混合动力系统

我所了解的混合动力系统汽车背景和意义在经济飞速发展的今天，一方面能源问题越来越凸显了。由于能源的有限性，用了多少就少了多少，而且就目前而言，面对着不断增加的人口压力，传统的化石能源所能使用的时间越来越短了，而新能源的利用又比较有限且技术上和安全上都还存在许多问题。另一方面能源的不恰当利用造成了本来就有限的能源的大量浪费，同时也引起了各种环境问题。近年来大气污染越来越严重，各种异常的自然现象如雾霾、酸雨等时常发生！而且由于全球变暖，大旱和洪水也经常发生，动植物加快灭绝，人类生活越来越困难。然而带动如今经济快速发展的汽车，其尾气中的CO2和NOx却成为了以上两大主要问题的主要成因。为了解决这一问题，在20世纪八九十年代，在汽车方面人们主要研制电动汽车（EV）以实现节能和零排放。但是由于电池技术还未达到实际的要求，电池的能量密度和功率密度都还比较低，并且各种基础设施（如路边充电站）还未建成且耗费巨大。所以人们便开始了研究电池驱动和内燃机驱动通过一定的方式组合的汽车，即混合动力汽车。由于混合动力汽车（HybridElectricVehicle,HEV）是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了多种分类形式。混合动力车辆的节能、低排放，技术相对成熟且可实现性和经济性都比较高，一方面可以弥补纯电动汽车所能行驶路程短且马力较小的缺点，另一方面又可以避免传统的汽车噪音大、耗能高、污染大的缺点，所以便很快引起了汽车界的极大关注并成为汽车研究与开发的一个重点。类型与特点就目前而言，混合动力系统汽车的主要几种分类方法及其大致内容如下：A、根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类：一是微混合动力系统。代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternatorStarterGenerator,简称BSG系统）。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：12v和24v。其中24v主要用于柴油混合动力系统。二是轻混合动力系统。代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的IntegratedStarterGenerator，简称ISG系统）。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：（1）在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；（2）在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。而重庆大学与长安汽车一起研制的羚羊车型可以达到25%。三是中混合动力系统。本田旗下混合动力的Insight,Accord和Civic都属于这种系统。该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30%左右，技术已经成熟，应用广泛。四是完全混合动力系统（又称重度混合动力系统）。丰田的Prius和未来的Estima属于完全混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。就目前而言各国在混合动力系统车的研制主要就是这一方面。重庆大学与长安汽车和奇瑞汽车已研制出达到35%左右的重度混合车型了。B、根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类：混合动力汽车一是串联式混合动力系统（SeriesHybrid)。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。二是并联式混合动力系统(ParallelHybrid)。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。我国的长安汽车和奇瑞汽车也主要使用此种系统。三是混联式混合动力系统。混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。Prius采用的是混联式联结方式。在国内，由于这方面的专利大部分在外国，所以使用此种系统的车型比较少。关键技术1.电池及能量管理技术：就目前而言电池比能量不高，影响电动汽车续驶里程的要求；其二是电池的性能差，使用寿命低。汽车用的电池使用中其性能发挥得如何，除与电池模块自身性能有关外，与其应用的电池能量管理系统的功能有着密切的关系，尤其是电池模块质量不太理想的条件下，应用功能完备的电池能量管理系统其作用就更加突出。借助电池能量管理系统的正常工作会使电池模块的性能得以充分发挥，减少电池模块故障，延长电池模块的使用寿命。电池能量管理系统是该车的一种相当重要的技术措施，它起到了对电池性能的保护、防止个别电池的早期损坏、有利于汽车的运行，并具有各种警告功能等。由于它参加电池箱内电池模块的监控工作使电动汽车的运行、充电等功能与电池的有关参数（电流、电压、内阻、容量）紧密相连和协调工作。它有计算，发出指令、执行指令和提出警告的功能。各种电池模块虽然有结构和性能上的差异，但它们都具备一些相同或相似的功能。然而在能量管理技术方面仍未能精确的给出电池的电量！2.电机及控制技术：汽车驱动电动机主要有直流电动机(Dc)，感应电动机(IM)，永磁电动机(BDCM和PMsM)和开关磁阻电动机(SRM)。当汽车减速或制动时，电机在再生制动控制单元的控制下往往处于充电状态，给电池充电，实现机械能到电能的转换。电机控制技术的发展会随着计算机技术的发展，电子技术的高速进步，高速、高集成度、低成本的微机专用芯片以及DsP等的问世及商品化，使全数字的控制系统成为可能。用软件代替硬件，除完成要求的控制功能外，还可以具有保护、故障监视、自诊断等其它功能。另外，为提高控制系统的可靠性和实用性，应使得改变控制策略、修正控制参数和模型也简单易行。3.发动机及控制技术由于在不同转速下发动机的燃油效率是不同的，为了提高其燃油效率一方面要尽可能准确地控制燃油的喷射(如使用电子油门等)以使其燃油更充分而达到节约能源降低污染的目的，另一方面通过电机的辅助驱动降低功率的峰值和电机的充电尽量使发动机在最佳经济区运转。4.动力传动与控制技术动力传动系统的整体控制是车辆综合控制的一个重要组成部分这一系统将发动机和变速器看作一个整体进行集中控制可以减少传感器的使用数量提高系统集成度降低成本提高系统的可靠性充分发挥发动机的潜力改善发动机的动力经济性和换档品质降低排放并且容易实现车辆的整体控制，因而动力传动系统整体控制技术符合未来车辆电子技术的发展方向。展动力传动系统的整体控制技术是在发动机电控技术和自动变速技术充分发展的基础上利用微电子技术发展起来的军用汽油机电子控制系统。比如电控油系统。还有自动变速器主要有液力自动变速器(AT)、机械式自动变速器(AMT)和新近发展起来电控无级变速器(ECVT)1940年,美国通用汽车公司首次采用液力机械式自动变速箱。通过变速器的准确控制从而使发动机在一定转速下高效率运转。5.再生制动及控制技术再生制动是利用电机可以从电动机运行状态平滑地转换到发电机运行状况这一特性。此时，电机转矩方向与转速方向相反，电机吸收机械能，把机械能转化为电能储存起来，可节省能量。在传统汽车中，当司机踩制动时，这种本可用来给汽车加速的能量作为热量被白白扔掉了。而混合动力车却能大部分回收这些能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。而再生制动的控制技术就是为了在能够保证安全的情况下，比如协调好四轮制动的控制防止侧滑和翻车，协调好摩擦制动和电机通过磁场中的力矩制动的分配。从而一方面能够确保安全，另一方面也尽可能地回收能量。6.多能源整车控制技术整车控制器（又指中央控制单元）是混合动力汽车的关键部件，根据驾驶员的操作、加速踏板位置、车速和发动机转速、水温等参数,能量分配策略,使发动机和电动机输出相应的转矩(或功率),以满足驱动轮驱动力矩的要求,并实现柴油机、电机、蓄电池和传动系统的优化匹配。整车具有“纯汽油机驱动、混合动力驱动、ISG反拖发动机启动、再生制动、驻车充电”等工作模式.整车控制器、节气门控制器、电机控制器、电池管理系统和人机显示系统构成了一个5节点CAN总线网络,采用基于J1939的CAN2.0协议进行通信。国内外现状及发展趋势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。国际能源紧缺，混合动力可以很好的节省汽车行进过程中减速、下坡过程的能量消耗，同时其排量低、污染小，是未来汽车发展的必然趋势。