（车辆工程专业论文）混合动力客车排放特性分析研究.pdf

摘要 随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧，节能新能源汽车日益成为 业界关注的焦点。相对于纯电动汽车和燃料电池汽车，混合动力汽车虽然不能实 现石化燃料的零消耗和零排放，却更有希望率先实现产业化和商业化。相比而言， 混合动力汽车的造价远少于燃料电池汽车，同时不受蓄电池续驶能力的限制，可 以大幅度降低燃料消耗和污染物排放，也无需增添新的配套基础设施。当前混合 动力汽车技术日臻成熟，产业化已经临近。然而，混合动力电动汽车相对于传统 的内燃机汽车性能究竟如何，它的燃油经济性有多大的提高，尾气污染物排放是 一个什么水平还是一个很模糊的问题。 现行的重型车辆排放评价是采取某种行驶工况，通过台架试验来评价发动机 排放水平，但依据发动机来评价混合动力车辆的排放水平显得很不合适。重型混 合动力车辆是在常规发动机基础上，增添配置了一套动力辅助装置，这种装置被 设计成根据车辆的实际行驶工况，采取针对性的控制策略，实现车辆节能和降低 排放的目的。这样发动机的实际运行工况分布与实验室相差很大，仅仅依据发动 机排放和能耗水平评价混合动力车辆排放水平有很大的局限性。 本研究采用一种基于整车实际行驶工况条件下的车载排放测试技术，测试重 型混合动力车辆的污染物排放。对混合动力电动汽车的污染物排放水平进行测 试，对市场上的混合动力车辆进行节能环保效益的评估，同时对不同动力型式混 合动力车辆的排放特性进行对比分析。 本文对比了串联和并联混合动力车辆排放因子的不同，同时对比了四种典型 工况下这两种车辆排放的差异性。分析了并联混合动力车辆和常规车辆瞬态排放 的差异性，并且对串联和并联这两种动力型式车辆的减排效果表现出的差异性进 行了深入分析。 本文还对并联混合动力车辆的瞬态混合度( d o h ) 进行了研究，对比了混合度 对排放的影响。同时分析了各种污染物的瞬态排放率在d o h 和s o c 下的联合分布， 研究d o h 和s o c 对车辆排放的影响。在此基础上还深入研究了该混合动力车辆的 发动机负荷分布，得到发动机不同工作状态下的各种污染物的瞬态浓度分布，进 而分析车辆在不同发动机负荷分布下的排放特性。 关键词：车载测试技术，混合动力车辆，排放，混合度，负荷分布 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go i ls u p p l ys h o r t a g ea n dg r o w i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ， e n e r g y - s a v i n gv e h i c l e sh a v eb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o ng r a d u a l l y c o m p a r e dt o p u r ee l e c t r i cv e h i c l e sa n df u e l c e l lv e h i c l e s ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sw i l lb em o r e h o p e f u lt ot a k et h el e a d i n a c h i e v i n gi n d u s t r i a l i z a t i o n a n dc o m m e r c i a l i z a t i o n ， a l t h o u g hi t c a nn o ta c h i e v ez e r of o s s i lf u e lc o n s u m p t i o na n dz e r oe m i s s i o n s c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lv e h i c l e s c o s t ，i ti sf a rl e s st h a nt h ei n c r e a s ei nf u e lc e l l v e h i c l e s c u r r e n th y b r i dv e h i c l e s t e c h n o l o g yb e c o m em o r ea n dm o r em a t u r e ， i n d u s t r i a l i z a t i o nh a sb e e na p p r o a c h i n g w i t hr e s p e c tt ot h et r a d i t i o n a li n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e se x h a u s te m i s s i o nl e v e li ss t i l la v e r yv a g u eq u e s t i o n t h ee x i s t i n gh e a v yv e h i c l ee m i s s i o n se v a l u a t i o nm e t h o di st oa s s e s st h ee x h a u s t e m i s s i o n sb yt h ee n g i b et e s tb e d h o w e v