毕业设计（论文）-混合动力汽车的现状及发展.doc

混合动力汽车的现状及发展The present situation and development of Hybrid cars姓名：杨超2014 年 12 月摘 要在21世纪，由于汽车大量存在的问题，逐渐地造成了环境的恶化越来越严重。当务之急，人们需要加紧脚步去寻找新的汽车动力源。由于人们深入地对新的动力源和新的汽车燃料进行了研究与探索，终于找到了一种符合人们意愿的汽车，它便是混合动力汽车。混合动力汽车通过合理地组合内燃机和电力驱动系统，最大系统地发挥两者的优点。由于混合动力具有耗油低和排放低的特点，人们的注意力逐渐地转移到它的身上。本次论文主要对混合动力汽车的现状与发展进行了分析与研究。在现状方面，不仅从国内和国外的现状进行了概述，而且还列举了国内外比较典型的汽车。发展方面从混合动力汽车技术的发展、节能潜力的发展以及在新能源中的地位和优点进行了分析。关键词：混合动力汽车；现状；发展ABSTRACTIn the 21st century, due to the large number of problems in the cars,resulting in a gradual deterioration of the environment is getting worse. Imperative that people need to step up the pace to find new automotive power source. As people deeply for new sources of power and a new car fuel research and exploration, and finally found a way to comply with the wishes of the people of the car, it is a hybrid car. Hybrid cars through a combination of internal combustion engine and reasonable electric drive system, the largest system of play of both worlds. Since hybrid with low fuel consumption and low emissions characteristics, attention gradually shifted to its body.The thesis of the situation and development of hybrid vehicles are analyzed and studied. In terms of the status quo, not only from the status of domestic and foreign overview, but also cited a typical car at home and abroad. From the development of hybrid vehicle technology development, the development of energy-saving potential as well as the status and benefits in new energy were analyzed.Key Words：hybrid vehicles; status; development目 录1 绪论11.1 研究背景11.2 研究目的及意义12 混合动力系统概述32.1 混合动力汽车的定义32.2混合动力汽车的部件32.3混合动力汽车的类型42.3.1并联式混合动力汽车42.3.2串联式混合动力汽车52.3.3混联式混合动力汽车62.3.4不同混合动力式汽车的比较73 混合动力汽车的现状93.1国外混合动力汽车的现状93.2国内混合动力汽车的现状93.3国内外混合动力汽车的对比103.3.1中国以比亚迪F3DM为例103.3.2日本以比丰田Pruis为例113.3.3美国以比Prodigy为例144 混合动力汽车的发展174.1 混合动力汽车的技术发展174.2 混合动力汽车节能的潜力184.3混合动力汽车发展面临的问题184.4 混合动力汽车在新能源中的发展195结论与展望21参考文献22致谢231 绪论1.1 研究背景目前,在当今社会汽车大约有7亿辆,其中在人们当中平均约9人就有一辆，在汽车总数的80%左右中，轿车占据的数量最多。美国的汽车数量在全球居第一位，几乎每人都拥有一辆车；在欧洲和日本这些地方，2人才拥有一辆车；在发展中国家里面，在5到10人里才拥有一辆车。在当今社会，汽车能便捷地运送货物和人，很大程度地促进了社会和经济的迅猛发展。21世纪，汽车与人们的生产和生活息息相关，它已经成为一种人们必不可缺少的交通工具。随着进一步的城镇化、全球化和工业化，在全世界人类所拥有的汽车的数目在迅速的增长。