混合动力汽车技术的发展(动力前沿报告-董光宇).doc
普锐斯混合动力车主体结构及关键技术剖析机械设计图纸资料
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混合动力汽车技术的发展一 绪论1886年，世界上第一辆汽车诞生在德国，一百多年来，汽车己极大地改变了人们的活，成为非常重要的代步和运输工具。目前，汽车工业是许多国家的支柱产业，也是当今世界最大、最重要的工业部门之一。汽车缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活方式，提高了生活质量。今后50年，世界人G将由60亿增加到100亿，汽车数量将由7千万增加到2亿5千万。但我们在享受汽车文明的同时，也必须面对汽车带来的负面影响:环境污染和过度能源消耗。2000年我国进口石油7000力吨，预计2005年后将超过1亿吨，相当于科威特一年的总产量。目前世界上空气污染最严重的10个城市中7个在中国，国家环保中心预测，2010年汽车尾气排放将占空气污染源的64%。上个世纪末人们关注的是汽车节能、排放和安全技术，而本世纪初，人们己经更多的将目光转向汽车新能源和环保技术。如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业，将会给燃油的需求和环境保护造成巨大压力。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。1.1电动汽车的发展历史及其关键技术1834年，Thomas Davenport制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动，只能行驶一小段距离。19世纪末， 许多美国、英国和法国的公司都开始生产电动汽车，在以蒸汽、电和汽油为动力的汽车竞争初期，电动汽车以其在行驶性能、续驶里程和低噪声等方面的优势占据主导地位。到1912年，美国己有3400辆电动汽车注册。但是，1911年Kettering发明了汽车发动机，使得燃油汽车相对于电动汽车来说更具有吸引力，从此打破了电动汽车在市场的主导地位，20世纪30年代，电动汽车几乎消失。20世纪70年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机。当时，世界上许多国家如美国、英国、法国、德国、意大利和日本都开始发展电动汽车。这一时期的电动汽车以改装车为主，也不乏重新设计底盘和车身的新型电动汽车，这样可降低汽车的空气阻力，方便能量储存系统的布置。这一阶段电动汽车技术获得复苏，为随后的商业化时代奠定了坚实的基础。但是石油价格在20世纪70年代末下跌，电动汽车的商业化失去了动力，其发展显著变慢，开始走入低谷。20世纪90年代，燃油汽车排放所引起的空气污染和温室效应受到重视，电动汽车再次得到发展。1990年，美国加州大气资源管理局(CAR&)颁布了一项法规，规定1998年在加州出售的汽车中2%必须混合动力汽车驱动系统设计及控制策略优化是零排放车辆(ZEV )，到2003年零排放车辆应达到1096。受加州法规的影响，美国其它州以及世界上其它国家开始制定相类似的法规。虽然加州大气资源管理局的目标没有实现，并根据实际情况做了调整，但加州法规的领布促进了电动汽车的发展。在世界范围内，尤其在美国、日本和欧洲，许多汽车制造商、科研院所和大学不断研究电动汽车新技术，推动电动汽车技术向前发展，并开始将电动汽车商业化。通用、日产、福特、戴姆勒一奔驰、丰田、本田等国际知名汽车制造商先后推出了他们的电动汽车样车，其中丰田公司生产的Prius混合动力汽车还取得了不错的销售业绩。电动汽的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等。尽管电源技术至关重要，是制约电动汽车发展最主要的技术障碍，但车身设计、电力驱动、能量管理和系统的优化也同样重要，事实上，将这些领域技术t_的整合才是电动汽车技术成功的关键二，。现代电动汽车工程的主要问题是要将汽车工程、电气、电子工程以及化学工程领域中最新的技术发展结合到电动汽车的设计中来，找到适合十电动汽车的独特的设计方法和制造技术，实现电动汽车能量的最优化利用。1.2 混合动力车技术研究的目的和意义电动汽车己有三种驱动类型:以高效能蓄电池驱动的电动汽车(EV)、以燃料电池为动力源电动汽车(FEV)和以燃油发动机与电动机混合驱动的混合动力电动汽车(HEV )。电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供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始成本高，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，混合动力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。它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)通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。国内外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，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(2-6kW-h )，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率时，由电池和电动机组成的电力辅助部分补充输出驱动功率.