汽车节能技术.doc

黄冈职业技术学院毕业设计(论文)开题报告 课题名称: 汽车节能技术应用 系 别: 水利电力交通工程系 专 业: 汽车检测与维修技术 班 级: 08汽修（2）班 姓 名: 王 贤 学 号: 200807031240 指导教师: 卫 登 科 毕业设计（论文）开题报告题目：汽车节能技术应用本课题的来源、选题依据：黄冈职业技术学院水利电力交通工程系教研部1 本课题的设计（研究）意义（相关技术的现状和发展趋势）：相关技术：于改进汽车能源消耗的技术。汽车节能措施涉及方方面面，就中国的现状而言，有效措施包括以下几个方面：公路与交通设施的合理配套，车型及油品按需生产配置，运营的合理等非技术问题。技术方面，保证产品质量，按照规范使用和维护机器，改变汽油机燃烧方式以提高能量转换效率。在现有的燃烧方式下，可以采取以下手段进行节能：改进供油系统，汽油机改气缸燃油喷射，可提高汽油燃烧效率；改进点火系统，提高汽油机运转稳定性；减少发动机附件损失，合理使用配件，进行相应的改装。 发展趋势：未来几年，凛中国汽车的发展趋势有6个方面。凬一是竞争加剧，凧汽车行业的整体利润率降低，凨但总体上还是要高于其他一些行业；二是汽车企业的分化会逐步展开，判企业淘汰率增高，出中国汽车企业格局还远没到“大局已定”；三是零部件产业发展潜力巨大；四是汽车产业的区域集中化趋势将加强，创产业集群将成为汽车产业发展的重要形态；五是汽车产业的自主研发能力将趋于增强；六是将逐步形成以中国市场为主的国际性大企业。进入21世纪后，凓从世界各大汽车博览会推出的多款新概念车看，凌造型更是、更具个性化和特色。凑车身造型的未来发展趋势综合起来主要有以下1气动最优化一部汽车车身造型发展史，凉从某种意义上说就是一部不断追求具有最佳气 ，动造型的历史人们一直在努力研究能够减小气动阻力且气动稳定性好的车身造型，凾今后这将仍是未来车造型追求的目标之一，刏但更主要的工作是在研究气动行驶稳定性上。凕未来的气动造型最优应满足以下几点: (1)最佳气动性能的车身外形只能通过计算机辅助设计和部分实验得出; (2)车身所受的气动纵倾力矩和气动横摆力矩理论上为零; (3)车身所受的气动升力理论上为略小于零; (4)减少气功阻力虽然不再是主要目标，凡但气动刚力系数不应大于0.2.2 本课题的基本内容、重点和难点，拟采用的实现手段（途径）：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,热力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驱动的功能,因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的热力发动机; 在串联混合动力汽车上, 混合动力单元驱动1 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。在燃料的使用方面出现了很大的变化, 除了汽油之外, 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, 例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭, 并降低起动时的排放等。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 主要集中于以下几个方面:1 ) 燃烧系统的优化。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NOx的机理, 从而改进燃烧系统。2 ) 尾气处理技术。主要研究高效的尾气催化系统。3 ) 代用燃料的研究。目前的研究表明, 压燃直喷式柴油发动机将是首选的混合动力单元。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, 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范畴, 但是近期最有希望进入实用化的还是高能蓄电池。现在, 镍氢电池和锂离子电池已可达到混合动力汽车的使用要求。镍氢电池已广泛地应用于电动汽车。镍氢电池技术的关键是, 其能够储存氢的合金应该是一种能够稳定地经受无数次循环, 反复使用的材料。镍氢电池容量大, 可以循环使用, 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, 能量密度大, 有更高的功率, 且充电时间短。目前锂离子电池还处于实验室阶段, 正在进行其基本性能和寿命的试验。从发展看, 能量储存装置的研究包括以下几个方面:1 ) 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。2 ) 电池设计和制造方面的改进。要降低制造成本, 改善电池的性能和提高寿命, 要达到的目标是: 使用寿命达到10 年,至少循环使用12 万次。3 ) 电池的热能管理及剩余电量管理。由于电池的工作温度范围不可能覆盖汽车的工作温度范围, 为了保证电池系统的统一,减少各电池单元之间的不平衡, 需要一个有效的热能控制系统。此外, 电池的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性和排放, 因此需要有效的测试方法和控制装置。