然而，汽车增长如此之快，不仅造成了交通的拥挤，而且还使环境变得更加的恶劣。此时，我们用心地想一下，汽车为人们的出行和交通运输等方面提供了便利，但是在这背后它给人们的健康和环境带来了多大的伤害。给人们造成最终伤害的原因是汽车的排放。目前，由于在城市的汽车居多，汽车排放的尾气也成倍的增加。汽车尾气增加的同时，给在城市居住的人们的身体健康留下了毁灭性的打击。根据科学家预测，2020年在城市居住的人们将会有800万的人口因呼吸系统死于汽车的尾气排放中。汽车造成的排放归根在于汽车燃料的问题。现在的汽车大部分都是以燃油为汽车燃料，为对石油的依赖性很大，同时在汽车快速发展的时候带来了的问题也日益表现出来。由于在地球上的石油资源有限，燃油制品燃烧产生的排放物导致了空气质量变差、四季的变迁和政治冲突等很多问题。与此同时，燃油燃烧产生的排放物增加了二氧化碳的含量。二氧化碳过多，热量就没法从大气中散发出去，造成了温室效应，使全球气候的变暖和四季的变迁。汽车在消耗石油产生一氧化碳和二氧化碳的同时，还产生了碳氢化合物和氮氧化合物。这些排放物，会威胁人类和动物的建康。所以汽车尾气的排放成为了重中之重。现在全世界严格控制汽车的排放，使它处于严格监管的法规之内。1.2 研究目的及意义当今世界所关注的排放和能源的问题已成为了焦点。汽车行业在迅猛地发展壮大，然而随之带来了汽车的排放和石油的紧缺。由于石油的涨价幅度很快，因此人们正在加快脚步地查寻一种新能源的汽车。人们在新动力、新能源、新燃料方面进行了大量的研究和探索，最适合当时社会的选择之一便是电动车。在19世纪末，人们首先研究出了电动车，在这个时代，电动汽车便因为噪声低、零排放、运转平稳、启动方便、操纵灵活等特点受到人们的欢迎。然而，电动汽车也有不足，价格较贵，充电不方便，动力低，较短的使用寿命，无法满足人们长距离的远行，因而便被市场所淘汰。 在19世纪初期，美国人研究出了第一辆混合动力汽车，但由于混合动力技术的不成熟，造成了混合动力汽车的产量不是很高。一直到1973年，阿拉伯国家采取了禁运石油的措施，才会导致汽油的涨价幅度迅猛地增加。因此混合动力汽车在这时发展受到了很大的限制，因而混合动力汽车只能慢慢地发展。一直到20世纪90年代，由于飞快上升的石油价格，人们不得不重新考虑再次研究混合动力汽车。21世纪末期，随着混合动力车的销量不断地增加，人们的需求量也在不断地增加，同时政府出台的排放标准也相应地做出了调整。由于石油的涨价幅度和四季的变迁，因此人们认识到增加燃油经济性是很重要的。耗能低和排放低的混合动力汽车得到了全球汽车公司的青睐。由于混合动力汽车包含了内燃机和电力驱动系统的优点，所以全世界的人们对它格外地青睐。混合动力汽车不仅为人们解决了能源危机的问题，而且还解决了汽车排放的问题。因为混合动力汽车的排放低和耗能低的特点，所以在不远的将来全球的环境将会变得更好。混合动力汽车在比较平稳的内燃机情况下工作时，会很容易地掌握排放气体的组成成分。2 混合动力系统概述2.1 混合动力汽车的定义混合动力一般是燃料和电能的混合，即油电混合。它具有两个动力源，这两个动力源装置电动机和内燃机。基本原理就是，内燃机在使汽车行驶的同时，也会使发电系统给蓄电池进行充电。而电动机是由蓄电池给供给电力，它才会工作。混合动力汽车是车上装有至少两个上动力源，它包括燃料电池、蓄电池、内燃机车上的发电机组、太阳能电池。现在混合动力汽车一般有两种动力源装置内燃机和电动机。它的英文缩写为Hybrid Electric Vehicle,简称为HEV。HEV是具有两种或两种以上动力源并且可以相互配合工作的车辆。每种动力源的优点在混合动力汽车上都很好地表现出来，混合动力汽车的最优匹配是通过自动控制形成的。由于配置系统和耦合方式的不一样，HEV有很多不同的结构。2.2混合动力汽车的部件HEV结合了电动汽车和传统内燃机的优点，使用内燃机和电动机/发电机进行驱动。它的主要部件有发动机、蓄电池、电驱动系统。1、发动机HEV有汽油和柴油两种发动机。汽油发动机的体型小、耗油少、排放低。发动机启动快，运动副和泵气阻力的摩擦减少。它的主要动力是由发动机提供，电动驱动系统为辅助动力。比如本田的混合动力系统采用了稀燃技术和高效催化转化，不仅提高了压缩比，而且还减少了有害气体的排放。由于混合汽车的柴油发动机选取了废气再循环、超高压喷射、涡轮增压等一些先进的技术，所以当汽车在平稳的工况下进行工作时，燃料的利用率在降低，排放的有害气体也在降低。2、蓄电池混合动力汽车的蓄电池拥有强大的动力电源。缓慢运转时，点火装置和起动机的电力有蓄电池供给。当发动机在较低的速度运转时，点火系统及其它用电设备的电力全由蓄电池供给。它还作为驱动系统提供动力源，蓄电池的性能要求如下：a、较短的充电时间： 混合动力汽车的充电方式是脉冲快速充电。脉冲快速充电至额定容量的50%60%用的时间很短，脉冲快速充电的时间一般初充电5h，补充充电1h。这种充电方式会大大缩减了蓄电池的寿命。b、由于混合动力的电池的存在，在变化的充放电过程和快速充电的工况下，可让发动机在一个相对稳定的工况下工作。同时，还可改善气体的排放。c、比能量：比能量的重要性能是混合动力汽车能够达到所需的基本行驶里程。