汽车工程专业毕业论文混合动力技术初探

目 录一 绪论21.1 21世纪汽车工业发展面临的挑战和机遇21.1.1 能源21.1.2 节能31.1.3 环保31.2 各类电动车的比较51.3 汽车的电气化61.4 HEV新技术的开发61.4.1 新型蓄电池61.4.2 燃料电池61.4.3 超导技术的开发71.4.4 “氢发动机”汽车71.5 各国HEV的试验示范区71.5.1 我国的示范区71.5.2 德国的示范区81.5.3法国的示范区81.5.4 日本的示范区8二 混合动力电动车（HEV）的发展概况82.1 大众汽车公司的混合动力电动车82.2 美国的混合动力电动车92.3 HEV的特点9三 混合动力电动汽车（HEV）103.1 概述103.1.1 概述103.1.2 HEV的主要技术总成103.1.3 HEV的分类113.1.4 HEV的控制系统143.1.5 HEV控制系统的基本组成143.2 串联式混合动力电动汽车（SHEV）153.2.1 SHEV的结构模型153.2.2 管理系统163.2.3 SHEV实车示例163.3 发动机轴动力组和式并联式混合动力电动汽车（PHEV）193.3.1 发动机轴动力组和式PHEV的结构模型193.3.2 发动机轴动力组和式PHEV管理系统203.3.3 发动机轴动力组和式PHEV的实例203.4 动力组合器动力组合式并联式混合动力电动汽车（PHEV）233.4.1 动力组合器组合式PHEV的结构模型233.4.2 动力组合器动力组合式PHEV的管理系统233.4.3 动力组合器动力组合式PHEV的特点243.4.4 动力组合器动力组合式PHEV的实例253.5 驱动轮动力组合式并联式混合动力电动汽车（PHEV）283.5.1 驱动轮动力组合式PHEV的结构模型283.5.2 驱动轮动力组合式PHEV的控制系统283.5.3 驱动轮动力组合式PHEV的特点303.5.4 驱动轮动力组合式PHEV实例303.6 动力组合器动力组合式混联式混合动力电动汽车（PSHEV）323.6.1 动力组合器动力组合式PSHEV的结构模型323.6.2 控制系统323.6.3 力组合式PSHEV的控制策略和控制系统333.6.4 动力组合器动力组合式PSHEV的特点333.7 驱动轮动力混合式混联式混合动力电动汽车（PSHEV）343.7.1 驱动轮动力组合式PSHEV的结构模型343.7.2 驱动轮动力组合式PSHEV的控制系统343.7.3 驱动轮动力组合式PSHEV的控制策略353.8 SHEV、PHEV和PSHEV的性能比较363.8.1串联式混合动力电动汽车（SHEV）的特点363.8.2 并联式混合动力电动汽车（PHEV）的特点363.8.3 混联式（串并联式）混合动力电动汽车（PSHEV）的特点373.8.4 不同形式的HEV特点比较383.8.5 HEV的发展优势39四 混合动力电动汽车要解决的关键技术39五 我国混合动力汽车现状和建议435.1 我国混合动力汽车现状435.2 机遇455.3 日本混合动力汽车技术的威胁455.4 我国普及混合动力汽车面临的问题455.5 建议46一 绪论1.1 21世纪汽车工业发展面临的挑战和机遇内燃机汽车经过120年的发展和壮大，逐步实现机电一体化和全面应用现代高科技，其性能一达到至高的境界，在安全、环保、节能和价廉等方面取得巨大进展。但是，内燃机汽车的发展也面临严峻的挑战，主要有以下几个方面：1.1.1 能源石油是国防工业、化学工业、冶金工业和机械工业等各个部门重要能源和原料，航空运输、航海运输、铁路运输和汽车运输长期以来大都以石油及石油制品为主要燃料。目前，世界上各种汽车的保有量超过6亿辆，每年新生产的各种汽车约3500万辆，按平均每辆汽车年消耗1015桶石油及石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达到6070亿桶，约占世界石油产量的一半以上，石油资源的开采每年达到几十亿吨。经过长时期的现代化大规模开采，石油资源日渐枯竭，按科学家预测，地球上的石油资源如果按目前的消耗的水平，仅仅可以维持60100年左右。能源危机曾经对世界经济的发展带来严重影响，为了争夺石油资源，在国际上已发生众多石油资源纠纷，甚至爆发争夺石油资源战争。21世纪，人类将面临更加严峻的石油资源的挑战，石油资源是亟待解决的重要问题之一，也是世界不稳定的因素之一。除石油能源之外，还有人工合成燃料、液化天然气、氢气、煤炭、原子能、水力、风力、潮汐和太阳能等能源，这些能源来源广泛，但其中只有少量的人工合成燃料、液化天然气、氢气可以直接作为汽车发动机的燃料外，其他所有能源都需要转换成电能，才能供各种工业生产使用。电能已经是而且将来也是地球上长远使用的重要能源，电能还要为人类进入太空提供生存和外星开发的能源，因此，航空运输、航海运输、铁路运输必然会转向更多的利用低能作为能源。事实上电动汽车、电力汽车和核动力舰艇等，早已开创了使用电能的历史，在运载工具实现电气化的同时，也会大大的减轻人类对石油资源的依赖，开发和研制电动汽车是人类社会发展的必然趋势。内燃机汽车所需要的石油资源逐渐枯竭势必然趋势，不以人们的意志位转移。