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I 混合动力汽车混合动力汽车设计与研究毕业论文设计与研究毕业论文 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪 论 4 第 2 章 混合动力汽车的类型和特点 5 2 1 串联式混合动力汽车 5 2 2 并联式混合动力汽车 6 2 3 混联式混合动力汽车 6 2 4 混合动力汽车的优点 8 2 5 混合动力汽车的缺点 8 第 3 章 混合动力汽车的核心技术的应用 9 3 1 混合动力汽车用电池 9 3 1 1 混合动力汽车对电池的特殊要求 9 3 1 2 混合动力汽车电池的发展 9 3 1 3 混合动力汽车电池的管理 10 3 2 混合动力汽车电机驱动系统 10 3 3 混合动力汽车中电力电子技术的应用 11 第 4 章 混合动力汽车需解决的关键技术 13 4 1 混合动力单元技术 13 4 2 能量存储技术 13 4 3 汽车集成电力电子模块技术 14 第 5 章 混合动力汽车的发展前景研究 15 5 1 混合动力汽车的市场推广情况 15 5 2 混合动力汽车面临的问题 15 5 3 混合动力汽车的前景与展望 16 5 3 1 混合动力汽车的市场 16 5 3 2 成熟的混合动力汽车技术 17 5 3 3 混合动力汽车市场推广政策 17 5 3 4 我国混合动力汽车发展概况 17 结 论 19 致 谢 20 参考文献 21 1 第 1 章 绪 论 通 常 所 说 的 混 合 动 力 一 般 是 指 油 电 混 合 动 力 即 燃 料 汽 油 柴 油 和 电 能 的 混 合 混 合 动 力 汽 车 是 有 电 动 马 达 作 为 发 动 机 的 辅 助 动 力 驱 动 汽 车 混 合 动 力 汽 车 的 燃 油 经 济 性 能 高 而 且 行 驶 性 能 优 越 混 合 动 力 汽 车 的 发 动 机 要 使 用 燃 油 而 且 在 起 步 加 速 时 由 于 有 电 动 马 达 的 辅 助 所 以 可 以 降 低 油 耗 简 单 地 说 就 是 与 同 样 大 小 的 汽 车 相 比 燃 油 费 用 更 小 而 且 辅 助 发 动 机 的 电 动 马 达 可 以 在 启 动 的 瞬 间 产 生 强 大 的 动 力 因 此 车 主 可 以 享 受 更 强 劲 的 起 步 加 速 同 时 还 能 实 现 较 高 水 平 的 燃 油 经 济 性 混 合 动 力 电 动 汽 车 H E V 将 内 燃 机 电 动 机 与 一 定 容 量 的 蓄 电 池 通 过 控 制 系 统 相 组 合 电 动 机 可 补 充 提 供 车 辆 起 步 加 速 时 所 需 转 矩 又 可 以 存 储 吸 收 内 燃 机 富 余 功 率 和 车 辆 制 动 能 量 从 而 可 大 幅 度 降 低 油 耗 减 少 污 染 物 排 放 混 合 动 力 汽 车 虽 然 没 有 实 现 零 排 放 但 其 动 力 性 经 济 性 和 排 放 等 综 合 指 标 能 满 足 当 前 苛 刻 要 求 可 缓 解 汽 车 需 求 与 环 境 污 染 及 石 油 短 缺 的 矛 盾 所 以 自 从 9 0 年 代 以 来 全 球 刮 起 了 研 究 混 合 动 力 的 风 暴 日 本 丰 田 率 先 将 混 合 动 力 车 商 品 化 1 9 9 7 年 推 出 P r i u s 随 后 的 时 间 里 多 家 日 本 汽 车 公 司 实 现 了 多 款 混 合 动 力 的 商 品 化 在 美 国 克 林 顿 政 府 上 台 不 久 为 了 开 发 新 一 代 汽 车 由 美 国 政 府 促 进 于 1 9 9 3 年 9 月 2 9 日 发 起 了 新 一 代 汽 车 伙 伴 计 划 即 P N G V 目 标 是 开 发 低 油 耗 的 混 合 动 力 汽 车 然 而 该 计 划 最 终 被 废 止 没 有 达 到 预 订 的 2 0 0 5 年 左 右 推 出 商 品 化 的 混 合 动 力 汽 车 的 目 标 随 着 机 动 车 保 有 量 的 持 续 增 长 我 国 机 动 车 污 染 物 排 放 总 量 持 续 攀 升 2 0 0 3 年 全 国 机 动 车 碳 氢 化 合 物 一 氧 化 碳 和 氮 氧 化 物 排 放 量 是 1 9 9 5 年 相 应 污 染 物 排 放 总 量 的 2 5 1 2 0 5 和 3 0 1倍 全 球 因 燃 烧 矿 物 燃 料 而 产 生 的 一 氧 化 碳 碳 氢 化 合 物 和 氮 氧 化 物 的 排 放 量 几 乎 5 0 来 自 于 汽 油 机 和 柴 油 机 最 近 几 年 我 国 对 环 境 保 护 的 投 入 不 断 加 大 通 过 政 府 的 努 力 我 国 城 市 空 气 质 量 总 体 上 也 有 所 好 转 随 着 石 油 供 应 的 日 趋 紧 缺 和 环 境 污 染 的 日 益 加 剧 电 能 为 动 力 节 能 环 保 为 特 色 的 电 动 汽 车 逐 渐 成 为 业 界 关 注 的 焦 点 近 1 0 多 年 来 世 界 各 大 汽 车 产 业 集 团 陆 续 投 入 巨 额 资 金 研 发 电 动 汽 