混合动力汽车

1、混合动力1混合动力汽车概述汽车工业发展的100年，是人类文明和经济发展迅猛的100年。如今，全世界汽车保有量达到6.7亿辆，汽车已与人们的日常生活和生产密不可分。然而，众多燃油汽车排放所造成的空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，使开发低排放、低油耗的新型汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。使用电动汽车(electric vehicle，简称ev)可实现无污染，并可利用煤炭、水力等其它非石油资源，因此电动汽车成了解决污染和排放问题的最佳途径。但是，由于电动汽车的关键技术电池技术的制约，电动汽车的性能价格比远远不能达到推广应用的标准。其主要障碍是：电池的能量密度较低，因此电池组的质量和体积都比较

2、大，导致电动汽车的续驶里程和动力性能无法达到当前内燃机汽车的水平；此外，电动汽车空调和暖风的选用必须充分考虑其能量消耗对电动汽车续驶里程的影响，乘员的舒适性受到限制；充电站的建设投资巨大，电池组的价格昂贵，循环寿命有限，频繁更换电池的成本是用户难以接受的。电动汽车在目前情况下的致命技术弱点使其在短期内还不可能产业化，这种情况下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车(hybrid electric vehicle，简称hev)应运而生。hev是清洁汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。它采用内燃机和电动机作为混合动力源，集中了两者的优点。既继承了电动车辆作为“绿色汽车”节能和低排放的优

3、点，从而显著改善了整车的排放性能和燃油经济性；又发扬了石油燃料高比能量和比功率的长处，弥补了电动车辆续驶里程短的不足。达到两种车辆优点的折衷统一。与传统汽车相比，整车综合控制系统将根据车辆的运行工况，控制发动机和电机都工作在最佳效率区，同时保证电池中的电能储备始终保持一定水平，无须停车充电或频繁更换电池。据国外样车及产品的统计资料，这种配备整车综合控制系统的混合动力车辆与同类的内燃机汽车相比，燃油消耗降低30%40%，尾气排放指标降低5060%。同时在配套设施方面，不需要像燃气汽车和电动汽车那样投入巨资进行加气站和充电站建设。因此，在电动汽车技术取得重大突破之前，混合动力汽车成了各国的主要选择

4、。在日本和美国等发达国家，政府部门、各大汽车公司和相关零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车的研制开发。目前，混合动力汽车产品在美国和日本已经批量上市。有关专家一致认为，今后十年混合动力汽车技术将取得重大进展，产品将大批量上市。1.1 混合动力汽车的定义到目前为止，关于混合动力电动汽车的定义还没有一个得到普遍认同的说法。一般认为，混合动力电动汽车，是指在同一辆汽车中同时采用了电动机和发动机（发动机一般又被称为辅助动力单元，apu）作为其动力装置，通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车。1.2 混合动力汽车的特点混合动力电动汽车将发

5、动机、电动机、能量储存装置（蓄电池）组合在一起，它们之间的恰当匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，并尽可能地避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。较之纯电动汽车，hev有以下优点：(1) 因有发动机作为辅助动力，电池的数量和质量可以减少，因此汽车自身重量可以减少；(2) 汽车的续驶里程和动力性可达到传统内燃机汽车的水平；(3) 借助发动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力以及其它辅助电器，无需消耗电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐的舒适性。较之传统的内燃机汽车，hev则具有如下的优点：(1) 使发动机在最佳工况区域稳定运行，避免或减少了发动机变工

6、况的不良运行，使得发动机的排污和油耗都大为降低；(2) 在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆，实现零排放；(3) 可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，并可通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低汽车的油耗和排污。2 混合动力汽车的分类与工作与传统汽车和电动汽车相比，混合动力汽车在驱动系统的配置和组合形式上具有很大的不同，如图是传统汽车、混合动力汽车、纯电动汽车驱动系统结构布置示意图。串联式驱动系统的总成结构示意图如图1.1所示。apu由发动机和发电机组成，通常将这两个部件做成一体。发动机带动发电机发电，其电能通过控制器直接输送到电动机，由电动机产生驱动力矩