而人工合成燃料、液化天然气、氢气等能源还不能完全取代石油燃料，还有待进一步开发。电能来源广泛，人们对电力的使用，已积累了丰富的经验，21世纪电能必然会成为地面运载工具的主要能源，发展和研制电动汽车是人类社会发展的必然趋势。1.1.2 节能从原油提炼成汽油、柴油、润滑油以及其他石油制品，在经过管道、铁路或远洋运输等运载工具的运输、分配、销售等环节的小号，经营环节的消耗量约占石油能量的30%左右。通常车用内燃机有效效率约30%左右，在满负荷条件下通过传动系统后到达车轮的有效效率约为21%左右，但实际上内燃机并不是经常满负荷的运转，在部分负荷运转的条件下，内燃机的有效功率还更低一些，平均能量的利用率仅为15%16%。一般情况下，火力发电厂的热效率较内燃机的高，即使在用重油为燃料的发电厂，通过热电转换后转变成电力输出、再经过蓄电池的充电等环节来供给电动汽车电能，在电动汽车的车轮上仍然可以获得有效效率约为20%22%左右。何况其他燃料的发电厂的热效率，远远大于燃烧重油的发电厂，电能的应用是更加有效的节能措施。另外值得注意的是各国正在重视新一代的燃料电池的开发，燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能，是燃料的发电效率提高到50%55%，而且不会对大气环境造成污染，是一种更为节能、高效、清洁的能源转换方式。1.1.3 环保人类在使用各种燃料通过燃烧产生能量时，必然会产生各种各样的燃烧废气，石油和石油制品、人工合成燃料、液化天然气、煤炭等在燃烧后。除产生大量的水蒸气和二氧化碳外，还会产生各种有害气体，这些有害气体主要有：1.二氧化碳二氧化碳是任何一种燃料燃烧后必然产生的主要废气，二氧化碳不是有害气体，但他的排放会使地球的大气变暖。据全世界气候资料统计表明，地球的大气温度逐步变暖，形成所谓的“温室效应”，直接危害人类的身体健康。能够引起人类多种疾病。大气环境温度变暖还会使南极冰雪覆盖层融化或流失造成世界性的气温失调，大气对流圈中的臭氧变浓，海洋中出现“厄尔尼诺”现象和引起大量海洋鱼类的死亡等。2.一氧化碳一氧化碳是石油燃料中的烃分子或煤炭中的碳分子燃烧不完全时的产物，一氧化碳是一种毒性很大的气体，他于人体内的血红蛋白有较高的亲和力，会破坏人体内的血红蛋白正常的输氧功能。当大气中的一氧化碳的浓度达到0.001%时，人们就会慢性中毒，出现缺氧、心慌等症状。当大气中的一氧化碳浓度达到0.003%时，人们就会进一步中毒，出现贫血、头晕、头疼等症状。当大气中的一氧化碳浓度达到0.012%时，人们就会深度中毒，在1小时左右会因中毒而死亡。当大气中一氧化碳的浓度达到1%时，人们就会立即中毒身亡，即通常所说的“煤气中毒”。一氧化碳能够在大气中停留23年，在一些大城市上形成稳定的污染层，对大气环境造成严重危害。3.氮氧化物氮氧化物是石油燃料在高温条件下燃烧的产物，包括一氧化碳和二氧化碳，一氧化碳在空气中与氧接触后也形成二氧化碳。内燃机排放出来的氮氧化物是一种有特殊刺激臭味的褐色气体，当大气中的二氧化碳浓度达到0.0005%时，人们就会出现呼吸失调的症状，从而引起肺功能衰退、伤风、感冒或眼睛发炎等，二氧化碳还可能形成酸雨对植物和农作物造成危害。4.碳氢化合物碳氢化合是石油燃料中的烃分子在燃烧不完全的产物，空气中的碳氢化合物对人类的听觉和视觉会产生刺激作用，而且可能会使人体发生癌变。5.二氧化硫根据汽车燃烧的燃料种类不同，在某些地区生产的石油燃料中含有少量的硫粉，一般情况下在柴油中所含的硫份比在汽油中所含的硫份多一些，少量的硫粉在燃烧后产生二氧化碳气体。在煤炭中如果含有少量的硫粉，在燃烧后也会产生二氧化硫气体。二氧化硫对人体呼吸系统有刺激作用，而且会使呼吸系统的病情加重。二氧化硫可能会形成酸雨，对植物和生态环境造成危害。6.光化学烟雾在大气中如果存在碳氧化物和碳氢化和物时，在适当的条件和阳光作用下，会产生光化学烟雾。在美国的洛杉矶发生过光化学烟雾事件，光化学烟雾笼罩在城市上空，使空气中的臭氧含量浓度增加，使人们感到呼吸紧张和头疼等。在日本、欧洲的一些城市的上空也曾发生过类似的光化学烟雾现象。7.铅微粒、碳微粒为了防止和减轻汽油机载工作时产生爆燃，在汽油中添加铅的化合物，能过改善汽油的品质，提高汽油的“辛烷值”，增加汽油的抗爆性能。我国长期以来都是用含铅汽油，含铅汽油在燃烧后，排出直径小于0.2m的铅微粒于大气中。铅是一种有害的重金属，人们吸入含有铅微粒的空气，会损害人类的神经系统，严重时会引起铅中毒。在柴油机中的柴油燃烧不充分时，会排出大量的黑烟，其中大部分为没有燃烧的碳微粒，碳微粒的直径约为0.110m的多孔性微粒，柴油燃烧时的一些未完全燃烧的碳氢化和物附着在碳微粒的表面上，有时附着有苯丙比等致癌物质，对人类造成伤害。在煤炭燃烧不完全时，在烟囱上冒出的滚滚浓烟，也会产生大量的碳微粒，这些烟中的碳微粒造成周围空气的污染，使得长期在这种环境下生活的人们会增加呼吸系统的疾病，周围环境布满灰尘，破坏了植物的生态平衡。8.噪声内燃机汽车的噪音主要时燃烧噪声、进气和排气过程中气体的空气动力性噪声，这些噪声随汽车的行驶，飘逸在其经过的环境中，噪声影响范围广阔，只有在每台汽车上装置降低噪声的处理系统，来使其降低达到国家规定的标准。噪声降低的处理一般会消耗一部分发动机的能量和降低内燃机的功率。