混合动力汽车动力性能、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统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川-况多数是偏离其最佳工作区域，未能实现动力传动系统的最佳匹配。因此，通过合理匹配混合动力汽车的驱动系统，制定适合于车辆行驶工况的控制策略，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，是一个值得研究的课题。对于汽车的动力性能和燃料经济性水平，通常是在进行实车道路试验之后给予最后评价。这样做不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及各总成方案的确定、结构参数的选择、传动系参数与发动机的匹配等具有一定的盲目性，可能遗漏较优的方案，造成浪费。如果在设计阶段，根据有关设计参数和驱动系统控制策略，利用计算机仿真模拟对汽车动力性和燃料经济性进行预测，可以考察驱动系统参数是如何影响汽车动力性和燃油经济性，并对其进行优化设计。此外，按预定的程序模拟各种行驶工况，包括瞬变的非稳定工况，能全面地预测汽车齐多种工况下的动力性能和燃油经济性。本论文对电力辅助型混合动力汽车的研究将有助于缩短混合动力汽车的设计开发时间为其IV动系统的设计和控制策略及整车性能评估提供参考。1.3 国内外发展现状与趋势国内外普遍认为混合动力电动汽车结合了燃油汽车和纯电动汽车的优点，设计灵活，易于满足未来排放标准和节能目标。因此，日本、美国、欧洲各大汽车公司和相关的研究机构都开展了有关混合动力汽车的研究。混合动力汽车技术在汽车工业发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段4。在目前美国市场上销售的混合动力汽车主要有三种:本田公司的Insight，丰田公司的Prius以及本田公司的Civic。三种车型的技术参数见表1. 1。日本丰田汽车公司是目前走在最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行混合动力车研究的汽车公司之一。丰田公司1997年12月宣布将混合动力电动轿车Prius投入小批量商业化生产。该车采用汽油发动机和电动机混合驱动，发动机是新型汽油发动机，电池组为250个串联的镍氢电池。其百公里油耗为3. 4L，比原汽油车减少一半，排量也相应减少了一半， CO, HC, NO、仅为现行法规允许值的10%。目前，Prius在海内外的销量己超过数万辆，成为全球首部实现量产、也是销量最大的混合动力汽车。本田汽车公司独立研制开发的Insight混合动力汽车，也已经实现了量产。Insight采用本田独特的混合动力系统，将发动机作为主要动力，电机作为辅助动力，加上车身由质量轻的铝压材和树脂材组合而成，具有到目前为至世界最低的油耗(每升汽油可行驶35km)和最洁净的排放每行驶lkm仅排放80gCO2002年1月本田公司又在美国市场土投放了Civic混合动力汽车。由于“新一代汽车伙伴合作”(The Partnership for a New Generation of Vehicles, PNGV)计划的推动，美国三大汽车公司福特、通用和克莱斯勒对各种驱动单元技术及其不同的组织方式进行上百种方案的筛选、比较，认为采用混合动力驱动是实现中级轿车百公里3L油耗的可行方案，因此混合动力汽车受到更大的关注。福特汽车公司在2000年北美国际车展上推出了其开发的Prodigy混合动力家庭概念车，该车采用1. 2L4缸柴油发动机和镍金属复合电池，整车质量仅1083kg，百公里油耗仅3. 3L。福特公司预计，未来10年内，混合动力汽车将占汽车市场的10%-20%。美国克莱斯勒汽车公司1998年2月在底特律展出了第二代道奇无畏ESX2型混合动力电动轿车，该车装用工500cc排量的直喷柴油机，装备铅酸电池，配有单独的发电机，采用交流感应电机驱动，百公里油耗降至3. 4L。2000年日内瓦车展上，雪铁龙公司推出并联式混合动力轿车Xsara，表明了他们在这一领域的世界领先水平。Xsara配备一个55kW的汽油内燃发动机和一个25kW的电动机，功率蓄电池额定输出电压为168V. Xsara的燃油消耗量及排放量较普通车降低35%，一次行程可高达1000km.其他几个大汽车公司，如通用、雷诺、日产等，也都推出了各自的混合动力汽车。国内是在20世纪80年代后期开始电动汽车研究的。1999年4月6日由科技部、环保总局、国家计委、国家经贸委和国家机械局等十多个部委联合召开“空气挣化工程一清洁车辆行动”会议，提出通过电动车辆、混合动力车辆技术的攻关和推广应用，从根本上治理机动车辆排放污染，依靠科技进步，建立新型清洁车辆产业。“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技项目，在清华大学的组织下，研制出了16座电动轻型客车，现于清华大学校园内运营。2001年11月，国家科技部将电动汽车纳入国家“十五”规划，列入“863”的重大专项。该专项分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三大类整车项目及电机、电池、多能源管理系统及其它辅助系统的开发研究。一汽集团在2001年北京国际清洁车展上推出一款混合动力轿车一红旗CA7180AE，最高车速可达135km/h，参加该项目研究的有一汽汽车研究所、美国电动车(亚洲)公司、汕头国家电动汽车试验示范区。