混合动力系统在制动能量回收或较低功率峰调节的时候，电池一定要在极短的时间里收回很多的能量。e、较长的使用寿命，不用进行维护：蓄电池有不少于1000次的充放电循环期。f、可靠安全：经常对持蓄电池的表面进行清除，使其表面保持干净，以免电解液渗漏。蓄电池不会由于发生撞击的原因，危害人们的生命安全。3、电驱动系统因为混合动力汽车驱动系统具有排放低和耗能低的特点，所以在不远的将来全球的环境将会变得更好。混合动力汽车在比较平稳的内燃机情况下工作时，会很容易地掌握排放气体的组成成分电驱动系统的功率电子器件、控制策略、电机等有着密不可分的影响。混合动力汽车对电机驱动系统的基本要求如下：a、良好的动态性能。它要能使汽车频繁减速加速，停车启动。、进行再生制动和正反转可以在四个象限内运作。、速度的调变视野很大，汽车的行驶性与动力性相类似。、电驱动系统有较小的体积，较轻的质量，较大的功率密度，从而使汽车在较短的时间内能够承受较高的载荷。混合动力汽车的驱动系统包含永磁无刷同步驱动系统和异步电动机驱动系统这两种。2.3混合动力汽车的类型根据蓄能器的形式不同，混合动力汽车分为蓄电池储能、飞轮储能、液压蓄能类。混合动力汽车最少拥有一种能量源、能量存储器、能量转换器能传递动能。其中转换器按照蓄能器形式的不同，可分为液压电动机、电动机、无极变速器等。当今全球的混合动力汽车有很一部分是利用内燃机作为主、蓄电池组作为辅的混合动力系统，小部分燃油的经济性和排放性被舍弃，不仅增加续航里程，而且还很好的改良了汽车的全面性能。内燃机电动机混合动力汽车根据动力单元力驱动系统（内燃机动力系统）和辅助电力驱动系统(蓄电池动力系统)的布置方式分的不同，它分为3个基本结构：并联式混合动力汽车、串联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车。2.3.1并联式混合动力汽车 并联式混合动力汽车用电动机与发电机机械能递加的方式来驱动汽车，其动力系统结构如图2-1所示。混合动力汽车有以下两套动力驱动系统组成：一是发动机的动力可以通过离合器的耦合传递给传动系统，传统的汽车结构与其一样；二是电动驱动系统，它传递的能量经过电动机、电池组、传动轴。两套系统不仅能同时使用，而且还能单独使用。另外，电动机还可以当作发电机使用，回收制动时的动能或内燃机的部分能量。并联式HEV具有两个驱动源电动机和内燃机，所以它具备如下的工作模式：图2-1并联式HEV架构1、单独工作模式：当蓄电池电量充足，并且车辆需求功率较小时，发动机关闭，电池和电动机提供能量驱动汽车。2、共同工作模式：当车辆需求功率较大时，发动机开启，并且与电动机一起提供能量驱动汽车。3、发动机单独工作模式：当车辆在高速公路上巡航时，并且所需功率不大时，发动机提供车辆需要的全部能量。在较低转速工作时，电动机的转速不变。由于电池具有很高的SOC，发动机的关闭时刻需要汽车的功率来阻止，或者是由于关闭发动机可降低它的效率。4、功率分配模式：在发动机开始运行时，不仅车辆所需的功率较小，而且电池的SOC也较低时，内燃机的一部分功率会由发电机转变成电能，给电池进行充电。5、停车充电模式：在汽车停止运转时，电动机被发动机带动进行发电，这时候电动机被当作发电动机给蓄电池进行充电。6、再生制动模式:电动机被用作发电机将汽车的动能转化为电能储存在蓄电池中。注意，再生制动时，原则上发动机应当照常运转，以便更快地为蓄电池充满电（主驱动电机处于发电状态），同时提供相应的力矩，即与总的电池输入功率相匹配。在这种情况下，发动机和电动机应当很好地协调工作。但是，由于该系统没有安装调节速度的机械装置，因此需要安装变速箱，而如果使用自动变速箱，则油泵、变矩器及其它附件都会降低变速箱的效率。此外，电动机可以控制发动机的输出转矩，齿轮的传动比可以决定发电机的转速，所以发动机的工作运行情况与汽车的行驶工况有一定的关系。2.3.2串联式混合动力汽车 串联式混合动力汽车由发动机、蓄电池组、控制器、电动机和汽车的传动系统组成。在串联混合动力汽车中，内燃机是主能转换器，将汽油中的一次能源转化为机械能。然后利用发动机将内燃机输出的机械能转化为电能。由蓄电池存储的电或发电机产生的电能被电动机所用来使主减速器工作。电动机不仅直接接受IG组产生的电能，而且也能接受电池的电能，或者同时接受两者的电能。由于车轮和发动机之间是机械解耦的，所以发动机的转速控制不受车速的影响。这不仅简化了发动机的控制，更为重要的是，能够使发动机在最佳转速处工作，以便获得最好的燃油经济性。此时，在汽车上的发动机布置变得越灵巧。在串联HEV中，传统的机械变速器不是表现的那么重要。由于不同的工作条件，它的动力元件能够以不同的组合工作：图2-2串联式HEV1、蓄电池单独工作：当蓄电池电量充足，并且车辆要求较小的功率时，IG组关闭，车辆可由电池单独驱动。2、共同工作：在需求大功率时，蓄电池和IG组开启一起为电动机提供能量。3、发动机单独工作：在高速公路上巡航，并且车辆需求功率中等时，IG组开启。蓄电池不充电也不放电。主要是因为蓄电池的荷电状态已经很高，车辆的功率要求关闭发动机降低效率或者阻止发动机关闭。