7、驱动汽车。电池实际上起平衡发动机发电机组输出功率和电动机输入功率的作用：当发电机的发电功率大于电动机所需功率的时候（汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况），控制器控制发电机向电池充电；当发电机发出的功率低于电动机所需功率（汽车起步、加速、高目前世界各国研究的混合动力汽车有不同种结构形式，根据其驱动系统的配置和组合方式不同，混合动力总成主要有三种类型：并联、串联和混联。每种类型又有多种构型方案。研究表明，比较成熟的构型方案有三种，分别是双轴并联型式、单轴并联型式和串联型式。下面对这三种型式的部件组成、工作原理和动力分配以及产品方案进行分析介绍，并简要介绍一下混联系统。 图2 双轴并联混合动力总

8、成基本结构及布置方案简图2.1双轴并联混合动力总成双轴式混合动力总成的主要结构特点是发动机和电机通过动力分配装置并联在一起，两部件轴线空间平行，基本结构布置方案如图2所示。双轴并联混合动力总成的部件组成及工作原理(1). 加速踏板和制动踏板：踏板开度反映了驾驶员对驱动或制动扭矩输出的要求，通过转换装置将踏板开度转换为电量信号输入主控制系统。(2). 动力总成主控制系统：包括控制程序软件和硬件，是整个动力总成的核心。接收踏板信号和检测信号，通过控制算法确定各个部件的工作状态和扭矩输出，并将控制指令输入各部件的控制单元。部件控制单元接收控制指令并输出到执行器，控制各部件的运行状态，提供要求的扭矩。

9、(3). 发动机及控制单元：包括发动机、控制单元和控制执行器三部分。控制单元接收来自控制系统的控制指令，向执行器发出控制指令，控制发动机的工作状态（开或关），调节发动机的扭矩输出。(4). 电机及控制单元：包括电机、逆变器和控制单元。控制单元接收来自控制系统的控制指令，向逆变器发出控制指令。逆变器将电池的直流电转换成频率和电压可调的三相交流电，并实施磁场定向控制，控制电机的工作状态（电动状态或发电状态）和输出特性，使电机按照控制指令提供要求的扭矩。图3双轴并联动力分配装置结构简图(5). 电池及控制单元：包括电池、能量管理系统和控制单元。能量管理系统负责电池的均衡充电或放电，过充电或过放电保护

10、，采集并运算处理得到电池的电量状态信号，通过控制单元反馈给主控制系统。(6). 动力分配装置：是一对常啮合齿轮，具有固定的速比，如右图3所示。运行过程中，在离合器接合的条件下，发动机的转速与动力分配装置输出端转速相同。(7). 离合器1及控制单元：包括离合器、控制执行器和控制单元。控制单元接收来自主控制系统的控制指令，向执行器发出控制指令，控制离合器的工作状态（分离或接合），使离合器按照控制指令进行接合或分离。(8). 变速器：可配备自动变速器或手动变速器。(9). 机械制动系统及控制单元：包括制动器、控制执行器和控制单元。控制单元接收来自主控制系统的控制指令，向执行器发出控制指令，控制制动器

11、的工作状态（启动或关闭），使机械制动系统按控制指令提供要求的制动扭矩。2.2 单轴并联混合动力总成单轴式混合动力总成的主要结构特点是发动机和电机同轴联接在一起，两个部件的轴线相同，其基本结构和布置方案如图4所示。图4单轴并联混合动力总成的基本结构及布置方案简图单轴式并联混合动力总成的部件组成及工作原理与双轴式并联混合动力总成一样，单轴式并联混合动力总成是由8个主要部件组成。其中，加速踏板和制动踏板、动力总成主控制系统、发动机及控制单元、电机及控制单元、电池及控制单元、离合器及控制单元、变速器、机械制动系统及控制单元的基本结构和功能与双轴式完全一致。这里不再赘述。两者在结构型式上最大的差别是发动

12、机和电机的相对布置位置不同，形成了单轴和双轴。2.3串联混合动力总成串联混合动力总成的主要结构特点是发动机和发电机组成发电机组，通过功率分配装置将电池组、电动机和发电机组连接起来，由电动机驱动汽车行驶，其基本结构和布置方案如图5所示。 图5串联混合动力总成结构及布置方案简图串联混合动力总成的部件组成及工作原理(1). 加速踏板和制动踏板：踏板开度反映了驾驶员对驱动或制动功率输出的要求，通过转换装置将踏板的开度转换为电量信号输入主控制系统。(2). 动力总成主控制系统：是整个动力总成的核心。接收踏板信号和检测信号，通过控制算法确定各个部件的工作状态和扭矩输出，并将控制指令输入各个部件的控制单元。