车 技 术 目 前 均 已 从 实 验 室 开 发 试 验 阶 段 过 渡 到 商 品 性 试 生 产 阶 段 并 进 一 步 转 向 产 业 化 批 量 生 产 阶 段 但 是 由 于 现 阶 段 电 动 汽 车 关 键 部 件 之 一 的 电 池 存 在 能 量 密 度 低 寿 命 短 价 格 高 等 问 题 使 电 动 汽 车 的 性 价 比 无 法 与 传 统 的 内 燃 机 汽 车 相 抗 衡 虽 然 电 动 汽 车 具 有 很 多 优 点 但 是 它 不 能 取 代 传 统 的 燃 气 动 力 模 式 而 混 合 动 力 汽 车 是 目 前 新 型 清 洁 动 力 汽 车 中 最 具 有 产 业 化 和 市 场 化 前 景 的 车 型 其 发 展 方 向 是 真 正 零 排 放 无 污 染 不 消 耗 燃 油 的 燃 料 电 池 车 辆 现 在 混 合 动 力 汽 车 在 欧 美 国 家 及 日 本 已 形 成 产 业 化 而 国 内 还 处 于 起 步 阶 段 没 有 形 成 产 业 化 2 第 2 章 混合动力汽车的类型和特点 先 进 的 驱 动 技 术 是 混 合 动 力 汽 车 取 得 成 功 并 实 现 其 优 越 性 的 关 键 混 合 动 力 汽 车 是 将 电 力 驱 动 和 辅 助 动 力 单 元 A u x i l i a r y P o w e r U n i t 缩 写 为 A P U 合 用 到 一 辆 汽 车 上 这 个 辅 助 动 力 单 元 通 常 采 用 一 台 发 动 机 或 动 力 发 动 机 组 一 方 面 发 动 机 始 终 在 最 佳 工 作 点 上 驱 动 发 动 机 或 直 接 驱 动 汽 车 排 放 少 效 率 高 另 一 方 面 蓄 电 池 又 可 得 到 发 电 机 的 不 断 补 充 充 电 从 而 在 减 少 蓄 电 池 容 量 和 体 积 的 同 时 提 高 了 汽 车 最 高 速 度 加 大 了 续 驶 里 程 延 长 了 蓄 电 池 的 使 用 寿 命 根 据 动 力 系 统 的 连 接 方 式 目 前 开 发 研 制 的 混 合 动 力 汽 车 基 本 上 可 分 为 三 类 即 串 联 式 并 联 式 和 混 联 式 2 1 串联式混合动力汽车 这 种 汽 车 系 统 更 接 近 于 电 动 汽 车 它 由 燃 油 发 动 机 发 电 机 电 池 和 电 动 机 等 动 力 装 置 以 串 联 方 式 连 接 组 成 如 图 2 1 所 示 在 这 种 系 统 中 一 台 小 型 的 燃 油 发 动 机 直 接 驱 动 发 电 机 发 电 电 能 被 储 存 于 蓄 电 池 或 传 给 电 动 机 以 驱 动 车 轮 负 荷 小 时 由 电 池 驱 动 电 动 机 带 动 车 轮 转 动 负 荷 大 时 则 由 发 动 机 带 动 发 电 机 发 电 驱 动 电 动 机 车 辆 制 动 或 减 速 时 电 动 机 把 驱 动 轮 的 动 能 转 化 为 电 能 并 通 过 功 率 变 速 器 给 蓄 电 池 充 电 图 2 1 串联式 HEV 串 联 式 H E V 动 力 传 动 系 的 组 成 燃 油 发 动 机 发 电 机 电 动 机 功 率 变 速 器 以 及 蓄 电 池 这 种 类 型 车 能 以 超 低 排 放 模 式 工 作 由 于 串 联 式 H E V 动 力 传 动 系 中 的 发 电 机 与 汽 车 驱 动 轮 之 间 无 机 械 连 接 具 有 独 立 于 汽 车 行 驶 工 况 对 发 动 机 进 行 控 制 的 优 点 适 用 于 市 内 常 见 的 频 繁 起 步 加 速 和 低 速 运 行 工 况 可 使 发 动 机 稳 定 于 高 效 区 或 低 排 放 区 附 近 工 作 但 串 联 式 H E V 动 力 传 动 系 的 综 合 效 率 较 低 这 是 因 为 发 动 机 输 出 的 机 械 能 由 发 电 机 转 化 为 电 能 再 由 电 动 机 将 电 能 转 化 为 机 械 能 用 以 驱 动 汽 车 途 经 二 次 能 量 转 换 中 间 必 然 会 伴 随 着 能 量 的 损 失 3 2 2 并联式混合动力汽车 汽 车 并 联 式 H E V 动 力 传 动 系 的 组 成 包 括 发 动 机 耦 合 器 变 速 器 电 动 机 功 率 变 速 器 以 及 蓄 电 池 如 图 2 2 这 种 系 统 更 接 近 于 传 统 意 义 上 的 燃 油 汽 车 该 系 统 的 发 动 机 和 电 动 机 是 并 列 连 接 到 驱 动 桥 上 的 汽 车 行 驶 时 发 动 机 与 电 动 机 可 以 分 别 独 立 或 共 同 向 汽 车 驱 动 轮 提 供 动 力 并 联 式 混 合 动 力 汽 车 主 要 由 燃 油 发 动 机 提 供 动 力 动 力 性 较 好 其 驱 动 系 统 控 制 较 复 杂 电 池 总 容 量 仅 是 串 联 式 的 三 分 之 一 能 量 传 递 损 失 小 但 由 于 发 动 机 与 汽 车 驱 动 轮 间 有 直 接 的 机 械 连 接 发 动 机 运 行 工 况 不 可 避 免 地 要 受 到 汽 车 具 体 行 驶 工 况 的 影 响 很 难 