太阳能混合动力汽车研究报告fan.doc

太阳能混合动力汽车研究报告目前，随着人类经济的飞速发展，汽车已经成为人们平时生产生活中所必不可缺的一部分，然而汽车的动力来源于汽油，汽油又是石油的提炼产物，然而石油属于不可再生资源，用一点就会少一点，因此，汽车将早晚面临“饥饿”的危险，况且汽车所排放的产物也会给环境造成相当大的危害，所以混合动力汽车将会逐渐成为各个国家的重点研究对象，而我所说的太阳能混合动力汽车正是为了达到既能节约能源，又能减少环境污染的目的。那么什么叫混合动力汽车呢？混合动力汽车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佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。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佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源是发动机和太阳能，因此只需加油即可。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汽车整车性能。经过十多年的发展，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发展，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。下面我就以混合动力驱动系并联方式进行研究。首先并联在组成上更接近传统汽车动力传动系，技术开发难点少，按现有条件较适合于技术开发。下面以图1确定并联混合动力汽车驱动系结构为例。1.1动力性指标的确定 混合动力汽车驱动系各部件参数的选择直接影响车辆动力性能指标。参照国家标准的要求，本文的并联混合动力汽车的动力性指标如下： （1）行驶里程 对于电量维持型混合动力汽车，其行驶里程与电池组的容量无关，主要由油箱的容积决定； （2）最高车速 参照GB/T183862001电动汽车 能量消耗和续驶里程试验方法，选取170km/h作为最高车速； （3）爬坡性能 汽车征程能够以20km/h车速在大于25的坡道上行驶；(4) 加速性能 汽车对加速性能的要求很大程度上决定了汽车后备功率的大小，轿车0100km/h的加速时间为1220s，参照GB/T183862001电动汽车试验循环中市郊行驶循环和轿车的加速性能，设计车辆0100km/h的加速时间不大于15s。1.2 整车参数 （1）车型 四门五座，前驱动。 （2）外形尺寸 总长：43004400mm；总宽：16001700mm；总高：14001450mm。 （3）驱动系统主要不件 发动机：四冲程汽油发动机 电机：三相交流感应电机 蓄电池：镍氢电池 变速器：手动5挡 （4）其他参数风阻系数Cd:0.34车轮滚动半径r：0.28m 2 混合比的确定在混合动力汽车上发动机功率Pe与电机功率Pm之间存在如图2所示关系。并联混合动力驱动系统混合比定义为 R=Pm/Pm+Pe （1）式中 R混合比 Pm电动机功率，kw Pe发动机的功率，kw 由图2可知，随着混合比的增大，驱动系统会由传动汽车、电助力型混合动力汽车向续驶里程延伸型混合动力汽车、电动汽车过渡。目前电动汽车动力电池技术尚不成熟，电池比功率和比能量均较低，而且成本居高不下，混合比的选择会影响质量以及整车成本，对混合动力汽车来说同时会引起整车布置困难等问题。混合动力汽车混合比与整车整备质量的关系，在总功率一定的情况下，混合比越大，整车质量越大，电机的功率也越大，相应整车成本也越高。对混合动力汽车来说，在满足控制目标的前提下，采用并联电助力驱动系统比较合适，即取混合比小于0.5。3 驱动系参数配置 混合动力汽车发动机参数匹配应满足:发动机单独驱动时最高时速可达120 km/h;发动机单独驱动整车能够以20 km/h车速在大于10%的坡道上行驶;满足混合比小于0. 5,同时满足发动机单独驱动和与电机混合驱动时的动力性,并有较好的燃油经济性。发动机功率是发动机参数匹配的重要参数。在电机和电池的参数还未确定的情况下,发动机功率的初步选择以单独驱动时整车的动力性能为依据。由汽车理论可知汽车所需的最大功率Pmax可按下式求得 （2）式中Vmax最高车速, km/h(取170)t传动系效率(取0. 90)m整车质量, kg(取1600)f滚动阻力系数(取0. 012)A迎风面积, （取1. 84)Cd风阻系数(取0. 34) 根据上式计算汽车所需最大功率时还应加上10%的储备系数3,则最后得到的最大功率是混合动力汽车发动机和电机功率的和,计算结果为60 kW。 将混合比控制在小于0. 5的范围内,选取不同的混合比对不同混合比的混合动力汽车发动机单独驱动时的整车性能进行仿真计算。图3是不同混合比对发动机单独驱动时整车性能的仿真结果。由图中可看出,随着混合比的增大,发动机单独驱动时,整车0100km/h时加速时间变长;20km/h行驶时爬坡度变小;最高车速和油耗降低。