论文(混合动力汽车系统的结构与原理)资料

浅析混合动力汽车系统的结构与原理09汽服郭永强摘要全球能源及环境问题日益突出，一方面传统的燃油发动机车辆废气排放对空气造成严重污染；另一方面石油资源作为不可再生能源日益紧缺，地球上的石油资源总有一天会枯竭，若没有新能源或代替能源，到那时汽车将寸步难行，为此替代燃油发动机汽车已经成为现代汽车研发方向的重点，例如氢能源汽车、燃料电池汽车等。但以目前的条件和实用性来看，具备商业化运作条件的只有混合动力汽车（HybridElectricVehicle，简称HEV）。混合动力汽车（亦称复合动力汽车，英文为HybridPowerAutomobile）是指车上装有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机的发电机组，当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。混合动力汽车的问世给人类带来了诸多好处，不仅石油消耗减少了，环境问题也得以改善，由于混合动力汽车在节能和降低排放污染方面的明显优势，因而受到很大的重视，研制开发和产业化的进程相当快。本文重点阐述了混合动力汽车的结构特点、工作原理，并分析介绍了混合动力汽车的控制策略、其优缺点、技术难题。关键词：混合动力汽车，结构，原理，控制策略目录1绪论·························································································2混合动力汽车的简介与分类···························································2.1混合动力汽车的简介··································································2.2混合动力汽车系统的分类····························································3混合动力汽车的结构与原理··························································3.1混合动力汽车的节能机理··························································3.2串联式混合动力汽车（SHEV）···················································3.3并联式混合动力汽车（PHEV）···················································3.4混联式混合动力汽车（PSHE）···················································4混合动力汽车的策略····································································4.1混合动力系统的控制策略···························································4.2混合动力能量管理策略······························································5混合动力汽车优缺点分析及技术难点··············································5.1串联式混合动力汽车的优缺点分析···············································5.2并联式混合动力汽车的优缺点分析···············································5.3混联式混合动力汽车的优缺点分析···············································5.4混合动力汽车的关键技术···························································结语··························································································参考文献····················································································研究背景随着全球能源短缺，环境问题的日益突显，开发利用新能源无疑是长久发展的出路之一。为此世界各国和各大汽车公司纷纷研究与开发新型高效能汽车，例如氢能源汽车、电动汽车、太阳能汽车等。这些新型汽车的开发能有效减少有害气体的排放，改善生活环境，还可以减少人类对石油资源的依赖。虽然这些新型汽车有很多优势，但还有许多不完善之处，例如：制造、运输等比较困难、成本高、投资大。然而，混合动力汽车作为节能化、环保化的新型动力系统的现代化汽车，早已是现代汽车发展道路上的重要话题。混合动力汽车同时装备两种动力来源——热动力源（由传统的内燃机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上加装使用电动机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况进行灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗，减少有害气体的排放。其优点在于车辆启动、停止时只靠发电机带动，达不到一定速度发动机则不工作，因此便能使发动机一直保持在最佳工作状态，即动力性好、排放低。比较而言，在这传统的内燃机与新型能源汽车的过渡期间，混合动力汽车更适合社会发展和人类生活的需求。1.2混合动力汽车的分类混合动力系统有多种分类方式。