混合动力汽车地探索与研究.pdf
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1、word摘要社会对环境和节能的重视有力地促进了混合动力车辆的开展。本文阐述了混合动力汽车的历史与现状与开展探究的研究背景、意义,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,指出了混合动力汽车目前需要解决的主要问题和采用的关键技术,并对其开展前景进展了预测。关键字关键字:混合动力,控制,技术Abstractmunity attention on the environment and energy effectively promoted thedevelopment of hybrid vehicles. This paper describes the h
2、istory and hybridvehicles to explore the research and development status of the background,significance, analysis of domestic and international research status ofhybrid cars, hybrid vehicles introduced the main features of structure andwork, pointed out the need for hybrid vehicles currently solve t
3、he mainproblems and the use of key technologies and its development prospects werepredicted.KeywordsKeywords:Hybrid energy and control technology目录摘要 IAbstractI目录 I1混合动力汽车概论 1I / 17word1.1混合动力汽车 11.2混合动力汽车的特点 11.3混合动力汽车的开展历史 22混合动力汽车的类型与工作原理 52.1根据混合动力传输路线分类 52.1.1串联式 52.1.2并联式 62.1.3混联式 72.2根据混合度的不
4、同分类 82.2.1微混合动力系统 82.2.2轻混合动力系统 92.2.3中混合动力系统 92.2.4完全混合动力系统 93混合动力汽车的节油原理 93.1选择较小功率发动机 93.2取消发动机怠速 103.3控制发动机工作在高效区 103.4发动机断油控制 113.5适当增大电池 SOC 窗口 113.6回收再生 制动能量 114结论与展望 114.1结论 124.2展望 12致谢 13参考文献 14II / 17word1混合动力汽车概论1.1混合动力汽车混合动力汽车英文为 Hybrid Power Automobile 是将电驱动与辅助动力单元(Auxiliary Power Unit
5、 ,简称 APU)合用到一辆车上。是指车上装有两个以上动力源:蓄电池、太阳能电池、原动机或动力发电机组,当前混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。原动机可以是内燃机、燃气轮机、斯特林发动机等热机,也可以是燃料电池1。1.2混合动力汽车的特点HEVHybrid-ElectricVehicle 混合动力装置。混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式,优点在于车辆启动停止时,只靠发电机带动,不达到一定速度,发动机就不工作,因此,便能使发动机一直保持在最优工况状态,动力性好,排放量很低,而且电能的来源都是发动机,只需加油即可。由于混合动力驱动车 HEV 是在车辆上装有一套
6、内燃机发电机组以与一套蓄电池组。发电机组中所用内燃机 (汽油机或柴油机),较同类型的普通汽车上所用发动机的功率小。这一较小功率的内燃机,系在最优工况(热效率最高、尾气排放污染最小)的条件下作等速运转。汽车在起步、行车、加速和停车时,由其控制系统自动判断和控制使用何种动力, 使汽车的能源消耗和排放指标控制在最优 X 围。 汽车起步时因发动机的效率低,由电动机提供动力,在信号等待时,发动机会自动停止运行,防止了怠速空转的燃油消耗。汽车在正常行驶中控制发动机在最优区域运行,一局部动力用于克制道路阻力,另一局部动力用于为电池充电。当车辆起步加速或爬坡时,除机组所产生的电能,通过控制设备,输往驱动车轮的
7、电动机,此外,蓄电池组也同时供电给驱动车轮的电动机,以保证车辆具有足够的牵引能力。当车辆在平坦道路上作等速运行时,只需发电机组 (或蓄电池组)单1 / 17word独提供电能驱动车辆即可。当车辆减速时,发电机组产生的电能,通过控制设备,向蓄电池组充电;在车辆制动过程中,驱动车轮的电动机,将转变为发电机,并通过控制设备向蓄电池充电。 此种能将车辆的动能转变为电能并加以回收的制动方式,被成为“再生制动。HEV 既要使用发动机作为动力,又要对发动机的节能和环保作出种种限制,使发动机的燃料消耗降低到最低,使发动机的有害气体的排放达到“超低污染标准的要求。要用发动机的动力来保证 HEV 正常行驶时所需要
