶带式型橡胶带式CVTCVT安装在该安装在该公司生产的汽油机汽车上，但由于橡胶带式公司生产的汽油机汽车上，但由于橡胶带式CVICVI存在一系列的缺陷，存在一系列的缺陷，没有被汽车行业普遍接受随着新技术逐步克服原有技术的缺陷，研制没有被汽车行业普遍接受随着新技术逐步克服原有技术的缺陷，研制出了性能更优良的出了性能更优良的CVTCVT。

进入进入2020世纪世纪9090年代，汽车界对年代，汽车界对CVTCVT技术的研技术的研究开发日益重视，特别是在微型车中，究开发日益重视，特别是在微型车中，CVTCVT被认为是关键技术被认为是关键技术n nCVTCVT的结构和工作原理如图的结构和工作原理如图2 2所示，主要包括主动轮组、从动轮组、所示，主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件金属带和液压泵等基本部件CVICVI结构简单、体积小，既没有手动变结构简单、体积小，既没有手动变速器的众多齿轮组，也没有速器的众多齿轮组，也没有ATAT中复杂的液力变矩器和行星齿轮组理中复杂的液力变矩器和行星齿轮组理论上论上CVTCVT可使发动机始终在经济工况区运行从而较大幅度地改善车辆可使发动机始终在经济工况区运行从而较大幅度地改善车辆燃油经济性，但由于燃油经济性，但由于CVTCVT是摩擦传动，传动效率较低，且传动带很容是摩擦传动，传动效率较低，且传动带很容易损坏，不能承受较大的载荷，因此其只能用于在低功率和低转矩汽易损坏，不能承受较大的载荷，因此其只能用于在低功率和低转矩汽车，随着技术的不断进步，现在车，随着技术的不断进步，现在CVTCVT已经开始在中等排量的汽车中得已经开始在中等排量的汽车中得到应用。

到应用第9页/共82页无级变速器无级变速器(CVI)n n图2无级变速器结构图 第10页/共82页机械式自动变速器机械式自动变速器(AMT)n n传统手动变速器是通过驾驶员控制离合器、变速箱来接合传统手动变速器是通过驾驶员控制离合器、变速箱来接合发动机动力和改变传动系统档位，通过在手动变速器基础发动机动力和改变传动系统档位，通过在手动变速器基础上加装换档、离合器执行机构和相应的自动控制单元实现上加装换档、离合器执行机构和相应的自动控制单元实现上述的自动控制即为机械式自动变速器上述的自动控制即为机械式自动变速器n n国外对国外对AMTAMT的研究和开发始于二十世纪七十年代中期，较的研究和开发始于二十世纪七十年代中期，较为典型的有瑞典为典型的有瑞典ScandiaScandia的的CAGCAG系统、德国系统、德国Daimler BenzDaimler Benz的的EPSEPS系统、美国系统、美国EatonEaton的的SAMTSAMT系统，这些系统使换档操纵系统，这些系统使换档操纵实现了自动化，换档时仍由驾驶员踩离合器踏板来配合换实现了自动化，换档时仍由驾驶员踩离合器踏板来配合换档世界上第一台全自动的电控机械式自动变速器是日本档。

世界上第一台全自动的电控机械式自动变速器是日本五十铃公司在五十铃公司在19841984年推出的年推出的NAVI-5NAVI-5，不久德国波尔舍的，不久德国波尔舍的C C arreraarrera轿车也装用轿车也装用Tip TropicTip Tropic，同时期出现的还有，同时期出现的还有:日本日本Nissan,HinoNissan,Hino及美国及美国EatonEaton的全自动变速系统的全自动变速系统第11页/共82页各种变速系统的比较各种变速系统的比较 n n 各种变速系统的比较 第12页/共82页各种变速系统的比较各种变速系统的比较n n在混合动力汽车中，由于对燃油经济性以及成本、开发周期等方面的要求较高，AT不适合于在混合动力汽车上使用由于世界各大汽车公司的参与，CVT的各项技术不断走向成熟，国外众多汽车厂商都致力于CVT的推广应用，由于其燃油经济性较好，因此在混合动力轿车中得到了较好的应用但是由于CVT应用于较大型的车辆时还存在一些问题，因此许多混合动力汽车中采用AMT作为变速机构第13页/共82页传统汽车传统汽车AMT基本控制原理基本控制原理 n n 图3 传统汽车AMT基本控制原理 第14页/共82页AMT应用于混合动力汽车应用于混合动力汽车 n n使用AMT作为混合动力汽车的动力藕合和变速传动装置比较适合我国的国情。