在 最 佳 工 作 区 工 作 燃 油 经 济 性 和 排 放 性 能 均 较 串 联 式 差 图 2 2 并联式 HEV 综 上 所 述 并 联 式 H E V 布 置 方 案 由 于 在 传 动 系 组 成 及 控 制 方 面 更 接 近 于 传 统 汽 车 传 动 系 并 且 所 需 的 电 机 功 率 较 小 电 池 组 数 量 小 整 车 的 价 位 也 较 低 更 可 贵 的 是 并 联 式 H E V 可 采 用 传 统 车 用 发 动 机 从 而 可 把 传 统 车 用 发 动 机 的 最 新 研 究 成 果 应 用 到 混 合 动 力 汽 车 上 节 省 了 研 发 资 金 目 前 这 种 结 构 的 传 动 系 应 用 比 较 广 泛 2 3 混联式混合动力汽车 典 型 的 混 联 式 H E V 动 力 传 动 系 是 由 电 动 机 发 电 机 电 动 机 离 合 器 以 及 蓄 电 池 组 成 具 备 了 串 并 联 结 构 各 自 的 特 点 如 图 2 3 这 种 系 统 包 括 两 条 能 量 传 递 路 线 一 是 机 械 能 传 递 路 线 发 动 机 输 出 的 机 械 能 可 通 过 机 械 装 置 直 接 驱 动 车 轮 二 是 电 能 传 递 路 线 发 动 机 输 出 的 机 械 能 通 过 发 电 机 转 化 成 电 能 由 电 动 机 驱 动 车 轮 同 时 电 池 连 接 到 发 电 机 和 电 动 机 之 间 可 接 受 充 电 或 提 供 辅 助 动 力 图 2 3 混联式 HEV 混 联 式 H E V 布 置 方 案 综 合 了 串 并 联 两 种 布 置 方 案 的 优 缺 点 是 一 种 相 对 比 较 完 善 的 动 力 系 统 其 电 池 的 体 积 较 小 重 量 较 轻 成 本 较 低 发 动 机 总 是 4 在 最 高 效 率 下 工 作 具 有 很 好 的 燃 油 经 济 性 和 较 低 的 排 放 加 速 性 和 平 稳 性 也 很 好 因 此 可 以 说 在 许 多 方 面 混 联 式 混 合 动 力 车 综 合 了 串 联 式 和 并 联 式 混 合 动 力 汽 车 的 优 点 混 联 式 H E V 控 制 系 统 和 机 械 结 构 最 为 复 杂 技 术 难 度 最 大 增 加 了 开 发 和 生 产 成 本 不 过 随 着 控 制 技 术 和 制 造 技 术 的 发 展 现 代 混 合 动 力 汽 车 更 倾 向 于 选 择 这 种 结 构 在 以 上 三 种 方 式 中 串 联 式 混 合 动 力 汽 车 的 污 染 最 小 但 是 能 量 在 传 递 过 程 中 损 失 较 大 且 对 电 池 的 要 求 较 高 并 联 式 混 合 动 力 汽 车 动 力 系 统 的 集 成 度 相 对 较 低 主 要 依 赖 于 发 动 机 提 供 动 力 发 动 机 的 运 转 受 工 况 的 影 响 因 而 燃 料 的 经 济 性 较 差 排 放 污 染 情 况 相 对 较 差 噪 声 较 大 这 不 符 合 混 合 动 力 车 高 效 率 低 能 耗 低 污 染 的 基 本 目 标 但 由 于 其 具 有 较 好 的 动 力 性 曾 一 度 得 到 各 大 汽 车 公 司 的 青 睐 混 联 式 混 合 动 力 汽 车 同 样 具 有 良 好 的 动 力 性 而 且 污 染 与 油 耗 大 大 降 低 因 此 世 界 各 大 汽 车 公 司 纷 纷 开 始 把 注 意 力 投 向 混 联 式 混 合 动 力 汽 车 的 研 究 与 开 发 这 三 种 方 式 具 体 的 分 类 比 较 见 表 2 1 表 2 1 串联 并联 混联三种方式的比较 控制系统电池 能量传递 效率 燃油发动机 工作效率 环 境 污 染 其他 串 联 式 控制系统 结构比较 简单 只 要根据蓄 电池充电 状态决定 其运行或 停止 对电池要求 较高 容量 大 增加了 电池和汽车 重量以及制 造成本 动力传递 过程中 存在能量 转换的损 失 降低 了能量利 用率 发动机的工 作不受汽车 行驶工况的 影响 总在 最佳工况下 工作 具有 较好的燃油 经济性 污 染 最 小 每一动力装置 的功率均等于 汽车要求的总 功率 设备规 模较庞大 增 加了车辆的成 本及机构布置 的难度 并 联 式 动力控制 系统及机 械切换系 统相对较 复杂 总容量比串 联式小 约 为三分之一 对蓄电池 的峰值功率 要求较低 动力直接 传到车轮 上 中间 环节少 比串联式 有更高的 能量效率 主要动力还 是来源于燃 油发动机 但燃油发动 机工作范围 大 效率较 低 污 染 和 噪 声 较 大 结构简单 可 把传统车用发 动机的最新研 究成果应用到 混合动力汽车 上 节省了研 发资金 5 混 联 式 机械传动 系统及控 制系统最 为复杂 对电池的依 赖小 甚至 可以不需要 外置充电系 统 较高 发动机的工 作不受汽车 行驶工况的 影响 总是 在最高效率 状态下运转 具有很好的 燃油经济性 比 并 联 小 发动机和电动 机均可较小 动力系统可根 据不同工况选 用不同的动力 驱动方式 充 分利用两套动 力装置的优点 2 4 混合动力汽车的优点 混 合 动 力 汽 车 的 优 点 是 采 用 