8、的根本动力。采用控制发动机转速 X 围、降低发动机的最高转速、保持发动机稳定均衡地运转、并采取“开 -关的控制方式,使发动机避开启动、怠速和转速突然变化时,燃料燃烧不完全面引起的燃料经济性降低和增加有害废气的排放,从而控制发动机始终处于最优状态下运转。另外,HEV 还可以广泛地采用转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机作为HEV 的发动机2。混合动力汽车通过将发动机、充电电池和电动机的最优组合,既可以提高发动机工作效率,节省能源,又可以清洁排放,减少环境污染。这种车除发动机可对电池充电外,在减速时动力回收再生 ,制动器可以将机械能转换成电能,防止了能量的浪费。装用了混合动力系统的汽车燃料经济性比普
9、通汽车可提高1 倍,同时使能引起地球变暖的 CO2排放量减少一半。混合动力驱动车辆在运行中,能向蓄电池组补充电能,因此,没有必要像电动车(电瓶车)那样,必须停歇在车库 (或充电站点)内花很长时间充电。混合动力驱动的车辆具有节能、低排放、低噪音等优点,并且保持了传统的由内燃机驱动的汽车续驶里程长的固有特点。1.3混合动力汽车的开展历史90 年代普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病,统计明确在占 80以上的道路条件下,一辆普通轿车仅利用了动力潜能的 40,在市区还会跌至 25,更为严重的是排放废气污染环境。 20 世纪 90 年代以来,世界各国对改善环保的呼声日益高涨,各种各样的电动汽车脱颖而出。
10、虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下,但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比2 / 17word差上百倍,远未达到人们所要求的数值,专家估计在 10 年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车除非燃料电池技术有重大突破。现实迫使工程师们想出了一个两全其美的方法,开发了一种混合动力装置Hybrid-ElectricVehicel ,缩写 HEV的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力,辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说,就是将传统发动机尽量做小,让一局部动力由电池-电动机系统承当。这种混合动力装置既发挥
11、了发动机持续工作时间长, 动力性好的优点,又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处,二者“并肩战斗,取长补短,汽车的热效率可提高 10以上,废气排放可改善 30以上。混合动力汽车Hybrid Electrical Vehicle, 简称 HEV) 是指同时装备两种动力来源热动力源由传统的汽油机或者柴油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使用电机,使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控,而发动机保持在综合性能最优的区域内工作,从而降低油耗与排放。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与石油短缺的矛
12、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3。随着世界人口和经济的增长,对能源的需求量也不断增多。一方面是石化能源的不可再生,一方面是消耗量的不断增大。以目前的开展速度,根据国际上通行的能源预测,地球上的
13、石油、天然气和煤能供人类开采的年限,分别只有40 年、60年和 220 年。世界能源短缺常常引起国家冲突和战争,温室气体排放导致了大量气候性灾难,环境污染直接影响人类的生存质量,能源和环境问题促使各国研究开发新能源和节能、环保产品。交通工具的能量消耗量占世界总能源消费的 40%,汽车的能源消耗量约占 1/4,面对节能和环保的巨大压力,伴随高新技术的开展,世界各国纷纷开发新能源汽车、3 / 17word节能环保型汽车。中国年产汽车近 600 万辆,已经是世界第二汽车生产大国,并且年增长速度达到了 25%以上。据国务院开展研究中心产业部预测,到2010 和 2020年,我国汽车的燃油需求分别为 1
14、.38 亿吨和 2.56 亿吨,为当年全国石油总需求的43%和 57%,汽车将要“吃掉一半左右的自产、进口石油。目前,我国的石油对外依存度已经超过 30%,据预测,我国新增的石油需求将越来越多地依赖进口,能源缺口越来越大。因此,中国汽车能源应该纳入国家安全战略高度来考虑,为此,国家在 “九五、“十五规划都安排了“863电动车项目, “十一五计划安排了“863节能与新能源汽车项目。混合动力电动汽车(HEV),是在目前还找不到理想的高质量比能量和质量比功率的车载电源之前,电动汽车的开展暂时受到阻挠而开展起来的新型车型,HEV 既是一种过渡型车型,也是一种独立型车型,在 21 世纪 HEV 将会得到