按照上文确定的发动机单独驱动整车动力性能指标,初步选取混合比的范围为00. 4,即发动机的功率取值范围为2460kW。3. 2电机参数匹配电机需满足:电机与发动机混合驱动应满足整车动力性能和燃油经济性指标;电机对整车动力性有影响,可进一步缩小混合比的取值范围。 图4是混合驱动时不同混合比整车性能的仿真结果,根据仿真结果,可得出以下结论: (1)在整车总功率为60 kW时,混合比取值在0. 20. 5时对最高车速0100 km/h的加速时间以及最大爬坡度基本没有影响,此时想提高混合动力汽车的整车动力性能,必须增大整车总功率。 (2)无论混合比在小于0. 5范围内取何值,整车总功率为60 kW时,混合驱动时的整车动力性能都能达到混合动力汽车的技术指标。综合考虑发动机单独和混合驱动性能指标,可确定总功率为60 kW时,当混合动力汽车混合比为0. 3时,混合动力汽车的最高车速为177. 7 km/h;20 km/h行驶时的最大爬坡度为49. 7%; 0100km/h的加速时间为12. 6 s。所以当混合比为0. 3时就可以满足混合动力汽车的动力性要求。最后确定的发动机和电机的参数:发动机, 42 kW;电机, 18 kW。3. 3电池参数匹配 镍氢(NiMH)电池能量密度高、功率密度较高、环保性好、使用寿命较长、可快速充电且放电曲线平坦。目前混合动力汽车首选镍氢电池作为其储能系统。对于电量维持型混合动力汽车电池参数的匹配,主要考虑电池能量满足整车按标准循环工况行驶的要求;电池匹配在满足整车按标准循环工况行驶的能量需求同时,在循环结束后,电池中的能量必须能够维持在一个可以接受的水平上,即循环结束后SOC(荷电状态)应能维持在一个可以接受的数值。图5是单体电池个数即电压对混合动力汽车性能的影响,从图可以看出单体电池个数对整车的动力性基本没影响,对燃油经济性是随电池个数的增加而减少,当数量达到50节时,燃油经济性趋于平稳。电池数量增加整车成本将同时增大,再者,根据研究并联混合动力汽车的电压应在288350V。图6是电池容量对混合动力汽车燃油经济性的影响,从图中可知,随电池容量的增加燃油经济性变坏,同样,大量的电池也会使整车成本增加。综合考虑选取电池节数为50节(电压335V)、电池容量15Ah。图7是根据上述匹配后,在分别经历UDDS(美国EPA城市测功机运转循环)和HWFET(美国环保局的高速公路省油测试模式)循环两个标准循环工况后,混合动力电动汽车电池SOC的时间历程曲线。电池SOC值维持在0. 64左右。3. 4转矩合成器并联混合动力汽车转矩合成器的参数匹配以满足整车动力性能工作为原则而确定,应保证必要时电机和发动机都能够输出最大功率。电机轴到发动机轴的速比应当由电机的最高转速和发动机最高转速之比决定。转矩合成器的速比由下式确定。 （3）式中Nmrmax电机最高转速, r/minNenmax发动机最高转速, r/minItc转矩合成器速比3. 5变速器的速比一般混合动力汽车是由传统汽车基础改装,所以变速器和主减速器的速比仍沿用传统汽车的速比。综合上述,混合动力汽车转矩合成器和变速器的速比见表1。4结束语以仿真为手段,研究了混合动力汽车驱动系参数对整车动力性能、燃油经济性能以及电池能量维持的影响,并对混合动力汽车进行了匹配设计工作。在同时考虑整车质量以及整车布置等因素的基础上,确定了并联混合动力汽车的混合比的取值为0. 3(即发动机和电机的参数:发动机, 42 kW;电机, 18 kW);经综合考虑,选取镍氢电池节数为50节,其电压为335V,电池容量为15Ah。 混合动力需要解决的关键技术20世纪90年代以来, 能源和环境对人类生活和社会发展的影响越来越大, 要求尽快改善人类生存环境的呼声也日益高涨, 为满足这种要求, 各种电动汽车应运而生。但是, 由于一般电池的能量密度与汽油相差极大,远未达到所要求的数值,所以,若在10年内燃料电池技术没有重大突破的话, 电动汽车将无法取代燃油发动机汽车。在这种情况下,“准绿色”的新型产品 混合动力汽车登上了历史舞台。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟, 有些国家已经进入实用阶段。1997年10月,全球首辆商业性混合动力汽车“Prius”由日本丰田公司研制成功。同年,美国政府与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司合作,实施新型汽车合作计划(PNGV) ,该计划制定的混合动力汽车开发的目标是: 2002年进行试验性推广,2004年达到全面商业化生产。混合动力汽车将两种或更多的能量转换技术(如发动机、燃料电池、发电机、电机) 和一种或多种能量存储技术(如燃料、电池、超级电容器、飞轮) 集合于一体。这种混合了传统和电动的驱动系统能够明显减少汽车排放和降低油耗, 并可以达到与传统汽车同样的行驶距离和具有便利的燃料补充方式。20世纪90年代以来, 在各国政府的支持下, 国外所有知名汽车公司均投入巨资进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了包括现代电子、精密机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术, 使不少样车的主要动力性指标达到了燃油汽车的水平。