13、各个部件的控制单元接收来自主控制系统的控制指令并将指令输出到执行器，控制各个部件的运行状态并提供要求的扭矩。(3). 发动机及控制单元：包括发动机、控制单元和控制执行器三部分。控制单元接收来自主控制系统的控制指令，向执行器发出控制指令，控制发动机的工作状态（开或关），并按照控制指令调节扭矩输出。(4). 发电机及控制单元：包括发电机、整流器和控制单元。控制单元接收来自主控制系统的控制指令，向发电机发出控制指令，使发电机按照控制指令提供要求的功率。发电机产生的三相交流电通过整流器转换为直流电提供给功率总线。(5). 电机及控制单元：包括电动机、逆变器和控制单元。控制单元接收来自主控制系统的控制指

14、令，向逆变器发出控制指令。逆变器负责将电池的直流电转换成频率和电压可调的三相交流电，并实施磁场定向控制，控制电机的工作状态（电动状态或发电状态）和输出特性，使电机按照控制指令提供要求的扭矩。(6). 电池及控制单元：包括电池、能量管理系统和控制单元。控制单元接收来自主控制系统的控制指令，向能量管理系统发出控制指令，控制电池的工作状态（充电状态或放电状态）。能量管理系统负责电池的均衡充电或放电，过充电或过放电保护，采集并运算处理得到电池的电量状态信号，通过控制单元反馈给主控制系统。(7). 功率分配装置：是一套功率电子元件，一端通过整流器联接发动机发电机组，一端通过逆变器连接电动机，一端通过电池

15、管理器连接电池。运行过程中通过控制器实现电功率的合成或分解。(8). 机械制动系统及控制单元：包括制动器、控制执行器和控制单元。控制单元接收来自主控制系统的控制指令，向执行器发出控制指令，控制制动器的工作状态（启动或关闭），使机械制动系统按控制指令提供要求的制动扭矩。(9). 离合器及变速器：与传统汽车相同。2.4混联混合动力总成混联式混合动力系统的布置方案是串联式布置和并联式布置的综合。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或者电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式混合动力系统的控制模式是，

16、控制器根据油门踏板的开度，一方面控制电子油门的开启程度，另一方面确定发动机的动力用于直接驱动汽车部分和用于发电部分之间的分配比例，准确控制并协调发动机和发电机驱动力，如果蓄电池电量下降，控制器控制发电机发电为蓄电池充电。这种比串联布置和并联布置都更为复杂的布置和控制模式使之具有以下特点：1. 该系统适合各种行驶条件，具有良好的燃油经济性和排放性能，且不需外界充电，续驶里程与内燃机汽车相当，是最理想的混合电动方案。2. 由于发动机和发电机、电动机以机械方式连接，机械装置较复杂，整车布置有一定难度，发动机多为传统的车用内燃机。3. 混联式混合动力系统可采用小功率的电动机和发电机，减少了电池的数量。

17、但其控制系统技术含量高，控制元器件价格高，整车价格高。丰田混合动力车辆prius被公认为目前最成功的混合动力结构，该车采用的就是混联结构，如图6所示。 图6丰田prius混联驱动系统该车的传动系统由动力分配装置、发电机、电动机和减速器组成。动力分配装置为一行星齿轮，将动力传递给外圈的齿环和内圈的中心轮，齿环的轴直接与电动机和传动轴相连接，然后与驱动桥连接。中心轮轴与发电机连接。在车辆加速和减速时，可以通过控制发电机转速协调发动机和电动机转速，从而实现动力分配，达到电控无级自动变速箱的功用。先进的控制系统实现了车辆电力起步、停车、低速运行、减速时发动机自动关闭，确保发动机在高效率区工作。根据丰田

18、公司的资料，该车的排放与传统的汽油车辆相比co2下降了50%，hc、co和nox排放可降低90%左右，燃油经济性提高50%。3混合动力汽车发展需要解决的技术问题混合动力汽车的进一步发展，实现产业化，需要解决以下一些关键技术：第一、电池技术：混合动力汽车电池的使用状况不同于电动汽车，在工作中电池处于非周期的充放电循环中，要求电池的充放电速率和效率都比较高。因此，混合动力电动汽车用电池不仅需要高能量密度，而且还需要高功率密度。开发高性能、低成本、寿命长的电池，仍然是混合动力汽车发展需要解决的关键问题。第二、电池管理系统：混合动力电动汽车用电池的寿命、充放电效率、内阻等都要受电池放电深度、充放电电流