3.汽车集成电力电子模块 随着汽车技术的发展, 传统汽车越来越依赖于复杂的电子技术, 例如: 防抱死制动系统、安全气囊系统和发动机微机控制等先进控制系统, 这种趋势在混合动力汽车上将得到更加充分的体现。混合动力汽车完全由电子控制器来分配功率, 要能够在适当的时间控制各相应子系统输入和输出适当数量和类型的功率。为了满足汽车高速开关控制的要求, 混合动力汽车还需要具有高功率密度、低损耗的开关、电容和电感等。同时, 混合动力汽车还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它功率电子装置。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, 功率密度高, 散热性能好。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电子模块。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, 能够给汽车提供大约100 kW的功率, 其功率范围为10100 kW。该模块能够实现对整车的控制, 例如, 控制电机的输入和输出功率、发动机的输出功率以及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, 判断是否应对电池充电以及优化控制发动机的起动, 以减少排放。在汽车集成电力电子模块设计和制造过程中所面临的问题有以下几点:1 ) 散热技术。发动机舱的温度范围为- 40225 , 对电力电子模块来说, 工作条件相当恶劣。由于模块封装中芯片密度的增加, 热量密度也会增加, 因此散热技术和散热材料的研究对模块的正常工作以及电子元件的寿命都很重要。2 ) 减小封装体积和质量。要实现这一目标, 需要研究采用新型材料和先进工艺制造的电容器, 并要进行传热效率高的封装,改善金属基体的结构组成, 并需要运用高温焊接技术等。3 ) 降低制造成本, 提高系统的可靠性。4.电力驱动系统和汽车附件 要使混合动力汽车的动力性、经济性、舒适性、安全性和便利性达到广大消费者所能接受的水平, 必须要有高效、经济的电力驱动系统和汽车附件。然而, 这些系统中的有些部件在传统汽车中没有相应件, 所以需要重新开发设计。在开发的同时,要考虑到系统的综合性能、成本和维修性能。1) 电机 在混合动力汽车上, 电机的作用是将由发电机或储能装置提供的电能转换为用于驱动车轮的机械能。与传统汽车不同的是,电机在低速时可以提供满载转矩, 而发动机则必须要等到“暴跳如雷”时才能够输出满载扭矩。这样就使混合动力汽车具有出色的起步加速性能。此外,用于混合动力汽车的电机还必须要具有良好的可控性和容错能力, 以及低噪声、高效率,同时具有对电压波动不敏感等性能。 用于混合动力汽车的电机类型有交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。目前具有代表性的是交流感应电机, 但这种电机与生俱来就很难解决其功率和效率之间的矛盾。因此, 需要研究出能够用于混合动力汽车的,具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机等先进电机, 以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的研究也应继续深入。2) 再生制动 这种混合动力汽车能够回收制动时消耗的一部分能量。当混合动力汽车制动时,电机变成了发电机, 利用汽车的动能来产生电能,并能够存储在蓄电池中以备后用。在混合动力汽车上, 有许多能量形式可以作为再生制动的储能装置, 例如高速飞轮、超大电容器、弹力装置以及各种热系统等。当然,传统的摩擦制动还是必要的, 这样就需要考虑如何将两套制动装置合理利用、合理控制的问题。制动时, 由电子控制的再生制动系统和摩擦制动系统同时作用,制动性能将明显提高。3)汽车附件 任何款式的汽车要得到用户的喜爱, 都必须考虑汽车的舒适性。虽然汽车空调等附件能提高汽车的舒适性, 但所消耗的能量很大,若不减少这些负载,它们将会对汽车的燃料经济性产生巨大的影响。所以,能否在汽车舒适性得到提高的同时, 改善燃料经济性是目前要创新研究的课题。传统汽车上的各个附件系统都是围绕发动机设计的, 不适用于混合动力汽车的驱动系统。例如,传统汽车的附件(如空调、动力转向等) 由发动机驱动,但由于混合动力汽车的发动机并不一直工作, 就需要设计和生产能独立提供动力的附件。再如,由于混合动力汽车发动机频繁地起动和关闭, 使其对驱动系统和附件的电能管理变得复杂, 需要有更为先进的监测和控制系统。适合混合动力汽车的附件的研究和发展主要有以下几个方面:建立乘客舒适性模型, 能够方便驱动和辅助系统的设计。研究新型车身蒙皮和风挡玻璃材料,更好地利用太阳能, 从而降低空调系统的能量消耗。设计新颖的汽车制热、制冷控制策略,能够既改善舒适性又提高燃料经济性。开发新型独立式汽车空调, 以提高效率,减小体积并实现智能化控制。5. 混合动力汽车仿真技术 在研究和开发混合动力汽车的部件和选择最佳结构时, 需要设计和制造者能够很快缩小研究范围,找到技术突破口。