4、功率分配：当IG组开启时，车辆需求功率小于其最优功率，并且蓄电池的SOC较低时，IG组的部分功率被用来蓄电池充电。5、停车充电：车辆停止时，给蓄电电池充电的是IG组。6、再生制动：电动机不仅可以当作发电机用，还可以将汽车的动能转化换成电能，同时给蓄电池进行充电。串联式混合动力汽车的布置和传统的汽车相似，如图2-2用电动机代替途中的发动机。另外的一种方案也是可行的，如轮毂电动机。在这种方案中，分别安装在每个车轮中。因为去掉了主减速器和变速器，所以车辆系统的整体效率得到了提高。这样的汽车也具备全轮驱动的能力，但是，却很难独立地控制每个电动机。2.3.3混联式混合动力汽车 图2-3所示的混联式混合动力汽车同时具有了并联式和串联式混合动力汽车的特点。所以，它既可以像并联式HEV那样工作，也可以像串联式HEV那样工作。混联式HEV与串联式HEV相比，在主减速器和发动机之间增加了机械连接部件，所以发动机能够直接驱动车轮。它和并联式相比较，增加了主要用来发电的电动机。混联式HEV既可以像并联模式工作，也可以像串联模式工作，因此它的燃油经济性和驾驶性便能根据汽车的行驶情况进行优化。便能优化它的驾驶性能和燃油经济性。在控制方面混联式HEV有较大的自由度，所以它成为当今很常见的一种布置形式。由比复杂度的增多和零部件的增加，又让它的价格比一般的并联式HEV或串联式HEV高的多。图2-3混联式动力汽车的结构示意图2.3.4不同混合动力式汽车的比较串联式合动力汽车是利用发电机和发动机提供电能，这时只有电动机作为驱动源为车轮提供机械能。由于发动机与车轮间无直接的机械连接，发动机能进行独自地控制，因此电机和发动机同样可以在最佳排放和高效能的情况下运转，从而使它能够到最佳的燃油经济性和排放性。因为多次能量转换是在发动机发电机电动机间进行的，串联式HEV系统的能量利用率较低，从发动机输出的机械能被发动机利用并将其转换成电能，所以发电机与发动机它们的功率一定要相等。串联式混合动力汽车通常在动机与车轴直接连接较困难的情况下工作。在串联式HEV中，发动机与道路负载隔离开来，发动机的工作区域间不会发生突变，其怠速时间很短，从而能减少排放，更好地保护环境。串联式HEV混合动力的优点还在于发动机-发电机组的位置更灵活，且设计简单。但是，串联式HEV包含了内燃机、电动机和发电机三部件。由于三部件的外观、重量和功率比较大，所以汽车的成本比较高：比较低的能量转换率，损耗的能量很大。并联式HEV包含了发动机和电动机两种驱动系统，电机既可以用作发电机，也可以用作电动机。两个动力系统不仅可以单独工作，而且还可以同时协调工作。能量的利用率上升的原因：发动机和车轮间无机械连接，还去除了发电机。由于HEV式的传动系统和制系统复杂，因此它的工作模式较多。在一般路面上行驶时，驾驶员能用其熟知动力特性的发动机作为动力来驾驶汽车；当汽车要过零排放区时，则只使用电动驱动系统；在汽车的速度缓缓停下来的时候，电池组的电力由电机提供；在发电机和电动机一起推动汽车运转时，汽车可以进行缓慢爬坡和加速。串联式HEV和并联式HEV相比较，它们各有各的优缺点。由于在串联式混合动力汽车中，发动机和车轮间无机械连接，所以发动机在转矩-速度图的每个点上运作。因为车轮与发动机之间的机械解耦，所以控制动力总成的策略比较容易。但是，串联式HEV也存在着不足，从发动机产生的能量要经过两次能量转换才达到驱动轮，能量的损耗较多，效率较低。发电机的使用还增加了车辆成本和质量。然而，并联式HEV则与之不同。并联式HEV不需要发电机，发动机的动力与车轴直接连接，所以与串联式HEV相比效率高、能量损失小。并联式HEV不需要发电机，发动机的动力与车轴直接连接，所以与串联式HEV相比效率高、能量损失小。电机不仅可以当作电动机用，而且还可以当发电机用。电机可以采用小功率的，价格低。但是并联式HEV不仅使发动机在最佳的工作区域工作，而且还不能充分发挥发动机的效率。在混联式HEV中，由于灵活的驾驶情况造成了不同的工作模式，混合动力汽车才能在排放性和热效率达到最高。在比较低的速度时，电池提供的电力驱动汽车行驶；在正常行驶的情况下工作时，混联式HEV工作；重负荷或大节气门加速时，动力系统除串并联式工作外，蓄电池也参与工作；当车逐渐降低速度和制动时，回收系统在吸收能量的时候并给蓄电池进行充电；车停止工作时，发动机停止运转。但是，混联式HEV成本高，控制系统较复杂。不同混合动力式汽车的比较可得出：串联式HEV可让发动机常在高效率和平稳的情况下运转，控制排放性能在最佳时候。但是，它的能量利用率低，成本较高。并联式HEV的能量损失降低，燃油的经济性得到了提高，整车质量较轻，但是机械驱动系统和发动机之间的机械连接，使汽车的布置方式难度增加。因为混联式HEV既可以串联模式工作，又可以并联式工作，所以可依据汽车的行驶工况，能够优化它的驾驶性和燃油经济性。3 混合动力汽车的现状3.1国外混合动力汽车的现状20世纪末期，随着第一辆现代HEV丰田Pruis在日本的销售，全球汽车历史翻开了新的一页。1997年，丰田汽车公司的Prius逐渐地步入了人们的视野中。丰田普锐斯逐渐成为了全世界汽车市场上首款生产最多的混合动力车型。