周洪涛__混合动力汽车技术的探索与研究论文

周洪涛__混合动力汽车技术的探索与研究论文内容摘要：

动，发动机又与电机组合驱动或发动机直接驱动前轮，电机驱动后轮。 特点：联结方式系统复杂，成本高。 通常适合于 四轮驱动车型。 典型车辆：丰田 Prius。 根据混合度的不同 分类 根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不 同 ，混合动力系统还可以分为以下四类： （ 1） 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起动电机（一般为 12V）上加装了皮带驱动起动电机（也就是常说的 Beltalternator Starter Generator, 简称 BSG系统）。 该电机为发电起动一体式电动机，用来控制发动 机的起动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。 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。 （ 2） 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起动电机（也就是常说的 Integrated Starter Generator， 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 起动和停止，还能够实现在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；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。 轻混合动力系黄 冈 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 8 统的混合度一般在 20％ 以下。 （ 3） 中混合动力系统 代表车型是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。 （ 4） 完全混合动力系统 代表车型是丰田的 Prius 和 未来的 Estima。 该系统采用了 272650v的高压起动电机，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％。 该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。 混合动力电动汽车的优点 混合动力电动汽车可以解决电动汽车发展中 “ 零排放 ” 的优点，但续驶里程短、动力性能差的 矛盾。 它较电动汽车和传统内燃机汽车有以下优点： 电池的容量减小，电动汽车自重过大的矛盾有所缓解。 辅助动力单元 (APU)的选用，使混合动力电动汽车的续驶里程与动力性能可以达到当前内燃机汽车的水平。 由于采用了两种动力源、智能化的搭配和转换， 可以媲美更低排量车的燃油经济性。 一般排量 L 的综合工况油耗可达 47L／ 100k m。 虽然辅助动车单元中的原动机会有一定的废气排放产生，但由于原动机主要工作在最佳工况点附近，比传统内燃机汽车在低速、怠速、加速及最高速时内燃机变工况时的废气排放 相比，可达到超低排放水平。 混合动力不仅在燃油消耗上具备优势，在动力性也同样具有一定的优势。 当车辆在需要大扭矩输出时，除了普通发动机输出扭矩外，电动机也可以辅助输出动黄 冈 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 9 力。 这样完全可以媲美高排量车的动力性。 由于车辆在中低速时，采用电机进行驱动，大大降低了发动机的噪音。 制动能量回收系统可节省能量，同时提高制动系统的可靠性和延长制动器的使用寿命。 利用原动机输出的动力直接带动车内空调、暖风、制动空压机 (或真空泵 )、动力转向系统等，无需消耗电池组内有限的电能。 保证了乘员的舒适性和驾驶的轻便性。 由于在城市工况占绝大多数的行驶环境里，主要由电动机驱动车辆， 大大降低排放。 可以满足最严格的排放法规。 我们坚信，随着科技的进步和社会的发展，当真正的电动汽车一个个技术瓶颈被突破以后，必将成为今后汽车发展的主流。 而在电动汽车时代到来之前，混合动力也必将演绎着它重要的角色。 在某些对汽车废气排放严格限制的地区 (如商业中心、旅游区、居民小区等 )，混合动力电动汽车可以关闭 APU，由纯电力驱动，成为零排放的电动汽车。 正因为以上优点，世界各国政府、各大汽车公司都投入巨大力量开发混合动力电动汽车。 混合 动力电动汽车的关键技术 混合动力电动汽车的开发研制 必须解决的 关键技术问题 在混合动力电动汽车的开发研制中 必须解决以下几个关键技术问题 ： (1)混合动力电动汽车用电池的开发研制以及充放电特性和电池管理系统的研究。 在混合动力电动汽车上要求电池不但要具备较高的能量密度，而且要求较高的功率密度及充放电效率。 电池的荷电状态 (State of Charge，简称为 SOC)是表示电池使用特性的重要参数。 经无数次不同电流的充放电循环后，电池的 SOC如何定义和判断至今仍有待于研究。 (2)动力分配装置的研制。 动力分配装置是以机械的方式将混合动力驱动系统的电机、内燃机以及发电机结合在一起，实现不同驱动方式的组合及分离。 其要求是：黄 冈 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 10 能自动、快捷、方便的实现驱动方式的组合、转化和分离；高效、可靠、轻量化、成本低。 (3)能量管理系统的研制 能量管理系统就是根据驾驶员的指令，电池的荷电状态 (SOC)、充放电效率，内燃机 (或燃料电池 )的最佳工况，电机及发电机的效率等信息，以决定在不同行驶工况下自动实现不同驱动方式及控制策略，使汽车永远运行在最佳工况。 (4)高效低成本辅助动力单元 (APU)的研制 适用于混合动力系统的原动机－小型、高速直喷式汽油机，高速燃气轮机、斯特林发动机等的优化设计，发电机、燃料电池的性能改进等，都是今后混合动力电动汽车辅助动力单元实用化的重要组成部分。 混合动力电动汽车将是今后相当长时间内汽车的主要结构方式。 其技术的进步将代表汽车今后发展的方向。 推广应用中的最大障碍 目前电动汽车推广应用中的最大障碍是受电池性能的制约。 主要问题 是： (1)电池极低的比能量密度 (2)过重的电池组使整车重量增加 (3)有限的续驶里程与较低的动力性能 (4)汽车辅助功能的使用受到 限制 (5)电池组昂贵的价格及有限的循环寿命 由于以上困难，在燃料电池尚未大量应用到电动汽车上之前，混合动力电动汽车是解决环境和能源问题的可行方案。 最新研究表明，使用燃料电池的电动汽车，为了更好的发挥燃料电池的作用，采用混合动力系统是最佳的选择。 黄 冈 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 11 3 混合动力汽车的发展现状 混合动力汽车英文缩写为 HEV，即 Hybrid Electric Vehicle。 根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议，对混合动力汽车的定义为 “ 有多于一种的能量转换器能提供驱动动力的混合型电动汽车 ”。 HEV是传统内燃机车辆与电 动车辆的混血儿，它继承了电动汽车低排放的优点，又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处，显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程，在由内燃机汽车向电动汽车的转变过程中扮演着承上启下、继往开来的角色。 从世界范围来看，美国、法国、日本、德国、英国、意大利、瑞士等国家均已跨入电动汽车产业化、商品化行列。 根据收集到的数据显示美国目前有 330台混合动力客车已经上路。 日本在 1989年由日野 (HINO)公司开发了全球首例串联式柴一电混合驱动系统 HIMR。 目前装备该系统的汽车已超过 300辆，主 要为在大城市行驶的客车和公交客车。 1999年，丰田公司的 “ PRIUS” 混合动力轿车在日本销售达 3万多辆，至 2020年，该款混合动力轿车在全世界的累计销量以达到 12万辆。 2020年，丰田公司将在它生产的所有车辆上安装油电混合动力发动机以增加汽车的燃油经济性并降低废气排放。 欧洲沃尔沃客车公司早于 1995年就开始了 “ 环保概念客车 ” 的研究，开发了以乙醇为燃料的燃气轮机电动混合客车，并于 1999年开始在瑞典进行路试检测。 德国 MAN商用车公司也和福伊特驱动技术有限公司 (VoithTurbo)及西门子汽车科技公司联合开 发了 EPCOS超级电容的柴一电混合动力电动客车，并于 1998年 3月首次在德国纽伦堡投入试运行。 国内混合动力汽车的研究近年来也高潮迭起。 国家预计 “ 十五 ” 期间在电动汽车项目上投入 元资金。 武汉、北京、天津、上海、长春等城市也已推出电动汽车项目，全国承担该项目的企业约有 70多家。 一汽集团公司利用自身的汽车生产优势，大力开发混合动力汽车并准备在长春建设具有国际意义的 “ 绿色汽车 ” 研发生产基地。 东风汽车公司已推出 HEB11—1混合动力大客车、燃料电池电动客车、 HUST串联混合动力客车，以及富康 988混合动力轿车 、 CEV—95电动轿车概念车等 7个产品。 上汽集团将与通用汽车联手打造用于日常使用的混合动力客车，该车将搭载由黄 冈 职 业 技 术 学 院 毕 业 论 文 12 通用汽车下属变速箱分部研制的、目前全球最先进的客车混合动力驱动系统。 除了企业不断加大研究力度，许多研究单位大学也都开始进入实验阶段。 例如上海比亚迪有限公司设计出一种以燃油和电力能源为动力源的混合动力汽车动力系统。 北方交通大学、沈阳理工大学、清华大学等都公开。 自 1995年起，世界各大汽车生产厂商已将研究的重点转向了混合动力汽车的研究开发。 日本丰田汽车公司开发了混合动力 轿车。 美国三大汽车公司均开发了包括轿车、面包车、货车在内的混合动力汽车。 目前，混合动力汽车技术及市场均被看好。 日本国内拥有的混合动力电动汽车已超过 7万辆，预汁在 2020年将达到 210万辆。 美国通用公司将在 5年内销售 100万辆混合动力汽车。 目前本丰田汽车公司是走在混合动力汽车研发展前沿的汽车公司，开发的混合动力汽车已达到实用化水平。 1997年，丰田推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车，其后又在 2020年相继推出了混合动力面包车和皇冠轿车。 到 2020年底，丰田汽车公司生产的混合动力汽车在日本国内和海外的累 计销量均突破 了 10万辆，现在已经在全世界 20多个国家上市销售。 丰田混合动力系统 (THS)电子控制装置的特点是 :可分别利用电能、汽油或两者组合同时工作。 根据车速和负荷情况 ， THS可以控制每种能源所提供的功率比例，。