何谓混合动力汽车.doc

中国电子科技集团第三十八研究所中国电子科技集团公司第三十八研究所何谓混合动力汽车概要说明目录概述1日本国内市场上主要销售的混合电动车2混合电动车的构造2串联混合方式4并联混合方式5串并混合方式8丰田混合系统 THS-C8丰田混合系统 THS/THS-II11混合动力杂感17为何是混合动力？17混合动力系统是损耗大没有良好效率的系统吗？18汽油引擎的特性。18电动马达的特性19存在的问题点以及今后发展趋势20存在的问题20今后发展趋势21混合动力汽车的评判22附录23概述混合动力汽车：组合多个动力源，视情况不同，同时或分别动作的汽车。因为通常电力是其动力之一，所以很多人也把混合电动车简称为混合动力车。该领域日本的技术尤为领先，因此大批量生产的多是日本产。该技术可以说是和美国汽车尾气净化法（Muskie法）等废气净化法开始启用时的CVCC一样，是日本领先于世界的划时代先进技术。主要的思路和技术都在1970年开始具备，经过多次试作，目前作为商品车的产量达到每月千台以上的只有丰田prius系列。普及还有很长一段路要走。日本国内市场上主要销售的混合电动车串联混合方式IMATHS-C混合电动车的构造混合电动车系统比较常见的例子是用内燃机的引擎和电动机作为原动机的驱动方式。简单地说，就是以（汽油）引擎和（电动）马达驱动的汽车。引擎也有使用柴油的，这里都作为汽油考虑，下面燃料都以汽油说明。混合动力汽车是以石油和电作为动力行驶的车，但它的电并不是从外部供应的，而主要是由汽油引擎带动发电机而产生的电力，因此，可以说混合电动车的能源是化石燃料汽油。混合动力车的效率之所以高，是因为在单纯靠汽油引擎效果较差的情况下，它还可以通过引擎和电机的协调或者是协同效果来减少能耗。混合动力汽车的系统（以下简称系统）根据其构造可以分为串联混合电动车和并联混合电动车两大类。l 串联混合电动车：两个原动机串联前级输出作为后级的输入的系统。串联混合动力车是通过引擎带动发电机发电或者将发出来的电储存在电池里，需要时再通过电池供电使马达运转驱动汽车行驶。具体例如丰田ESTIMA，以引擎出力驱动前轮行驶的同时对马达发电。这里发出的电力可用于另一个马达驱动后轮，这样看它俨然是串联混合。l 并联混合电动车：两个原动机并列共同工作的系统。并联混合动力车的引擎和马达都可以作为驱动源，可以根据需要适当地在单独引擎驱动、单独马达驱动和引擎马达共同驱动的三种方式之间切换。l 串并联混合电动车：有并联方式也有串联方式，其中为了实现串联方式装备了两个马达。动力分配方式多采用于串并联混合，目前只有丰田prius使用。Prius和上述estima不同，它不只是驱动前轮还在相同驱动装置引擎和马达外增加了发电机，引擎驱动行驶与发电同时进行，发的电可以同时驱动马达。采用（一直常用于差速齿轮上）行星齿轮这一灵巧的机构来实现此功能。串联混合方式串联混合方式是用引擎发电驱动马达行驶，非常简单的方式。实际上在其之间设置变频器和电池。引擎直接驱动的话效率看起来高，但在低转速时力矩大的电动马达更省能量。如果有大电池的话，即使引擎停止也能靠储存的电力驱动马达行驶，目前车体比较重的公交车等有采用它的倾向。将来如果开发大容量效率好的电池，可以想象在混杂的大街上停止引擎，用引擎发电储存的电力驱动完全以电动车方式行驶的情景。虽然串联混合非常简单，但是在减速时可发挥制动回收能量进行发电。串联混合方式不只有汽油和柴油引擎，还包括燃料电池汽车等。并联混合方式本田混合系统 IMA并联混合方式是用内燃机关（汽油引擎）和电动马达双方驱动车轮的方式。驱动马达需要高压电池，汽油引擎对此电池充电。因为不进行引擎发电机马达的串联混合方式，所以行驶用的马达兼作发电机。方式有好多种，这里我们学习本田IMA方式（Civic hybrid 车型搭载）。本田IMA方式采用比较小的电池，马达作为引擎辅助的设计。因此没有停止引擎以马达驱动行驶的模式。IMA因为本身是并联混合式，所以大多数人会把并联混合式误解为马达不能驱动行驶模式，其实这只是IMA引擎为主、马达为辅的设计思想所致，并不是并联混合式的特征。Civic搭载的是1.3升气筒休止VTEC引擎，它有先进的机械技术被称为稀薄燃烧引擎（Lean burn）。