e r , i ti sv e r yi n a p p r o p r i a t et oe v a l u a t et h e e m i s s i o n sl e v e lo fh y b r i dv e h i c l e so n l yb a s e do nt h ee n g i n e h e a v y - d u t yh y b r i d v e h i c l e sh a v eas e to fa u x i l i a r ye l e c t r i cp o w e rd e v i c ew h i c hi sd e s i g n e dt oa c h i e v et h e p u r p o s eo fe n e r g y s a v i n ga n dr e d u c ee m i s s i o n si na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a lv e h i c l e d r i v i n gc y c l e ，s ot h ee n g i n e sa c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sv a r yg r e a t l ya n d i th a sg r e a t l i m i t a t i o n st oe v a l u a t i o ne m i s s i o n sa n de n e r g yc o n s u m p t i o no ft h eh y b r i dv e h i c l e s o n l yb yt h ee n g i n e t h i ss t u d yu s e dt h ep e m s ( p o r t a b l ee m i s s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m ) b a s e do nt h e a c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n so fw h o l ev e h i c l et om e a s u r et h ee m i s s i o no ft h eh e a v y - d u t y h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h d h e v ) ，t oe v a l u a t ee n e r g y s a v i n ga n de m i s s i o n r e d u c t i o n e f f e c to fh d h e va n dt oa n a l y z et h ee m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sd i f f e r e n c e t h i ss t u d yc o m p a r e dt h ee m i s s i o nd i f f e r e n c eo fs e r i e sa n dp a r a l l e lh y b r i d v e h i c l e su n d e rf o u rt y p i c a ld r i v i n gc o n d i t i o n s i ta l s oc o n t r a s t e dt h et r a n s i e n te m i s s i o n d i f f e r e n c eb e t w e e np a r a l l e lh y b r i dv e h i c l e sa n dc o n v e n t i o n a lv e h i c l e sa n da n a l y z e d t h ee m i s s i o nr e d u c t i o ne f f e c ti nd e p t h t h i ss t u d ya l s oa n a l y z e dt h et r a n s i e n td e g r e eo fh y b r i d i z a t i o n ( d o h ) d i s t r i b u t i o n o fp a r a l l e lh y b r i dv e h i c l e sa n dt h ee f f e c to fd o ha n ds o co ne m i s s i o n i ta n a l y z e d t h ee n g i n el o a dd i s t r i b u t i o no ft h eh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e sa n df u r t h e rr e s e a r c h e dt h e e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i cu n d e rd i f i e r e n t1 0 a dd i s t r i b u t i o n k e y w o r d s ：p e m s ，h e v ，e m i s s i o n ，d o h ，l o a dd i s t r i b u t i o n i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 蝴瑚苫。