由于混合动力汽车的动力源与传统汽车不同，AMT应用于混合动力汽车时，其功能和控制也与传统汽车情况有很大的不同第15页/共82页AMT应用于混合动力汽车应用于混合动力汽车n n传统汽车传统汽车AMTAMT的控制即为整车控制，如图的控制即为整车控制，如图3 3所示，所示，控制系统根据驾驶员对车辆的操纵控制系统根据驾驶员对车辆的操纵(加速踏板、制加速踏板、制动踏板、操纵手柄等动踏板、操纵手柄等)和车辆状态和车辆状态(车速、档位、发车速、档位、发动机转速等动机转速等)选择当前行车需要的最佳档位，如果选择当前行车需要的最佳档位，如果需要换档或离合器操作，则借助相应的自动操纵需要换档或离合器操作，则借助相应的自动操纵机构对车辆的动力和传动系统进行控制，因此，机构对车辆的动力和传动系统进行控制，因此，传统汽车传统汽车AMTAMT控制主要指换档策略和动力、传动控制主要指换档策略和动力、传动系统控制两个方面的内容区别于传统汽车，由于系统控制两个方面的内容区别于传统汽车，由于混合动力汽车中电驱动系统的存在，混合动力汽车中电驱动系统的存在，AMTAMT控制在控制在这两个方面的问题与传统汽车有较大不同，混合这两个方面的问题与传统汽车有较大不同，混合动力汽车整车控制包括能量管理策略和能量管理动力汽车整车控制包括能量管理策略和能量管理策略的实现两方面的内容。

策略的实现两方面的内容第16页/共82页AMT应用于混合动力汽车应用于混合动力汽车n n能量管理策略n n混合动力汽车的能量管理策略包括发动机和电机的转矩分配策略以及变速系统的换档策略两方面内容转矩分配策略第17页/共82页AMT应用于混合动力汽车应用于混合动力汽车n n混合动力汽车能量管理策略研究多集中于转矩分配策略方混合动力汽车能量管理策略研究多集中于转矩分配策略方面，转矩分配策略的目的是通过调整发动机和电机的转矩面，转矩分配策略的目的是通过调整发动机和电机的转矩提高车辆综合效率在一般的并联式混合动力汽车中，发提高车辆综合效率在一般的并联式混合动力汽车中，发动机是主驱动装置，电机是辅助驱动装置由于发动机工动机是主驱动装置，电机是辅助驱动装置由于发动机工作效率较低，尤其在发动机转速和负荷率较低时，其燃油作效率较低，尤其在发动机转速和负荷率较低时，其燃油经济性极差，为避免发动机工作在低效区，在满足驾驶员经济性极差，为避免发动机工作在低效区，在满足驾驶员转矩需求的基础上，转矩分配策略通过调整电机转矩使发转矩需求的基础上，转矩分配策略通过调整电机转矩使发动机工作在高效区或关闭发动机并由电机单独驱动车辆。

动机工作在高效区或关闭发动机并由电机单独驱动车辆在发动机工作效率较高时，可以由发动机直接驱动车辆，在发动机工作效率较高时，可以由发动机直接驱动车辆，此时通过调整电机电动或发电的转矩使发动机工作在高效此时通过调整电机电动或发电的转矩使发动机工作在高效区，电机发电生成的电能存储在动力电池中以供电动时使区，电机发电生成的电能存储在动力电池中以供电动时使用，为保证电池充放电时的效率，转矩分配策略还要尽量用，为保证电池充放电时的效率，转矩分配策略还要尽量维持电池的电量平衡维持电池的电量平衡第18页/共82页AMT应用于混合动力汽车应用于混合动力汽车n n换档策略换档策略 n n在并联式混合动力汽车中，发动机和电机布置在在并联式混合动力汽车中，发动机和电机布置在变速箱之前，主电机与变速箱输入轴直接连接，变速箱之前，主电机与变速箱输入轴直接连接，发动机的动力通过离合器传递至变速传动系统发动机的动力通过离合器传递至变速传动系统n n变速箱档位切换改变了发动机和电机的工况进而变速箱档位切换改变了发动机和电机的工况进而影响车辆燃油经济性和排放性能指标因此，并影响车辆燃油经济性和排放性能指标因此，并联式混合动力汽车的能量管理策略包括转矩分配联式混合动力汽车的能量管理策略包括转矩分配策略和换档策略两个方面。

策略和换档策略两个方面第19页/共82页AMT应用于混合动力汽车应用于混合动力汽车n n并联式混合动力汽车有两个动力源:汽油发动机和永磁同步电机，使用AMT作为动力藕合装置和变速传动系统，电机与变速箱输入轴直接相连，发动机通过AMT系统中的离合器与主电机(即变速箱输入轴)连接，混合动力系统的结构如图2-1所示 第20页/共82页AMT应用于混合动力汽车应用于混合动力汽车n n图4 并联式混合动力汽车动力传动系统第21页/共82页AMT应用于混合动力汽车应用于混合动力汽车n n在使用AMT作为变速驱动单元的的混合动力汽车中，AMT不仅需要将发动机和电机的动力变速变矩地传递至驱动轮(或将车辆的制动能量反向传递至电机进行能量回收)，还要完成混合动力系统的动力分配和转矩藕合，AMT是实现能量管理策略的关键 第22页/共82页AMT应用于混合动力汽车应用于混合动力汽车n n能量管理层根据驾驶员操作能量管理层根据驾驶员操作(加速踏板、制动踏板和手柄位加速踏板、制动踏板和手柄位置置)和车辆运行状态和车辆运行状态(车速、电池车速、电池SOCSOC、变速箱档位等等、变速箱档位等等)确确定变速系统档位、离合器状态、发动机转矩、电机转矩以定变速系统档位、离合器状态、发动机转矩、电机转矩以及液压制动转矩，目的是改善车辆的动力性和燃油经济性。

