混合动力汽车

混合动力汽车一、混合动力汽车的研究目的和意义随着世界范围内能源危机和环境污染问题的日益严重，人们对汽车节能减排的要求也逐渐提高。如下表1对纯电动车、燃料电池和混合动力汽车的比较，得出混合动力汽车势必成为近些年来全世界各个汽车公司的主要研发对象。设备投入成本续驶里程经济效益排放技术成熟度纯电动车高高短差零低燃料电池巨大高长差零低混合动力较低低长较好超低高二、混合动力汽车研究与发展现状2.1国外混合动力汽车的研究与发展现状美国早在1993年，美国政府与三大汽车公司共同推出了PNGV计划。1997年，PNGV计划确定了轻质材料、混合动力、高性能引擎和燃料电池为主要技术方向。在此基础上已推出克莱斯勒公司的Esx3、通用公司的Precept和福特公司的Prodigy等具有代表性的混合动力汽车产品。目前，Plug-inHEV（外接充电式混合动力汽车）成为重点发展产品之一。如通用公司的ChevyVolt（沃蓝达）；克莱斯勒公司的DodgeSprinter（凌特）；福特公司的FordEdgeHySeries（锐界）。欧洲早在1982年奔驰公司就开始研制各种类型混合动力汽车。1989年，奥迪公司就开发了混合动力轿Audi100。1997年，奥迪开发了A4Avant混合动力汽车。目前，奔驰公司已经推出了奔驰S500型PLUG-IN混合动力汽车。欧洲混合动力汽车与日美模式不同，在动力源上更倾向于使用柴油发动机或直接采用最新的汽油直喷发动机，再配上混合动力系统，使整个系统的动力性与经济性都得到明显改善。奔驰s500奔驰s400宝马7系宝马X6自从1997年开始，丰田公司的Prius就开始在日本销售，2000年起便在北美、欧洲及世界各地公开发售。在2009年1月12日底特律举行的北美国际汽车展上，丰田公司又推出了新一代Prius混合动力车，该款新车搭载锂电池，其节油性能再次得到提升，每百公里只耗油5.54升。公司计划在2012年底前向北美市场正式投放该新一代混合动力汽车。丰田普锐斯11丰田凯美瑞丰田PRIUSPLUG-INHYBRID概念车本田公司在混合动力汽车的开发上，通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等新型产品，以追求动力高效化；通过开发新型轻质铝车身、树脂油箱等谋求车辆的轻型，使汽车每公升汽油的行驶里程大幅上升，并且使汽车尾气排放达到世界最严格要求的标准。目前主要销售的两款品牌是“INSIGHT”和“CIVIC”。本田insight本田思域本田PLUG-IN混合动力汽车2.2国内混合动力汽车的研究与发展现状我国政府已经在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门列了包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专项。目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过生产学习和研究的紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得了重大进展。清华大学多能源动力总成控制系统性能优化北京理工大学镍氢动力电池组及管理模块北京交通大学动力总成控制系统关键技术中纺机电研究所车用电机及其控制系统东风汽车公司混合动力电动汽车的整车集成、控制系统集成等西北工业大学混合电动汽车用永磁无刷直流电机的电动和发电复合控制中国船舶重工集团公司电机驱动系统及其控制华中科技大学混合动力城市公交车用电机及其控制系统和混合动力客车多能源动力总成控制系统一汽集团发动机、机电一体化变速器、整车控制网络、整车控制系统的研发武汉力兴电源股份有限公司锂离子动力电池表2国内混合动力汽车研究进展东风EQ7200HEV荣威750奔腾B70比亚迪F3DM奔腾B50PHEV雪铁龙Metropolis概念车三、混合动力汽车结构及工作原理3.1混合动力汽车分类混合动力汽车是采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统驱动汽车，达到节省燃料和降低排气污染的目的。使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，但共同的特点是排量小、重量轻、速度高、排放好。目前，混合动力汽车分为串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、混联式（串、并联式）混合动力汽车三大类。3.2串联式混合动力汽车结构及技术特点串联式混合动力电动汽车最简单，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和动力传动装置驱动车轮。优点：①发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率高，有一定节能效果，排放亦低，减少了污染;②安装了发动机一发电机组，可以不断地将电能输送给牵引电机，与电动汽车相比行驶里程有显著的增加;③控制系统的功能、结构比较简单，特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电状态决定发电或停止发电。缺点：①由于能量传递需要两个转换(机械能一电能一机械育韵，增加了中间环节，所以其总体效率较低;②多一台发电机，使得动力系统的总体质量较大。3.3并联式混合动力汽车结构及技术特点并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立驱动系统。并联式混合动力电动汽车发展迅速,它的一般原理结构如图2所示,动力复合装置采用行星轮系。目前也有将发动机和电机直接同轴串联的新结构出现,它通过磁场叠加原理完成动力复合,省略了机械动力复合装置。优点：①发动机可以单独驱动车轮，所以效率高，能量损失降低，燃油消耗较低；②在较大功率要求的场合，两套系统可以同时驱动汽车，由电动机提供额外功率，发动机工作于理想工况区域;③采用电动/发电机可以空载发电，及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里程;④两套系统都可以单独工作，因而系统整体可靠性较高。