19、大小以及具体的汽车行驶工况等诸多因素的影响。而且，目前国内还局限于电池恒流放电特性或仅考虑了放电过程的变流放电特性研究，这些对建立一个符合混合动力电动汽车电池实际使用状况的能量管理模型是远远不够的。研究考虑诸多因素的电池充放电特性，以便建立一个符合电池实际使用环境的电池能量管理系统，并为载荷均衡控制装置提供可靠的控制参数，是目前混合动力电动汽车研究开发中必须解决的问题。第三、进一步优化动力总成的控制策略：动力总成的控制策略决定了混合动力汽车节能和降低排放的效果，进一步优化控制策略，毫无疑问仍是混合动力汽车研究的核心问题。第四、电机及控制系统：混合动力电动汽车上使用的电动机有直流电机、永磁无刷电

20、机、感应电机、开关磁阻电机等。研究开发体积小、重量轻、工作可靠、动态响应好的电机，对混合动力电动汽车进一步提高动力性和经济性极为重要。第五、需要建立更精确的驱动系统数学模型（包括静态的和动态的），这是参数匹配和优化控制的基础。4 混合动力公交客车的产业化1999年全球共有300多辆混合驱动的城市客车正在美国的纽约、夏威夷，欧洲的德国、意大利、瑞士、丹麦，亚洲的日本、台湾、澳大利亚等地示范运行，表明混合动力城市客车技术已经走出实验室，迈向市场。 由于环保和能源的压力，混合动力城市客车产业化已经成为其发展的必然趋势。相对于已经很完善的内燃机客车，混合动力客车还是一个很新的事物，其产业化还面临着许多

21、问题，这些问题在纽约等地试运行的过程中得到了体现，问题的解决将有助于混合动力城市客车的产业化。4.1购买费用高昂的购买费用是制约混合动力城市客车发展的最大因素。虽然混合动力城市客车的油耗和排放优于传统公交客车，但是混合动力城市客车的价格也几乎是传统城市客车的两倍或者更多。使得混合动力城市客车的价格较高的主要因素是材料和结构和传统客车不同，以及产量低和系统的手工制作。可以预料，随着混合动力技术的进一步完善，产量的进一步提高，混合动力城市客车的价格将会有所下降。4.2维护、保养和修理混合动力公交客车运行时，电池组频繁充放电会严重影响电池的使用寿命和效率。混合动力客车用铅酸电池大概每三年需要更换一次

22、电池，从而使其生命周期中内的费用增加。但是可以预计，随着技术的发展，专为混合动力电动系统使用的各式储能装置也得到了巨大发展，这些储能装置将更适合混合动力客车对其性能、价格等的要求。混合动力客车动力系统是一个综合机械、电力和电子技术、技术含量很高的复杂系统，同时混合动力客车的运行经验也比较缺乏，这些都使得现有的汽车修理部门没有足够的技术和经验对其进行保养和维修，从而影响了混合动力客车的应用推广。混合动力客车的推广将会与保养和修理问题的解决相互促进。4.3相关法规混合动力客车的发展减少了大气污染，带动了相关产业和技术的发展，减少了环境问题带来的医疗卫生和治理费用，它带来的社会效益是巨大的。然而城市

23、客车运营企业更关心的是利润，要使得混合动力客车能够更好地发展，必然离不开政府行为。政府应该为研究机构及企业提供研究资金，鼓励混合动力客车的研究开发；制定合乎国情的排放法规；促进并鼓励企业研发生产低排放汽车；鼓励公交运营企业购买使用混合动力客车，为之提供贷款，并提供减免税等优惠政策；在油品上提供补贴等。4.4安全性能比起传统内燃机客车，混合动力客车增加了大量的电力电子设备，使得混合动力客车除了有由于燃油而可能存在的着火危险外，还可能有高电压引起的电击、电池的气体爆炸、有毒物质比如铅的泄漏等等。这些潜在的危险可以通过不断地改进设计和监控技术，加强操作和保养来加以控制。5 国外混合动力公交客车技术概