i 、。l 期：塑! ：坠! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：迦叁：! 兰! ! 圣 武汉理工大学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 近年来在能源需求快速增加和环境保护的压力下，电动汽车技术得到了迅速 的发展，世界上许多国家的主要汽车制造商正在逐步将电动汽车商业化。纯电动 汽车是一种无污染汽车，但由于生产和使用的成本较高，行驶里程短，现阶段还 难以满足顾客的要求，只能在城市社区等区域内使用。尽管纯电动汽车的使用技 术还不够成熟，但由于它可使用的能源多种多样，节能环保，因此世界上的主要 汽车制造商都在抓紧对其进行技术开发。混合动力电动汽车能源利用效率高、对 环境的污染小、行驶里程长，但其结构复杂、生产和使用的成本较高，目前技术 已基本成熟，已经初步达到顾客的使用要求，是现在正在致力于商业化的一种主 要车辆类型。 自8 0 年代以后，受经济增长的推动，我国机动车数量增长迅速，机动车排气 污染状况日益加重。全国汽车保有量年增长率保持在1 3 左右，特别是一些大型 和特大型城市如北京、广州、成都、上海等市机动车数量增长速率远远高于全国 平均水平。截止2 0 0 7 年底，全国汽车保有量已达到1 5 9 7 7 7 6 万辆，汽车排放的 氮氧化物、一氧化碳和碳氢化合物排放总量急剧上升。由于城市人口密集，交通 运输量相对较大，机动车排气污染在城市大气污染中所占比例也不断上升。 为应对日益严峻的形势，国家从汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代 电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机 构，以官产学研四位一体的方式，联合进行攻关，为实现我国能源安全、改善大 气环境、提高我国汽车工业的竞争力做出积极贡献。国家科技部在我国设立了“三 纵三横”电动汽车专项。项目自成立以来，在电动汽车关键技术、系统集成技术 及整车技术上取得了重要进展，我国在混合动力车辆研发方面取得了重大成果， 许多企业及学校都开发了自己的产品，下一步将进入产业化阶段。为应对混合动 力的产业化及商业化，使新产品尽早走向市场，必须有相应的国家标准来规定和 导向研发发展方向。因此研究混合动力电动汽车污染物排放的试验方法以及影响 混合动力电动汽车污染物排放的因素具有十分重要的意义。 混合动力汽车技术的不断成熟，为低排放公交车发展提供了更多的可选方 向。混合动力公交车在节能减排方面具有更大的潜在优势，国外在这个方面进行 许多成功地尝试。在美国，混合动力公交车的推广力度最大。以交通运输部、能 源部等政府关键职能部门为主导，开展了多项旨在对混合动力电动客车用于城市 公共客运交通的可行性实证研究项目。在交通运输部下属的联邦交通管理局 武汉理工大学硕士学位论文 ( f t a ) 的主导下，成立了公交协作研究计划( t c r p ) 。目前，美国已有超过2 0 0 0 辆的混合动力公交车在华盛顿、纽约、洛杉矶、西雅图等2 9 个城市投入运行。 在英国伦敦，为迎接2 0 1 2 年伦敦奥运会，从今年开始伦敦将以每年递增5 0 0 辆 的速度，将现有的普通双层巴士更换成新的混合动力客车。 多年来，北京市环保局针对机动车污染治理问题开展了大量工作。为控制新 增污染，北京市于1 9 9 9 、2 0 0 2 、2 0 0 6 和2 0 0 8 年，对在京销售的新车分别执行了 国i 、国h 、国i 和国排放标准，今年1 月1 日车用燃料也执行了国标准， 每年减少新增污染约1 5 到3 0 。为削减污染存量，在加大行政监管力度的同时， 完善了i m ( 监测维修) 制度；为鼓励节能减排，北京市率先大力发展清洁能 源环保车，淘汰治理近l o 万辆能耗高、污染严重的老旧公交、环卫、邮政、出 租、旅游和城市配送等车，环境效益十分显著。 为进一步减少公交车排放污染，保护环境，节约能源，按照国家和北京市大 力发展低排放、环保节能公共交通的有关要求，2 0 0 6 年底北京市环保局设立了 北京市混合动力公交车示范运行项目，示范项目由北京公交集团和北京市机 动车尾气排放管理中心共同承担。示范车辆采用柴油一电动混合动力公共汽车， 示范车辆数为1 0 辆，预计2 0 0 8 年1 2 月完成示范项目。受北京市环保局的委托， 中国汽车技术研究中心对北京市混合动力公交车示范运行车队进行经济性和排 放性能的测试和评估。 本课题旨在考核混合动力公交车在实际运行条件下的技术状况。在北京市实 际运行条件下对混合动力公交车进行试验验证，研究实际的节能效益、评估运行 成本，分析评价环保经济性，为奥运服务车辆的选型提供技术支持，为北京乃至 全国城市公交车的更新换代探索并积累经验。同时也为整车厂改进车辆性能提供 技术参考，有利于混合动力车辆推广应用激励政策的研究，推进混合动力车辆技 术发展。 1 2 研究目的与意义 本课题研究的目的是通过对目前国内外先进的汽车检测技术，测试方法以及 测试设备的分析，采用一种适合于当前国内混合动力电动汽车整车性能测试的测 试方法，测试技术及测试设备，对混合动力电动汽车的各项性能，特别是污染物 排放性能进行准确地、客观地评估。对污染物的排放特性，以及各种技术手段， 控制策略对污染物排放的影响等进行深入的分析和研究。通过各种不同型式混合 动力车辆的对比测试，来分析不同动力装置混合动力车辆的排放差异性。