由于丰田汽车公司对混动力汽车的技术进行了长时间的专研和探索，因此混合动力汽车在市场的销量增加地很快，并且还得到了人们的一致好评。21世纪初期，Prius在全世界的销量就已经超过了50万辆。在日本不仅仅只丰田公司的Prius取得了显著的成就，日本的本田也取得了骄人的成绩。到1999年，由于Honda Insight汽车耗油最低，在举行的节能汽车大赛中上一出现，就获得到了由美国环卫总署颁发的一等奖。丰田公司的Prius在这场大赛获得了第二名。1993年，为了刺激HEV和电动汽车的发展，美国能源部成立了这样的一个项目，这个项目就是“新一代汽车伙伴计划”。在这个计划当中，美国三大汽车公司证明了大量汽车新技术的可行性，包括HEV的燃油经济性达到70MPG。例如福特的P2000LSR、通用的Precepthe 和戴姆勒-克莱斯勒的ESX3，都是PNGV计划出台之后，开发出的三种混合动力汽车。2005年，为了抵挡日本在混合动力方面技术的垄断，美国通用公司与宝戴姆勒-克莱斯勒公司、宝马一起成立了GHC,携手研发TMHD双模式混合动力系统。2009年，混合动力汽车的销售量在美国已经到达了29.03万辆，美国汽车市场的2.8%都由它占领。预计在2014年国美混合动力汽车的销量将达到87.2辆，占美国汽车市场份额达到5%。在欧洲，德国大众汽车公司研究出了大众Golf轿车。另外法国的的Berlinge汽车，在性能比上能与燃油汽车相抗衡，在世界上代表了实用的先进水平。 3.2国内混合动力汽车的现状2007年，在“十五期间”，中国实行一个“863”计划，抓紧研究燃料电池汽车和混合动力汽车，扩大纯电动车在生活中的实际应用。在创新新能源汽车的过程中，我国独立地进行了研发。我国依靠系统集成、关键技术和关键部件三大原则，并制订了“三纵”和“三横”的研发布局。三纵分别是燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车，三横分别是动力蓄电池燃料电池、整车控制系统、电机驱动系统。 现在我国混合动力汽车在系统布置、可靠性、环保性等一些方面获取了较大的进步。通过采用多种多样的技术，混合动力汽车节省了很大一部分油。由于这些，全球的汽车公司加快了研究混合动力汽车的步伐。目前，国内的比亚迪、长安、奇瑞等汽车公司，都投入了大量的人力和物力，他们公司自行研发的混合动力汽车已经在各个大国的国际车展上频频亮相。2009年，比亚迪F3DM在美国的汽车展会上隆重亮相。2008年在中国的汽车市场上已经销售了出去一部分，到2011年它将会在北美这片土地上首次出现。在全世界比亚迪F3DM比丰田和通用的插电动力汽车上市早了一些时间。长安汽车公司的杰勋是国内第一辆自主研发并大量生产的混合动力车。在2009年，在重庆、北京，长安杰勋已经成功上市。从2003到2008年的这三年，奇瑞公司对环保型的混合动力汽车进入了深入的研究，并且还进行了很多混合动力汽车的生产。奇瑞公司的混合动力汽车在油耗方面已经达到了3L/100km,达到欧美的排放标准。3.3国内外混合动力汽车的对比3.3.1中国以比亚迪F3DM为例作为新能源汽车的全球领导者，该公司是非常频繁的动作在电动汽车领域。在2010年，比亚迪F3DM低碳版双模电动车出现在北美洲的汽车市场上。该F3DM采用的混合动力系统和电动系统。371QA全铝汽油机，再加上两个永磁同步电动机M1和M2为它提供动力。F3DM混合模式,有四种工作状态。 在低速、短途公路和纯电动模式工作的情况下，只有电池供给电力，动力则只有M2提供动力。如果有足够的电量，混合动力汽车可以纯电动汽车方式高速行驶一段距离。在刹车或滑行时，电动机M2没有再供给电力，相反，在电机反转时，恢复损失的一部分动能给电池进行充电。在反复起停、温柔驾驶的时候 ，消耗的能量大约可以降低1/8。在仅有电力驱动工作时，电池几乎耗尽能量，在电池到达20%的情况下，371QA发动机开始驱动发电机M1给蓄电池充电。然后就可以通过IGBT逆变器，为M2电动机提供电力，驱动F3DM行驶。如果要跑长途，长期在混合动力模式下工作，在电池电量剩50%的时候，M1发电机就开始启动。电池充电到70%的时候，就停止了工作。在电池的电量充足，急加速或超高速行驶的情况下， 发动机371QA、发电机M1和电动机M2一起工作，为汽车提供足够的动力。混合动力汽车在混合动力和纯电动模式之间切换模式。71QA全铝发动机的功率为50千瓦，然后再和电机配合，F3DM输出了125千瓦的功率。在仅有电机工作的情况下，续驶里程达到了100km，速度最高可达150km/h。此外，F3DM双模电动车的电池使用了含铁的原材料，原材料不仅没有污染，还能回收使用。电池具有良好的耐热性和抗压性，然后它还顺利地通过了国家的标准测试。电池充电循环的次数至少在2000次，电池的续驶里程使用寿命至少在60万千米。F3DM在只有电机工作的情况下，碳排放为零，但在混合模式下运行时，它的排放性能得到了很大地提高。此外，F3DM蓄电池的原材料在完整的生产程序中没有受到污染，还可以在回收之后再用。同时，它还有一些不足，电能损耗大，体积庞大，充电不方便。在纯电动的模式下工作时，只能在城市中短距离的行驶。