发动机现代技术概论论文

研究生课程考核试卷科目：汽车发动机现代技术概论教师：周恩序姓名：学号：专业：车辆工程类别：学术型上课时间：2014年11月6号-2014年11月15号考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师(签名)重庆大学研究生院制汽车发动机现代技术概论Plug-in混合动力电动汽车的研究分析摘要：外接充电式混合动力电动汽车(Plug-inHEV)是在传统混合动力汽车基础上派生出来的新型节能环保车,可以大大改善汽车有害气体和温室气体排放,提高汽车燃油经济性。文章介绍了Plug-inHEV的动力系统结构,阐述了Plug-inHEV的控制策略,指出Plug-inHEV关键技术，是一种最有发展前景的混合动力电动汽车。关键词：混合动力；电汽车；插电式StudyonPlug-inHybridElectricVehicleAbstract:Plug-inHEV,anewenergy-savingandenvironmentalvehicle,derivesfromthetraditionalHEV,whichcouldgreatlyreduceemissionoftheharmfulgasandgreenhousegastoenhancethefueleconomyofvehicles.ThispaperintroducesthestructureofPlug-inHEV’spowersystemandcontrolstrategiesofit,pointingoutthekeytechnologyofPlug-inHEV.Tosumup,Plug-inHEVenjoysthemostprosperous.Keyword:Hybridpower;ElectricVehicle;Plug-in;汽车发动机现代技术概论引言随着全球资源短缺与环境恶化的日益严重，新型清洁汽车尤其是混合动力汽车成为国际汽车制造商研究和开发的热点。在现阶段，插电式混合动力汽车（Plug-inHybridElectricVehicle，PHEV）是一个新的研究方向。PHEV是指可以使用电力网（包括家用电源插座，例如220V电源）对动力电池进行充电的混合动力电动汽车[1]。Plug-in混合动力汽车的特点：①充电式（Plug-in）混合动力汽车具有低噪音和低排放的优点。②充电式（Plug-in）混合动力汽车介于常规混合动力电动汽车和纯电动之间，里程长时采用以内燃机为主的混合动力模式，里程短时采用纯电动模式。③可在晚间低谷时使用外部电网对车载动力电池进行充电，不仅可改善电厂发电机组效率问题，而且可大大降低对石油的依赖；同时用电比燃油便宜，可以降低使用成本。④由于充电式（Plug-in）混合动力汽车的行驶特性，动力电池SOC必须在很大的范围内波动，属于深度充电深度放电，因此循环工作寿命比较短[2]。1Plug-inHEV的结构特点分析PHEV的主要结构特点与传统HEV类似，主要是比传统的HEV多了一个充电装置，因此其动力系统同传统HEV相似主要可分为串联式、并联式和混联式三种结构。1.1串联型Plug-inHEV结构图1.1为Plug-in串联式混合动力系统机构。其结构特点是发动机驱动发电机发电，发出的电能通过电机控制器输送到电池或电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车行驶。发动机与驱动车轮无直接机械联系，可以将发动机调整在最佳效率区或最低排放区运行，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的；不需要离合器和变速器（或采用少级变速器），各部件布置灵活；电动机的电能由发电机和/或蓄电池提供；适用于在市内低速运行的工况。在繁华的汽车发动机现代技术概论市区，汽车在起步和低速时还可以关闭发动机，只利用电池进行功率输出，使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放，使汽车达到零排放要求。系统的负载能力完全取决于电动机的额定功率，而且电动机的转速不能太低或太高，否则效率很低；在发动机的机械能经发电机转化为电能，再由电动机转化为机械能的过程中，存在比较大的能量损失。另外，为了能够传递发动机最大功率，发电机的尺寸大。图1.1串联型Plug-inHEV结构1.2并联型Plug-inHEV结构图1.2为Plug-in并联式混合动力系统结构。其结构特点是并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上可以单独驱动或者联合驱动车轮。不需要额外的发电机，减少了整车净重和成本；发动机和电动机的功率比串联型的小；发动机和驱动轮直接机械连接，减少了电能转化的损失，但是发动机必须在一个较宽的转速范围内工作，否则对汽车的排放和油耗不利；最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况这样具有较好的燃油经济性。而在其它的行驶工况，由于发动机不在其最佳的工作区域内运行，发动机的油耗和排污指标不如串联型。这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。汽车发动机现代技术概论图1.2并联型Plug-inHEV结构1.3混联型Plug-inHEV结构图1.3为Plug-in混联式混合动力系统。混联型驱动系统是串联型与并联型的综合。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。这种系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点,能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制目标。