同时对 混合动力电动汽车的开发、生产、试验、管理提供一种技术支持。 2 武汉理工大学硕士学位论文 随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染，全球气 温上升的危害加剧，各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术 发展的主攻方向，发展电动汽车将是解决这两个技术难点的最佳途径，混合动力 汽车应运而生。然而，混合动力电动汽车相对于传统的内燃机汽车性能究竟如何， 它的燃油经济性有多大的提高，尾气污染物排放是一个什么水平还是一个很模糊 的问题。因此，采用车载排放测试技术对混合动力电动汽车的各项性能进行测试， 对市场上的混合动力车辆进行节能环保效益的评估，同时对不同动力型式混合动 力车辆的排放特性进行对比、分析，以求通过对测试结果的分析，找到影响混合 动力车辆排放的因素，进而改善车辆的污染物排放，为混合动力车辆，特别是重 型混合动力客车的研发构建一个评价平台。 1 3 课题研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本课题任务是：由国内五个主要生产厂家自主研发的1 0 辆采用不同技术路 线的混合动力公交车组成示范运行车队，进行技术验证与考核，评价参与运行混 合动力公交车辆实际的节能减排效果和可靠性。受北京市环保局的委托，中国汽 车技术研究中心承担了本项目车辆排放、能耗测试评价，以及示范技术考核等任 务。 本文依托 北京市混合动力公交车示范运行项目，对不同动力型式混合动 力客车的排放特性进行了分析研究。主要研究内容包括以下几个方面： 第一、研究混合动力公交车技术考核方法，建立试验考核和技术验证的基础 条件和能力，包括确定试验方案、试验规程、测试设备和数据分析工具等； 第二、研究评价混合动力公交车在实际运行状态下的技术适应性、排放效果 等，分析混合动力公交车技术需求及改进方向； 第三、研究混合动力公交车排放测试技术。借助车载测试技术，研究制定混 合动力公交车排放试验规程，建立相应的测试能力。排放测试包括机动车常规排 放污染物( p m ，c o ，h c ，n o x ，c 0 2 ) ； 第四、对混合动力电动汽车的污染物排放性能进行测量和评价，并对比分析 不同动力型式混合动力车辆的减排效果； 第五、混合动力公交车与传统公交车之间，不同动力型式混合动力车辆之间 排放特性的对比分析，并着重分析了并联混合动力车辆混合度( d o l t ) ，电池s o c 以及发动机负荷分布对车辆排放的影响。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 研究技术路线 本课题采用车载排放测试技术，对参加北京市混合动力公交车示范运行项 目的混合动力公交车和作为对照对象的柴油公交车进行了实际测试。同时利用 排放模型分析了北京市混合动力公交车运行的环保节能效益，并对比了不同动力 型式混合动力车辆的排放差异性。 基于上述研究内容，本课题确定研究路线如下图卜l 所示： 图1 - 1 研究技术路线示意图 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章混合动力客车及标准法规发展现状 2 1 混合动力客车应用现状 2 2 1 国外混合动力客车应用现状 当前，全球都在对混合动力城市客车进行测试和试运营。在美国，未来几年 将有超过6 0 0 辆的混合动力公共汽车投入运营。在欧洲，尤其是德国、意大利、 瑞典和丹麦，已有许多混合动力城市客车展开测试并投入试运营。 1 美国混合动力城市客车应用情况 现在在美国有3 0 多家的组织机构使用混合动力城市客车技术。目前美国发 展中、重型混合动力技术的公司有b a es y s t e m s 、e a t o n 、e b u s 、g m - a 1 l i s o n 、 i s er e s e a r c h 以及o s h k o s h 等，其产品分别用于城市客车或重型货车。 a v t a ca d v a n c e dv e h i c l et e s t i n ga c t i v i t y ) 是美国能源部的f r e e d o mc a r a n dv e h i c l et e c h n o l o g i e s ( f c v t ) 计划的一部分，其主要目标是验证应用先进 技术的轻、中、重型车辆的性能，并向运输机构提供关于混合动力城市客车的信 息，以帮助他们选择不同的车辆。a v t a 由i d a h on a t i o n a ll a b o r a t o r y 和n a t i o n a l r e n e w a b l ee n e r g yl a b o r a t o r y 共同管理。表2 一l 列出了目前正在进行的a v t a 混合动力城市客车的概况。 