混合动力汽车的探索与研究

毕业论文题目：混合动力汽车的探索与研究-1-目录一、摘要···························2二、关键词···························2三、前言···························3四、正文：1.混合动力技术——汽车动力的里程碑····42.国内外混合动力系统技术发展现状·······43.混合动力系统的构成及工作特点·········54.混合动力汽车需要解决的问题和关键技术·55.发展前景分析·························6五、参考文献·························12六、附录··························13-2-摘要：随着世界各国环境保护的措施越来越严格，替代燃油发动机汽车的方案也越来越多，例如氢能源汽车、燃料电池汽车，混合动力汽车等，但目前最有实用性价值并已有商业化运转的模式，只有混合动力汽车。社会对环境和节能的重视也有力地促进了混合动力车辆的发展。本文分析了国内外混合动力汽车的研究现状，介绍了混合动力汽车的主要结构形式与工作特点，指出了混合动汽车目前需要解决的主要问题和采用的关键技术，并对其发展前景进行了预测。关键词：汽车内燃机电动机控制-3-前言随着全球汽车工业的迅猛发展，石油资源供应的日趋紧张，世界各国积极寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量，大力开发新型节能环保汽车。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。-4-正文1.混合动力技术——汽车动力的里程碑什么是混合动力技术？所谓混合动力图1，靠的是传统的汽油引擎加上电动机输出动力作配合，利用引擎在工作时对蓄电池的充电，将电动机和引擎产生的动力不断切换和转化，达到双动能推动。这样的配合以电动机驱动为主，引擎驱动为辅，达到预期为减少耗油和废气排放的环保效益。混合动力汽车的能源来源，目前来说依然主要是汽油和柴油等传统燃料，从燃料来说并不先进，但是混合动力技术在汽车动力领域具有里程碑的意义。混合动力技术可以根据不同的行驶状态，利用现代控制技术合理地采用不同的动力策略驱动汽车，并在减速时回收能量，从提高能量利用率的角度，实现了以节能促减排的效果。这项技术，为汽车动力系统从传统能源向新能源发展奠定可基础平台，而且混合动力技术不仅能够应用于油/电混合系统，而且在未来可以应用于氢/电混合系统等新能源混合系统，将成为汽车的基本动力技术。2．国内外混合动力系统技术发展现状2.1国外混合动力系统的发展概况21世纪后，各国加快了混合动力系统的概念产品化的进程，相继推出了不同形式的混合动力系统产品。丰田的Prius，本田的Insight，通用的Precept，福特的Prodigy，戴姆勒克莱斯勒的ESx3，日产的Tino等都是具有代表性的车型，其中Prius和Insight己是成熟的产品，截止2008年12月，丰田Prius全球销量已经超过了100万辆。2.2我国混合动力系统的研发现状我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，有关工作开始于上个世纪90年代。在“十五”期间，科技部组织北京理工大学、清华大学、东风汽车公司等国内多家企业、高校和科研机构进行联合攻关，确定了以燃料电池汽车(FCEV)、混合动力电动汽车(HEV)纯电动汽车(BEV)车型为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术为“三横”的“三纵三横”的研发布局;之后，节能与新能源汽车的研发又被列入“十一五”863计划重大项目。-5-3.混合动力系统的构成及工作特点混合动力驱动系统联合使用两种动力装置，一种是传统的内燃发动机，另一种是电动机。整个系统由发动机、电动机、动力分配装置、发电机、蓄电池和电流逆变器等部分构成。通常，混合动力系统的动力传递方式有三种:串联式、并联式和混联式。各自的结构形式和特点如下。3.1串联式混合动力系统在串联混合动力驱动(SHEV)系统中，所有发动机机械能都转换为电能以驱动电动机。这种系统使发动机在效率最高的转速范围内工作，因此能最大限度地改善燃油经济性和减少排放。3.2并联式混合动力系统并联式(PHEV)结构有内燃机和电动机两套驱动系统(见图2)。发动机与电动机并联，两者都可以驱动车轮，电动机还可以作为发电机给电池充电，不再需要额外的发电机。在车辆行驶时，系统以发动机为主要动力源，在车辆起步或加速时则使电动机工作，作为辅助驱动力。当发动机效率低的低负荷工况时，则电动机功能转变为发电机功能，向蓄电池充电。其次，在车辆制动或下坡减速行驶时，则通过制动能量回收系统进行制动能量回收。3.3混联式混合动力系统混联式混合动力驱动系统(PSHEV)是串联式与并联式的综合，其结构如图3所示。混联式驱动系统的控制策略是:在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。4．混合动力汽车需要解决的问题和关键技术目前，混合动力汽车所需要解决的问题包括以下几个方面:其一，进行动力分配装置和能量管理系统的研究。其二，开发具备高比能量和高比功率经济实用的电池。其三，混合动力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。其四，建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态和动态的)，进行计算机仿真分析。具体来讲要进行下面几项关键技术的研究:4.1混合动力单元技术在混合动力汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元。为提高燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多的要求，例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭等。目前对混-6-合动力单元的研究主要集中于:一是燃烧系统的优化;二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统;三是代用燃料的研究。