混合动力汽车技术及发展趋势分析

ＸＸＸＸＸＸＸ学院毕业论文论文题目混合动力汽车技术及发展趋势分析学生姓名ＸＸＸ专业汽车检测与维修班级汽修Ｘ班学号ＸＸＸＸＸＸ指导教师ＸＸＸ201６年４月20日2目录1引言.....................................................................42混合动力汽车的类型和特点.................................................52.1串联式混合动力汽车.....................................................52.2并联式混合动力汽车.....................................................62.3混联式混合动力汽车.....................................................73混合动力汽车的核心技术研究与发展.........................................93.1混合动力汽车用电池.....................................................93.1.1混合动力汽车对电池的特殊要求.........................................93.1.2混合动力汽车电池的发展..............................................103.1.3混合动力汽车电池的管理..............................................103.2混合动力汽车电机驱动系统..............................................113.3混合动力汽车中电力电子技术的应用......................................124混合动力汽车需要解决的关键技术..........................................134.1混合动力单元技术......................................................134.2能量存储技术..........................................................144.3汽车集成电力电子模块技术..............................................15结论......................................................................16致谢......................................................................17参考文献..................................................................183摘要随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧，电动车这种以电能为动力的交通工具凭借其节能、环保的优点日渐成为业界关注的焦点。20世纪80年代以来,许多发达国家纷纷投入巨资研发电动汽车，我国的“863计划”也已明确将电动汽车作为重点攻关项目。社会对环境和节能的重视有力地促进了混合动力车辆的发展。本文分析了国内外混合动力汽车的研究现状，介绍了混合动力汽车的主要结构形式与工作特点，指出了混合动汽车目前需要解决的主要问题和采用的关键技术，并对其发展前景进行了预测。关键词：环境；能源；混合动力41引言通常所说的混合动力一般是指油电混合动力，即燃料（汽油，柴油）和电能的混合。混合动力汽车是有电动马达作为发动机的辅助动力驱动汽车。混合动力汽车的燃油经济性能高，而且行驶性能优越，混合动力汽车的发动机要使用燃油，而且在起步、加速时，由于有电动马达的辅助，所以可以降低油耗，简单地说，就是与同样大小的汽车相比，燃油费用更小，而且，辅助发动机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力，因此，车主可以享受更强劲的起步、加速。同时，还能实现较高水平的燃油经济性。混合动力电动汽车（HEV）将内燃机、电动机与一定容量的蓄电池通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。所以自从90年代以来，全球刮起了研究混合动力的风暴。日本丰田率先将混合动力车商品化，于1997年推出Prius，随后的时间里，多家日本汽车公司实现了多款混合动力的商品化。在美国，克林顿政府上台不久，为了开发新一代汽车，由美国政府促进，于1993年9月29日发起了新一代汽车伙伴计划即PNGV，目标是开发低油耗的混合动力汽车。然而该计划最终被废止，没有达到预订的2005年左右推出商品化的混合动力汽车的目标。随着机动车保有量的持续增长，我国机动车污染物排放总量持续攀升。2003年全国机动车碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物排放量是1995年相应污染物排放总量的2.51、2.05和3.01倍。事实上，汽车所产生的空气污染量比任何其他单一的人类活动产生的空气污染量都多。全球因燃烧矿物燃料而产生的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的排放量，几乎50%来自于汽油机和柴油机。最近几年，我国对环境保护的投入不断加大。通过政府的努力，我国城市空气质量总体上也有所好转。随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧,电能为动力,节能、环保为特色的电动汽车逐渐成为业界关注的焦点。近10多年来,世界各大汽车产业集团陆续投入巨额资金研发电动汽车技术,目前均已从实验室5开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段,并进一步转向产业化批量生产阶段。