及时采取了降噪措施，但由于汽车数量太大，噪声对周围环境的污染仍然十分严重。汽车所产生的噪声对人们影响最大，特别时在大城市中，汽车说产生的噪声几乎24小时不停息，给城市人们的生活、休息和睡眠带来极大影响，会引起人们的神经系统和心血管功能的紊乱。内燃机汽车燃烧石油燃料对大气环境造成的污染最严重，汽车燃烧所产生的有害排放物对着汽车的流动，散布在其所经过的所有的地方，特别是散播在城市近地面上空2030m的空间中，这些地方正是人们主要的生活区域，但又没有办法对这些散发的废气进行收集和处理。因此，只有在每辆汽车上配备一套废气处理系统，来减轻汽车排放对大气环境的污染。随着汽车保有量的增加，汽车发动机的排放对大气造成的直接污染愈来愈严重，也是人们最关心的焦点，各国都制定了严厉的法规来限制汽车排放对大气环境污染。尽管开发了多种多样新型代用材料，来降低汽车排放对大气环境的污染，也只能有限减少一些对大气环境的污染，成为所谓的“低污染”汽车，但因汽车的保有量很大，即使采用“低污染”汽车，每天所产生的废气对大气的污染仍然是十分严重的。1.2 各类电动车的比较针对以上内燃机汽车的各种负面影响，急需研制一种高效、节能、环保的新一代汽车。在这些方面中，电动汽车是最有可能取代现有的内燃机汽车的，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。目前，各种概念的节能环保汽车主要有先进柴油车、天然气汽车、醇燃料汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车和混合动力汽车等。纯电动汽车和燃料电池汽车已经被公认为在2020年以后才有可能产业化。天然气汽车由于加汽站网络建设障碍问题以及天然气的工业用途和居民家用需求量巨大而不可能普及。醇燃料的经济性较汽油好4%13%，醇燃料汽车尾气排放甚至优于天然气汽车，动力性也很好，而且是可再生生物燃料，具有长远战略意义。但醇燃料近期还不具备大量制备的条件，而且甲醇有毒，乙醇不稳定的特点致使醇类燃料汽车在短期内也难以实现规模化。目前技术最成熟的是先进柴油车，与传统汽油车相比，先进柴油车节能可达30%，所以在欧洲得到大力推广，目前柴油轿车普及率已超过46%。混合动力是采用内燃机与电力共同驱动汽车的技术，根据混合动力程度的不同，从弱混、中混到强混，混合动力汽车分别可以节能7%、20%到35%，动力性能与传统汽车相当，尾气排放要大大优于纯粹的汽油车，而且在任何一个加油站都能补充燃料。针对先进柴油车和混合动力汽车，欧洲主要推崇先进柴油车，而日本主要推动混合动力汽车。由于混合动力汽车与先进柴油车并不矛盾，所以，现在欧洲也开始接受并大力发展混合动力汽车，包括汽油混合汽车和柴油混合动力汽车。实际上，电力不仅能与先进柴油机相混合，还可与生物燃料、天然气等所有内燃机相混合，达到更加节能环保的效果。所以混合动力技术不仅是短期现实可行的技术，而是长远的根本的节能环保技术之一，而不是所谓的“过渡技术”。当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40，在市区还会跌至25，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。由于燃料电池汽车、纯电动汽车的技术还不成熟，现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（Hybrid-ElectricVehicel，缩写HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了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，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10以上，废气排放可改善30以上。1.3 汽车的电气化陆上车辆大家族中粗略的分为火车、汽车、特种车辆等，随着历史的发展，在陆上车辆蒸汽机动力被淘汰后，发动机动力（主要是内燃机）占据了统治地位达100多年，20世纪后期电动动力已经进军到陆上车辆队伍中，逐渐取代了发动机动力，这是科学技术发展的规律，也是节约石油资源、保护地球环境的必然趋势。通常将电力或混合动力驱动的轿车、客车和货车都统称为“电动汽车”，而业内人士还进一步将电动汽车分为EV、FCEV、HEV，正如把普通汽车分为汽油车、柴油车、转子发动机汽车等一样。电动汽车一般不于电动服务用车和电动游乐车等电动车辆相混淆。电动汽车的最终目标是达到内燃机汽车的技术性能水平，并逐步取代发动机汽车，使线陆上车辆全盘电动化。1.4 HEV新技术的开发1.4.1 新型蓄电池新一代铅酸蓄电池和第二代“高能”蓄电池，在原理上基本大同小异，都是利用蓄电池中的活性物质，在蓄电池充电和放电时进行可逆性化学变化，完成电能-化学能-电能-化学能的转换。因此，活性物质和电解质的材质、性能、温度和反应条件以及使用寿命等有关，限制了这种蓄电池性能的扩展，一般这些电池的实际质量比能量和质量比功率，距离理论所能够达到的质量比能量和质量比功率有较大的差距。