表2 - 1 正在进行a v t a 的混合动力城市客车概况 运输机构 地点 汽车型号 混合动力技术特点 纽约市政运输曼哈 o r i o nv f l 4 0 串联式混合动力系统， 局( n e wy o r kc i t y顿，布朗克 座城市客车 b a es y s t e m s h y b r i d t r a n s it ) 斯 d r iv e t ms y s t e m ( 柴油) 金县城市交通 西雅 n e wf l y e r 并联式混合动力系统， 局( k i n g c o u n t y 图 6 0 座铰链式城 g m - a 1 l i s o n e p 5 0 m e t r o ) 市客车s y s t e m t m ( 柴油) 印第安纳波利印第 e b u s2 2 座 串联式混合动力系统， 斯公共交通公司安纳波利 城市客车 c a p s t o n e m ic r o ( i n d y g o ) 斯t r u b i n e t m ( 柴油) 诺克斯威尔交串联式混合动力系统， 通公司( k n o x v i l l e 诺克 e b u s2 2 座 斯威尔城市客车 c a p s t o n e m ic r o a r e at r a n s i t ) t r u b i n e t m ( 柴油) 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 其它国家和地区的混合动力城市客车应用情况 9 0 年代开始，一些欧洲城市也开始试运行混合动力城市客车。 ( 1 ) i v e c o 和a n s a l d o 为意大利的热那亚市设计制造了1 0 辆混合动力城市客 车。该车使用2 5 l 、3 6 7 8 k w 的柴油机和3 5k w 的发电机，车轮由一个1l o k w 的 感应电机通过减速装置驱动。从1 9 9 6 年开始，热那亚市公交使用这些混合动力 城市客车进行正常运营。该车在整个行驶循环中3 0 的时间单独使用蓄电池供电 电动机驱动。实际证明，电力驱动系统是非常可靠的，制动能回收可以使制动片 的使用寿命增加一倍。通过底盘测功机测试，在欧洲城市工况循环下，排放降低 了8 0 。然而，燃油的经济性并没有得到提高。 ( 2 ) 丹麦的s c a n i a 也制造了许多混合动力城市客车，其中有6 辆在1 9 9 6 年 提供给g r e a t e rs t o c k h o l m 公交，还有3 辆提供给l u x e m b o u r g 。l u x e m b o u r g 的 3 0 座城市客车使用2 ol 大众的发动机，a l l i s o nt r a n s m i s s i o n 串联式混合动 力系统。发动机运行在恒定转速以降低排放，发电机为u r l a 蓄电池充电。驱动 系统由两个感应电机和减速齿轮组成。该车的最高时速为6 5k m h ，可使用纯电 动模式驱动。 ( 3 ) 德国的w e s e la n ds t u t t g a r t 从1 9 7 6 - 1 9 8 5 年使用了2 0 辆混合动力城市 客车。该车辆由m a i d 和d a i m l e rb e n z 的城市客车公司改造，为串联式结构，使 用传统的直流电机和发电机，铅酸蓄电池，以及一个小的柴油发动机。这些车辆 成功使用了l o 年，示范运营显示出车辆有良好的加速性能，低噪声，低排放。 然而，直流电机的低效率使整车燃油消耗没有得到降低。 ( 4 ) 日木日野公司( h i n o ) 生产的h i m r 混合动力驱动系统是专为货车和客车 市场设计的。该系统中三相交流电机装在发动机飞轮里，能起到起动机、电动机、 发电机、制动能量回收和减速器这些功能的作用。通过电机在起动和加速时的辅 助作用，使该系统可降低n o x 约2 0 0 , 6 3 0 ，黑烟7 0 ，微粒5 4 。另外，还可降低 噪声。此外，该系统可以使车辆更快地减速以及提高燃油经济性。h i n o 从1 9 9 1 年开始生产这种混合动力驱动系统，至今在日本已有超过3 0 0 套系统使用在货车 和客车中，这其中包括m a t s u m o t o 电气铁路公司的3 辆混合动力城市客车，每辆 3 1 0 ，5 0 0 美元。 2 2 1 国内混合动力客车应用现状 2 0 世纪9 0 年代以来，随着世界各国对改善环境的呼声越来越高，各式各样 的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电 池技术阻碍了电动汽车的推广与应用。由于蓄电池的能量密度与汽油相比差上百 倍，远未达到人们要求的数值，专家估计1 0 年内电动汽车还无法取代燃油发动 6 武汉理工大学硕士学位论文 机汽车( 除非燃料电池技术有重大突破) 。现实迫使工程师们想出一个两全其美的 办法，即开发一种混合动力装置的汽车( h y b r i d e 1 e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 。 所谓混合动力汽车是指拥有2 种不同动力源的汽车，这2 种动力源在汽车的 不同行驶状态( 如起步、低中速、高速、匀速、加速、减速或者制动等) 下分别工 作，或者一起工作。通过这种组合可以减少燃油消耗和尾气排放，从而实现省油 和环保的目的。由于能量利用率由原来的6 0 7 0 提高到9 5 以上，汽车的热 效率可提高1 0 以上，废气排放可改善3 0 以上。例如，2 0 0 6 年6 月2 7 日在 上海大众公交西南公司9 2 b 线上投入运营的上海首辆混合动力公交车，由大众交 通( 集团) 股份有限公司与厦门金龙旅行车公司联合研制，比普通柴油车的发动机 功率降低i 3 ，大大降低了汽车的燃油消耗，运行时能节省燃油3 0 以上。 1 9 9 9 年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第 一辆混合动力轻型客车。2 0 0 1 年9 月，科技部在“十五”“8 6 3 计划中，特别 设立了电动汽车重大专项。自公开招标以来，各分类项目已由一汽集团、东风集 团、上汽集团、中通客车、清华大学和同济大学等汽车企业和科研院校承担。 