及液压制动转矩，目的是改善车辆的动力性和燃油经济性在使用在使用AMTAMT的的PHEVPHEV中，能量管理策略主要包括发动机、中，能量管理策略主要包括发动机、电机的转矩分配策略和换档策略两个方面的内容电机的转矩分配策略和换档策略两个方面的内容n n在能量管理策略的实现层，通过对发动机、电机、离合器在能量管理策略的实现层，通过对发动机、电机、离合器和变速箱的协调控制来实现能量管理策略换档和离合器和变速箱的协调控制来实现能量管理策略换档和离合器动作由控制系统直接控制，对发动机和电机的控制是通过动作由控制系统直接控制，对发动机和电机的控制是通过将控制指令发送至发动机控制器将控制指令发送至发动机控制器EMS(Engine Management EMS(Engine Management System)System)和电机控制器和电机控制器MCU(Motor Control Unit)MCU(Motor Control Unit)，由，由EMSEMS和和MCUMCU对发动机和电机进行直接控制对发动机和电机进行直接控制第23页/共82页PHEV动力传动及其控制系统动力传动及其控制系统 n n 图图 PHEVPHEV动力传动及其控制系统动力传动及其控制系统 第24页/共82页混合动力汽车动力总成结构混合动力汽车动力总成结构n n按动力传动系结构不同，混合动力汽车可分为串联、并联和混联三种构型，每种构型又有一多种结构方案 n n下而对这三种型式的部件组成、工作原理和各自的优缺点进行简要分析 第25页/共82页1串联混合动力总成构型串联混合动力总成构型n n串联式HEV动力传动系的结构组成如下图所示。

由发动机、发电机、电机、变速箱等构成第26页/共82页1串联混合动力总成构型串联混合动力总成构型n n该结构方式的优点：该结构方式的优点：n n(1)(1)结构布置灵活结构布置灵活n n由于发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，这样便于进行由于发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，这样便于进行整车布置整车布置n n(2)(2)发动机工作效率高发动机工作效率高n n可对发动机进行独立控制，使发动机可稳定于高效区或低可对发动机进行独立控制，使发动机可稳定于高效区或低排放区附一近工作同时，该结构尤其适合于那类与驱动排放区附一近工作同时，该结构尤其适合于那类与驱动轮难于进行机械连接的高效发动机，如燃气轮机、斯特林轮难于进行机械连接的高效发动机，如燃气轮机、斯特林发动机等发动机等n n(3)(3)整车的控制简单整车的控制简单n n由于发动机独立于行使工况，小存在发动机与电机之间的由于发动机独立于行使工况，小存在发动机与电机之间的功率分配，因此整车的控制简单功率分配，因此整车的控制简单第27页/共82页1串联混合动力总成构型串联混合动力总成构型n n该结构方式的缺点为该结构方式的缺点为:n n(1)(1)系统综合效率低系统综合效率低n n由于发动机输出的机械能由发电机转化为电能，由于发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经两次能量转换，中间必然会伴随着能量的损途经两次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失，因此，系统综合效率降低。

失，因此，系统综合效率降低n n(2)(2)成本高成本高n n对于混合动力客车，由于需要的电机功率很高，对于混合动力客车，由于需要的电机功率很高，这样所需要的电池数量增加，带来重量和成本增这样所需要的电池数量增加，带来重量和成本增高对于轿车而言，它的三个动力总成高对于轿车而言，它的三个动力总成(发动机、发动机、发电机、电动机发电机、电动机)也会给系统总布置带来困难也会给系统总布置带来困难第28页/共82页2 双轴并联混合动力总成构型双轴并联混合动力总成构型 n n双轴并联式混合动力总成的结构根据动力合成装置在变速箱的前与后可分为前置式(动力合成装置在变速箱前)双轴并联结构和后置式(动力合成装置在变速箱后)双轴了并联结构分别如下图和图所示 第29页/共82页前置式双轴并联式前置式双轴并联式HEV动力传动系结构动力传动系结构n n图图 前置式双轴并联式前置式双轴并联式HEVHEV动力传动系结构简图动力传动系结构简图第30页/共82页后置式双轴并联式后置式双轴并联式HEV动力传动系结构动力传动系结构n n图图 后置式双轴并联式后置式双轴并联式HEVHEV动力传动系结构简图动力传动系结构简图第31页/共82页双轴并联混合动力总成双轴并联混合动力总成n n双轴并联式双轴并联式HEVHEV动力传动系，发动机与电动机可动力传动系，发动机与电动机可以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联以分别独立地向汽车驱动轮提供动力，没有串联式式HEVHEV动力传动系中的专用发电机，因此更象传动力传动系中的专用发电机，因此更象传统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点统的汽车动力传动系，并具有了许多显著的优点:n n(1)(1)由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，由于发动机的机械能可直接输出到汽车驱动桥，中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统中间没有能量的转换，与串联式布置相比，系统效率较高，燃油消耗也较少效率较高，燃油消耗也较少;n n(2)(2)电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发电动机同时又可作为发电机使用，系统仅有发动机和电动机两个动力总成，整车质量和成本大动机和电动机两个动力总成，整车质量和成本大大减小。