并且活性物质在充电和放电时进行可逆性化学变化时，会衰减、老化、变质，以及最后损坏而报废。澳大利亚新南威尔士大学的玛丽亚教授研究和开发了“劝钒氧化还原流体电池”（VRB），这种电池具有大电流放电的能力，又可以耐受大电流充电的冲击，是HEV理想的电池，而且在在其他领域也具有巨大的发展空间和潜力巨大的市场。1.4.2 燃料电池内燃机汽车采用汽油作为燃料时，汽油的质量比能量高达12400Wh/kg，这是各种蓄电池所无法比拟的。1839年，威廉格鲁夫就发明了燃料电池，随着时间的推移和航天事业的发展，燃料电池愈来愈显示出它的巨大的潜在能力。燃料电池是一种把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”，20世纪六七十年代，美国开始将燃料电池用于航天飞机上，进入20世纪80年代以来燃料电池逐渐应用到潜艇上作为动力源。燃料电池是将燃烧的化学能直接转换为电能的“发电装置”，燃料电池能量转换不受卡诺循环的规律的限制，热效率要比内燃机高得多，在室温条件下的转换效率最高可达84%。燃料电池在帐行过程中，不需要复杂的传动装置，不需要润滑剂，没有振动和噪声。燃料电池可以采用各种高比能量的燃料作为燃料，主要有氢气、汽油和甲醇等。1.4.3 超导技术的开发20世纪世界上的超导材料的发现及其应用获得了很大的发展，超导现象的发展和开发，使人们在电能应用方面有了重大突破，现在可供使用的超导材料有两大类：一类是在1986年以前发现的铌-钛合金和铌-三锡化合物等金属系低温超导材料，使用269的低温来冷却。另一类是在1986年以后发现的钇-钡-铜-氧和铋-锶-钙-铜-氧等金属氧化物系高温超导材料，使用196的液态氮来冷却。高温超导材料的发现伪钞倒计时的实际应用提供了更加美好的前景.1.4.4 “氢发动机”汽车戴姆勒-克莱斯勒汽车公司和宝马汽车公司正在研究和开发用液态氢气为燃料的“氢发动机”汽车，马自达汽车公司也正在研究和开发用液态氢气的“氢转子发动机”汽车。2000年汉诺威万国博览会上，宝马公司汽车用装有V12氢发动机的宝马7系列轿车，在市内到博览会和机场到博览会之间作为短程班车运行。宝马汽车公司认为氢发动机以氢气作为燃料，可以与普通内燃机一样，用活塞压缩氢气，使氢气产生燃烧而做功。在工作过程中，完全不排放二氧化碳，可以达到“零污染：汽车的要求，从发动机排放出来的水是真正的”纯净水”，甚至可以饮用。这是世界上首批氢发动机汽车，令人耳目一新，标志着“零污染”汽车领域内崭新技术的发展。马自达汽车公司用液态氢气燃料的HR-X“氢转子发动机”汽车，氢气存储在金属氢化物的储存器中。双转子发动机的排量为1L，设计功率74KW，空气进入转子发动机后被压缩，在压缩过程中将氢气喷入，与空气混合并燃烧，由排气口排出的是水蒸气，完全不需要翠华、转化装置，所排出的水蒸气完全没有污染。氢气成为21世纪汽车的动能，是不以人们一直为转移的必然过程，目前氢燃料提取还没有大规模的生产、储存、运输、罐装和使用安全性还正在研究和开发中，但在21世纪初叶，氢气将成为车辆的主要燃料。二 混合动力电动车（HEV）的发展概况混合动力电动车（HEV）是目前还找不到理想的高质量比能量和质量比功率的车载电源之前，电动汽车的发展暂时受到阻挠而发展起来的新型车型，HEV是一种独立型车型，在21世纪HEV将会得到迅速的发展。2.1 大众汽车公司的混合动力电动车大众汽车公司“济科”(chico)牌混合动力电动微型汽车，车长3150mm、宽1600mm、高1480mm，可乘坐4人，整备质量785kg。采用0.636L，压缩比9.3：1、功率25kw/（6000rmin-1）、转矩45N/(3000 rmin-1)的三缸汽油机和一台6kw/（12800rmin-1）电动机共同组成的混合动力驱动系统，电动机兼作发动机的飞轮、起动机、发电机和电动机。汽油机和电动机通过两个自动离合器和一个五档变速器，驱动桥驱动车辆行驶。但速度低于60kw/h时，有动力电池组提供电能，车辆用电动机驱动，在速度60kw/h启动汽油机驱动桥驱动车辆行驶，当车辆加速或爬坡时，发动机与电动机共同组成混合驱动模式驱动车辆行驶，因此有三种驱动模式可选择。最高车速131km/h,080km/h的加速时间为19s,0100km/h的加速时间为30秒。“济科”牌SHEV在城市行驶平均能量消耗每100km为1.4L汽油加13度电。每100km汽油消耗量相当于3.2L/100km。2.2 美国的混合动力电动车混合动力电动汽车（HEV）首先在欧洲出现，引起美国各大汽车公司的注意，为了减少对石油进口的依赖，改善对大气环境的污染，达到加州的派饭标准的要求，在汽车工业领域内具有更强大的竞争力和更大的市场，必须在HEV的整车和关键技术方面夺取领导地位，1993年9月，美国政府机构和美国汽车研究会以及一些有关单位，共同联合成立“新一代汽车研究会”PNGV，美国政府通过PNGV与汽车界达成了多种合作研究，开发协议，并协调政府有关部门，国家实验室和三大汽车公司的人力，物力资源，其研究方向代表了三大汽车公司及其用户的利益。PNGV提出新开发大概念车洋车的所达到的标准为：在10年的时间内达到乘坐56人，整车质量898kg，燃料消耗量3L/100km，096.56km/h，加速时间为12s，行驶里程612KM的目标。