2 0 0 3 年1 1 月，东风混合动力公交车就已走出实验室，6 辆样车在武汉5 1 0 路公交线路投放使用，与传统燃油公交车展开“插花运营。2 0 0 5 年1 2 月3 日， 国内首条混合动力公交专线- - - - 5 9 9 绿色专线在武汉开通，投入了1 2 辆油一电 混合动力公交车。2 0 0 6 年4 月9 日，中通客车第一辆混合动力客车成功下线， 受到国家主管部委领导、客车行业和社会各界的广泛关注和高度评价，并于2 0 0 6 年1 2 月获得2 项国家“十一五 “8 6 3 ”计划节能与新能源汽车重大专项。除油 一电混合动力客车外，北京嘉捷博大、上海交大神舟开发的液压混合动力城市客 车，以及正在德国试运行的电一电混合动力中型客g u l l i v e ru 5 2 0e s p 则属于新 型混合动力客车。 、 北京2 0 0 8 年奥运会的口号是“绿色奥运，科技奥运，人文奥运。为此，北 京市政府计划从2 0 0 7 年1 0 月起先期投入1 0 辆1 2 m 低地板混合动力城市客车开 展示范运行。该示范工程是为奥运会之前批量投放混合动力客车运营的前奏，吸 引了宇通、中通、金龙、一汽、东风、福田、京华等1 4 家客车厂商参与竞争。 6 月2 6 日，示范项目招标工作最后开标，中通客车、郑州宇通、厦门金龙、东 风电动及京华客车同时中标。 2 2 混合动力客车技术特点 2 2 1 混合动力客车的分类 混合动力客车按动力驱动系统结构的不同可分为串联式( 图2 一i ) 、并联式( 图 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 ) 和混联式( 图2 - 3 ) 等3 种。 1 串联式混合动力客车( s h e v ) 图2 - 1 串联式混合动力客车原理图 传统的串联式混合动力客车的动力系统由发动机、发电机和电动机3 部分 组成，它们之间用串联方式组成s h e v 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蓄电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动客车。小负 荷时由蓄电池带动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动 机。当车辆处于起步、加速、爬坡的工况时，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，则由蓄电池驱动电 动机。当蓄电池缺电时，则由发动机一发电机组向蓄电池充电。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，通过调整蓄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，但它的缺点 是能量几经转换，机械效率较低。 串联式混合动力客车驱动系统的结构比较简单，动力电池组、发动机一发电 机组和驱动电动机在底盘上的布置有较大的自由度，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纯电动客车。串联式 混合动力客车必须装置一个大功率的发动机一发电机组，再通过带动电动机来驱 动车辆。发动机、发电机和驱动电动机的功率都要求等于或接近于串联式混合动 力客车的最大驱动功率，在热能一电能一机械能之间的转换过程中，总效率低于 内燃机汽车，且总成的体积较大，质量也较重，还有庞大的蓄电池组，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 并联式混合动力客车( p h e v ) 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 并联式混合动力客车原理图 传统的并联式混合动力客车有发动机和电动机2 套动力驱动系统。这2 套 系统可以分别独立地向客车传动系提供转矩，在不同的路面上既可以共同驱动又 可以单独驱动。当客车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动 力，一旦车速达到巡航速度，客车将仅仅依靠发动机维持速度。此处的电动机既 可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动一发电机组。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客车驱动 系统，机械效率损耗与普通客车差不多，得到比较广泛的应用。 3 混联式混合动力客车( p s i - i e v ) 图2 3 混联式混合动力客车原理图 混联式装置包含了串联式和并联式的特点。传统的动力系统包括发动机、发 电机和电动机，根据助力装置的不同，它又分为发动机为主和电机为主2 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。 2 2 2 混合动力客车的主要技术总成 1 发动机 混合动力客车可以广泛采用4 冲程内燃机( 包括汽油机和柴油机) 、2 冲程内 9 武汉理工大学硕士学位论文 燃机( 包括汽油机和柴油机) 、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。一般情 况下，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。 