4.2控制策略技术混合动力系统产品开发中最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化其控制策略，国外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。控制系统的开发首先是根据采集到的速度和负荷等数据，计算出对应的要求输出功率:计算出以最高效率为基点的分配到内燃机与电动机上的功率值，即实现内燃机与电动机的最优功率分配比;然后，根据功率分配比，求出驱动电动机的功率值和其它有关数据，给出内燃机的控制参数和电动机的控制参数。同时，驱动执行器完成这两个层次的工作控制。在执行器设计中，功率分配装置的设计及其与变速器的一体化设计是关键的部件设计工作。因为它要根据控制器的指令，正确地进行内燃机功率向驱动车辆功率和驱动发电机功率的分解。4.3能量存储技术在电动汽车上，蓄电池的开发和充放电特性的研究是关键。现在，镍氢电池和锂离子电池己可达到混合动力汽车的使用要求，但仍有价格高或寿命不长等缺陷。从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面:一是研究电池内部的连接、检测、监控。二是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。适用于混合动力汽车的电池需要有较高的比功率，要达到的目标是，功率与能量比值大于20W/wh;使用寿命达到10年;至少循环使用12万次。三是电池的热能管理及剩余电量管理。此外，电池的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。5．发展前景分析5.1国外混合动力技术发展现状及趋势随着人们对可持续发展的认识程度越来越高,各国政府也将可持续发展战略列入首选课题。上世纪90年代以来,国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了包括现代电子、精密机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术,使不少样车的主要动力性指标达到了燃油汽车的水平。进入21世纪后,各国加快了HEV的概念产品化的进程,相继推出了不同型式的HEV产品,Toyata的Prius、Honda的InsightFord的Prodigy、DaimlerChrysler的ESX3、GM的Precept、Nissan的Tino等都是具有代表性的车型,其中Prius和Insight已是成熟的产品,并将继续扩大生产规模,其它车型也将在2～3年内推向市场。-7-很多车型都显示出了优良的环保与节能性能。这标志着HEV市场的逐渐成熟。随着各国环境立法的日趋严厉,电动汽车、混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低,混合动力汽车的市场份额逐渐增大,已成为重点发展的新型汽车。5.1.1日本混合动力型汽车发展状况1997年12月在日本京都召开的防止地球温暖化会议,具体确定了发达国家温室效应气体排放的削减目标,进一步加快了日本有关各界对于环保措施制定和实施的步伐,特别是汽车产业投入前所未有的力量致力于低燃料费、低污染汽车的研制开发。目前的低燃料费、低污染汽车主要是以直喷式发动机为主,另外还有电动汽车、燃料电池汽车、甲醇汽车、天然气汽车、混合动力型汽车等,这些采用不同动力燃料的汽车均具有各自的优点和不足。例如:直喷式发动机是在高技术的支撑下诞生的,使其进一步提高性能存在相当大的难度;电动汽车充电一次行走距离短,而且需要配置充电设备;天然气汽车虽然能够减少二氧化碳排放但也具有一定的限度;燃料电池汽车则存在燃料氢的存储问题等。但是,由于混合动力型汽车与汽油燃料汽车相比,不仅燃料费用减少一半,而且二氧化碳的排放量可降低至普通车的1/2,排放的有害气体也可削减到规定值的1/10,具有低燃料费和低污染双重优势。因此,日本的汽车制造业普遍认为混合动力型汽车是目前最具有开发前景的车种。日产汽车制造公司1997年5月16日该公司开发出了可以使连续行驶距离增加一倍的串联式混合动力型微型轿车(排气量1300CC、搭载汽油发动机)。同年9月30日日产又开发出使燃料费降低一半,并且可以批量生产的并联式混合动力型汽车系统。日产开发混合型汽车其动力传送系统的主要设计思想与丰田公司基本相同,大致可概括为:将动力源分为汽油发动机和A、B两个电动机,根据不同的行驶状况,使之达到最佳利用状态。即起动和低速行驶时(约30公里/小时以内),仅利用A电动机驱动;中速行驶时利用发动机驱动(但急加速时A电动机也进行辅助动力传送);减速时则将电动机作为发电机使用,进行能量回收。B电动机一方面是作为起动发动机,另一方面在电池的充电量低于一定电平时回收发动机的动能作为发电机使用。从减少排放的角度看,日产和丰田两家开发的混合动力型汽车基本达到了同一指标。但与丰田公司最大的不同是日产公司于1997年9月开发出的世界第一台排气量2000CC级、搭载皮带式无级变速机的混合动力型汽车可使燃料效率进一步提高20%。由于变速装置完全是电子式控制,因此可根据不同的行驶状态,理想平稳地控制发动机的输出功率和转矩,提高传动效率。另外,电池是使用了日产电子研究所和索尼公司共同研制-8-的锂离子电池。关于锂离子电池的实用化问题,尽管在技术方面还有提出疑问的可能性,但通过电动汽车搭载考核已经证明并不存在实际应用问题,目前已经进入了可使用自如的实用阶段。虽然锂离子电池的成本要比镍氢电池高,但由于把钴电极置换成锰电极的研究正在取得进展,如果能够实用化则可使成本降低。开发的串联式混合动力型汽车的电池重量仅是电动汽车电池重量的1/3,并联式还可比串联式轻1/3,这样为混合动力型汽车的小型化和轻型化奠定了基础。日产公司计划在今年下半年或年底之前将混合动力型汽车投放市场,并且把开发所有车种的混合动力型汽车作为今后的研究方向。本田汽车公司本田公司的混合动力汽车采用内燃机带电动机助力（IMA）系统。由1.0LVETC汽油机、60mm厚的环状DC无刷汝铁硼永磁电机、镍氢电池、动力控制单元集成，装于本田Insight两座轿车上，采用手动或自动变速器，每升汽油行驶里程分别为35km或32km。已经在美国、日本销售，2001年销量4726辆。在美国售价2－2.2万美元,由于成本很高,不能盈利，实际销量小于预计。最近本田宣布将在美国销售中等尺寸的Accord混合动力轿车,采用的是V6汽油机电动混合动力技术。变气缸管理(VCM,variablecylindermanageme