经过多年的研究，开发和试验等，美国三大汽车公司都推出了混合动力电动汽车HEV概念车或样车，通用汽车公司的概念车为Precept概念车，福特汽车公司概念车为Prodigy概念车，克莱斯勒汽车公司的概念车为Dodge ESX3，基本上都是采用发动机为主，电动机为辅的方式，来达到上述标准的要求。2.3 HEV的特点HEV既要使用发动机作为动力，又要对发动机的节能和环保做出种种限制，使发动机的燃料消耗降低到最低，使发动机的有害气体的排放达到“超低污染”标准的要求。要用发动机的动力来保证HEV正常行驶时所需要的基本动力。采用控制发动机转速范围、降低发动机的最高转速、保持发动机未定均衡的运转、并采取“开-关”的控制方式，使发动机避开起动、怠速和转速突然变化时，燃料燃烧不完全而引起的燃料经济性降低和增加有害废气的排放，从而控制发动机始终处于最佳状态下运转。另外，HEV还可以广泛地采用转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机作为HEV的发动机。HEV上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的装备质量进行限制，以减轻HEV的总质量。因此，一般电动/发电机只是在HEV发动机启动、车辆启动、加速或爬坡时起作用。电动/发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率的作用。电动/发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换成电能，储存在电池组中去。在HEV下坡或制动时，将汽车的惯性动能转换成电能，储存在电池组中去。因此，HEV有了电动机的辅助作用，就可以使HEV达到节能和“超低污染”的要求。HEV能够充分利用内燃机汽车的生产技术和生产工艺，现有的汽车制造厂只需添加一些工装设备，就完全可以生产HEV。HEV不需要另外建立燃料的储存、运输、添加等装置，可充分利用现成的加油站。HEV也不需要另外建立保养、维修等后勤服务体系。因此深受汽车制造公司的赏识，从20世纪90年代起，全世界又掀起研究开发和制造HEV的竞争热潮，21世纪HEV有可能成为汽车工业的主导产品。三 混合动力电动汽车（HEV）3.1 概述3.1.1 概述混合动力电动汽车（HEV），是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种车型，它是一种内燃机汽车向电动汽车“过渡”型的车辆，同时，也是一种“独立”型车辆。HEV将存在一个较长的历史时期，并且在21世纪的运载车辆上占有重要的地位。HEV（Hybrid-ElectricVehicel）混合动力装置。混合动力汽车是采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统开动汽车，达到节省燃料和降低排气污染的目的。使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，但共同的特点是排量小、重量轻、速度高、排放好。使用的电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动停止时，只靠发电机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。在HEV采用了发动机驱动系统，同时还采用了电动机驱动系统。发动机与电动机共同组成混合动力系统来驱动车辆行驶，是车辆的燃烧消耗量和废弃中所排放的有害废气大量的降低，目前，要求混合动力轿车（相当于普通轿车和中级轿车）的燃烧消耗量在3L/100km左右，废气中所排放的有害气体达到“超低污染”的排放要求，是21世纪初期HEV的努力目标。在HEV上保持了发动机（主要是内燃机）和发动机的电子控制系统，但对所采用的发动机的功率一般要比同级别的内燃机汽车小，但对燃油消耗量和废气排放的污染提出了更高的要求。除了采取了各种现代化最新技术使发动机经常处于效率最高状态运转外，充分发挥电动机的低速大转矩的特点，使发动机避开在启动、加速和爬坡时燃料消耗量增大和废气排放增多的不利工况，是HEV的主要特点。HEV的应用还能够继续发挥现成的燃油（汽油和柴油）的供应系统工程的作用，大量节约了对燃油供应系统工程的投资。3.1.2 HEV的主要技术总成1.发动机HEV可以广泛地采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。一般转子发动机和燃气轮机的燃烧效率比较高，排放也比较洁净，采用不同的发动机就可以组成不同的HEV。2.电动机HEV可以采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁组电动机等。随着HEV的发展，直流电动机已经很少采用，多数采用了感应电动机和永磁电动机，开关磁组电动机应用也得到了重视，还可以采用特种电动机作为HEV的驱动电动机，采用不同的电动机就可以组成不同的HEV。3.