2 电动机 混合动力客车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 阻电动机等。随着混合动力技术的发展，直流电动机已经很少采用，多数采用交 流感应电动机和永磁电动机，开关磁阻电动机的应用也得到重视。此外，还可以 采用特种电动机作为混合动力客车的驱动电动机。 3 电池 混合动力客车可以采用各种不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器 等作为“电池。电池一般作为混合动力客车的辅助能源，只有在电动机起动发 动机或电动机辅助驱动时才使用。 4 控制系统 在混合动力客车上普遍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、模糊控制技术、专家控制系统、 神经网络控制系统等，使混合动力客车更安全、节能、环保和舒适。 混合动力客车的设计要求 ( 1 ) 努力使混合动力客车的动力性能能够达到或接近现代内燃机客车的水 平，逐步实现其实用化。 ( 2 ) 最大限度地发挥电动机驱动的辅助作用，使混合动力客车的燃油消耗量 尽量降低，实现发动机的节能化。目前，混合动力客车的百公里油耗比内燃机客 车低1 3 左右。 ( 3 ) 在混合动力客车上实现多能源动力控制。混合动力关键的控制技术是对 内燃机驱动系统和电机驱动系统实现双重控制。发动机与电动机动力系统应实现 最有效的组合和最佳匹配，发动机和驱动系统、电动机和驱动系统都具有高效率， 能够回收再生制动能量，延长混合动力客车的行驶里程，改进其节能性。 ( 4 ) 继承或沿用内燃机客车的主要操纵装置和操纵方法，适应驾驶员的操作 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、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。 ( 5 ) 采用流线型车身，降低车辆的迎风面积和空气阻力系数；采用轻金属材 料、高强度复合材料和新型混合动力客车专用的车身和底盘结构，尽量减轻整车 的整备质量；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。混合动力客车的底盘、车身附件和电子、电气设 备等尽可能地配备现代技术设备，要求达到或接近内燃机汽车所具有的水平。 混合动力既要使用发动机作为动力，又要对发动机的节能和环保作出种种限 l o 武汉理工大学硕士学位论文 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混合动力车辆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，保持发动机稳定均 衡地运转，并采取“开一关 的控制方式，使发动机避开启动、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，混合动力车辆还可以广泛地采用 转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。 h e v 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 和整车的整备质量进行限制，以减轻h e v 的总质量。因此，一般电动发电机只 是在h e v 发动机启动，车辆起步、加速或爬坡时起作用。电动发电机类似发动 机的飞轮，起调节发动机输出功率作用。电动发电机还起发电机的作用，将发 动机的动能转化为电能，储存到电池组中去。在i - i e v 下坡或制动时，将汽车惯性 动能转化为电能，储存在电池组中去。因此，h e v 有了电动机的辅助作用，就可 以使h e v 达到节能和“超低污染”的要求。 h e v 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，就完全可以用于生产h e v 。h e v 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。h e v 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2 0 世纪9 0 年代起，全 世界又掀起研究开发和制造h e v 的竞争热潮，2l 世纪h e v 有可能成为汽车工业 的主导产品。 2 2 3 混合动力客车研发存在的问题和关键技术 1 需要解决的问题 混合动力电动汽车所需要解决的问题包括以下几个方面。 ( 1 ) 由于车况的变化，电池必须经受不同电流的充放电循环作用，这就要 求电池不但应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和较 长的使用寿命。能量存储装置要具有较高的比功率，以满足汽车加速和爬坡时对 大功率的需要。 ( 2 ) 动力分配装置和能量管理系统是各种运行状态的控制管理枢钮，技术 难度大，加工精度高。发动机频繁起动、关闭，使驱动系统和附件的电能管理变 得复杂，因此需要先进的检测和控制系统。现有的以热力发动机为主的混合动力 单元在将燃油转化为有用功的同时，需要提高转化效率，同时还要满足严格的排 放标准。 ( 3 ) 建立先进的驱动系统数学模型，并在此基础上进行计算机仿真和分析。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 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， 所以必须在减轻质量、减小尺寸和降低制造成本上多做工作。 