混 合 动 力 后 可 按 平 均 需 用 的 功 率 来 确 定 内 燃 机 的 最 大 功 率 此 时 处 于 油 耗 低 污 染 少 的 最 优 工 况 下 工 作 需 要 大 功 率 内 燃 机 功 率 不 足 时 由 电 池 来 补 充 负 荷 少 时 富 余 的 功 率 可 发 电 给 电 池 充 电 由 于 内 燃 机 可 持 续 工 作 电 池 又 可 以 不 断 得 到 充 电 故 其 行 程 和 普 通 汽 车 一 样 因 为 有 了 电 池 可 以 十 分 方 便 地 回 收 制 动 时 下 坡 时 怠 速 时 的 能 量 在 繁 华 市 区 可 关 停 内 燃 机 由 电 池 单 独 驱 动 实 现 零 排 放 有 了 内 燃 机 可 以 十 分 方 便 地 解 决 耗 能 大 的 空 调 取 暖 除 霜 等 纯 电 动 汽 车 遇 到 的 难 题 可 以 利 用 现 有 的 加 油 站 加 油 不 必 再 投 资 可 让 电 池 保 持 在 良 好 的 工 作 状 态 不 发 生 过 充 过 放 延 长 其 使 用 寿 命 降 低 成 本 2 5 混合动力汽车的缺点 混 合 动 力 技 术 的 先 进 性 和 实 现 的 现 实 性 节 能 环 保 效 果 明 显 采 用 混 合 动 力 汽 车 是 现 阶 段 解 决 环 保 和 能 源 问 题 最 为 切 实 可 行 的 方 案 但 是 由 于 混 合 动 力 汽 车 是 在 牺 牲 了 部 分 环 保 利 益 的 基 础 上 可 以 满 足 目 前 人 们 对 汽 车 环 保 的 基 本 要 求 在 结 构 上 两 套 系 统 电 池 电 机 和 内 燃 机 同 时 安 装 于 本 来 只 装 一 套 系 统 的 汽 车 上 不 仅 加 大 了 汽 车 本 身 的 重 量 也 提 高 了 对 整 体 工 艺 及 控 制 等 方 面 的 要 求 除 了 和 纯 电 动 汽 车 B E V 一 样 受 目 前 蓄 电 池 技 术 的 限 制 之 外 混 合 动 力 的 能 量 来 源 仍 然 是 石 油 这 决 定 了 混 合 动 力 不 是 电 动 汽 车 发 展 的 最 终 形 式 总 之 混 合 动 力 汽 车 介 于 传 统 汽 车 和 纯 电 动 汽 车 燃 料 电 池 汽 车 之 间 是 一 种 承 前 启 后 的 在 经 济 和 技 术 方 面 都 趋 于 成 熟 的 电 动 汽 车 产 品 6 第 3 章 混合动力汽车的核心技术的应用 汽 车 的 混 合 动 力 技 术 发 展 与 机 械 电 气 内 燃 机 能 源 计 算 机 汽 车 信 息 等 技 术 息 息 相 关 H E V 作 为 多 种 高 薪 技 术 的 集 成 是 典 型 的 高 薪 技 术 产 品 集 智 能 化 数 字 化 轻 量 化 和 实 用 化 于 一 体 其 研 制 和 开 发 的 核 心 技 术 主 要 是 电 池 电 动 机 电 动 机 控 制 电 力 电 子 技 术 能 量 管 理 技 术 以 及 车 身 和 底 盘 设 计 等 其 中 前 4 项 是 混 合 动 力 汽 车 的 发 展 瓶 颈 3 1 混合动力汽车用电池 HEV 的 成 败 关 键 在 于 电 池 电 池 也 是 一 直 制 约 混 合 动 力 汽 车 发 展 的 关 键 因 素 H E V 在 匀 速 行 驶 时 由 发 动 机 提 供 能 量 电 池 组 基 本 上 处 于 不 充 不 放 的 状 态 汽 车 行 驶 需 要 大 功 率 时 如 加 速 爬 坡 高 速 等 电 池 组 放 电 释 放 能 量 汽 车 行 驶 需 要 小 功 率 时 如 低 速 停 车 等 电 池 组 充 电 积 蓄 能 量 3 1 1 混合动力汽车对电池的特殊要求 与 E V 不 同 H E V 电 池 连 续 工 作 时 间 短 对 电 池 容 量 要 求 不 高 而 对 功 率 要 求 较 高 另 外 H E V 电 池 S O C 工 作 范 围 在 5 0 左 右 波 动 一 般 不 超 过 2 0 这 是 因 为 H E V 要 求 电 池 留 有 足 够 的 余 量 以 保 证 车 辆 制 动 时 可 以 充 分 吸 收 能 量 并 不 致 使 电 池 过 充 后 降 低 寿 命 甚 至 破 坏 电 池 H E V 和 E V 用 电 池 的 主 要 性 能 指 标 有 质 量 比 能 量 体 积 比 能 量 质 量 比 功 率 价 格 和 循 环 寿 命 等 为 了 确 保 H E V 合 理 的 行 驶 性 能 对 其 能 源 系 统 有 如 下 要 求 高 比 能 量 确 保 H E V 达 到 合 理 的 行 驶 里 程 高 比 功 率 确 保 加 速 和 爬 坡 性 能 寿 命 长 免 维 护 充 电 快 效 率 高 提 高 车 辆 的 使 用 效 率 和 接 受 制 动 回 输 功 率 的 能 力 尺 寸 小 安 全 性 高 3 1 2 混合动力汽车电池的发展 至 今 为 止 电 动 汽 车 用 电 池 经 历 了 三 代 的 发 展 已 取 得 了 突 破 的 进 展 第 一 代 是 铅 酸 电 池 主 要 是 阀 控 铅 酸 电 池 V R L A 由 