混合动力汽车及技术分析论文

混合动力汽车及技术分析论文内容摘要：

电的纯电动汽车开始的纯电动汽车或零排放新燃料汽车无疑是我们的最终目标，但目前纯电动汽车初成本高，行驶里程较短。 由于高效能蓄电池、燃料电池及其系统的发展相对滞后影响了纯电动汽车的商业化进程。 而燃油发动机和电动机混合驱动的混合动力动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。 将现有内燃机与一定 容量的储能器件 (主要是高性能电池或超级电容器 )通过进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。 国内外普遍认为是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注，得到商业市场的响应并迅速发展，这其中以丰田的 Prius 和本田的 Insight 为代表。 电力辅助型混合动力汽车采用并联式结构，电池组容量相对较小 (2～)，由发动机提供匀速行驶时的平均功率需求，当加速或爬坡需要较大 功时，由电池和电动机组成的电力辅助部分补充输出驱动功率。 混合动力 汽 9 车动性能、燃料经济性以及废气排放效果的好坏，在很大程度上取决于车辆驱动系参数的合理匹配以及车辆行驶过程中对各部件的协调控制。 传统燃油汽车的发动机使用工况多数是偏离其最佳工作区域，未能实现动力传动系统。 因此，对于提高汽车行驶效率，降低燃油消耗和尾气排放具有较大的潜力，是至关重要的。 本文的研究内容 本论文以电力辅助型混合动力汽车驱动系统为对象，主要开展以下几个问题的研究： （ 1）混合动力汽车驱动系统原理和匹配 探讨电力辅助型混合动力汽车动力性能指标的确定方法，发动机、蓄电池、电动机和行星齿轮机构等动力部 件的合理选择，以及驱动系统的匹配； （ 2）混合动力汽车驱动系统结构 在混合动力汽车驱动系统匹配分析的基础上，进行结构论述及分析； 10 第 2章 电力辅助型混合动力汽车介绍 统计表明，在 80%以上的道路条件下，普通燃油发动机汽车仅利用了动力潜能的 40%，在市区还会跌至 25%[4]。 混合动力电动汽车的传动系统同时使用燃油发动机和电动机作为动力源，既能利用发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。 根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议，由两种或两种以上的储能器、能源或转化器 作为驱动能源，其中至少有一种提供电能的车辆称为混合动力电动汽车 [5]。 混合动力汽车的分类 混合动力车辆的驱动系统从能源输入、原动机到机械能的传递，其组成方式多种多样，具体的结构也各不相同。 根据驱动系统各部件在汽车上的位置及功能，混合动力汽车可分为以下三种类型 :串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车。 串联式混合动力汽车 车辆控制器 发动机 → 发电机 → 功率交换 器 →← 电动机 →← 传动变速 机构 Ｔ ice, ice ↓ ↑ Ｔ em, em ↓ ↑ 电池 道路负载 图 串联式混合动力汽车示意图 11 串联式混合动力汽车由发动机、发电机、蓄电池和电动机等动力装置以串联连接方式组合而成。 如图 所示，该系统利用发动机提供电能，牵引电机是唯一的驱动源。 图中实线表示功率流的路径，虚线表示控制信号，箭头表示功率流动方向。 串联式混合动力汽车中发动机的功能是带动发电机发电，电动机将电能转 变为机械能后通过变速机构驱动车轮。 发电机同时也能提供部分电能输送到蓄电池，以便必要时由蓄电池为电动机供电。 串联式混合动力汽车具有以下特点 : (1)控制系统比较简单，特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电 状态决定发电或停止。 (2)发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率高，有一定节能效果， 能减少污染。 (3)动力传递过程中，由于存在能量转换中的损失，降低了能量利用率， 其综合效率低于燃油汽车。 (4)要求每一动力装置的各自功率都等于或接近汽车的最大驱动功率，特 别是驱动电动机必须满足汽车行驶的需求。 并联式混合动力汽车 并联式混合动力汽车可以利用发动机和电机共同驱动车轮。 如图 ，由于发动机与驱动车轮之间直接相连，所以发动机的运转受到驱动工况的影响。 该系统可不需要发电机，因此提高了能量转化效率。 发动机动力系统主要用于中、高速的行驶工况。 而电动 /发电机动力系统用于中、低速的城市路况行驶，在汽车加速和爬坡时配合发动机动力系统驱动车辆，大大提高了汽车的加速性能和爬坡性能。 