电池HEV可以采用不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等作为“电池”，一般电池是作为HEV的辅助能源，只有在HEV用电动机起动发动机或电动机辅助驱动时才使用。3.1.3 HEV的分类混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。 混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种：1. 串联式混合动力汽车（SHEV）串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联方式组成SHEV动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。SHEV用发动机-发电机组均衡地发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使SHEV的行程得到延伸。实际上SHEV的发动机-发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机并不直接参与SHEV的驱动。SHEV的发动机，可采用四冲程内燃机、二冲程内燃机、转子发动机和燃气轮机。发动机-发电机组，发动机的转速控制在一定范围内，不受SHEV运行工况的影响，经常保持在低燃耗、高效率和低污染的状态下运转。SHEV驱动系统的结构比较简单，动力电池组、发动机-发电机组和驱动电动机在地盘上的布置有较大自由度，控制系统也比较简单，因为只有唯一的电动机驱动模式，其特点是动力特性更加趋近于EV。SHEV必须装置一个大功率的发动机-电动机组，再用驱动电动机来驱动车辆。发动机、发电机和驱动电机的功率都要求等于或接近SHEV的最大功率，在热能-电能-机械能之间的转换过程中，总效率低于内燃机汽车。三大动力总成的体积较大，质量也较重，还有庞大的动力电池组，使得在中小型汽车上布置有一定的困难，一般适合大型客车采用。2.并联式混合动力电动汽车（PHEV）并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。PHEV 是又发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成，发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成PHEV的驱动系统。从PHEV的动力系统组成，可大致分为发动机-驱动系统（变速器和驱动桥）-驱动轮等，电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，可以：1在发动机输出轴处进行组合；2在变速器（包括驱动桥）处进行组合；3在驱动轮处进行组合。因此，PHEV的驱动力组合有以下不同的组合模式：1）发动机轴动力组合式PHEV发动机轴动力组合式PHEV只有发动机和电动/发电机两大动力设备，发动机和电动/发电机的动力在发动机输出轴上进行组合，然后通过由离合器、变速器、驱动桥和半轴组成的传统的驱动系统带动车轮行驶，称为发动机轴动力组合式PHEV。2）动力组合器动力组合式PHEV动力组合器动力组合式PHEV只有发动机和驱动电动机两大动力设备，发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合，然后通过差速器和半轴带动车轮行驶。由于发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合，称为动力组合器动力组合和PHEV。3）驱动轮动力组合式PHEV 驱动轮动力组合式PHEV的发动机通过离合器和驱动桥独立驱动PHEV的后驱动轮（前轮），驱动电动通过减速器独立地驱动PHEV前驱动轮（后轮）。在混合动力驱动模式时发动机与驱动电动机共同组成4轮驱动模式驱动PHEV的前驱动轮和后驱动轮。由于在发动机与驱动电动机混合驱动时，发动机和驱动电动机的动力（牵引力）在驱动轮上组合，因此称为驱动轮动力组合式PHEV。虽然PHEV 有不同的结构模型，但都是以发动机为主要驱动模式。发动机控制在低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳定地运转。发动机直接带动PHEV的驱动系统驱动PHEV行驶，采用传动效率高的机械传动系统，没有SHEV在热能-电能-机械能的转换过程中的能量损耗。PHEV的发动机和驱动电动机两大动力总成都是驱动力装置，在PHEV上可以实现发动机驱动模式，驱动电动机驱动模式和发动机-驱动电动机混合驱动模式等三种驱动模式。发动机和发电机各自的功率，可以是PHEV的最大驱动功率的0.51倍，两大动力总成的功率可以叠加，因此可以采用较小功率的发动机和驱动电动机，使得整个动力总成的尺寸较小，质量较轻，造价也较低，可以应用在中小型PHEV上。由于是以发动机驱动模式为主要驱动模式，其特点是动力特性更加趋近于内燃机汽车。3混联式（串、并联式）混合动力电动汽车(PSHEV)混联式装置包含了串联式和并联式的特点, 使两者的优势发挥到极致。发动机的动力由动力分割机构分割，一部分直接驱动车轮，另一部分被用于发电，其使用比例可自由控制。