于 其 比 能 量 高 价 格 低 和 放 电 倍 率 高 成 为 目 前 唯 一 大 批 量 生 产 的 电 动 汽 车 用 电 池 第 二 代 是 碱 性 电 池 只 要 有 N i 2 C d N i 2 M H N a S L i 2 i o n 和 Z n A i r 等 多 种 电 池 其 比 能 量 和 比 功 率 都 比 铅 酸 电 池 高 大 大 提 高 了 电 动 汽 车 的 电 动 能 力 和 续 驶 里 程 但 是 价 格 比 铅 酸 电 池 要 高 第 三 代 是 以 燃 料 电 池 为 主 的 电 池 燃 料 电 池 直 接 将 燃 料 的 化 学 能 转 化 为 电 能 具 有 能 量 转 换 效 率 高 比 能 量 高 比 功 率 高 控 制 反 应 过 程 可 控 能 量 转 化 过 程 可 连 续 的 特 点 因 此 是 理 想 的 汽 车 用 电 池 现 正 处 于 研 制 阶 段 一 些 关 键 技 术 还 有 待 突 破 从 目 前 车 用 电 池 的 发 展 来 看 镍 氢 电 池 可 能 是 H E V 动 力 能 源 的 首 选 电 池 它 已 经 规 模 化 生 产 性 能 稳 定 其 质 量 比 体 积 比 率 电 池 寿 命 和 重 复 充 放 电 次 数 方 面 已 经 达 到 美 国 先 进 电 池 联 合 会 U S A B C 性 能 指 标 另 外 一 种 叫 质 子 交 换 膜 的 燃 料 电 池 P E M F C 的 能 量 转 换 效 率 是 普 通 内 燃 机 热 效 率 的 2 3 倍 同 时 它 还 具 有 噪 音 低 无 污 染 寿 命 长 启 动 迅 速 比 功 率 大 和 输 出 功 率 可 随 时 调 整 等 特 性 使 得 P E M F C 非 常 适 合 用 作 交 通 工 具 的 动 力 7 源 有 关 专 家 预 言 2 1 世 纪 燃 料 电 池 电 动 汽 车 可 能 成 为 汽 车 的 主 体 其 他 尚 在 试 验 阶 段 的 电 池 如 飞 轮 电 池 太 阳 能 电 池 有 着 寿 命 长 环 保 等 优 点 在 未 来 的 车 用 电 池 中 也 必 将 占 有 一 席 之 地 3 1 3 混合动力汽车电池的管理 在 电 池 管 理 方 面 目 前 着 力 于 多 个 电 池 串 并 联 使 用 为 管 理 此 更 新 的 电 池 类 型 需 要 采 用 嵌 入 式 控 制 器 来 监 视 电 池 组 的 工 作 情 况 大 型 H E V 电 池 组 可 能 包 含 2 0 0 个 甚 至 更 多 的 独 立 电 池 因 此 对 所 有 电 池 进 行 单 独 监 控 是 不 现 实 的 而 嵌 入 式 处 理 器 的 可 根 据 电 池 技 术 的 多 重 特 性 不 同 电 池 组 之 间 的 电 压 以 及 流 入 或 流 出 电 池 组 的 电 流 来 估 计 电 池 的 电 量 状 态 当 铿 电 池 或 镍 氢 N i 2 M H 电 池 的 电 量 耗 尽 到 低 于 闭 值 时 镍 氢 电 池 和 铿 电 池 将 很 快 损 坏 不 过 嵌 入 式 处 理 器 可 测 定 电 量 状 态 并 在 电 池 组 或 单 个 电 池 的 电 压 低 于 闭 值 前 关 断 系 统 但 也 不 可 对 铿 电 池 和 氢 电 池 进 行 过 充 电 以 尽 量 延 长 电 池 组 的 使 用 寿 命 3 2 混合动力汽车电机驱动系统 电 机 驱 动 系 统 是 电 动 汽 车 的 原 动 机 是 心 脏 是 H E V 的 关 键 核 心 技 术 之 一 电 机 驱 动 系 统 是 由 电 动 机 和 驱 动 控 制 器 两 部 分 组 成 电 动 机 是 一 种 将 电 能 转 化 为 机 械 能 的 装 置 为 满 足 整 车 动 力 性 能 的 需 要 对 电 动 机 的 具 体 要 求 为 1 瞬 时 功 率 大 功 率 密 度 高 过 载 能 力 强 2 效 率 高 3 运 行 速 度 范 围 要 广 高 低 速 综 合 效 率 也 要 高 电 动 机 在 低 速 区 具 有 恒 转 矩 特 性 在 高 速 区 具 有 恒 功 率 特 性 其 转 矩 和 功 率 控 制 特 性 如 图 3 1 所 示 4 结 构 简 单 牢 固 耐 冲 击 颠 簸 运 行 可 靠 免 维 护 低 成 本 等 驱 动 控 制 器 是 将 电 池 的 电 能 转 换 为 适 于 电 动 机 运 行 的 另 外 一 种 电 能 变 换 控 制 装 置 通 过 这 种 变 换 和 控 制 使 电 动 机 处 于 上 述 要 求 的 运 行 最 佳 工 作 状 态 以 满 足 H E V 实 际 行 驶 工 况 的 需 要 驱 动 控 制 系 统 结 构 简 单 成 本 高 动 态 响 应 好 系 统 可 靠 性 高 成 本 低 等 图 3 1 电动机转矩和功率控制特性 8 用 于 H E V 的 电 机 必 须 要 具 有 良 好 的 可 控 性 和 容 错 能 力 以 及 具 有 低 噪 声 高 效 率 的 特 点 同 时 具 有 对 电 压 波 动 不 敏 感 等 性 能 用 于 H E V 的 电 机 