12 图 并联式混合动力汽车 示意图 并联式混合动力汽车具有以下特点 : (1)结构简单，特别是省去了独立的发电机，两套动力装置可单独或同时驱动，输出总功率可以为两个动力系统的叠加，因而单个动力系统功率可以减小，有利于机构布置。 (2)两套动力装置可直接驱动车轮，因此效率提高，能量损失降低。 (3)两套动力装置要根据车辆状态进行切换，动力控制系统及机械切换系统相对复杂。 (4)采用电动 /发电机可以空载发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里程。 在并联式混合动力车辆驱动系中，联接部件用于完成传动系组成部件间的联合。 根据具体的联接 部件位置，并联混合动力车辆具有单轴联合式、双轴联合式和单个驱动系联合式三种基本的布置方案 5。 单轴联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在原动机输出轴处实现的，齿轮箱的输入轴为单轴，发动机的输出轴通过离合器后与电动机的转子轴直接相连。 双轴联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在齿轮箱中实现的，齿轮箱 (减速 /变速器 )具有两个或多个输入轴，仅有一个输出轴。 单个驱动系联合式是指车辆驱动系中机械动能的联合是在车辆驱动轮处通过路面实现的，它具有两套或多套独立的驱动系。 单个驱动 系联合式驱动系在充分利用车辆的地面附着力方面具有优势，通过合理地控制，可大大改善车辆的驱动性能，但系统组成比较庞发动机 扭矩耦合转置 传动变速机构 道路负载 电 池 功率变换器 电动机 车辆控制器 13 大，控制复杂。 混联式混合动力汽车 混联式混合动力电动汽车综合了串联式和并联式的结构特点，由发动机、电动 /发电机和驱动电动机三大动力总成组成，可以根据行驶条件以串联和并联模式工作。 所以，混联系统具有串联系统和并联系统的双重特性，具有以下两种布置形式 : 切换系统 图 混联式混合动力 汽车切换系统布置形式 采用该种布置形式时，利用离合器的断开与结合可使该系统在串联系统和并联系统之间切换。 如图 ，当汽车在城市里行驶时，要求低负载和低排放，可断开离合器，系统工作在串联模式。 而当高速行驶时，有较高的负载要求，串联系统由于发动机的高功率输出而不能有效工作，于是离合器结合，变为并联系统。 混合动力汽车的其它分类方法 根据行驶前后蓄电池组的荷电状态 (State Of Charge， SOC)变化情况，车辆控制器 发 动 机 发电机 离合器 扭矩耦合转置 传动变速装置 道路负载 电池 功率变换器 电动机 14 混合动力汽车可分为电量维持型和电量消耗型两种。 前者蓄电池组容量较小，在行驶时电池荷 电状态保持在一定范围内变动，电池组不需从外部电网充电。 后者蓄电池组容量较大，在行驶一定的里程后，电池需要从外部电网充电。 此外，根据驱动系中组成部件功率间的分配比例，混合动力汽车还可以分为里程延长型、双模式型和助力型三种。 里程延长型混合动力车辆装备较大容量的电池组和小型的附加车载能源 (如发动机 /发电机组 )或小功率的原动机(如内燃机 )，其混合比较大，适用于对排放严格限制的市区车辆。 助力型混合动力车辆的是在普通内燃机车辆上增加电传动系统，以优化内燃机的工作点，提高车辆的经济性和降低排放。 双模式型混合动力车辆综合了 上述两种类型车辆的特点，可以零排放模式行驶较长的距离。 电力辅助型混合动力汽车的结构与特点 混合动力汽车最主要的问题是根据车辆的性能要求和行驶情况，合理的驱动系统的结构形式，匹配驱动系统各部件的参数以及在车辆行驶过程采用有效的算法对各部件的协调控制 7 .混合动力汽车动力传动系各部件特性、参数匹配及控制策略决定了整车的动力性、燃油经济性、排放特性、制造成本及重量。 串联式混合动力汽车比较简单，易于控制，其特点更加趋近于纯电动汽车，适合城市行驶中频繁起动、加 速和低速运行工况。 混联式混合动力汽车结构复杂，技术难度大，但能充分发挥混合驱动的优势。 对于并联式的动力系统，发动机和电动机两大动力总成都是驱动动力装置，在行驶时可以实现发动机驱动模式，电动机驱动模式和发动机一电动机混合驱动模式等多种工作方式。 由于发动机和发电机两大动力总成的功率可以叠加，因此可采用较小功率的发动机和电动机，使得整个动力总成的尺寸较小，质量较轻，造价也较低，适合应用在中小型车辆上。 传统燃油汽车中发动机的工作情况 传统的燃油汽车在工作时，为保证其加速和爬坡性能，发动机的最大功率选 定约为车辆以 1OOkm/h 在平路上行驶时需求功率的 10 倍，或者是在 6%坡度上以 100km/h 行驶时需求功率的 34 倍。 这样造成了发动机的工作点大部分不。