在混合动力模式下，高速时的油耗大。在出现严重的事故时，化学性质活跃的锂离子暴露在空气中，会发生难以预料的灾难。3.3.2日本以比丰田Pruis为例丰田汽车公司的Pruis汽车，是全球第一个大规模生产的汽油电动混合动力汽车。Prius装备了油电混合动力系统，它的英文缩写为THS。THS的结构THS系统为混联式混合动力驱动，结构如下图3-1所表示。发电机、发动机、交/直流逆变器、蓄电池、动力分离装置、减速机构和电动机等一起构成了THS系统。图3-1 Prius轿车混合动力系统THS的结构示意图图3-2变速装置该动力系统使用了一个行星齿轮装置，如图3-2所示，将能量分别传送至驱动轴和发电机。直接驱动车轮的一部分电力是由发电机供给的，另一部分有逆变器转换后的直流电存储在电池中。1.THS的控制结构与性能特点。(1)THS 的控制策略。THS的中央控制ECU主要有5个，它们分别是电动机ECU、混合动力ECU、制动控制ECU、电池监测ECU和发动机控制ECU。在Prius运转时，制动控制ECU、控制ECU和电池监测ECU之间进行协调控制。通过它们之间的相互协调工作，Prius经常在一个很好的环境下工作。启动时，Prius将发电机作为启动电动机用。启动发动机后，发电机恢复能源供应。当车辆处于极低的速度或低负荷开车条件时，混合ECU和发电机控制ECU协同控制发动机停止,前进的动力只有电动机供给。在正常驾驶环境,都有发动机驱动。然而，分配装置的存在，获得的能量驱动轴由两部分组成:一是直接通过减速齿轮驱动轮的能量,另一部分是由生成器,生成驱动电动机,，量由两部分组成：一部分是经减速装置直接到达驱动轮的能量；另一部分另一部分通过一个减速齿轮装置，以产生一发电机驱动电动机实现节能。这种能量的分配机制，它允许在系统控制的最大流量的能效比。由上面的THS控制策略可知，混合动力汽车总是在耗油低、排放低的环境下工作。(2)THS的变速装置。行星齿轮结构、发电机和电动机构成了THS的变速装置。其结构如图3-2所示。通过THS的变速装置，控制发动机的转速是通过改变发电机的转速来实现的，所以车子不需要安装系统换挡机构。3）THS提高燃料经济性的技术。电动机仅仅在THS输出较小扭矩时才工作，发动机在THS输出较大扭矩时才会工作。所以，发动机始终在最佳的环境下工作，混合动力系统大大地提高了燃油的利用率，在城市驾驶至少也要达到0.8。停车及以极低车速行驶时发动机停止工作，不仅减少能源损耗，而且能防止发动机排出有害物质。2.Prius轿车主要装置（1)汽油发动机。与传统机型相比，Prius汽车耗油低、排放低。 高膨胀比循环。发动机所用的高通胀比循环系统“阿特金森循环”的表示是需要高效率的1.5L发动。 高旋转化。内燃机的最大转数提高到5000r/min，最大转数提高的同时，功率相应地变大了，能量的损耗反而降低了不少。采用VVT-i机构。VVT-i机构即可变气门正时机构，可根据行驶情况细微地调节进气门的工作时间。（2）HV（镍氢）蓄电池Prius所用的是具有较高能量的镍氢蓄电池，电池的密度有输入、输出和重量较小、使用寿命较长等一些特点，不用外接电源，也不用定期更换。该蓄电池全新设计了以往的电极材料与单电池之间的连接结构，减少了HV蓄电池的内部电阻。（3）大功率电动机Prius的电动机中采用了交流同步电动机，它主要由定子（3个磁极、3个线圈）、转子（8块永久磁铁）等组成。主要特点。 由于该电动机具有质量轻而小、效率高等特点，所以启动、加速等各种操作会进行的很顺利。电动机采用的是三相绕组的交流方式。再生制动。 Prius系统中采用了“再生制动器”，利用电动机的发电来再次利用动能。电动机通常在通电后开始转动，但是相反对的让外界力量带动电动机旋转时，它又可作为发电机来发电。因此，利用驱动轮的旋转力带动电动机发电，在给HV蓄电池充电的同时，又可利用发电时的电阻进行减速。（4）动力分配装置。 丰田Prius中安装有动力分配装置，可将发动机产生的动力分配给驱动轮和发电机。它采用由齿环、小齿轮、太阳齿轮、行星支架组成的行星齿轮机构，能高效地分配动力。（5）发电机。 丰田Prius采用的是交流同步发电机，能实现高旋转化，提高输出功率。（6）动力控制单元。 逆变器、变压器和DC/DC转换器构成了动力控制单元。（7）电子控制系统。 ECU对汽车的车辆运行状况和系统的能源消耗进行监测，然后并对其进行控制。监控整车的运行状况。监控通过汽车的控制网络传来的制动信息。监控驾驶者发出的指令。监控发朱驾驶设备的能量消耗。综合以上的监控结果，确保了电子控制各系统正常工作，以实现安全、舒适和 最高效率的行驶。3.Prius轿车工作原理（1）启动及低/中速行驶。 车刚刚启动，仅仅只有电动机工作。对于发动机而言，在低/中速带的效率并不理想，与之相比，电动机有较好的性能参数。所以，在低速或中速工作时，仅仅只有电池带动电动机驱动车轮运转。（2）一般或中速行驶。车辆在一般或在中速工作时，发电机和电动机同时起作用，使汽车处于行驶的状态。（3）全速行驶。当车辆需要进行全力加速时，蓄电池供给动力的同时，电机的驱动力也再不断地提高。（4）制动/减速行驶。