大减小第32页/共82页双轴并联混合动力总成双轴并联混合动力总成n n缺点缺点:n n(1)(1)由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况实时地受到汽车行驶工况的影响，发动机运行工况实时地受到汽车行驶工况的影响，因此对整车排放工作点的优化小如串联形式好因此对整车排放工作点的优化小如串联形式好n n(2)(2)这种结构，要维持发动机在最佳工作区工作，这种结构，要维持发动机在最佳工作区工作，需要复杂的控制系统和控制策略对于双轴并联需要复杂的控制系统和控制策略对于双轴并联式混合动力汽车式混合动力汽车(PHEV(PHEV，动力传动系的主要元件，动力传动系的主要元件之一为动力合成装置动力合成的实现方法可归之一为动力合成装置动力合成的实现方法可归类为类为:转速合成式、牵引力合成式和扭矩合成式三转速合成式、牵引力合成式和扭矩合成式三大类第33页/共82页转速合成式转速合成式PHEV动力传动系动力传动系 n n 第34页/共82页转速合成式转速合成式PHEV动力传动系动力传动系 n n常用的转速合成装置有行星齿轮系和电动转速计，常用的转速合成装置有行星齿轮系和电动转速计，它们构成的动力传动系结构分别如图它们构成的动力传动系结构分别如图2-5,2-5,图图2-62-6所所示。

示n n转速合成式转速合成式PHEVPHEV动力传动系中，两个动力总成之动力传动系中，两个动力总成之间的转速分配较为灵活，适用于那些对转速变化间的转速分配较为灵活，适用于那些对转速变化敏感而对扭矩变化小太敏感的动力总成间的输出敏感而对扭矩变化小太敏感的动力总成间的输出功率叠加但由于两动力总成的输出扭矩存在着功率叠加但由于两动力总成的输出扭矩存在着一定的比例关系一定的比例关系(如式如式2-1)2-1)，要求发动机的工作特，要求发动机的工作特性调节必须与电动机的输出特性相配合，增加了性调节必须与电动机的输出特性相配合，增加了控制系统的难度另外，转速合成式装置固有的控制系统的难度另外，转速合成式装置固有的输出特性也限制了电动机低速大转矩特性的利用，输出特性也限制了电动机低速大转矩特性的利用，而低速大转矩却对车辆的起动十分有利而低速大转矩却对车辆的起动十分有利第35页/共82页牵引力合成式牵引力合成式PHEV动力传动力传动系动系 n n图2-7牵引力合成式PHEV动力传动系第36页/共82页牵引力合成式牵引力合成式PHEV动力传动系动力传动系n n牵引力合成式PHEV动力传动系的具体结构如图2-7所示。

发动机和电动n n机之间无任何机械连接，它们通过各自的传动轴分别驱动车辆的前轮和后轮 第37页/共82页牵引力合成式牵引力合成式PHEV动力传动系动力传动系n n该动力传动系的一显著优点是:汽车的驱动力由两个驱动轴承担，因此作用于每一驱动轴上的驱动力小会超出其轮胎地而附一着极限，但由于电机驱动系统与内燃机驱动系统分离，结构小紧凑，给动力传动系的具体布置带来困难第38页/共82页单轴并联混合动力总成构型单轴并联混合动力总成构型 n n单轴并联式混合动力总成型式系是指发动机和电机同轴联单轴并联式混合动力总成型式系是指发动机和电机同轴联接和布置，根据电机在变速箱的前与后可分为前置式接和布置，根据电机在变速箱的前与后可分为前置式(电电机在变速箱前机在变速箱前)单轴并联结构和后置式单轴并联结构和后置式(电机在变速箱后电机在变速箱后)单单轴并联结构，分别如图轴并联结构，分别如图2-92-9和图和图2-102-10所示n n单轴并联结构形式的优缺点除如上所述外，还有一个特点单轴并联结构形式的优缺点除如上所述外，还有一个特点是有利于电机和变速箱结构的一体化模块设计，便于批量是有利于电机和变速箱结构的一体化模块设计，便于批量生产中的模块化供货和整车装配。