混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能使发动机、发电机、电动机等部件进行更优化的匹配，在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态。更容易实现排放和油耗的控制目标[3][4]。图1.3混联型Plug-inHEV结构汽车发动机现代技术概论2.Plug-in控制策略混合动力汽车的控制策略最常用的有逻辑门限值控制、动态自适应控制、逻辑模糊控制和神经网络控制等[5]。最简单、最实用的控制策略是逻辑门限值控制[6]。以并联混合动力客车为例，采用电力辅助(ElectricAssist)控制策略。并联电动助力控制策略是以发动机作为主动力源，电机和电池提供峰值功率。并联电动助力控制策略描述如下：(1)车辆速度低于某一最小值时，由电动机提供驱动转矩；(2)发动机在给定速度下运行于低效区时，关闭发动机，由电动机提供驱动转矩；(3)转矩需求大于发动机运行速度下的最大转矩时，电动机提供辅助转矩；(4)当SOC很低时,发动机提供额外转矩给电池充电；(5)制动时,电机工作于发电机状态,向电池回馈能量。其ADVISOR模型如图2-1所示，设计的控制变量如表2-1所示。表2-1电辅助控制策略变量表控制变量变量含义变量值cs_hi_soc电池SOC最高值0.9cs_lo_soc电池SOC最低值0.3cs_electric_launch_spd_lo发动机启动车速（低）2.8m/scs_electric_launch_spd_hi发动机启动车速（高）5.6m/scs_off_trq_frac发动机关闭转矩所占比重0.3cs_min_trq_frac发动机最低工作转矩所占比重0.6cs_charge_trq充电转矩所占比重0.4汽车发动机现代技术概论图2-1电辅助控制策略Simulink逻辑框图3PHEV的关键技术PHEV的关键技术包括整车动力系统匹配与控制策略、动力电池、电机和充电基础设施[7]。3.1整车动力系统匹配与控制策略在混合动力系统技术的基础上，PHEV的整车开发技术主要包括动力系统参数匹配和整车控制策略两个部分。在进行参数匹配时，为保证纯电动功能下的动力性能和足够的行驶里程，需要大功率电机和高能量电池；为保证混合模式下的车辆动力性能，需要大功率电池，而发动机的功率适当减小。在进行整车控制策略设计时，要考虑低SOC下如何保护电池、何时进入混合模式、如何实现全局燃料经济性最优等问题。3.2PHEV用动力电池动力电池是各种电动车辆的主要能量载体和动力来源，也是PHEV整车成本的主要组成部分。动力电池自身技术的提高和成组应用技术的发展成为电动车辆市场化和商业化的关键因素之一。PHEV用动力电池应有足够大的比能量和比功率，在整车质量允许的前提下，尽可能地实现整车动力性指标和纯电动续驶里程；另外，动力电池在足够寿命的前提下，低SOC时应有大功率输出，高SOC时仍有高的输入功率，以回收制动能量。考虑以上因素，鉴于铅酸蓄电池过于笨重（比容量低）、衰减快、技术改进已到尽头；镍氢电池记忆性、比容量一般、单体电压等缺陷，而锂离子动力蓄电池具有更高的能量密度，因此锂离子动力电池是PHEV的最佳选汽车发动机现代技术概论择。3.3驱动电机PHEV对电机也有较高的要求，为满足在纯电动模式下启动及纯电动续驶里程、加速和高速行驶的要求，PHEV需要较大输出功率、低速时高扭矩和调速范围宽的电机；另外考虑到整车布置和使用寿命等因素，应尽量选取高密度、小型轻量化、高效率、高可靠性、高耐久性、强适应性的电机。就目前现有技术而言，永磁同步电机是个较好的选择。3.4充电基础设施的建设充电基础设施建设是保证PHEV能源供给的技术条件，它包括电网和充电站两大部分。电网和充电站的建设都需要巨大的资金投入，要涉及到政府、电力、城建和市政等多个部门，是一项规模庞大的系统工程。为满足不同运行模式需求，可建立小型和大型两种充电站。小型充电站是国外可充电汽车使用最广泛的充电设施，对小型充电站的要求应是高效、节能、低造价、安全、可靠和维修性良好等，多分布于街头、超市、大楼和停车场等地方，小型充电站的构架和设备选购必须根据运营模式和系统要求综合平衡，统一筹划。大型充电站类似现有加油站一般要有多套大型和小型充电机、监控和计费设备，多种规格的备用电池等组成，能开展对各类充电汽车的快速充电、慢速充电、快换电池和电池维护等业务。大型充电站目前只处于示范运行阶段，各项技术及配套方案都有待进一步设计优化。4结束语在石油资源日益紧缺的今天,PHEV有很好的发展前景,其潜在的价值包括:(1)对消费者来说,电价要比油价低得多,而且利用晚上低峰电力充电可以提高电网生产率,有助于降低电价。(2)消费者可以通过电网增加储能设施,例如储存家用太阳能电池板等发电装置生产的多余电能,在一定程度上减轻了消费。(3)使用可外接充电式混合动力电动车可减少有害气体排放,为世界环保贡汽车发动机现代技术概论献自己的一份力量。PHEV不仅有这么多潜在价值，它的关键技术还具有可行性，是一种最有发展前景的混合动力电动汽车驱动模式，也是向最终的清洁能源汽车（BEV和FCEV）过渡的最方案之一。参考文献[1]李锦,徐兆坤.浅谈PHEV的发展现状及趋势[J].上海汽车,2009(2):10-11.[2]杨金星，周荣，乔维高．Plug-in混合动力电动汽车的研究分析[J]．汽车工程师，2009，10：23-25.[3]王彬.插电式串联混合动力客车参数匹配及控制策略研究[D].长春：吉林大学汽车工程学院，2009.[4]毛文刚.充电式混合动力客车动力总成设计与研究[D].湖北：武汉理工大学汽车学院，2009.[5]陈萍.并联混合动力汽车动力总成控制策略的仿真究[D].吉林：吉林大学,2007.[6]杨芸芸,充电式混合动力城市客车设计及仿真[D].武汉：武汉理工大学,2010.[7]张雄飞,何天明.新型混合动力汽车（PHEV）技术简介[J].城市车辆,2008(8):44-45.