混合动力汽车要进入实用化, 需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置, 低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的发动机, 需要解决的关键性技术问题包括以下几个方面。其一, 混合动力汽车发动机频繁起动和关闭,使驱动系统和附件(如空调和动力转向等) 的电能管理变得复杂,因此需要先进的检测和控制系统; 现有的以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油转化为有用功的同时,需要提高转化效率,同时还要满足严格的排放标准。其二,能量存储装置(电池) 要具有较高的比功率, 以满足汽车加速和爬坡时对大功率的需要;同时,能量存储装置必须采用热能控制管理,要有较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造成本。其三,必须减小电力电子器件的尺寸,减轻质量和降低制造成本。其四, 需要建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态的和动态的) , 这是计算机仿真和分析的基础。其五, 制定完善的混合动力汽车相关标准和法规, 为混合动力汽车的市场化奠定基础。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驱动的功能,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; 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。 当前, 混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和燃料电池。在燃料的使用方面出现了很大的变化, 除了汽油之外, 还有天然气、液化气和酒精等代用对混合动力单元必然提出更多的要求, 例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭, 并降低起动时的排放等。 混合动力汽车的主要目标就是降低排放, 所以, 控制混合动力单元的排放将是今后研的重点。目前对混合动力单元的研究主要集中于以下几个方面: （1）燃烧系统的优化。通过观察燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程, 发现形成NOx的机理, 从而改进燃烧系统。 （2）尾气处理技术。主要研究高效的尾气催化系统。 （3）代用燃料的研究 。目前的研究表明, 压燃直喷式柴油发动机将是首选的混合动力单元。 2. 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, 虽然超级电容器、飞轮电池等新型能量储存装置也在研究开发范畴, 但是近期最有希望进入实用化的还是高能蓄电池。现在, 镍氢电池和锂离子电池已可达到混合动力汽车的使用要求。镍氢电池已广泛地应用于电动汽车。镍氢电池技术的关键是, 其能够储存氢的合金应该是一种能够稳定地经受无数次循环, 反复使用的材料。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。目前锂离子电池还处于实验室阶段, 正在进行其基本性能和寿命的试验。从发展看, 能量储存装置的研究包括以下几个方面:（1）研究电池内部的连接、检测、监控以及便于将整个电池子系统安装在汽车上的支撑机构。（2）电池设计和制造方面 的 改进。要降低制造成本, 改善电池的性能和提高寿命, 达到的目标是: 使用寿命达到10年,至少循环使用12万次。（3）电池的热能管理及剩余电量管理。由于电池的工作温度范围不可能覆盖汽车的工作温度范围, 为了保证电池系统的统一,减少各电池单元之间的不平衡, 需要一个有效的热能控制系统。此外, 电池的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性和排放, 因此需要有效的测试方法和控制装置。3. 汽车集成电力电子模块随着汽车技术的发展, 传统汽车越来越依赖于复杂的电子技术, 例如: 防抱死制动系统、安全气囊系统和发动机微机控制等先进控制系统, 这种趋势在混合动力汽车上将得到更加充分的体现。混合动力汽车完全由电子控制器来分配功率, 要能够在适当的时间控制各相应子系统输入和输出适当数量和类型的功率。为了满足汽车高速开关控制的要求, 混合动力汽车还需要具有高功率密度、低损耗的开关、电容和电感等。同时, 混合动力汽车还要设有一些分立装置, 例如专用的集成电路、模拟和数字集成电路以及其它功率电子装置。混合动力汽车对智能化的要求导致其控制的复杂性, 因此要求控制装置采用高速运行的半导体芯片, 功率密度高, 散热性能好。