24、述图中：a. 控制系统（pcs）采集驾驶员输入和混合动力部件的数据，控制各部件的功率输出。b. 发动机在pcs控制下以几乎恒定的转速工作，驱动发电机。c. 发电机在pcs控制下对电池和电机提供电能。d. 电池组在pcs控制下接收储存发电机产生的以及再生制动回收的电能，并在加速或爬坡时将电能供给电动机。e. 电动机在pcs控制下输出扭矩驱车辆行驶。再生制动时作为发电机回收减速能量并对电池进行充电。图7 orion bus vi混合动力公交客车结构方案国外对混合动力客车，特别是混合动力公交客车的研究开发与纯电动客车的研究开发几乎同时起步。由于公交客车的线路固定，市区运行，交通相对拥挤，频繁启动停车

25、。这种特点特别适合采用混合动力系统，能够显著降低油耗和排放。目前研制的样车和投入示范运行的车型如下表所示。其中，最具有代表性的就是在纽约投入示范运行的orion bus vi客车、nova bus客车和日野himr客车。图8 nova bus混合动力公交客车结构方案epdrive由lmcs(lockheed martin control systems)公司提供hybriddrivetm客车混合动力总成及其控制系统，orion bus industry公司提供orion bus vi型低地板原型车，两家公司合作开发了orion-lmcs bus vi型低地板客车，结构方案如图7所示。样车已在纽

26、约地区完成示范运行。目前lmcs公司已经完成了hybriddrivetm混合动力总成及控制系统的产业化，与整车厂商积极开展协作配套。orion-lmcs bus vi的商业化车型已经在纽约地区投入商业运营，单台售价56万美元。11混合动力表1 国外混合动力公交客车车型表车 型状 态国 家型式最高车速电机电池发动机new flyer de40lf产品96铅酸novabus transit产品美国88交流感应电机pbs04柴油hino hybrid cruising产品日本并联135交流感应电机铅酸65ah柴油toyota coaster hev产品日本串联80交流感应电机柴油hino hybri

27、d route bus产品日本并联80交流感应电机铅酸柴油orion vi hev bus产品美国/加拿大串联100交流感应电机柴油ise thundervolt tb 30h产品美国串联88交流感应电机铅酸/镍氢/锂离子丙烷/cng/汽油ise thundervolt tb 40h产品美国串联122交流感应电机铅酸/镍氢/锂离子丙烷/cng/汽油iveco 12m altrobus hybrid产品意大利串联62it8 1622-16b03铅酸柴油iveco 6m altrobus hybrid产品意大利60铅酸柴油mecedes-benz o 405 nuh产品德国75柴油el dorad

28、o national样车美国串联80交流感应电机avs-30样车美国串联88(最低)燃汽轮机avs-35样车美国串联88(最低)燃汽轮机den oudsten x97样车荷兰串联80柴油glllg unfixed name(40-foot)样车美国串联交流感应电机hino unfixed name样车日本复合80nissal diesel-unifixed(ud/ua460)样车日本串联70无电刷直流液化天然气mecedes-benz cito样车德国柴油novabus unfixed name样车美国90镍镉cng/柴油olymbus(designline)样车澳大利亚80铅酸（84）柴油a

29、llison hybrid shuttle bus演示车美国压缩天然气gm 40-foot rts演示车美国串联交流感应电机柴油van hool a30bh演示车比利时串联60交流感应电机铅酸柴油aps systems hybrid transit bus试验美国80交流感应电机nicd丙烷nasa transit bus试验美国串联95交流感应电机volvo b10l试验瑞典交流感应电机铅酸altra hev bus意大利串联交流感应电机柴油mecedes-benz o 405 gnde德国交流感应电机neoplan metrollner德国60镍氢neoplan n4121 des德国pkwtdescania dab service bus瑞典柴油tpi composite hybrid bus美国压缩天然气seat citybus西班牙80nicd14混合动力图9 日本日野公司的himr混合动力总成及控制系统的结构方案由allison transmission公司提供epdrive混合动力总成及其控制系统，nova bus industry公司提供nova bus rts原型客车，两家公司合作开发了nova-allison rts型混合动力公交客车。epdrive系统将电机和自动变速器通过行星齿轮机构集成在一起，通过控制器对发动机、电机和自