生产中的模块化供货和整车装配n n单轴并联结构的合成方式为扭矩合成这种结构单轴并联结构的合成方式为扭矩合成这种结构(发动机和发动机和电动机的输出轴采用了同一根传动轴电动机的输出轴采用了同一根传动轴)将导致发动机和电将导致发动机和电动机两者每时每刻的转速值均为同一值，限制了电动机的动机两者每时每刻的转速值均为同一值，限制了电动机的工作区域，造成两者特性的小匹配，为改善这种关系，需工作区域，造成两者特性的小匹配，为改善这种关系，需要布置一多速变速箱，这又会导致控制系统较为复杂要布置一多速变速箱，这又会导致控制系统较为复杂第39页/共82页后置式单轴并联结构后置式单轴并联结构n n图2-9后置式单轴并联结构第40页/共82页前置式单轴并联结构前置式单轴并联结构n n图2-10前置式单轴并联结构 第41页/共82页燃料电池电动车燃料电池电动车 第42页/共82页4 混合动力汽车混合动力汽车燃料电池电动车燃料电池电动车主主 讲：朱讲：朱 明明高级技师、高级技师、工程师、工程师、经济师经济师高级技能专业教师高级技能专业教师高级汽车维修工考评员高级汽车维修工考评员第43页/共82页能源动力的发展能源动力的发展 n n历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。

极大地推进了现代文明的发展n n传统的能源利用方式有两大弊病一是储存于传统的能源利用方式有两大弊病一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有的限制，在机端所获得的效率只有3335%3335%，一，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染第44页/共82页能源动力的发展能源动力的发展n n对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有率仍然只有35%35%左右，大规模的污染仍然没有得左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。

多年来人们一直在努力寻找既有较到根本解决多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式这就是燃料电池发电技术这就是燃料电池发电技术第45页/共82页第四代发电技术第四代发电技术n n燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置国际能源代发电装置和替代内燃机的动力装置国际能源界预测，燃料电池是界预测，燃料电池是2121世纪最有吸引力的发电方世纪最有吸引力的发电方法之一我国人均能源资源贫乏，在目前电网由法之一我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益第46页/共82页燃料电池技术燃料电池技术n n燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池（AFCAFC，工作温度为，工作温度为100100）、固体高分子型质子膜燃料电池）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFCPEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100100以内）和磷酸型燃料电池（以内）和磷酸型燃料电池（PAFCPAFC，工作温度为，工作温度为200200）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFCMCFC，工作温度为，工作温度为650650）和固体氧化型燃料电池（）和固体氧化型燃料电池（SOFCSOFC，工作温度为工作温度为10001000）称为高温燃料电池，并且高温燃料）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。

另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把池另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFCPAFC称为第一代燃料电池，把称为第一代燃料电池，把MCFCMCFC称为第二代燃料电池，称为第二代燃料电池，把把SOFCSOFC称为第三代燃料电池这些电池均需用可燃气称为第三代燃料电池这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料体作为其发电用的燃料第47页/共82页 第48页/共82页 第49页/共82页 第50页/共82页 第51页/共82页第52页/共82页第53页/共82页第54页/共82页 第55页/共82页第56页/共82页燃料电池的优势燃料电池的优势n n（1 1）效效率率高高，燃燃料料电电池池的的化化学学反反应应不不受受卡卡诺诺循循环环的的限限制制，理论上能量效率可接近理论上能量效率可接近8080，实际效率已达，实际效率已达505070%70%n n（2 2）清清洁洁无无污污染染，氢氢/氧氧燃燃料料电电池池的的产产物物只只有有水水，属属于于零零排放或接近零排放（考虑到燃料重整时）排放或接近零排放（考虑到燃料重整时）n n（3 3）效效率率随随输输出出功功率率变变化化的的特特性性好好，燃燃料料电电池池的的效效率率在在额额定定功功率率附附近近可可达达6060，部部分分功功率率下下运运行行时时效效率率会会高高于于额额定定功功率率下下的的效效率率，可可达达约约70%70%，过过载载功功率率下下运运行行时时效效率率略略低低于于额额定定功功率率的的效效率率，可可达达50505555。

燃燃料料电电池池的的效效率率随随输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行n n（4 4）过过载载能能力力强强，燃燃料料电电池池的的短短时时过过载载能能力力可可达达200200的的额定功率，更适合于汽车的加速、爬坡等工况额定功率，更适合于汽车的加速、爬坡等工况第57页/共82页国外燃料电池汽车的研发进展国外燃料电池汽车的研发进展n n由于质子交换膜燃料电池（由于质子交换膜燃料电池（PEMFCPEMFC）同时兼备无污染、）同时兼备无污染、高效率、适用广、低噪声、可快速补充能量、具有模块化高效率、适用广、低噪声、可快速补充能量、具有模块化结构等特点，被公认为是替代传统内燃机的最理想的动力结构等特点，被公认为是替代传统内燃机的最理想的动力装置全世界各发达国家及各大汽车公司都非常重视燃料装置全世界各发达国家及各大汽车公司都非常重视燃料电池的研究开发美国能源部的最新报告指出，燃料电池电池的研究开发美国能源部的最新报告指出，燃料电池的研制和开发的研制和开发“已接近历史性突破的边缘已接近历史性突破的边缘”，“欧美日的欧美日的激烈竞争已进入冲刺阶段激烈竞争已进入冲刺阶段”，燃料电池技术将成为，燃料电池技术将成为2121世纪世纪“汽车工业竞争的焦点汽车工业竞争的焦点”。