当驾驶员踩下制动时，车轮的旋转力是通过混合动力系统带动电动机运转来实现的。减速时通常作为摩擦散热失掉的能量，在此时被转换为电能，回收到HEV蓄电池中进行再利用。(5)停车。车辆在停止工作时，电动机、发动机和发电机都因此停止运作，不会消耗多余的能量。当电池的电量较低时，发动机仍然会运转，同时还会向电池提供电力。3.3.3美国以比Prodigy为例Prodigy汽车是一种“低储能”型的并联式混合动力电动汽车，它用的电池是镍氢蓄电池，镍氢蓄电池质量较小，它还能存储蓄电池的电能。与相同类型的家用汽车相比，车辆的整备质量轻了450公斤。Prodigy动力系统主要由发动机、电动机和动力电池组三部分构成。结构与组成如下图3-3所示。图3-3 福特汽车公司Prodigy LSR 轿车的结构1-中央控制器 2-发动机 3-自动离合器 4-电动/发电机（S/A) 5-离合器 6-变速机 7-驱动桥（主减速齿轮和差速器）8-电流转化器 9-动力电池组Prodigy LSR车上装有直列4缸1.2L 四气门直喷式DLATA发动机。DLATA发动机不仅性能较高，而且效率也高。发动机的输出功率达54.4kw，输出转矩达153Nm。在汽车的前端装有发动机，从离合器出发，经过5挡变速器操纵换挡机构，中间再经过主减速齿轮和差速器齿轮，最后与汽车的半轴相连，从而可推动汽车行驶。与传统的车辆相比，它们的结构几乎一样。电动机或发电机：电动机或发电机装在发动机输出的轴上，它是一个三相交流电机，交流变频器控制它的输出电流和功率，它输出的最高功率只有8kW，。在汽车进行加度或爬坡的时候，以发动机为主要动力工作，而电动机或发电机作为辅助动力来协调其工作。动力电池组，是有较多个电压为12V的单格镍氢蓄电池构成，它的电池容量仅仅有4Ah，它的输出功率达22千瓦，它的能量达1.1kWh。Prodigy LSR是由发动机驱动车轮行驶。发动机的启动仅由电动或发电机工作。电动机或发电机：电动机或发电机装在发动机输出的轴上，它是一个三相交流电机，交流变频器控制它的输出电流和功率，它输出的最高功率只有8kW，。在汽车进行加度或爬坡的时候，以发动机为主要动力工作，而电动机或发电机作为辅助动力来协调其工作。动力电池组，是有较多个电压为12V的单格镍氢蓄电池构成，它的电池容量仅仅有4Ah，它的输出功率达22千瓦，它的能量达1.1kWh。Prodigy LSR是由发动机驱动车轮行驶。发动机的启动仅由电动或发电机工作。混合驱动模式：1、在汽车进行加速或爬坡时，需要汽车发动机提供最大的行驶动力的时候，此时需要将发动机的节气门开度打开到最大，由电动机或者发电机转换成为电动机，此时混合动力的驱动模式有两种。一种是电动机和发动机的组合，另外一种是发电机和电动机的组合。2、采用由电动机或发动机的控制模块，它不仅可以控制有镍氢组成的动力电池平稳低输出电流，而且还能延长蓄电池的使用寿命。它的主要特点；1、再生制动能量回收：Prodigy LSR在制动时，电动发电机能够回收再生制动时的能量，转换为电能储存到动力电池组中。2、在提高汽车的燃油经济性方面时采用了开源的方式。开源是通过减轻汽车的重量，采用新型动力系统、提高汽车外型的空气动力性能从而降低了阻力等方式，在提高汽车舒适和汽车性能的同时，从根本上解决了燃油的效率问题。从上面的三种混合动力汽车介绍得出了结论：比亚迪F3DM的技术先进，它不仅采用了混合动力系统，而且还有电动模式动力系统驱动。在成本方面，它的价格比Prius低，但是在维修和保养方面较贵。在蓄电池的充电方面会比较困难。Prius的技术处于世界领先的地位，结合了发动机和电动机的特点，它的排放性能和燃油的经济性依然达到了世界领先的地位。令汽车的性能有了划时代的改变，不但达到了远远低于传统汽车的油耗水平，而且实现了世界高水平的低尾气排放。由于它的HV蓄电池具有高输入、输出密度，所以它的技术居世界最高。Prodigy汽车只是一种“低储能(LSR)”型并联式混合动力汽车，它的质量比同类的家庭轿车轻。4 混合动力汽车的发展4.1 混合动力汽车的技术发展混合动力汽车是传统汽车和电动汽车间的一种车辆形式，混合动力汽车的发展主要与能量存储技术、动力单元的匹配、驱动系统的电动机技术及载荷均衡装置的开发等有关。1.能量存储技术过去， 电动汽车的蓄电池容量的研发成了重要的环节。现在，镍氢电池和锂离子电池已经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。从长远的目光里来看，人们对研制与开发的能量存储技术的装置提出了以下三个要求：一是加大专研电池内部之间的电路的力度。二是从蓄电池的生产方面要作出较大地改良，首先要大大地减少制造蓄电池的成本，然后在进行蓄电池的性能方面作出大地改良。三是找出管理蓄电池的热能和剩余电量的办法，然后加以改善。2.动力单元的匹配技术传统汽车在选取发动机的时候，主要是看发动机的功率在电源短时间内能否达到最大。而在混合动力汽车选取发动机的时候，主要是看车辆的平均负荷是否符合要求。而对于混合动力汽车中的发电机/电动机系统，这种连接中存在两次能量转换，也存在着能量损失。因此，开发混合动力汽车时，发动机排量、功率的选择十分重要。