由所产生的电能驱动电动机，电动机的使用比例比并联式更大。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。丰田的Prius属于以电机为主的形式。混动式混合动力电动汽车（PSHEV）是综合SHEV和PHEV结构特点组成的PSHEV ，由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。由于电动/发电机必然是装在发动机的输出轴上，才能起发动机飞轮和起动机的作用，也才能保持发动机稳定运转并进行发电。因此电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，只有：1变速器（包括驱动桥）处进行组合；2在驱动轮处进行组合。因此PSHEV 的驱动力组合有以下不同的组合模式：1）动力组合器动力组合式PSHEV动力组合器动力组合式PSHEV有发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成，在发动机的输出轴上，装有一个电动/发电机，电动/发电机一般只用于快速起动发动机和发电。发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合，然后通过差速器和半轴带动车轮行驶。由于发动机和驱动电机的动力在动力组合器上进行组合，称为动力组合器组合式PSHEV。2）驱动轮动力组合式PSHEV驱动轮动力组合式PSHEV 有发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成，在发动机的输出轴上，装有一个电动/发电机，电动/发电机一般只用于快速起动发动机和发电。发动机通过离合器、变速器和驱动桥独立驱动PSHEV的后驱动轮（前轮）,驱动电动机通过减速器独立的驱动PSHEV 前驱动轮（后轮）。在混合动力驱动模式时发动机与驱动电动机共同组成4轮驱动模式驱动PHEV的前驱动轮和后驱动轮。由于在发动机与驱动电动机混合驱动时，发动机和驱动电动机的动力（牵引力）在驱动轮上组合，因此称为驱动轮动力组合式PSHEV。PSHEV兼有SHEV和PHEV的优点，可以组合成更多种形式的混合驱动模式，发动机、电动/发电机和驱动电动机的功率可以是PSHEV总功率的1/31倍，车辆的整备质量可以降低，而且性能更加完善，经济性更好，在动力性能方面接近和达到内燃机汽车的水平，有害气体的排放更少，达到“超低污染”的标准要求。3.1.4 HEV的控制系统在HEV上普遍的采用以计算机为核心的现代计算机技术和自动控制技术，各种智能控制系统，包括自适应控制技术（MRAC），模糊控制技术(Fuzzy）。专家控制系统（Expert system）,神经网络控制系统(Neural networks)等也逐渐用到HEV上，使HEV更加安全、节能、环保和舒适。使HEV的动力性能能够达到或接近现代内燃机汽车的水平，逐步实现HEV的实用化。最大限度地发挥了电动机驱动的辅助作用，使HEV的燃油消耗量尽量地降低，实现发动机的节能化。目前，HEV轿车已达到3L/100km左右的水平，客车基本上达到100km的油耗比内燃机客车降低1/3左右的水平。在环保方面。达到“超低污染“的环保标准。在HEV上实现多能源动力控制，HEV关键的控制技术，是对内燃机驱动系统和对电机驱动系统实现双重控制。发动机和电动机的动力系统用最有效的组合和实现最佳匹配，发动机和驱动系统，电动机和驱动系统都具有较高效率，能够回收再生制动能量，延长HEV的行驶里程，改进HEV的节能性。在操纵装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车的主要操纵装置和操纵方法，适应驾驶员德的操作习惯，使操作简单化和规范化。在整车控制系统中，采用全自动化、机电一体化控制系统，达到安全、可靠、节能、环保和灵活的目的。采用流线形车身，降低车辆的迎风面积和空气阻力稀疏。采用轻金属材料，高强度复合材料和新型HEV专用的车身和底盘结构，尽量减轻整车的装备质量。采用低滚动阻力的轮胎，降低车辆的行驶阻力。降低空调系统的能量消耗，实现空调器的节能化。HEV的底盘、车身附件和电子、电气设备等尽可能的配备现代技术设备，要求HEV达到或接近内燃机汽车所具有的水平。3.1.5 HEV控制系统的基本组成HEV一般是内燃机汽车的替代和延伸，继承和沿用了很大一部分内燃机汽车的传动系统，保留了人们已经习惯的内燃机汽车的操纵装置，包括发动机控制装置、加速踏板（控制发动机的节气门和电动机）制动踏板（控制制动反馈和机械式ABS制动）、离合器、自动离合器、变速器的操纵装置等。由这些操纵装置发出控制信号，通过以计算机CPU为核心的中央控制器和各种控制模块，向内燃机的驱动系统和电动机的驱动系统发出单独驱动指令或混合驱动指令，来获得不同的驱动模式，按照驾驶员的意图，实现的HEV的起动、行驶、加速、爬坡、减速和制动时的驱动模式转换的控制。控制系统，由操纵装置、中央控制器和各种控制模块共同组成。发动机和驱动系统，发动机和发动机驱动系统的控制系统。电动机和驱动系统，电动机和电动机驱动系统的控制系统。信号反馈及检测装置，包括各种车速表、里程表、发动机转速表、电量检测装置（电压表、电流表等）、显示装置和自诊断系统等。