依据混合方式的不同，混合动力汽车系统可以分为串联、并联和混联三种类型；依据混合程度不同，混合动力系统还可以分为弱混合动力、轻度混合动力、中度混合动力、重度混合动力、插电混合动力五类；按混合方式分类根据混合动力驱动的混合方式，混合动力汽车主要分为串联、并联和混联三类。1.串联式混合动力汽车（SeriesHybridElectricVehicle,SHEV）串联式混合动力系统由发动机、发电机、电机控制器、电动机和动力电池组成。图1-1串联型Plug-inHEV动力系统简图如图1-1所示，串联型Plug-inHEV的特点是：发动机带动发电机发电，电能通过电机控制器直接输送给电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电能实现动力传递。2.并联式混合动力系统（ParallelHybridElectricVehicle,PHEV）并联式混合动力系统由发动机、变速器、电机、电机控制器和动力电池组成，其中电机可作为电动机使用，也可作为发电机使用。采用并联式混合动力系统的汽车有两个独立的驱动系统，即传统的发动机驱动系统和电机驱动系统。车辆驱动力由发动机和电机同时或单独供给，也就是说，两个动力系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作来驱动汽车。两个动力系统同时工作时，以机械方式实现动力耦合，动力的流动方向为并联，所以称为并联式混合动力系统。图1-2并联型Plug-inHEV动力系统简图3.混联式混合动力系统（Series/ParallelHybridElectricVehicle）混联式混合动力系统由发动机、动力分配机构、发电机、电机控制器、电动机和动力电池组成。发动机的动力经过动力分配器后分成两部分，一部分直接驱动车辆，形成机械传输通道；另一部分带动发电机发电，所产生的电能通过电机控制器提供给电动机驱动车辆，形成电力传输通道。通过调整发电机转速，可以控制机械传输通道和电力传输通道的动力分配比例。这个系统具有双重特征，一是电力传输通道和动力电池之间以电方式实现动力耦合，动力的流向为串联；二是机械传输通道和电动机之间以机械方式实现动力耦合，动力的流向为并联，所以称为混联式混合动力系统。图1-3混联型Plug-inHEV动力系统简图1.2.2按混合程度分类在混合动力系统中，根据电动机的输出功率在整个系统输出功率中所占比例，可以分以下五类：弱混合动力（也称微混合动力）、轻度混合动力、中度混合动力、重度混合动力（也称全混合动力，强混合动力）、插电式混合动力。其混合度不同，功能要求也有差别。（1）弱混合动力系统这种混合动力系统对传统发动机的起动机进行了改造，形成了由带传动的发电起动一体式电机（BSG）。该电机用来控制发动机快速起停，因此可以取消发动机的怠速过程，降低了油耗和排放。（2）轻度混合动力系统该混合动力系统采用了集成起动电机（ISG）。轻混合动力系统除了能够实现用电机控制发动机的起停外，还能够在车辆制动和下坡工况下，实现对部分能量进行回收。（3）中度混合动力系统该混合动力系统同样采用了ISG系统。中混合动力系统采用的是高压电机，在汽车加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助发动机驱动车辆，补充发动机本身动力输出的不足，提高整车性能。（4）重度混合动力系统重度混合动力系统采用了272-650V的高压电机，混合度可以达到50%以上，在城市循环工况下节油率可以达到30%-50%。（5）插电式混合动力系统插电式混合动力汽车（Plug-inHybridElectricVehicle,PHEV）是可以利用电网对动力电池充电的混合动力汽车，可以使用纯电动模式驱动车辆行驶，且纯电动行驶里程较长；电能不足时，车辆仍可以重度混合模式行驶。二混合动力系统的结构与原理2.1混合动力汽车的节能机理1.混合动力汽车的节能途径1）混合动力汽车可以从以下四个方面达到节能目的:2）选择较小的发动机，从而提高发动机的负荷率。3）改善控制策略使发动机工作在高效率区，以改善整车的燃油消耗。4）发动机具有取消怠速和高速断油的功能，以节省燃油消耗。具有再生制动能量回收功能。2.2串联式混合动力汽车（SHEV）串联式混合动力模式由发动机、发电机和驱动电动机三大动力组成，发动机、发电机和驱动电机采用“串联”的方式组成SHEV的驱动系统。（一）串联式混合动力的结构串联式混合动力的结构如下图所示。它由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。蓄电池逆变器电动机驱动轴发电机发动机图2-1串联式简图（二）串联式混合动力的工作原理在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。（三）串联式混合动力的结构特点1）发动机和发电机组成的辅助动力单元一起工作产生所需的电能。发动机和发电机之间的机械连接装置中不需要离合器。2）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机械传动装置驱动车轮。3）单条驱动线路，两个电机，只有牵引电动机驱动汽车行驶，而发动机仅用于带动发电机发电，与驱动轮无机械连接，不直接驱动车辆。在两个电机种，一个电机用于驱动和能量回馈，另一个电机专门用于发电。4）属于内燃机辅助型的电动汽车，用于增加电动汽车的续驶里程。2.3并联式混合动力汽车（PHEV）并联式混合动力汽车由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成。发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成PHEV的驱动系统。（一）并联式混合动力的结构并联式混合动力是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。如图2-2所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系