为了获得良好的综合性能，必须选择合适的发动机。3.驱动系统的电动机技术混合动力系统的关键问题之一是驱动系统，它包括电动机和控制系统两大部分。直流电动机主要有刚启动时汽车的转矩较大、良好的调速性能等特点，但是在传统效率方面，它的传统效率较低。交流发电机包括同步电动机、异步电动机、永磁盘式电动机等。交流电动机因具有体积小、功率大、加速性能好、效率高、调速范围宽以及在制动时可方便实现能量回收等优点，故目前得到了广泛的应用，但仍然存在着大动率永磁交流电动机设计、制造、工艺、价格等方面的问题。4.载荷均衡装置的开发在发动机、蓄电池组和发电机之间，它们要形成良好的配合关系。它们之间的配合会直接影响到整车的性能。混合动力汽车之所以能够成功，起到决定因素的就是在于它的完善和智能化的控制系统。5.车身结构的改型设计现代轿车均采用承载式车身结构，为了安装新的混合动力系统，必定要对车身结构进行改进。车身的结构改型设计关键在于能否保证车身的刚度和能否承受外界的撞击。4.2 混合动力汽车节能的潜力从蓄电池的能量效率汽车与传统的内燃机相比较，具有以下几个特点。能量的再生制动。在车辆进行制动的时候，在发电机工作的模式下，混合动力汽车可以使电动机去回收制动时损耗的能量。传统车辆与之相比较，制动时的能量以热能的形式损耗掉了。 车载动力总成(OBPU)可以更有效地工作，甚至可以消除或大大减少怠速工作状态，合动力车辆可利用能量储存装置去吸收OBPU多余的输出功率，或补充OBPU功率的不足，这两种办法使发动机的转速和负荷避开低效率区域，使其转速或负荷只工作在最大效率下。车载动力单元能很小和很轻，这是由于储能元件为它增加功率的一部分。汽车在某些情况下工作的时候，动力控制单元的功率是由最大持续功率决定的因此，在与传统的内燃机相比较，车载动力单元的额定功率减少了很多。混合动力汽车还存在着一些缺点，缺点如下。比较大的质量。尽管混合动力车辆上使用燃料的能源装置比性能类似的传统车辆功率小、重量轻，但是混合动力车辆的总重量比传统车辆大，因为它附加了另一套储能装置、电机等元件。 比较大的电气效率损失。在混合动力系统中的大多部分，电-机械能量由一些部件来回切换，从而损失的效率大大地增加了。结构复杂，成本高。4.3混合动力汽车发展面临的问题HEV能够克服电池驱动纯电动汽车和汽油机驱动传统汽车的缺点。与传统汽车相比，它的优点包括最佳燃油经济性和减少排放；与纯电动汽车相比，它能够增加续航里程、缩短充电时间以及减小电池尺寸。然而HEV和PHEV仍然面临诸多挑战，如比传统汽车更高的成本、有高功率引起的电磁干扰以及有零件的增加和复杂性、系统包装、汽车控制和能量管理等引起的安全性和可靠性隐患。1）电力电子和电机：有关电力电子和电机的问题已经是老生常谈了。但是电力电子应用于汽车环境却面临新的挑战。汽车环境条件，如极端高温和低温、振动、冲击、和瞬时响应等，与电机和电子变换器习惯的工作环境相比不大不相同。HEV在电力电子方面面临着包装、尺寸、成本和热管理等诸多挑战。2）电磁干扰：电力电子和电机的高频切换和高功率运行会产生大量的电磁噪声，如果不能很好地处理，则会干扰汽车其他系统的工作。3）储能系统：储能系统是HEV和PHEV面临的主要挑战。传统的蓄电池很难满足良好性能所需的脉冲功率和能量容量。在汽车上应用，其使用寿命和耐极端条件也非常关键。目前，大部分HEV应用的是镍氢电池，而PHEV则主要使用锂电池。当主要考虑功率需求时，超级电容器则主要使用锂电池。当主要考虑功率需求时，超级电容器在一些特殊的情况下也被应用。同时飞轮也受到关注。目前储能系统主要的局限性在于较小的功率密度、有限的使用寿命、高昂的成本以及潜在的安全问题。4) 再生制动控制：回收制动过程中的动能是HEV和PHEV的一个重要特点。然而，当考虑制动安全和制动性能时，再生制动和液压/摩擦制动系统之间的协调却是一个大的挑战。5) 能量管理和车辆管制：HEV使用多个驱动零部件，不同的零部件之间需要较好的协调。因此对于HEV，能量管理是整车控制功能中的一个关键问题。在HEV上，一个最优秀的整车控制器有助于获得更好的燃油经济性。6)热管理：与汽油机汽车相比，电力电子、电机和蓄电池的正常工作温度要低得多。在HEV上，独立的冷却系统是必需的。7）建模和仿真、车辆动力学、汽车设计和优化：由于HEV的零部件增加了，在相同的空间里布置这些零部件变得很困难。与之相联系的车辆动力学、汽车设计和优化：由于HEV的零部件增加了，在相同的空间里布置这些零部件变得很困难。与之相联系的车辆动力学、汽车设计、建模和仿真也是必须面临的挑战。4.4 混合动力汽车在新能源中的发展由于石油资源日益变得匮乏，保护环境显得越来越重要。研发新源汽车已经成为了现在人们迫切需要关注的热题。由于混合动力汽车在技术、成本、现实的发展新能源汽车的很多原因,所以发展的比较慢。最近混合动力汽车推进的速度更快，预计将成为汽车行业和市场的焦点。在纯电动汽车大力发展的时候，人们的目光被混合动力汽车吸引过来了。混合动力汽车的技术处于世界领先的地位，这种技术能大量降低汽车的油耗和排放。目前，混合动力汽车的一些技术较完善，汽车驾驶的方式不用变化，低业化要求的方