美国前矿物能源部长助理克美国前矿物能源部长助理克 西格尔说：西格尔说：“燃料电池技术在燃料电池技术在2121世纪上半叶在技术上的冲世纪上半叶在技术上的冲击影响，会类似于击影响，会类似于2020世纪上半叶内燃机所起的作用世纪上半叶内燃机所起的作用”福特汽车公司主管特汽车公司主管PNGVPNGV项目的经理鲍伯项目的经理鲍伯 默尔称：燃料电池默尔称：燃料电池必定给汽车动力带来一场革命必定给汽车动力带来一场革命第58页/共82页国外燃料电池汽车的研发进展国外燃料电池汽车的研发进展n n美国现任乔治美国现任乔治 布什政府对燃料电池汽车的研制开发和推广应用非常重布什政府对燃料电池汽车的研制开发和推广应用非常重视，美国联邦政府能源部于视，美国联邦政府能源部于20022002年年1 1月月9 9日提出日提出Freedom Freedom CARCAR（Freedom Cooperative Automotive ResearchFreedom Cooperative Automotive Research）计划，支）计划，支持新能源汽车的研究开发，该计划在持新能源汽车的研究开发，该计划在20032003年由美国联邦政府投资万美年由美国联邦政府投资万美元，其中燃料电池元，其中燃料电池50005000万美元（占），氢源设施万美元（占），氢源设施25822582万美元（占万美元（占），两者之和占总投资的），两者之和占总投资的5050以上。

以上20032003年年2 2月美国现任总统乔治月美国现任总统乔治 布什向国会提出布什向国会提出“自由燃料自由燃料”（FreedomFuelFreedomFuel）计划，在对此计划发）计划，在对此计划发表的公开讲话中指出，表的公开讲话中指出，“我要国会花费我要国会花费1212亿美元的新国家投资，给氢亿美元的新国家投资，给氢燃料电池小客车项目，使它能从实验室走向售车展示室我们希望看燃料电池小客车项目，使它能从实验室走向售车展示室我们希望看到，今天诞生的小客车将属于今天诞生的儿童，他（或她）所开的第到，今天诞生的小客车将属于今天诞生的儿童，他（或她）所开的第一辆车，这将是一辆由氢驱动而无污染的车；一辆车，这将是一辆由氢驱动而无污染的车；”“使用氢动力的最大使用氢动力的最大结果，是实现我国的能源独立结果，是实现我国的能源独立”，“使我们伟大国家的未来公民，极使我们伟大国家的未来公民，极少地依靠外国能源少地依靠外国能源”第59页/共82页国外燃料电池汽车的研发进展国外燃料电池汽车的研发进展n n日本政府对燃料电池汽车的研究开发和推广应用日本政府对燃料电池汽车的研究开发和推广应用也表示了极大的关注，为了促进燃料电池汽车的也表示了极大的关注，为了促进燃料电池汽车的商业化，由中央和地方政府共同资助在大阪、京商业化，由中央和地方政府共同资助在大阪、京都、东京等城市建立加氢站。

都、东京等城市建立加氢站20022002年年底日本首年年底日本首相小泉纯一郎以政府的名义采购了相小泉纯一郎以政府的名义采购了5 5辆燃料电池轿辆燃料电池轿车（丰田公司车（丰田公司3 3辆，本田公司辆，本田公司2 2辆），租给政府各辆），租给政府各部门使用在部门使用在20052005年名古屋世界博览会上日本丰年名古屋世界博览会上日本丰田汽车公司展示了多款燃料电池汽车，其中包括田汽车公司展示了多款燃料电池汽车，其中包括5 5辆以上的燃料电池大客车辆以上的燃料电池大客车第60页/共82页国外燃料电池汽车的研发进展国外燃料电池汽车的研发进展n n日本经济产业省根据在2006年底经济财政咨询会议上发表的“下一代汽车及燃料计划”，召开了由经济产业大臣甘利明、日本汽车工业会会长张富士夫、石油联盟会长渡文明参加的三方会议，进一步探讨细节，并于2007年5月28日提交了报告在报告中，经产省公布了截至2030年的量化目标规划第61页/共82页国外燃料电池汽车的研发进展国外燃料电池汽车的研发进展n n规划显示，到规划显示，到20102010年，电池的价格将从现在的年，电池的价格将从现在的2020万日元万日元/kWh/kWh(1(1万日元约折合美元万日元约折合美元)降至降至1010万日元万日元/kWh/kWh，到，到20152015年为年为3 3万万日元日元/kWh/kWh、20202020年为年为2 2万日元万日元/kWh/kWh、到、到20302030年将降到万日年将降到万日元元/kWh/kWh。