在混合动力汽车进入实用化的过程中,一个关键性的部件是汽车集成电力电子模块。它采用现代电子集成技术, 将复杂的电力电子系统集成在一个单一封装内, 能够给汽车提供大约100 kW的功率, 其功率范围为10100 kW。该模块能够实现对整车的控制, 例如, 控制电机的输入和输出功率、发动机的输出功率以及能量储存系统的离合, 同时还能控制再生制动能量的回收与释放, 确定电池的充电状态, 判断是否应对电池充电以及优化控制发动机的起动, 以减少排放。在汽车集成电力电子模块设计和制造过程中所面临的问题有以下几点: （1）散热技术。发动机舱的温度范围为- 40225, 对电力电子模块来说, 工作条件相当恶劣。由于模块封装中芯片密度的增加, 热量密度也会增加, 因此散热技术和散热材料的研究对模块的正常工作以及电子元件的寿命都很重要。 （2）减小封装体积和质量。要实现这一目标, 需要研究采用新型材料和先进工艺制造的电容器, 并要进行传热效率高的封装,改善金属基体的结构组成, 并需要运用高温焊接技术等。 （3）降低制造成本, 提高系统的可靠性。 4. 电力驱动系统和汽车附件 要使混合动力汽车的动力性、经济性、舒适性、安全性和便利性达到广大消费者所能接受的水平, 必须要有高效、经济的电力驱动系统和汽车附件。然而, 这些系统中的有些部件在传统汽车中没有相应件, 所以需要重新开发设计。在开发的同时,要考虑到系统的综合性能、成本和维修性能。 (1) 电机 在混合动力汽车上, 电机的作用是将由发电机或储能装置提供的电能转换为用于驱动车轮的机械能。与传统汽车不同的是,电机在低速时可以提供满载转矩, 而发动机则必须要等到“暴跳如雷”时才能够输出满载扭矩。这样就使混合动力汽车具有出色的起步加速性能。此外,用于混合动力汽车的电机还必须要具有良好的可控性和容错能力, 以及低噪声、高效率,同时具有对电压波动不敏感等性能。用于混合动力汽车的电机类型有交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。目前具有代表性的是交流感应电机, 但这种电机与生俱来就很难解决其功率和效率之间的矛盾。因此,需要研究出能够用于混合动力汽车的,具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机等先进电机, 以替代目前使用的交流感应电机。同时对电机的控制方法和冷却系统的研究也应继续深入。(2) 再生制动这种混合动力汽车能够回收制动时消耗的一部分能量。当混合动力汽车制动时,电机变成了发电机,利用汽车的动能来产生电能,并能够存储在蓄电池中以备后用。在混合动力汽车上, 有许多能量形式可以作为再生制动的储能装置, 例如高速飞轮、超大电容器、弹力装置以及各种热系统等。当然,传统的摩擦制动还是必要的, 这样就需要考虑如何将两套制动装置合理利用、合理控制的问题。制动时, 由电子控制的再生制动系统和摩擦制动系统同时作用,制动性能将明显提高。(3) 汽车附件任何款式的汽车要得到用户的喜爱, 都必须考虑汽车的舒适性。虽然汽车空调等附件能提高汽车的舒适性, 但所消耗的能量很大,若不减少这些负载,它们将会对汽车的燃料经济性产生巨大的影响。所以,能否在汽车舒适性得到提高的同时, 改善燃料经济性是目前要创新研究的课题。传统汽车上的各个附件系统都是围绕发动机设计的, 不适用于混合动力汽车的驱动系统。例如,传统汽车的附件(如空调、动力转向等) 由发动机驱动,但由于混合动力汽车的发动机并不一直工作, 就需要设计和生产能独立提供动力的附件。再如,由于混合动力汽车发动机频繁地起动和关闭, 使其对驱动系统和附件的电能管理变得复杂, 需要有更为先进的监测和控制系统。适合混合动力汽车的附件的研究和发展主要有以下几个方面:建立乘客舒适性模型, 能够方便驱动和辅助系统的设计。研究新型车身蒙皮和风挡玻璃材料,更好地利用太阳能, 从而降低空调系统的能量消耗。设计新颖的汽车制热、制冷控制策略,能够既改善舒适性又提高燃料经济性。开发新型独立式汽车空调, 以提高效率,减小体积并实现智能化控制。5.混合动力汽车仿真技术在研究和开发混合动力汽车的部件和选择最佳结构时,需要设计和制造者能够很快缩小研究范围,找到技术突破口。技术方案选择阶段, 在系统选择上, 可依靠高效的建模工具计算机,通过交替使用候选的子系统进行模拟仿真,从而找到最佳的方案。计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格和设计参数, 从而方便了设计者的工作, 而且还有助于为设计和制造样车制定工程目标和计划。目前, 国外用于混合动力汽车的仿真软件很多,如SIMPLEV、CarSi、HVEC、CSM、HEV和V - Elph等, 各大汽车生产厂家也有自己的仿真软件。在众多的汽车仿真软件中,AD2VISOR是专门为美国能源部(DOE) 混合动力电动汽车计划(PNGV) 而开发的混合动力汽车仿真软件。ADVISOR可通过简单的物理模型和经过性能测试的各总成去建立实际的或想象中的汽车, 其主要功能在于能够对还未制造的汽车进行性能预测,