从使用低燃费引擎、混合系统加速时马达作为辅助这点考虑，它和丰田prius的串并联混合方式有很大的不同；另一方面，减速时利用回收能量系统和Ni-H电池等共同点也很多。IMA在构造上比THS简单，零部件数量也有减少。但实际销售价格两者差不多。1. 起动引擎不使用引擎起动器而使用与曲柄直连的马达起动，实现非常安静的引擎起动。2. 变速机Insight有手动5档变速机，Civic有CVT。使用引擎发动加速。引擎和CVT间有马达。能量控制单元内藏的变频器供电，马达辅助加速。在汽油引擎消耗燃料大时利用马达。3. 正常行驶正常行驶只使用引擎动力。所谓的巡航模式时使用马达发电对电池充电。巡航时有4气筒引擎一半休止的情况。Prius利用米勒循环（Miller Cycle）减少实质排气，抑制汽油消耗。4. 减速减速时马达发电制动。电动车回收制动及相同机构不走送电线路而是对电池充电。大多数混合车和电动车都有此结构。5. 停车停车时自动空转停止（auto idle stop）机构动作停止引擎，条件不同也有不停止引擎的6. 驾驶模式通常并联混合式有电池电力驱动马达行驶的驾驶模式，但IMA没有此模式。本图在实际IMA上并不存在。好像是为了使马达和电机小型化而没有采用此模式。串并混合方式丰田混合系统 THS-C丰田THS-C是前轮有CVT和马达，后轮有马达的串并联混合。空调压缩机有引擎和电动马达两种工作形式。与分别装备发电机和马达的THS不同，它用同一机械兼备马达和发电机功能。因此，不是单纯前轮为串联混合，引擎驱动前轮马达的电力来驱动后轮时才是串联混合。丰田THS-C完全以电气装置进行四轮驱动，并用传动轴分开前轮和后轮进行高度的电子控制。1. 起动状态对前后马达供电起动。一定速度马达行驶时也是此种模式。起动时也有引擎驱动前轮前进的情况。这是并联混合状态。2. 全力加速时的状态前轮由引擎和马达驱动，后轮由马达驱动行驶。此模式不能充电。3. 引擎驱动前轮行驶此时把马达作为发电机使用对电池充电。4. 减速减速时把前后马达作为发电机回收制动，回收能量。5. 引擎驱动前轮引擎驱动前轮。用这个力使前轮马达发电再以此驱动后轮马达。这个是串联混合和并联混合相配合的动作模式。加速等引擎效率不好时，在其动力之上再加上一定的电力。丰田混合系统 THS/THS-II丰田THS系统概要l 发动机1：汽油引擎为第一马达。l 发电机：起动/停止引擎时、串联行驶时以引擎的动力发电。l 发动机2：电动马达为第二马达。l 高压电池：镍氢电池。用于行驶或空调用动力。l 驱动电池用变频器：驱动行驶用马达变频器。l 冷凝用变频器：压缩冷凝器冷媒的压缩机是电动的。驱动压缩机变频器。l 升压电路：行驶用马达能在约500V电力下工作。l 变频器：不是以引擎动力对通常汽油引擎车用的12V电池（辅机电池）充电而是用HV电池充电。l 辅机电池：因为引擎附近没有空间，它设置在后部。可使前部不至于太重。l 汽油箱：树脂造45升箱。初代为50升。因为燃费良好所以更小的油箱也足够。l 差速齿轮：和普通车相同。l 压缩机马达：空调制冷回路用。相当耗电。l 散热器-1：引擎用散热器和普通车一样。水泵为引擎驱动。l 散热器-2：变频器发热强需要散热器。水泵为电动。l 散热器-3：空调冷媒发热需要散热器（冷凝器）l 散热器-4：室内暖气风箱内藏的暖气用散热器。使用引擎冷却系统，冬天不易加热。l 蒸发器：室内空调单元内藏的冷气用热交换器。空调上下2层流动，下部为内部循环方式。1. 引擎开始动作使用发电机曲柄起动引擎，本模式没有起动系统后据条件自动运转的自动启动器开关。2. 引擎的暖机此时，汽车没有动，回转能量变为电力储存于电池。根据气温和引擎温度的不同，其持续时间也有很大的区别。虽然暖机没有结束就可以发动，但是此状态下长时间停车，会浪费不少汽油。3. 马达起动此时暖机结束的话引擎应该在停止状态。4. 起动引擎立刻发动。此时发电机瞬时工作驱动引擎，然后引擎动力和马达动力实现加速。马达有时会停止，因此多数情况会以并联混合状态加速。5. 加速加速过程中引擎驱动行驶，同时发电驱动马达。