类 型 有 交 流 感 应 电 机 永 磁 同 步 电 机 开 关 磁 阻 电 机 其 中 交 流 感 应 电 机 较 具 有 代 表 性 但 这 种 电 机 很 难 解 决 其 功 率 和 效 率 之 间 的 矛 盾 因 此 需 要 能 够 适 用 于 H E V 的 具 有 更 高 效 率 和 功 率 密 度 的 永 磁 电 机 开 关 磁 阻 电 机 的 先 进 电 机 来 替 代 目 前 使 用 的 交 流 感 应 电 机 同 时 对 电 机 的 控 制 方 法 和 冷 却 系 统 也 应 有 深 入 的 研 究 3 3 混合动力汽车中电力电子技术的应用 HEV 常 用 的 电 力 电 子 技 术 装 置 丰 田 新 一 代 混 合 动 力 系 统 P r i u s T H S I I 的 电 力 电 子 技 术 在 H E V 中 的 应 用 如 图 3 2 所 示 该 整 车 电 器 驱 动 系 统 主 要 采 用 用 A t k i n S o n 循 环 的 高 效 发 动 机 永 磁 交 流 同 步 电 动 机 发 电 机 动 力 分 配 装 置 高 性 能 镍 金 属 氢 化 物 N i 2 M H 电 池 控 制 管 理 单 元 以 及 各 相 关 逆 变 器 和 D C 2 D C 变 换 器 等 部 件 组 成 要 求 H E V 用 电 力 电 子 技 术 机 装 置 应 具 有 成 本 低 体 积 小 比 功 率 大 易 于 安 装 的 特 点 此 外 以 下 的 技 术 细 节 必 须 得 到 重 点 考 虑 电 力 电 子 装 置 密 封 问 题 各 种 车 用 电 力 电 子 装 置 必 须 要 进 行 有 效 的 密 封 以 耐 受 温 度 和 振 动 的 影 响 并 能 防 止 各 种 汽 车 液 体 的 侵 入 电 磁 兼 容 电 磁 干 扰 E M C E M I 问 题 H EV 是 一 个 相 对 狭 小 的 空 间 里 面 包 含 有 各 种 控 制 芯 片 和 弱 电 回 路 因 此 在 进 行 车 载 电 力 电 子 装 置 设 计 时 为 了 消 除 将 来 的 事 故 隐 患 必 须 要 很 好 的 研 究 并 解 决 E M C E M I 问 题 直 流 母 线 电 压 利 用 问 题 HEV 储 能 系 统 的 电 压 是 可 变 的 电 压 的 大 小 取 决 于 汽 车 实 际 负 载 的 大 小 运 行 工 况 电 动 还 是 发 电 以 及 电 机 是 否 弱 磁 运 行 等 等 典 型 的 母 线 电 压 波 动 范 围 是 标 称 值 的 3 0 2 5 因 此 如 何 在 汽 车 工 况 频 繁 变 化 的 情 况 下 充 分 利 用 直 流 母 线 电 压 成 为 了 控 制 策 略 设 计 者 所 需 要 解 决 的 问 题 9 图 3 2 Prius THE 整车电气系统结构 电 力 电 子 装 置 控 制 问 题 高 开 关 频 率 和 高 采 样 率 目 前 被 普 遍 应 用 于 H E V 的 电 力 电 子 装 置 和 交 流 传 动 系 统 中 客 观 上 双 高 需 要 高 精 度 的 编 码 器 和 解 算 器 因 此 这 就 意 味 着 电 机 中 出 现 宽 的 温 度 梯 度 和 饱 和 状 态 时 如 何 降 低 参 数 敏 感 度 以 满 足 控 制 要 求 软 开 关 技 术 在 H E V 中 的 应 用 目 前 H E V 普 遍 采 用 P W M 控 制 的 电 压 源 型 逆 变 器 长 时 间 以 来 正 弦 波 逆 变 器 主 要 的 工 作 模 式 是 S P W M 或 S V P W M 在 这 种 工 作 模 式 下 逆 变 器 开 关 管 工 作 在 硬 开 关 状 态 它 存 在 开 关 损 耗 大 过 高 的 的 d v d t 和 d i d t 带 来 传 导 和 辐 射 电 磁 干 扰 等 问 题 这 些 问 题 已 经 引 起 人 们 的 充 分 重 视 做 了 大 量 的 研 究 研 究 的 重 心 就 是 如 何 实 现 功 率 开 关 器 件 的 软 开 关 现 阶 段 研 究 较 为 活 跃 的 有 电 感 换 向 S P W M 软 开 关 技 术 电 感 换 能 式 三 相 软 开 关 技 术 新 型 半 桥 电 流 源 串 联 谐 振 软 开 关 技 术 等 等 H E V 用 逆 变 器 的 通 态 损 耗 分 析 目 前 逆 变 器 中 的 主 流 器 件 仍 是 I G B T 和 快 恢 复 二 极 管 这 些 器 件 在 运 行 时 都 会 产 生 损 耗 主 要 由 通 态 损 耗 和 开 关 损 耗 组 成 随 着 器 件 开 关 特 性 的 优 化 通 态 损 耗 占 变 换 器 损 耗 的 比 重 越 来 越 大 特 别 是 软 开 关 技 术 的 应 用 使 得 开 关 损 耗 大 大 减 小 通 态 损 耗 从 而 成 为 主 要 的 功 率 损 耗 源 因 此 通 态 损 耗 的 精 确 计 算 是 H E V 用 逆 变 器 系 统 热 设 计 的 一 个 重 要 的 环 节 10 第 4 章 混合动力汽车需解决的关键技术 