深圳明华环保汽车有限公司也于2001年4月推出了并联式混合动力汽车MH6720，该车装备87kW发动机，异步交流电机平均功率为36kW,满载最高车速135km/h。长丰汽车有限公司改装的CFA6470-HEV混合动力汽车采用现有CFA647。车的底盘，原有的四缸发动机和变速箱不变，加装一个电动机驱动系统，取消分动箱，由发动机驱动后轮，电机通过减速箱和传动轴独立驱动前桥。此外，湖北东风电动汽车开发公司也开展了电动汽车和混合动力汽车的研究。混合动力汽车的缺点是结构复杂，不是零排放汽车，可靠性比纯电动汽车低，从长远来看是一种过渡车型。但其驱动系统同时使用燃油发动机和电动机作为汽车的动力源，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放，同时具有令人满意的行驶里程。因此，近年内混合动力汽车将具有很好的发展前景。1.4混合动力技术研究内容以电力辅助型并联式混合动力汽车为研究对象，主要针对以下问题进行研究讨论:(1) 混合动力汽车驱动系统设计和匹配的理论研究。探讨特定用途的并联式混合动力汽车动力性能指标的确定方法，发动机、蓄电池、电机和变速箱等动力部件的合理选择，以及整个驱动系统的匹配；(2) 混合动力汽车驱动系统主要部件的特性分析与建模。建立整车的动力学模型，分析发动机、蓄电池、电机和变速箱等动力部件的特性，建立适合分计算的数学模型；(3) 混合动力汽车驱动系统控制策略优化。综合考虑车辆的行驶性能、燃油经济性和电池荷电状态，建立优化的实时控制策略；(4) 混合动力汽车性能仿真。在车辆的动力学模型的基础上，以Matlab6. 1为软件平台，开并联式混合动力汽车性能仿真程序，并利用该程序对所研究的原型车进行性能仿真。二 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%。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，其中不少有一种提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。2.1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，具体的结构设计也各不相同。根据驭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。2.1.1串联式混合动力汽车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2. 1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。在后续的公式和图表描述中，T表示扭矩，。表示角速度，4表示效率;下标。m表示电机，ice表示发动机，二表示车轮，gb表示变速箱。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) 要求侮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1动电动机必须满足汽车行驶的需求。因此整个系统的规模庞大，增加了车辆成本及机构布置难度。2.1.2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2.2,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。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，并联馄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，可大大改养车辆的驱动性能，但系统组成比较庞大，控制复杂。2.1.3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:2.1.3.1切换系统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2.3,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。三 丰田的Prius混合动力车型简介丰田的Prius属于以电机为主的形式。它的混合动力总成包括两个动力源，发动机与电动机。还有包含了发电机、电动机、内置动力分离装置的混合动力专用变速器、镍氢电池组和动力控制总成。丰田Pruis混合动力系统有一个特点，就是采用行星齿轮变速结构，变速器内置动力分离装置，行星齿轮机构巧妙地将减速器、发电机和电动机等动力部件偶合在一起，同时行星齿轮又起到无级变速器的功能，结构十分紧凑，形成一个集成化混合动力总成系统（图3.1）。 图 3.1 图3.2启动以及中速以下行驶，此时发动机效率低下，因此Prius的发动机关闭，仅由大功率电动机驱动车辆（图3.2，箭头A）。在常规行驶时，发动机作主动力源，由动力分离装置将动力分成两路，一路驱动发电机进行发电，产生的电力驱动电动机运转（图3.3，箭头B），另一路则直接驱动车轮（图3.3，箭头A），系统会自动对两条路径的动力进行最佳分配，以达到效率的最大化。 图3.3 图3.4当要加速时，电池组会加进来为电动机供电，增强电动机输出功率（图3.4）。 图 3.5 图 3.6当减速或制动时，则由车轮的惯性力驱动电动机。这时电动机变成了发电机，车辆制动能量转换成了电能（图3.5，箭头D）。电池组电量保持在一个恒定水平。当系统发现电池组电量下降会启动发动机驱动发电机
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