缺点：①由于安装两套动力系统，整个传动系统的质量较大;②系统结构复杂，对控制单元要求高，因而成本昂贵。3.4混联式混合动力汽车结构及技术特点混联式驱动系统是串联式与并联式的综合,可以根据不同的驱动条件来选择更具优势的驱动方式。能使发动机、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燃油消耗的控制目标。但是这种布置方式会增加更多的零部件，导致整车的尺寸增大和复杂程度增加。四、混合动力汽车的关键技术4.1混合动力汽车需要解决的问题目前，混合动力汽车所需要解决的问题包括以下几个方面:第一，进行动力分配装置和能量管理系统的研究。第二，开发具备高比能量和高比功率经济实用的电池。第三，混合动力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。第四，建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态和动态的)，进行计算机仿真分析。4.2混合动力汽车的关键技术混合动力单元技术A：发动机B：电动机C：发电机控制策略技术A：功率分配装置与变速器一体化设计B：混合动力驱动系统制定和最优化控制C：整车控制技术D：发动机管理系统能量存储技术A：研究电池内部连接、检测与监控B：电池设计与制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。C：电池的热能管理及剩余电量管理。再生制动能量回收技术A:再生制动控制策略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;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。2.并联式混合动力汽车的控制策略并联式混合动力汽车包含了机械、电子电器、化学和热力学等多个子系统，是一个复杂的非线性动态系统，怎样控制好这些子系统及其相互间的能量流动，并且对于不同的工况和驾驶习惯，在不损失整车性能的前提下，实现最佳燃油经济性、最小排放和较低成本是并联式混合动力汽车控制策略设计的根本任务。因此，并联式混合动力汽车控制策略的设计必须满足如下要求：1.尽可能保持发动机和电机在高效区工作；2.避免发动机频繁启动与关闭；3.合理选择电池，并控制其SOC值在允许的范围内；4.优化功率分配和车载能源，保证能量高效流动；5.良好的动态性能，具备较好的自适应和自学习能力。并联式混合动力汽车应用的控制策略：电力辅助控制策略(平均功率和动态功率)全局最优控制策略（用最优化方法和最优控制理论已达到最佳燃油经济性和排放）模糊逻辑控制策略（神经网络控制策略和遗传算法控制策略结合起来）实时控制策略（根据发动机燃油消耗和排放将整车所需转矩合理分配给发动机和电动机）以整车成本和燃油经济性为目标的控制策略（小功率的电动机和小容量的蓄电池组）A.电力辅助控制策略电力辅助控制策略是将整车所需功率分为发动机提供的平均功率和电机提供的动态功率，一般行驶工况下，普通汽车平均所需功率不到发动机最大功率的20%，也就是说一般工况下发动机都是处于低效工作区，假设整车所需的平均功率由发动机单独提供，而电机在车辆加速或爬坡时提供动态功率，那么就可以极大地提高车辆的燃油经济性。此控制策略已应用到产品中，例如雪铁龙XSARA与本田Insight。优点：策略简单易行，又包含了车辆的所有工作模式；将发动机限制在高效工作区，燃油经济性好；充电扭矩随电池SOC值变化，因此一般工况下，车辆所需功率小，发动机可以提供较大的功率驱动电机给电池充电。缺点：发动机优化区域过大；控制电池SOC值作为控制目标之一，使发动机受限于电池SOC而无法保证一直处于最佳工作区而显得对优化目标的控制不够精确；排放较差。B.全局最优控制策略此控制策略利用最优化方法和最优控制理论建立全局优化数学模型，以燃油经济性和排放为目标，控制系统变量，通过计算得到最佳的驱动力分配，并且电池电量也被限定在一定范围内，又将燃油消耗计算得更精确，因而经济性较好，也比电力辅助控制策略更好。但是全局最优控制策略也还不成熟，需要大量计算，不能进行实时控制，实际意义不大。因此，必须对其进行改进，将全局优化目标分化为局部优化目标。C.模糊逻辑控制策略此控制策略是同时对发动机、电机和电池进行优化控制的，对于装有自动变速器的并联式混合动力汽车，如果要提高燃油经济性，就必须使发动机处于高效工作区。因为发动机的工作点是高度非线性的，要得到其最优工作点，可以采取把发动机扭矩和电池SOC值作为两个变量，用模糊逻辑控制加以优化，这样既可以提高燃油经济性，又可以减少排放，而且有利于延长电池使用寿命，因此模糊逻辑控制策略是相对较好的一种控制策略，具有无需建模和对时变系统适应能力强的特点，因而广泛应用于汽车系统控制中。混合动力汽车模糊控制也有其缺点，电机的工作状态也是非线性的，若对其使用此策略，则就会出现偏差，所以应对发动机使用模糊逻辑控制策略，同时对电机使用电力辅助控制策略。D.实时控制策略发动机燃油消耗和排放同时作为考虑因素，将车辆所需扭矩合理地分配给发动机和电机，优化发动机燃油消耗和排放。但是这就要求发动机在很小的一个工作区域运行，在现实行驶工况中是不可能的。大量的运算和精确的能量回收预测模型的实现也比较困难。E.以整车成本和燃油经济性为目标的控制策略采用此策略的混合动力汽车装备小功率的电动机和小容量的蓄电池组，这样整车的成本和质量便可以大为减小。一般工况下，一个小排量的发动机单独工作驱动车辆，并依据电池SOC值，实时为电池组充电，这样发动机便处于高效工作区。只有在车辆急加速时电机才启动，与发动机同时驱动车辆。这种控制策略的缺点是发动机在低负荷时排放不佳。3.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—镍氢电池和锂电池。其中镍氢电池容量大，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。从发展看，能量储存装置的研究包括以下几个方面:a:研究电池内部连接、检测与监控;b:电池设计