技术方案选择阶段, 在系统选择上, 可依靠高效的建模工具计算机,通过交替使用候选的子系统进行模拟仿真,从而找到最佳的方案。计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格和设计参数, 从而方便了设计者的工作, 而且还有助于为设计和制造样车制定工程目标和计划。 目前, 国外用于混合动力汽车的仿真软件很多,如SIMPLEV、CarSi、HVEC、CSM、HEV和V- Elph 等, 各大汽车生产厂家也有自己的仿真软件。在众多的汽车仿真软件中,AD2VISOR是专门为美国能源部(DOE) 混合动力电动汽车计划(PNGV) 而开发的混合动力汽车仿真软件。ADVISOR可通过简单的物理模型和经过性能测试的各总成去建立实际的或想象中的汽车, 其主要功能在于能够对还未制造的汽车进行性能预测, 即能够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数, 包括加速性和爬坡性能、燃料经济性以及排放性能等。目前, 国内还没有较系统和成熟的混合动力汽车仿真软件,因此,这也是我国汽车工业应该研究的一个方面。在仿真技术的研究与软件开发中,应该遵循的目标是:1) 精确。即能够使不同结构的动力传动系统间的比较具有意义。2) 快速。即能快速进行汽车分析和空间研究设计, 例如对多维变量参数的研究和优化等。3) 灵活。即能对不同控制策略和结构组成的汽车进行评价。4)共享。即能够与潜在的合作者共享,推动混合动力汽车的发展并促进公众的了解。5)实用。即能针对各种车型建模,如传统汽车、电动汽车、串联式和并联式混合动力汽车等。6) 使用方便。即使用者对汽车建模没有经验也能快速掌握。6. 控制策略技术 HEV 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。HEV 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, 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, 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功率; 计算出以最高效率为基点的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它有关数据, 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。7. 混合动力汽车标准和法规的制定 虽然混合动力汽车作为一种新型的汽车,目前还处于试验和研究开发阶段,但是,最近几年国外汽车公司已经有一些实用的混合动力汽车推向了市场。例如: 戴勒姆克莱斯勒汽车公司的Citadel 和ESX3; 福特汽车公司的Escape 和Prodigy; 通用汽车公司的Precept ; 丰田汽车公司的Prius、Coaster 和HV- M4 等。由于混合动力汽车与传统汽车相比有着很多的不同点,尤其它包含了两套驱动系统, 因此, 为了迎接混合动力汽车时代的到来,将混合动力汽车全面推向市场,需要有一系列试验标准和完善的检测技术。为了推动中国混合动力汽车的市场化,制定出完善的混合动力汽车标准和法规是当务之急,其中包括与混合动力汽车相关的术语的定义,混合动力汽车的结构参数和评价指标, 混合动力单元、电动机/ 发电机、能量存储装置、电子设备以及整车的性能测试标准等。 目前, 国际上负责电动汽车和混合动力汽车标准和法规制定的组织有国际电工委员会( IEC) 、国际标准化组织( ISO) 、美国汽车工程师协会(SAE) 等。对我国来说,由于混合动力汽车已处于实验阶段, 各项标准的制定工作也应该相应开始进行。考虑到今后将出现多种动力驱动的汽车共存的情况, 汽车标准的制定也将需要考虑传统汽车、混合动力汽车和纯电动汽车之间的可比性和通用性。发展前景展望 混合动力汽车在现有技术的基础上达到了提高燃料经济性和减少排放的目的, 因而极具发展前景。从目前的发展来看, 汽车的排放法规日趋严格化, 同时电子技术的迅猛发展都会进一步促进混合动力汽车的发展。混合动力汽车充分吸取了电力/ 热力系统中最大的优势: 在远途时使用热力发动机, 在城市和过渡阶段时使用电动机。如果调配合理的话, 电力和热力的配合使用, 将很大程度地降低汽车的耗油量和污染物的排放, 并同时提高驾驶乐趣, 改善车辆行为。与传统型汽车相比, HEV 可以确保具有同等的性能和优势, 而在节能和排放上胜出一筹。HEV 的电压和功率等级与电动车类似, 但蓄电池容量大大减小, 因而其造价成本低于电动汽车。就目前来说, HEV 的价格比传统汽车高出20 %左右。降低成本是提高混合动力系统竞争能力的努力方向。相信随着HEV 的推广和普及, 生产批量上去后, 其价格将逐步接近传统汽车。当前HEV 所面临的主要技术问题还很多, 随着各大汽车公司和研究机构的努力, 这些问题会很快得到解决。尽管从长远来看只是一种过渡车型, 但HEV 在近2030 年内很有发展前景, 这一点是毫无疑问的。这个前景, 我们可以从两方面来理解。一是混合动力作为一种技术, 在不远的将来会成为燃料电池替换内燃机的重要过渡技术, 对燃料电池混合动力车(FCHV) 的开发将会起重要作用。从这个意义上说,混合动力技术就不仅仅是一种提升