2 关键技术 ( 1 ) 能量存储技术 蓄电池的研发和充放电特性是混合动力电动汽车研究的关键，由于电池的作 用是储存、输出尽可能多的电能，以提高汽车的续驶里程，因此混合动力电动汽 车所用的电池不仅仅要求高能量密度，同时还要求高功率。现在，镍氢电池和锂 离子电池已成为混合动力电动汽车首选。 镍氢电池已广泛地应用于电动汽车、计算机、医疗器械以及其他领域。该电 池技术的关键是其储存氢的合金应该是一种能够稳定地经受无数次循环反复使 用的材科。镍氢电池容量大，可以循环使用，但主要缺陷是成本高，效率低，同 时还需要控制氢的损失。锂离子电池电压高，能量密度高，有更高的功率，且充 电时间短。预计在2 0 0 6 - - 2 0 1 2 年期间，随着锂离子电池进一步发展，其市场份 额将会逐步扩大。从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面： a ) 电池设计和制造方面的改进，以降低制造成本、改善电池的性能和提高 寿命，并进行电池充放电动态特性的研究； b ) 研究电池内部的连接、检测、监控以及便于将整个电池子系统安装在汽 车上的支撑机构： c ) 电池的热能管理及剩余电量管理。 ( 2 ) 混合动力单元技术 在混合动力电动汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元。在并联混合 动力电动汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部 分功能，因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的热力发动机；在 串联混合动力电动汽车上，混合动力单元驱动一台发电机产生电能，由于汽车的 行驶与发动机没有直接的联系，因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动 机，且其运行工况可以固定于较小的高功率区。 当前，混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和燃料电池。其在燃料的 使用方面也出现了很大的变化，除了柴油、汽油外，还有天然气、液化气和酒精 等代用燃料。要提高混合动力单元的燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多 的要求。对于汽油机采用电喷技术、增压技术、可变定时进气系统、多气门技术 以及稀薄燃烧技术等是必然的要求。而对柴油机应采用多气门技术、电控技术、 增压技术、可变定时进气技术、可变涡流进气技术、直喷技术及新的喷油技术等。 混合动力电动汽车的主要目标是降低排放，所以，控制混合动力单元的排放将是 今后研究的重点。目前对混合动力单元的研究主要集中于：一是燃烧系统的优化， 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 通过观察燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程，发现形成氮氧化物的机理，从 而改进燃烧系统；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。 3 控制策略技术 h e y 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。h e v 根据开发目的、使用环境及价格水平的不同，可选择采用串联 或并联型式，且其动力混合的轻重程度也不同，因而控制策略也就各具特色。国 外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。混合动力系统的精确运转 依赖于优化控制的实现，而控制系统的开发是混合动力系统的最关键的技术创 新。控制系统的功能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 输出的功率；计算出以最高效率为基点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，需有驱动电动机 的功率值和其他有关数据，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。 因此，混合动力系统的开发不仅在于电子技术、计算理论与算法和软件技术，而 且在执行部件的设计与制造等方面都是难度较大的工作。 2 2 4 混合动力客车的发展趋势 混合动力客车包含多个互相耦合的动力源，应根据车辆的具体结构和使用情 况采用不同的布置方案。串联式和并联式混合动力客车都有各自的优缺点。混联 方式是相对比较完善的一种混合动力系统，它能较好地将燃油客车与电动客车的 优点有机统一起来( 电动机效率高、噪声低、无污染，发动机总在最高效率下工 作，具有很好的燃油经济性、加速性和平稳性) ，能够有效弥补串联式和并联式 混合动力客车的不足。今后开发的新型混合动力系统应综合串联和并联结构的优 点，使之在一种结构上得到体现。现在许多客车企业和科研单位正在逐渐将混联 式混合动力客车列为开发重点。 目前，混合动力客车动力系统包含3 种型式：具有怠速关机、快速启动功能 的轻混合；具有快速启动、电动助力功能的中混合；以混联式为特征的重混合。 随着电功率比例的逐步提高，混合程度不断增强，混合动力系统最终将实现全混 合。为使整车结构更紧凑，性能更优、更可靠，便于控制和有效降低成本，混合 动力系统已从离散结构向发动机、电机和变速