虽然是引擎和马达的并联混合，但是因为引擎发电驱动马达也可以说是串联混合。虽然看起来会有不少损耗动作，但是因为发动加速时的汽油引擎效率不好，所以一般会变为电力加速，总体效率会好。6. 全开加速引擎驱动、引擎驱动发电机发电供马达加速与前图相同，不同的是此时电池也放电供给马达。7. 行驶充电当加速达一定速度时，仅使用引擎便能够行驶。通常情况下，引擎输出的一部分力将会驱动发电机给电池充电，但是有时也会发生不充电的情况。8. 仅使用马达行驶一定条件下引擎停止，仅使用马达便能够行驶。由于引擎停止，因此不是采用串联混合动力，而是仅采用从电池输出的电力来行驶。此模式即可以是串联混合动力，也可以是并联混合动力，但是必须需要马达出力和电池容量都要相当的大。PRIUS在引擎停止时，发电机对引擎制动，并将引擎固定在下次启动时所需的适当的回转位置处。另外由于PRIUS没有配备倒后齿轮，因此在后退时，此运转模式可以使马达逆回转。微速前进（缓慢移动，crawl）也是在这个状态下。如果是变矩器汽车的话，则会由于流体的粘性抵抗而发生蠕变现象，可以利用这一点来进行微速行驶。也有人将微速行驶叫做蠕动（creep）。PRIUS通过马达的回转，产生与此相同的动作。手动挡汽车则通过半离合或者断续离合来实现微速前行。而PRIUS马达是通过电脑控制的，因此能够非常容易实现微速行驶。9. 能量回收松开油门，引擎与马达便会停止，利用减速时车子的惯性进行发电。这个便是回生制动模式。但是由于存在机械损耗、电气损耗，运动能量并不能够完全被回收。此模式不仅混合动力汽车，电动车也采用。PRIUS的THS-II回生制动使用马达完成。（将马达作为发电机来使用）10. 滑行引擎停止、马达停止，那么发电回生制动装置则相当于不存在的状态。有时行驶过程中或许不需要动力、制动力，也就是车子处于滑行的状态。如果是在平地上的话，车速会慢慢降低，如果是处于向下倾斜的地面上的话，则能够已一定的速度持续行驶。在上图中空调用的压缩机依然在运转当中，如果将空调开关关闭的话，电池和变频器都将停止运转。PRIUS的EMV没有变频器的图以及空调动力的图，因此无法像上图那样用箭头表示出来。11. 停车这个是在交差点等停车时的一个例子。如果空调也不开的话会更加安静。混合动力杂感为何是混合动力？由汽油引擎发电，把此电力转换为直流贮藏在电池中，然后电池输出电力并转换频率和电压驱动马达。混合动力系统是损耗大没有良好效率的系统吗？相比直接用引擎驱动，此方式确实损耗大。充放电的损耗、驱动系的损耗、电池的自然放电等很多损耗。但是混合动力汽车相比一般的汽油引擎汽车，排气少、燃料消耗率低等能效优点很多。汽油引擎的特性。汽油引擎里有往复式引擎和转缸式引擎，将作为燃料的汽油变为微粒子或气体与空气混合、压缩、点火，从而引起爆发，利用爆发所得的能量形成回转力。能够使1kg左右的燃料变换成可推动1吨重的车子行驶10km左右路程的能量变换装置就是汽车的引擎。汽车行驶必须要客服各种各样阻碍行驶的阻力，这就需要动力。以前称之为【马力】，现在则用KW等单位来表示为【输出力】。能量的单位使用KJ或者常用的kwh,由于输出力是【力】，因此与表示单位时间里消耗的能量是相同意义的。一般的乘用车以时速100km左右行驶时所需要的力大约为20kwh，相当于大约30马力。由引擎爆发所得的力为回转力，可作为扭矩传输到机械车轮上。这个扭矩是由引擎回转所得到的输出力，在这里能够表示汽油引擎的特征。乘用车的引擎在车子处于停止状态时大约每分钟1000回转（这里写的是rpm）以下，此时的回转力（扭矩）并不是那么的大，因此不足以使车子发动。这里就使用到被称之为变速器的变速设备来传达动力，通常这个扭矩不是固定的，而是随着回转数的增加而慢慢增加。由于输出力等于扭矩*回转数，因此随着引擎的回转数上升，输出力能够迅速增大。但是回转数存在机械理论的上限且与燃烧效率有关，并不能够一直持续下去。乘用车最大的输出大约在4000rpm到8000rpm之间。虽说F1有18000rpm的输出力，但由于使用引擎的时间完全不同，因此不能相提并论。汽油引擎是内燃机关，其最大效率有一定的使用条件。但在汽车使用过程中对启动、加速、一定速度行驶、减速等各种各样的条件下，低效率方面会比高效率多。