混 合 动 力 汽 车 要 进 入 实 用 化 需 要 具 备 高 比 能 量 和 高 比 功 率 的 能 量 存 储 装 置 低 成 本 高 效 率 的 功 率 电 子 设 备 和 燃 料 经 济 性 好 排 放 低 的 高 效 发 动 机 所 要 解 决 的 关 键 技 术 问 题 主 要 有 以 下 几 个 方 面 4 1 混合动力单元技术 混 合 动 力 汽 车 的 动 力 可 以 同 时 来 自 热 力 发 动 机 和 电 动 机 在 混 合 动 力 汽 车 上 发 动 机 又 被 称 为 混 合 动 力 单 元 与 传 统 汽 车 发 动 机 相 比 其 作 用 发 生 了 变 化 在 并 联 混 合 动 力 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 动 力 的 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 发 动 机 在 串 联 混 合 动 力 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 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 和 低 排 放 区 混 合 动 力 汽 车 的 主 要 目 标 就 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 在 三 个 方 面 一 是 燃 烧 系 统 的 优 化 通 过 研 究 燃 料 与 空 气 混 合 物 的 点 燃 和 燃 烧 的 过 程 探 究 H C C O 以 及 氮 氧 化 物 和 微 粒 的 形 成 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 和 过 滤 系 统 三 是 代 用 燃 料 的 研 究 从 目 前 的 研 究 表 明 直 喷 式 柴 油 机 将 是 首 选 的 混 合 动 力 单 元 柴 油 发 动 机 已 日 趋 小 型 化 同 时 采 用 先 进 的 共 轨 式 喷 油 系 统 降 低 了 微 粒 P M 和 氮 氧 化 物 排 放 改 善 了 热 效 率 和 低 温 排 放 污 染 等 在 性 能 上 已 经 有 了 很 大 的 提 高 4 2 能量存储技术 目 前 运 用 于 混 合 动 力 汽 车 上 的 能 量 储 存 装 置 主 要 还 是 高 能 蓄 电 池 除 此 之 外 虽 然 超 级 电 容 器 飞 轮 电 池 等 新 型 能 量 储 存 装 置 也 在 研 究 开 发 但 是 近 期 最 有 希 望 进 入 实 用 化 的 还 是 高 能 蓄 电 池 目 前 镍 氢 电 池 和 锂 离 子 电 池 技 术 较 成 熟 已 达 到 混 合 动 力 汽 车 的 使 用 要 求 从 发 展 看 能 量 储 存 装 置 的 研 究 应 该 包 括 以 下 内 容 一 是 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 二 是 电 池 设 计 和 制 造 方 面 的 改 进 降 低 制 造 成 本 改 善 电 池 的 性 能 和 提 高 使 用 寿 命 三 是 电 池 的 热 能 管 理 及 剩 余 电 量 管 理 由 于 电 池 的 工 作 温 度 不 可 能 覆 盖 汽 车 运 行 的 工 作 温 度 范 围 为 了 保 证 电 池 系 统 的 统 一 减 少 各 电 池 单 元 之 间 的 不 平 衡 所 以 需 要 一 个 有 效 的 热 能 管 理 系 统 此 外 电 池 的 剩 余 电 量 直 接 影 响 混 合 动 力 汽 车 的 经 济 性 的 排 放 因 此 需 要 有 效 的 测 试 方 法 和 控 制 装 置 在 混 合 动 力 汽 车 中 能 量 存 储 装 置 的 作 用 已 发 生 了 质 的 变 化 有 时 也 称 之 为 载 荷 调 节 装 置 这 就 是 它 的 真 正 作 用 所 在 在 混 合 动 力 汽 车 中 提 供 整 车 行 驶 所 需 的 动 力 最 终 依 然 来 源 于 使 用 高 能 量 密 度 化 学 燃 料 的 发 动 机 或 燃 料 电 池 载 荷 调 节 装 置 引 进 的 目 的 是 通 过 它 的 调 节 作 用 来 达 到 提 高 燃 油 经 济 性 和 减 少 排 11 放 的 目 的 由 于 混 合 动 力 汽 车 的 最 终 能 量 来 源 依 然 是 化 学 燃 料 所 以 它 不 再 像 纯 电 动 汽 车 那 样 假 如 普 及 就 需 要 建 设 大 规 模 的 配 套 基 础 设 施 现 有 的 加 油 站 系 统 无 须 作 任 何 的 改 进 即 可 适 应 4 3 汽车集成电力电子模块技术 混 合 动 力 系 统 的 精 确 运 转 依 赖 于 优 化 控 制 的 实 现 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 要 能 够 根 据 采 集 到 的 速 度 和 负 荷 等 数 据 计 算 出 以 最 高 效 率 为 基 点 的 分 