n n燃料电池车的连续行驶距离将从目前的燃料电池车的连续行驶距离将从目前的300km300km增加到增加到20102010年的年的400km400km、20202020年的年的800km800km目前，燃料电池的成本为数目前，燃料电池的成本为数百万日元百万日元/kW/kW，到了，到了20102010年将这一价格降至年将这一价格降至50005000日元日元/kW/kW、20202020年降至年降至40004000日元日元/kW/kW因此，车辆价格将从目前的普因此，车辆价格将从目前的普通汽车的通汽车的2020倍降至倍降至20102010年的年的3 35 5倍、倍、20202020年为倍，将接近年为倍，将接近普通汽车耐久性将从目前的普通汽车耐久性将从目前的20002000小时增至小时增至20102010年的年的30003000小时、小时、20202020年的年的50005000小时第62页/共82页国外燃料电池汽车的研发进展国外燃料电池汽车的研发进展n n全全球球环环境境基基金金会会（GEFGEF）、联联合合国国开开发发计计划划署署（UNDPUNDP）燃料电池大客车示范项目：）燃料电池大客车示范项目：n n为了使发展中国家的大城市公共交通车辆改变能为了使发展中国家的大城市公共交通车辆改变能源结构、降低有害物排放污染和温室气体（源结构、降低有害物排放污染和温室气体（COCO2 2）排放，全球环境基金（）排放，全球环境基金（GEFGEFGlobal Global Environmental FacilitiesEnvironmental Facilities）和联合国发展计划署）和联合国发展计划署（UNDPUNDPUnited Nations Development United Nations Development ProgrammeProgramme）资助巴西圣保罗、墨西哥城、中）资助巴西圣保罗、墨西哥城、中国的北京和上海等大城市开展燃料电池公交客车国的北京和上海等大城市开展燃料电池公交客车的运行示范工程。

其目的在于促进燃料电池大客的运行示范工程其目的在于促进燃料电池大客车的尽快商业化车的尽快商业化第63页/共82页我国燃料电池汽车我国燃料电池汽车n n中国燃料电池公共汽车商用化示范项目于中国燃料电池公共汽车商用化示范项目于20032003年年3 3月月2727日日在北京召开启动会，该示范项目总投入为在北京召开启动会，该示范项目总投入为32363236万美元，其万美元，其中中GEFGEF投入投入11581158万美元，万美元，UNDPUNDP投入投入4040万美元，国家科技万美元，国家科技部、北京市和上海市共投入部、北京市和上海市共投入14581458万美元，企业等其他投入万美元，企业等其他投入约约580580万美元中国燃料电池公共汽车商用化示范项目为万美元中国燃料电池公共汽车商用化示范项目为期期5 5年，项目组于年，项目组于20032003年年1212月月1818日在北京向外界发布了第日在北京向外界发布了第一期一期6 6辆（北京、上海各辆（北京、上海各3 3辆）燃料电池大客车的招标书，辆）燃料电池大客车的招标书，经过专家评审和谈判，最后于经过专家评审和谈判，最后于20042004年年5 5月月1717日在北京与戴日在北京与戴姆勒可莱斯勒中国（投资）有限公司签署采购姆勒可莱斯勒中国（投资）有限公司签署采购3 3辆燃料辆燃料电池大客车的合同，合同规定电池大客车的合同，合同规定20052005年年1010月将有月将有3 3辆戴姆勒辆戴姆勒可莱斯勒公司的燃料电池大客车在北京市投入示范运营。

可莱斯勒公司的燃料电池大客车在北京市投入示范运营第64页/共82页我国燃料电池汽车我国燃料电池汽车n n我我国国政政府府也也非非常常重重视视燃燃料料电电池池汽汽车车关关键键技技术术的的研研究究，“九九五五”期期间间，国国家家科科技技部部将将燃燃料料电电池池关关键键技技术术研研究究列列入入国国家家攻攻关关计计划划十十五五”期期间间，燃燃料料电电池池汽汽车车及及其其关关键键技技术术的的研研究究和和样样车车的的研研制制开开发发，被被列列入入国国家家“863863”电电动动汽汽车车重重大大专专项项中中，予予以以重重点点资资助助由由清清华华大大学学牵牵头头研研制制的的1111米米燃燃料料电电池池城城市市客客车车于于20042004年年5 5月月经经过过长长安安街街驶驶入入天天安安门门广广场场，并并参参加加了了20042004年年1010月月在在上上海海举举办办的的比比毕毕登登国国际际清清洁洁汽汽车车大大奖奖赛赛3 3辆辆样样车车已已经经累累计计试试验验行行驶驶了了8000 8000 kmkm，顺顺利利通通过过了了国国家家“863863”项项目目组组的验收n n将国家将国家“863863”项目和项目和GEFGEFUNDPUNDP燃料电池大客车中国示范项目结合燃料电池大客车中国示范项目结合起来，由清华大学和北京清能华通技术公司牵头成立了北京氢能交通起来，由清华大学和北京清能华通技术公司牵头成立了北京氢能交通示范园，并与美国能源部（示范园，并与美国能源部（DOEDOE）和欧盟开展燃料电池汽车和氢能交）和欧盟开展燃料电池汽车和氢能交通项目的合作研究。