为了补足这点，在变速机、引擎上做功夫研发更高效率、更好的使用条件。但是从低回转速到回转上升的加速过程中要消耗掉大量的燃料，这是汽油引擎的特性所决定的，因此这条路就行不通了。在大城市当中，如果遇上堵车的话，由于不断的重复启动、停车，导致燃油的消耗非常大。另外汽油引擎在每次启动时要消耗电池和汽油，因此短时间停止不动的情况下最好不要停止引擎。堵塞中的汽车引擎大多在工作，此举很浪费资源。电动马达的特性电动马达有随着回转数上升扭矩减小的特性。因为输出力=扭矩*回转数，因此即使马达的回转数上升，也不能够像汽油引擎那样得到加速力。但是，从空转、停止状态瞬时起动能得到非常大的扭矩，因此不用像汽油引擎那样经由离合器、变矩器、变速器等，就能够将汽车一下子发动。当然实际的汽车上装有差速齿轮装置等，因此并不是马达的回转=车轮的回转，但基本上处于直结的状态。PRIUS的马达扭矩达到了400Nm，这个相当于汽油引擎5000cc排气量的车。当然产生这个扭矩的回转数完全不同，因此不能单纯地与汽油引擎相比较。总之能够得到非常大的扭矩是毋庸置疑的。如果将不擅长发动及低速行驶的汽油引擎与擅长低速回转的电动马达很好地分别利用的话，便能互补缺点，从而形成前述以减少损耗方法得到高效率性的系统。当然由于存在像新干线那样时速在250km以上行驶的电车，因此不可以说电动马达不适用于高速的行驶。但是完全的电动马达行驶方式限于汽车的大小以及重量，效率不会好。如果采取将高速交给引擎、马达用于加速的混合动力方式，研制出对乘用车而言高效率的系统就有可能了。存在的问题点以及今后发展趋势混合动力汽车如前所述，比汽油引擎的汽车有优势。另外也不像电动车那样需要借助外部充电，只靠通常加油站补给燃料便能够行驶；因此不需要对社会基础设施进行整造，这点也是其一大优势。存在的问题1. 一台车装置引擎、马达、电池等将导致车重增加。这点从省能源方面考虑绝对是不利因素。另外，车身重量的增加对运动性能也会有影响，重量大的车对环境的负担也会加大，因此可以说没有一点优点。2. 装备这些配置制造成本也会相应增加。虽然随着技术的进步配件的成本都在下降，但是混合动力汽车由于装备了普通汽车所不必需的配件，势必会导致其价格要高于汽油引擎汽车。3. 混合动力汽车由于需要庞大的研发费用，销售台数又少，目前还难以回收成本。如果以单车计算，势必会将价格设定在一个根本无法销售的范围。汽油引擎汽车在经历了大约100年的技术开发以及相当长时间的技术积累才形成现在的价格；大多数技术都是新开发的混合动力汽车没有像它那样长年累月的积累。4. 发展中的混合动力汽车即使能够看出有很多的优点，但考虑到各种各样技术的开发以及成本负担，其在市场普遍销售还是非常困难的。丰田汽车是1997开始销售PRIUS的，目前为止各公司的开发已经持续了30年左右。5. 在实验室或者测试场地实现的技术与拥有此技术的汽车能在普通道路上正常行驶之间还有相当大的距离。今后发展趋势PRIUS这个名称有【先驱】的意思。制作初代的PRIUS的人也好，买了这个的人也好，或许都是真正意义上的吃螃蟹的人。但是只PRIUS初代还没停产，2003年又进行了全面性升级改造。在这之前市面上销售过采用被称为THS-C的完全不同的混合动力方式制造的大型卡车。至此，越来越多的人认为混合动力汽车将会有广阔的前景。混合动力汽车的评判混合动力汽车也受到过各种各样大多无根据的诽谤：没有电池、价格过高、以及过多使用电脑会造成电磁波伤害等。这些诽谤随着销售台数的增加也随之减少了。倘若不只丰田、本田，各公司都销售混合动力汽车的话，这样的世俗评价也会随之消失吧！即使是艰难研发成功的低能耗车，也有人觉得制造时的环境负担过重、整体考虑不换算。但是通过初代PRIUS等的实际销售和使用结果证明，整体上的省能源、省资源性能都表现优异。另一方面，在低速行驶时由于没有引擎的声音，行人等很难注意到；这也是很大的问题。从交通安全的观点来看是个非常重要的课题。这不仅是混合动力汽车，燃料电池车和电动车也有此问题。驾驶员和行人对于没有引擎声音的汽车都不习惯。如果小时候就是在这种交通环境中成长的话，或许还比较容易想得出对应的方法；但现在的成人（听力正常者