混合动力技术的原理和应用.doc

混合动力技术的原理和应用环境的污染、能源的紧缺、电池过短的使用寿命和昂贵的价格、氢气的携带不便等等原因注定了只有可持续回收的能量能继续使用现有燃料补给设施的混合动力(hybridcar)技术将会在现阶段内得到长足的发展。而纯电动汽车的普及尚需时日。柴油-电力混合动力机车、能够离开电网管线继续行驶的混合动力巴士、柴油-电力混合动力矿山机械、核-电混合动力的潜艇均采用了混合动力。这里我们将要探讨的是运用在乘用车上的汽油-电力混合动力(以下简称为混合动力)。早在上世纪90年代末期，混合动力车在美国市场就已经量产和销售，由于这项技术在业界被公认是最现实可行的节油技术，因此各大汽车厂家都相继投入资金开发，如福特的EscapeSUV、本田的Insight、丰田的Prius、通用雪佛兰Tahoe等。1普通内燃机与电动机功率特性曲线分析图1 普通汽油发动机和电动机的功率曲线特性图图1是关于普通汽油发动机和电动机的功率曲线特性图。从图中不难发现普通汽油发动机往往在高转速区域内才能达到最大功率输出，而峰值扭矩会出现在中等转速内。这样的特性在一定程度上能够满足车辆行驶工况的要求。但电动机则完全不同，峰值扭矩出现在低转速段，当增加到中低转速段时，扭矩快速下降。再来看一下功率曲线，在中低转速内就能输出峰值功率，而且在整个中高转速段内，没有太大的下降，当到达高转速区内，功率输出急剧下降。这样的特性将很难满足车辆行驶的各个工况。换句话说，当一个采用纯电机的车辆在低速行驶时，峰值的扭矩输出能够驱动汽车。当高速行驶时，扭矩的急剧下降，将使车辆驱动能力或加速能力匮乏，但由于功率的输出没有太大的降幅，此时输出的转速将大大提高。基于上述的特性，现在各种混合动力都普遍的将汽油发动机和电机进行互补，在低速行驶时使用电机作为驱动，汽油发动机不参与工作，中高速行驶让汽油发动机作为驱动，把电机作为辅助动力。在城市工况行驶中，由于大部分时间不需要发动机进行动力输出，这样大大提高了燃油经济性减小了尾气的排放污染。当然，这样的描述只是一个基本模型，具体的控制将非常的复杂。下面笔者将和大家来探讨车辆是如何实现这样的“互补”功能的。2混合动力结构技术根据能量合成的方式，混合动力分为串联式、并联式、混联式。(1)串联式顾名思义，即是将电动机和内燃机两个动力源串联在一起。内燃机间歇运转驱动发电机产生电能，由电动机驱动车轮。这样的传动方式，使发动机运转平稳、排放稳定。特别是在电动机启动时能输出大的扭矩，提速较快。但由于电动机的特性，高速时动力会不足。(2)并联式电动机和内燃机共同输出动力驱动车轮。电动机由蓄电池供电驱动车轮，也作为发电机为蓄电池充电。这种方式低速和加速时运转扭矩大。但由于内燃机为主要动力源，所以尾气排放较多。(3)混联式与并联式有相似之处，可以同时使用两种动力源驱动车辆。但发电机与电动机分离，这样电动机在运转过程中也能进行充电。在低速行驶中，混联系统使用高效的电动机进行驱动，在高速时才会启动内燃机，这样保证了在各种运行工况下发挥两种动力源各自最佳效能。这也是混联式得以广泛运用的主要原因。混联式基本组成部件包括：电动机、内燃机、发电机、动力分配机构和变频器。动力分配单元将内燃机输出的动力部分用于驱动车轮，剩余的传递给发电机发电产生电能驱动电动机，或者给蓄电池充电。由于这样的方式更能适应实际工况，已被广泛采用。3混合动力核心部件简介 如图2所示，在这种混合动力传递方式下，动力的切换和分配是整个技术的核心，这样动力分配机构和变频器必将成为核心元件。下面我们通过丰田的混合动力系统来进行说明。