配 到 发 动 机 与 电 动 机 上 的 功 率 值 即 实 现 发 动 机 与 电 动 机 的 最 优 耦 合 功 率 分 配 比 为 了 满 足 汽 车 高 速 开 关 控 制 的 要 求 混 合 动 力 汽 车 还 需 要 设 有 一 些 分 立 装 置 例 如 专 用 的 集 成 电 路 模 拟 和 数 字 集 成 电 路 以 及 其 他 功 率 电 子 装 置 混 合 动 力 汽 车 对 智 能 化 的 要 求 导 致 其 控 制 的 复 杂 性 因 此 要 求 控 制 装 置 采 用 高 速 运 行 的 半 导 体 芯 片 其 功 率 密 度 高 散 热 性 能 也 较 好 在 混 合 动 力 汽 车 进 入 实 用 化 的 过 程 中 一 个 关 键 性 的 部 件 是 汽 车 集 成 电 力 模 块 它 采 用 现 代 电 子 集 成 技 术 将 复 杂 的 电 力 电 子 系 统 集 成 在 一 个 单 一 封 装 内 能 够 供 给 汽 车 大 约 1 0 0 K W 的 功 率 其 功 率 范 围 为 1 0 1 0 0 K W 该 模 块 能 够 实 现 对 整 车 的 控 制 例 如 控 制 电 动 机 功 率 的 输 入 和 输 出 发 动 机 的 输 出 功 率 和 能 量 储 存 系 统 的 离 合 同 时 还 能 控 制 再 生 制 动 能 量 的 回 收 与 释 放 确 定 电 池 的 充 电 状 态 判 断 是 否 对 电 池 充 电 以 及 优 化 控 制 发 动 机 的 起 动 以 减 少 排 放 混 合 动 力 汽 车 在 现 有 技 术 的 基 础 上 达 到 了 提 高 燃 油 经 济 性 和 减 少 排 放 的 目 的 因 而 极 具 发 展 前 景 在 美 日 和 欧 洲 各 国 下 一 代 汽 车 开 发 计 划 中 混 合 动 力 汽 车 处 于 战 略 发 展 的 位 置 混 合 动 力 汽 车 使 人 们 看 到 了 在 短 期 内 大 幅 度 提 高 燃 油 经 济 性 和 减 少 排 放 的 可 能 性 混 合 动 力 汽 车 正 在 改 变 着 汽 车 产 品 的 结 构 和 构 成 逐 渐 走 向 实 用 化 根 据 A u t o M f g P r o d u c t i o n 汽 车 制 造 与 生 产 期 刊 报 导 预 计 2 0 1 0 年 世 界 汽 车 市 场 上 混 合 动 力 车 辆 将 达 1 0 0 万 辆 2 0 1 5 年 将 在 世 界 汽 车 市 场 占 1 5 2 0 2 0 年 将 占 2 5 这 是 相 当 大 的 混 合 动 力 汽 车 数 量 的 比 例 总 之 混 合 动 力 汽 车 在 本 世 纪 相 当 长 一 段 时 间 内 前 景 广 阔 并 受 市 场 欢 迎 我 国 汽 车 工 业 应 该 抓 住 机 遇 争 取 早 日 推 出 国 产 混 合 动 力 汽 车 新 产 品 12 第 5 章 混合动力汽车的发展前景研究 5 1 混合动力汽车的市场推广情况 目 前 从 全 球 范 围 来 看 混 合 动 力 汽 车 已 处 于 大 规 模 产 业 化 的 前 夕 国 际 国 内 的 汽 车 企 业 在 竞 相 研 发 混 合 动 力 汽 车 但 要 真 正 实 现 自 主 混 合 动 力 车 型 的 普 及 还 有 诸 多 障 碍 需 要 克 服 包 括 技 术 上 的 一 些 关 键 难 题 和 成 本 增 加 太 多 零 部 件 配 套 资 源 体 系 不 成 熟 等 面 对 交 通 能 源 与 环 境 问 题 的 巨 大 挑 战 以 能 源 多 元 化 排 放 洁 净 化 燃 料 节 约 化 为 主 要 特 征 的 节 能 与 新 能 源 汽 车 迅 速 发 展 相 互 竞 争 并 引 发 了 汽 车 动 力 的 电 控 化 和 电 气 化 两 大 技 术 变 革 促 进 了 汽 车 能 源 及 动 力 的 快 速 转 型 混 合 动 力 汽 车 可 在 不 改 变 既 有 的 汽 车 产 业 结 构 能 源 石 油 燃 料 体 系 以 及 用 户 对 车 辆 使 用 习 惯 的 前 提 下 最 大 限 度 地 发 挥 内 燃 机 和 纯 电 动 汽 车 的 双 重 优 点 达 到 节 能 和 环 保 的 目 的 因 而 被 业 界 认 为 是 目 前 最 现 实 可 行 且 长 远 有 效 的 节 能 环 保 方 案 混 合 动 力 汽 车 融 合 了 纯 电 动 汽 车 和 燃 油 汽 车 优 点 较 好 地 满 足 了 汽 车 低 排 放 低 油 耗 高 性 价 比 的 综 合 要 求 并 较 好 地 解 决 了 汽 车 节 能 与 环 保 问 题 因 而 逐 渐 成 为 世 界 各 大 汽 车 生 产 企 业 开 发 的 热 点 其 市 场 前 景 也 越 来 越 被 看 好 目 前 丰 田 公 司 是 混 合 动 力 汽 车 领 域 的 佼 佼 者 5 2 混合动力汽车面临的问题 环 境 污 染 问 题 全 世 界 都 很 关 注 如 何 保 持 良 好 的 生 态 环 境 维 护 人 类 自 身 和 子 孙 后 代 的 健 康 是 全 人 类 共 同 的 责 任 推 出 更