但是,由于现阶段电动汽车关键部件之一的电池存在能量密度低,寿命短,价格高等问题,使电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。在这种环境下,融合内燃机汽车和电动汽车各自优点的混合动力电动汽车(HEV)异军突起,在世界范围内成为新型汽车发的热点。虽然电动汽车具有很多优点，但是它不能取代传统的燃气动力模式，而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。2混合动力汽车的类型和特点先进的驱动技术是混合动力汽车取得成功并实现其优越性的关键。混合动力汽车是将电力驱动和辅助动力单元（AuxiliaryPowerUnit,缩写为APU）合用到一辆汽车上。这个辅助动力单元通常采用一台发动机或动力发动机组。一方面，发动机始终在最佳工作点上驱动发动机或直接驱动汽车，排放少、效率高；另一方面，蓄电池又可得到发电机的不断补充充电，从而，在减少蓄电池容量和体积的同时提高了汽车最高速度，加大了续驶里程，延长了蓄电池的使用寿命。根据动力系统的连接方式，目前开发研制的混合动力汽车基本上可分为三类，即串联式、并联式和混联式。2.1串联式混合动力汽车这种汽车系统更接近于电动汽车，它由燃油发动机、发电机、电池和电动机等动力装置以串联方式连接组成（如图2-1所示）。在这种系统中，一台小型的燃油发动机直接驱动发电机发电，电能被储存于蓄电池或传给电动机以驱动车轮。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动；负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机；车辆制动或减速时，电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率变速器给蓄电池充电。6图2-1串联式HEV串联式HEV动力传动系的组成，燃油发动机、发电机、电动机、功率变速器以及蓄电池。这种类型车能以超低排放模式工作。由于串联式HEV动力传动系中的发电机与汽车驱动轮之间无机械连接具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可使发动机稳定于高效区或低排放区附近工作。但串联式HEV动力传动系的综合效率较低，这是因为发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经二次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失。2.2并联式混合动力汽车汽车并联式HEV动力传动系的组成，包括发动机、耦合器、变速器、电动机、功率变速器以及蓄电池（如图2-2）。这种系统更接近于传统意义上的燃油汽车，该系统的发动机和电动机是并列连接到驱动桥上的。汽车行驶时，发动机与电动机可以分别独立或共同向汽车驱动轮提供动力。并联式混合动力汽车主要由燃油发动机提供动力，动力性较好。其驱动系统控制较复杂，电池总容量仅是串联式的三分之一，能量传递损失小。但由于发动机与汽车驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响，很难在最佳工作区工作，燃油经济性和排放性能均较串联式差。图2-2并联式HEV7综上所述，并联式HEV布置方案由于在传动系组成及控制方面更接近于传统汽车传动系，并且所需的电机功率较小，电池组数量小，整车的价位也较低。更可贵的是，并联式HEV可采用传统车用发动机，从而可把传统车用发动机的最新研究成果应用到混合动力汽车上，节省了研发资金，目前这种结构的传动系应用比较广泛。2.3混联式混合动力汽车典型的混联式HEV动力传动系是由电动机、发电机、电动机、离合器以及蓄电池组成，具备了串、并联结构各自的特点（如图2-3）。这种系统包括两条能量传递路线：一是机械能传递路线，发动机输出的机械能可通过机械装置直接驱动车轮；二是电能传递路线，发动机输出的机械能通过发电机转化成电能由电动机驱动车轮。同时，电池连接到发电机和电动机之间，可接受充电或提供辅助动力。图2-3混联式HEV混联式HEV布置方案综合了串、并联两种布置方案的优缺点，是一种相对比较完善的动力系统，其电池的体积较小、重量较轻、成本较低；发动机总是在最高效率下工作，具有很好的燃油经济性和较低的排放，加速性和平稳性也很好。因此，可以说在许多方面，混联式混合动力车综合了串联式和并联式混合动力汽车的优点。混联式HEV控制系统和机械结构最为复杂，技术难度最大，增加了开发和生产成本，不过，随着控制技术和制造技术的发展，现代混合动力汽车更倾向于选择这种结构。在以上三种方式中，串联式混合动力汽车的污染最小，但是能量在传递过程中损失较大，且对电池的要求较高。并联式混合动力汽车动力系统的集成度相对8较低，主要依赖于发动机提供动力，发动机的运转受工况的影响，因而燃料的经济性较差、排放污染情况相对较差、噪声较大，这不符合混合动力车高效率、低能耗、低污染的基本目标，但由于其具有较好的动力性，曾一度得到各大汽车公司的青睐。混联式混合动力汽车同样具有良好的动力性而且污染与油耗大大降低，因此，世界各大汽车公司纷纷开始把注意力投向混联式混合动力汽车的研究与开发。这三种方式具体的分类比较，见表2-4表2-4串联、并联、混联三种方式的比较控制系统电池能量传递效率燃油发动机工作效率环境污染其他串联式控制系统结构比较简单，只要根据蓄电池充电状态决定其运行或停止对电池要求较高，容量大，增加了电池和汽车重量以及制造成本动力传递过程中，存在能量转换的损失，降低了能量利用率发动机的工作不受汽车行驶工况的影响，总在最佳工况下工作，具有较好的燃油经济性污染最小每一动力装置的功率均等于汽车要求的总功率，设备规模较庞大，增加了车辆的成本及机构布置的难度并联式动力控制系统及机械切换系统相对较复杂总容量比串联式小（约为三分之一），对蓄电池的峰值功率要求较低动力直接传到车轮上，中间环节少，比串联式有更高的能量效率主要动力还是来源于燃油发动机，但燃油发动机工作范围大，效率较低污染和噪声较大结构简单，可把传统车用发动机的最新研究成果应用到混合动力汽车上