15、迅速的开展。1991 年大众汽车公司推出济科牌混合动力电动微型汽车,车长3150mm、宽1600mm、高 1480mm,可乘坐 4 人,整备质量 78kg。采用 0.636L,压缩比 9.3:1、功率 25kW/(6000r.min) 的三缸汽油机和一台 6kW/(1280r.min)的电动机共同组成的混合动力驱动系统。汽油机和电动机通过两个自动离合器和一个五档变速器,驱动桥驱动车辆行驶。当速度低于 60km/h 时, 由动力电池组提供电能,车辆用电动机驱动,在速度为 60km/h 启动汽油机驱动桥驱动车辆行驶,当车辆加速或爬坡时,发动机与电动机共同组成混合驱动模式驱动车辆行驶。混合动力电动汽
16、车 HEV 首先在欧洲出现,引起美国各大汽车公司的注意,为了减少对石油进口的依赖,改善对大气环境的污染,达到加州的排放标准的要求。在汽车工业领域内具有更强大的竞争力和更大的市场,必须在HEV 的整车和关键技术方面夺取领导地位,1993 年 9 月,美国政府机构和美国汽车研究会以与一些有关单位,共同联合成立“新一代汽车协调会 PNGV,美国政府通过 PNGV 与汽车界达成了多种合作研究、开发协议,并协调政府有关部门,国家实验室和三大汽车公司的人力、物力资源,其研究方向代表了三大汽车公司与其用户的利益。PNGV 提出新开发的概念车样车的所达到的标准为 :在 10 年的时间内达到乘坐56 人, 整车
17、重 898kg, 燃料消耗量 3L,096.56km/h, 加速时间 12s,行驶里程 612km的目标。经过多年的研究、开发和试验等,美国三大汽车公司都推出了混合动力电动汽车 HEV 概念车或样车,通用汽车公司的概念车为 precept 概念车,福特汽车公4 / 17word司概念车为 prodigy 概念车,克莱斯勒汽车公司概念车为 Dodge ESX3,根本上都是采用发动机为主,电动机为辅的配置方式,来达到上述标准的要求。2008 年为了实现绿色奥运的理念,在出租车市场投放了 3 款奥运混合动力出租车。上路的混合动力出租车是奇瑞公司生产的 A5BSG 弱混合动力车,共 50 辆,分配到新
18、月、三元、银建等 7 家出租汽车公司,这也是国内出租车市场上首次采用油电混合动力的车型。自 1972 年慕尼黑奥运会首次使用电动车以来,历届奥运会和残奥会都使用了当时最先进的环保节能车辆为奥运会服务。 1996 年美国亚特兰大奥运会至 2004 年雅典奥运会期间,全球共有上千辆环保节能汽车为奥运提供了清洁优质服务。参与提供的企业大多为宝马和通用这些代表最先进技术的世界汽车巨头。而此次,奇瑞向奥运会提供的 50 辆 A5BSG 弱混合动力出租车,其节油效率分别达到 15%左右。2混合动力汽车的类型与工作原理2.1根据混合动力传输路线分类混合动力汽车的关键是混合动力系统,它的性能直接关系到混合动力
19、汽车整车性能。经过十多年的开展,混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构开展,即集成化混合动力总成系统。 混合动力总成以动力传输路线分类,可分为串联式、并联式和混联式等三种 :串联式、并联式、混联式。2.1.1串联式串联式混合动力汽车 Series Hybrid Electric Vehicle (SHEV)串联式动力由发动机、发电机和电动机三局部动力总成组成,它们之间用串联方式组成 SHEV 动力单元系统,发动机驱动发电机发电,电能通过控制器输送到电池或电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮,大负荷时由发动机带动发电机发电驱动
20、电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时,发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能;当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时,如此由电池组驱动电动机,当电池组缺电时如此由发动机 -发电机组5 / 17word向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况,可以将发动机调整在最优工况点附近稳定运转,通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机防止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。但是它的缺点是能量几经转换,机械效率较低。工作原理: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
21、后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下,电池就像一个水库,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展调节,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拟多,轿车上很少使用。根本结构:由电动机、发动机、发电机、HV 蓄电池、变压器组成。串联式混合动力系统利用发动机动力发电,从而带动电动机驱动车轮。工作方式:负荷小时,电池驱动。负荷大时,发动机 /发电机/电动机一起驱动。加速爬坡时,共同组合供电驱动。滑行时,进展充电。特点:任何工况均为电动机驱动。典型车辆:适合各型车辆。2.1.2并联式并联式混合动力电动汽车 Parallel Hybrid
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