图2 混合动力传递方式示意图图3 动力分配机构组成示意图(1)动力分配机构 (混合动力变速驱动桥) 如 图 3 所示，动力分配机构简单来看就是由一组行星轮和两个电机组成。在这些元件的配合下，通过CVT变速器使车辆平稳的行驶。电动发电机(MG1)：这是一种特殊的电机，具备发电和动力输出的双重功能。作为整个动力分配行星齿轮组控制单元，它与行星架的太阳轮相连。行星架联接内燃机的输出，通过行星组加速后，带动该电机运转，产生高电压，驱动另一个电机(MG2)或向镍氢电池(HV)充电。另一方面又作为电动机，通过行星组增扭后，启动内燃机。电动发电机(MG2)：与上述电机一样，也具备双重的功能。它与齿圈和输出轴相连。由MG1或HV电池输出的电能产生动力，通过变速器，在低速时提供车轮驱动力或高速时提供辅助动力。另一方面当车辆减速时，它又可以作为“发电机”给电池充电，回收能量。(2)变频器如图4所示，所有MG1、MG2、HV电池之间电流的转换都是通过变频器来完成。变频器将HV图4 电流转换示意图图5 电池组成示意图电池的高压直流电转变成电机所需的高压交流电驱动电机。同样又能将电机回收的高压交流电转变为HV电池所能接受的高压直流电，进行充电。当中还有一个重要的元件就是电压转换器，它执行了变压器的功能。为其它电器设备提供低压的电源。(3)HV电池HV电池一般由28个镍氢电池模块组成(如图5)，额定的电压一般为201.6V的直流电。由HV ECU(电池控制单元)不断监控电池的充电量、电池温度、水温、负载情况，发出充放电的指令。4混合动力工作原理简介(1)Ready 状态 (准备状态)当车辆位于P挡时，HVECU监控电池温度、水温、存电量和外界电负荷情况。如果所有状态满足条件，内燃机、MG1和MG2都停止工作等待起步。如果任何条件都不能满足系统中预设的条件，HVECU则发出指令，启动MG1从而启动内燃机。这里MG1演绎着启动机的角色(如图6a)。当内燃机启动后，带动MG1，又反过来通过MG1对电池进行充电(如图6b)。图6 准备状态系统工作原理图(2)起步状态该状态下仅用电机驱动车辆。车辆挂挡起步后，仅由MG2运转驱动车辆。内燃机停止运转。MG1停止不发电(图7a)。当车辆需要额外的扭矩时，MG1运转，启动内燃机(如图7b)。再通过MG1给电池充电，从而提高MG2输入电能，增加扭矩(如图6b)。图7 起步状态系统工作原理图 (3)微加速和低速巡航图8 低速时系统工作原理图此状态下内燃机和电动机共同驱动车辆，电池不被充电。内燃机动力由行星齿轮组分配，一部分用于直接输出，驱动车轮。另一部分带动MG1发电，并通过变频器的传输，给MG2的动力输出提供电源(图8)。(4)加速状态 除了增加内燃机的输出扭矩外，还要通过MG1增加对HV电池的充电，增加MG2的输出(图9)。(5)减速状态当在D挡时减速行驶，内燃机停止。车轮带动MG2作为发电机为HV电池充电(图10a)。为了保证在下坡过程中的发动机制动的效果，当在B挡时，车轮带动MG2，除了向电池充电外，还向MG1供电，由MG1带动内燃机运转。此时内燃机已经切断燃油，属于被动的运转。从而达到发动机制动的效果(图10b)。图9 加速时系统工作原理图5混合动力驱动的优势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1.5L的综合工况油耗可达4.7L/100km。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。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力。这样完全可以媲美高排量车的动力性。由于车辆在中