通项目的合作研究第65页/共82页日产燃料电池发动机日产燃料电池发动机第66页/共82页40KW燃料电池发动机性能参数燃料电池发动机性能参数(上上海海)燃料电池发动机有效输出功率30KW.燃料电池发动机峰值输出功率40KW.燃料电池发动机分为燃料电池堆与运行支持系统两部分，总重量大约为350公斤.燃料电池堆尺寸为206mm412mm800mm安装在轿车后座底下运行.支持系统安装在轿车的后备箱内.燃料电池发动机的散热器与现代轿车散热器大小及安装位置相同.燃料电池发动机支持系统包括携带两只80升容积的高压储氢罐.储氢罐工作压力300个大气压，可保证轿车续里程300多公里支持系统封装总尺寸为1200mm800mm600mm.特点：低压运行，低噪声,零排放,燃料氢能量效率大于40第67页/共82页40KW燃料电池发动机性能参数燃料电池发动机性能参数(上上海海)第68页/共82页燃料电池发动机燃料电池发动机(大连大连)第69页/共82页燃料电池发动机燃料电池发动机(大连大连)第70页/共82页上海燃料电池车上海燃料电池车(超越超越3号号)第71页/共82页北京燃料电池公共汽车北京燃料电池公共汽车第72页/共82页20082008奥运会奥运会北京燃料电池公共汽车北京燃料电池公共汽车n n北京2008奥运会和我国加入WTO为解决这些问题提供了重大机遇：政府的重视（公交车辆是城市的形象），会有大量资金的投入，加入WTO打开国门后国际资本和技术的涌入带来激烈的市场竞争。

第73页/共82页宝马燃料电池汽车宝马燃料电池汽车第74页/共82页宝马燃料电池汽车宝马燃料电池汽车第75页/共82页HondaFCX(ultra-capacitors)Maximum Speed:93 mph(150km/h)Driving Range:220 miles(355km)Maximum Power Output:80hp(60kW)Maximum Drive Torque:201lb-ft(272Nm)Motor Type:AC synchronous Stack Type:PEFC(proton exchange membrane type&endash;Ballard)Power Output:78kW Type:Compressed gaseous hydrogen(5,000 psi)Fuel Capacity:156.6 literEnergy Storage:Anultra-capacitorarraySPECIFICATIONS充满诱惑力的概念产品充满诱惑力的概念产品本田燃料电池车本田燃料电池车第76页/共82页Toyota FCHV Fuel Cell Hybrid VehicleFuel cell:PEMFC 90 kWMotor :Synchronized permanent magnet 80 kW 260 NmFuel :Hydrogen-absorbing alloy tankBattery:Nickel-metal hydride batterySPECIFICATIONS充满诱惑力的概念产品充满诱惑力的概念产品丰田燃料电池车丰田燃料电池车第77页/共82页Peak Power-65 kW(87 hp)Fuel Pressure-5000 psiDriving Range-260-320 kmType-PEMStacks-Ballard Mark 902 SeriesReactants-Hydrogen/AirHigh Voltage Battery-SANYO Ni-MH Hybrid Battery SystemFordthirdgenerationSPECIFICATIONS充满诱惑力的概念产品充满诱惑力的概念产品Ford燃料电池车燃料电池车第78页/共82页SunLinehybridfuelcellbusBus Manufacturer/Model ElDorado National/EZ Rider 2Curb Weight 25,180 lbRegenerative Braking YesElectric Motor Siemens 2 X 85 kW 650 VDCPower Plant UTC Fuel Cells/PEMPower Plant Power Rating 60 kW continuousFuel Storage Nine quantum cylinders with compressed hydrogenTop Speed 55 mphWeight 25,180 lbEnergy Storage Panasonic lead acid/48 12-V batteries in two modulesSPECIFICATIONS充满诱惑力的概念产品充满诱惑力的概念产品SunLine hybrid fuel cell bus第79页/共82页n n燃料电池车普及依然任重道远，大致要分三个阶段：燃料电池车普及依然任重道远，大致要分三个阶段：n n燃料电池车技术的成熟及公众的接受程度将是其第一阶段的燃料电池车技术的成熟及公众的接受程度将是其第一阶段的主要任务，首先燃料电池技术必须简便，并具有操作性。

目前大主要任务，首先燃料电池技术必须简便，并具有操作性目前大部分燃料电池车发动机性能欠佳部分燃料电池车发动机性能欠佳n n第二阶段，随着公众的认可，燃料电池车开始出现大众化产第二阶段，随着公众的认可，燃料电池车开始出现大众化产品，如：轿车、品，如：轿车、SUVSUV、大巴等届时，燃料电池新工业将与传统、大巴等届时，燃料电池新工业将与传统石油、化工、媒等进行竞争，这一阶段需要国家出台相关政策进石油、化工、媒等进行竞争，这一阶段需要国家出台相关政策进行引导，如加大燃油税、提高排放标准，对购买燃料电池车进行行引导，如加大燃油税、提高排放标准，对购买燃料电池车进行补贴等等这个阶段可能需要几十年的时间在中国，最先出现补贴等等这个阶段可能需要几十年的时间在中国，最先出现的机会可能会是的机会可能会是20082008北京奥运会和北京奥运会和20102010上海世博会上海世博会。