汽车电气装备和电子装备，包括刮水器、喷淋器、安全气囊、空调系统、娱乐装置和导航系统等。3.2 串联式混合动力电动汽车（SHEV）3.2.1 SHEV的结构模型SHEV上，除增加发动机-发电机组外，它的动力电池组、控制器和驱动电动机的控制策略和控制系统等，与蓄电池电动汽车基本相同。SHEV的基本结构模型和驱动模式如下：1.动力电池组动力电池组是SHEV的基本动力源，动力电池组是有多个12V和24V的蓄电池串联成为155300高压直流动力电池组，用于储存充电器所充入的电能或发电机发出的电能。动力电池组的电能经过电流转换器输入电动机，驱动车辆行驶。中央控制器中的计算机根据SHEV的行驶工况，对动力电池组的放电进行模拟或仿真，随即检测动力电池组状态，用动力电池组管理模块对动力租放电和电量的减少情况进行模拟，并根据动力组合驱动电动机反馈的信息进行计算动力电池组的剩余电量，确定发动机发电机起动发电的时间和发电的时间。控制系统能够在仪表板上显示剩余电量和剩余电量能行驶的里程，并进行对动力电池组的安全管理和紧急事故的处理。在装有空调系统和装有电动油泵转向系统的SHEV上。动力电池组还要向他们提供动力用电。动力电池组还通过DC/DC转换器，向低压电池组充电，并向全车各个低压用电系统提供用电。2 发电机和发电机组发动机-发电机组是SHEV的辅助动力系统，发动机带动发电机发电，所发出的电能输入动力电池组并存储在动力电池组中，后者直接通过电流变换器共给驱动电动机发动机始终保持稳定运转和在一定范围内的功率输出。中央控制器根据动力电池组所储存的电量和电量的消耗情况反馈的信息，用多能源动力总成控制模块控制发动机的起动和关闭。发动机-发电机组所提供的电能，能有效地延长SHEV的行驶里程。3.驱动电动机SHEV动力电池组输出的电能和发动机-发电机组输出的电能，都是共同提供给同一个驱动电动机来驱动SHEV行驶，因此，电力驱动模式是SHEV唯一的驱动模式。根据SHEV所采用的电动机的种类的不同，系统中所采用的电子器件也不同。SHEV上。如采用交流电动机驱动系统时，使通过变频器或者裂变器来控制电机运转。通常驱动电动机次啊用高速电动机，并通过减速器来驱动SHEV。SHEV在采用电机集中驱动系统中，电动计时通过组合式传动系统或者通过组合式驱动桥来驱动SHEV的前轮和后轮行驶。在轮边驱动系统中，电动机是通过轮边驱动装置来驱动SHEV的前轮，后轮或者4轮驱动。 3.2.2 管理系统1.操纵系统在SHEV上，各种操纵装置的机械位移行程，转变为电信号输入中央控制器的微型计算机中。通过发电机采用启动钥匙和发动机控制模块，控制发动机的起动和关闭。用加速踏板，控制区东电动机的起动，加速，运转，倒车等。用制动踏板分段控制再生制动时电能的回收和ABS制动系统的紧急制动。2.多能源动力总成管理系统SHEV以计算机为核心的中央控制器有多种形式，在接受到从操纵装置输入的电信号，经过信号识别、计算和处理，根据原先预先设定或模拟的运行状态，向各个功能模块发出指令，并控制动力系统按驾驶员的意图实现对SHEV的驾驶。中央控制器还控制DC/DC转换器，向各个低压用电装置提供低压电源等。多能原动力总成管理模块，根据车辆行驶工况和动力电池组的电能进行监控和检查，及时对发动机-发电机组的起动、运转和关闭等工作指令，控制发动机保持在最佳效率范围内平稳的运转。用电池组管理模块对动力电池组的充、放电，动力电池组中每个电池状态进行监控和检查，保证动力电池祖在规定的SOC范围内正常地工作，并具有安全保护的功能。控制系统中的监测装置及信号反馈包括各种车速彪、里程表、发动机转速表、电量检测装置（电压表、电流表等）、显示装置合资诊断系统等。通过各种传感器将发动机-发电机组、动力电池组合驱动电动机实际运转状态参数，反馈到中央控制器，经过计算机的计算，调整和修改运行参数，实时地显示在荧光屏上或发出警报，是驾驶员了解整车的状况，并及时进行处理。3.3 发动机轴动力组和式并联式混合动力电动汽车（PHEV）3.3.1 发动机轴动力组和式PHEV的结构模型发动机轴动力组和式PHEV只有发动机和电动/发电机两大动力设备，发动机和电动/发电机的动力在发动机输出轴上进行组合，然后通过由离合器、变速器、驱动桥和半轴组成的驱动系统带动车轮行驶，因此，称为发动机轴动力组和式PHEV。1.发动机发动机是发动机轴动力组和式PHEV主要动力源，发动机的功率小于同级别的内燃机汽车，因此可以降低发动机的油耗和有害气体的排放，达到节能和“低污染”的目的。发动机轴上装置电动/发电机，在电动/电动机后面装有离合器、变速器、驱动桥和半轴组成的传统的传动系统带动车轮行驶。2.电动/发电机在发动机轴动力组和式PHEV的发动机输出轴上装有电动/发电机，电动/发电机的特点是功率小、发电量小、质量轻、属于“低动力”型的动力装置。电动/发电机只在发动机起动时，作为发动机的起动机带动发动机快速起动。在发动机起动后，发动机带动电动/发电机转动，电动/发电机对发动机的动力输出起平衡作用，并将发动机的一部分动力发电，转换为电能储存到动力电池组中。电动/发电机在车辆加速或爬坡在车辆加速或爬坡，由动力电池组提供电能，电动/发电机转换为电动机，为发动机提供辅助