混合动力汽车

1、混合动力汽车内燃机的节油机理姓名：祖春胜 班级：车辆09-2 学号：0901040440摘要：本文阐述了目前混合动力汽车应用的基本型式及其特点,以及近几年国内外各大汽车公司在混合动力汽车方面的研究状况和成果,并提出了混合动力汽车迫切需要解决的一些关键技术.同时论述了混合动力汽车的节油机理， 通过实例揭示了混合动力汽车节油途径。关键词：混合动力汽车 节油机理 发展状况 关键技术Hybrid Power Automobile Engine Fuel-saving MechanismAbstract: This paper describes the current hybrid vehicle a

2、pplication of basic types and characteristics, as well as in recent years the domestic and foreign each big car company in hybrid cars on the research status and achievements, and puts forward the hybrid vehicle is an urgent need to address some of the key technology. It also discusses the mixed pow

3、er automobile fuel-saving mechanism, through the example revealed a mixed dynamic vehicle route.Keywords： Hybrid electric vehicle; Flue saving; research actuality; Key technology随着全球石油资源紧张、 大气污染严重和电池技术的提高, 电动汽车已被公认为是 21世纪世界汽车工业改造和发展的主要方向。从当前世界各国竞相发展的电动汽车类型来看,主要分为纯电动汽车、 混合动力电动汽车和燃料电池汽车3 种。 但是,由于现阶段作为

4、纯电动汽车和燃料电池汽车的关键部件之一的电池存在能量密度低、寿命较短、价格较高等问题,使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。尽管目前具有世界先进水平的纯电动汽车和燃料电池汽车的性能与内燃机汽车不相上下, 但其过高的成本使其难以商品化。在这种环境下, 融合内燃机汽车和电动汽车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开发的热点。一、 混合动力电动汽车的结构混合动力电动汽车将电力驱动与传统的内燃机驱动相结合，充分发挥了二者的优势。同时，它可以从根本上解决现在纯电动汽车动力性能差和续驶里程短的问题。1根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类：

5、（1） 串联式混合动力电动汽车串联式混合动力汽车结构串联式是混合动力电动汽车中结构形式最简单的一种，发动机输出的机械能通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分经由电动机和传动装置驱动车轮，另一部分则可存储到蓄电池中去，供汽车加速时或在其他工况下使用，与传统的燃油车比较，它是一种发动机辅助型的电动汽车，主要是为了增加汽车的行驶里程。由于在发动机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器，因此它具有一定的灵活性。尽管其传动结构简单，但它需要三个驱动部件：发动机、发电机和电动机。在这种联结方式下，电池就象一个水库，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行调节，

6、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较多，轿车上很少使用。（2） 并联式混合动力电动汽车并联式混合动力汽车结构与串联式混合动力电动汽车不同，并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和电动机通常采用不同的离合器驱动车轮，可以采用发动机单独驱动，电力单独驱动以及发动机和电力混合驱动三种不同的工作模式。并联式是一种电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于驱动汽车所需的功率或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量冲入蓄电池。与串联式相比，并联式只需两个驱动部件：发动机和电动机。并且，在蓄电池放电完毕前，如果

7、要得到相同的性能，并联式比串联式混合动力电动汽车对于发动机和电动机的功率要求都要低。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic（思域）采用的是并联式联结方式。2本田思域为例本田思域Hybrid可以说是在思域的底盘基础上加装一套本田开发的混合动力系统。本田思域混合动力车装备一台1.3升直列四缸发动机，这台发动机非常高效，最大功率可达70千瓦，比普锐斯的1.5升发动机还要多20千瓦。i-VTEC发动机根据智

8、能化控制的VTEC（可变气门正时及升程电子控制系统），通过低转速、高转速、气缸停止的三个阶段对阀门进行控制。不过它装备的电动马达动力较弱，最大功率15千瓦，扭矩103牛米。3思域混合动力车的行驶工况图思域的混合动力装置通常被称为IMA，它同样可以根据不同的路况实现几种行驶模式。在静止的时候汽油机处于关闭状态，避免发动机怠速消耗燃料；在加速过程中汽油机和电动马达会同时工作为车辆提供足够的动力；在低速行驶时（例如时速50公里以下），发动机的VTEC机构会令发动机关闭，靠蓄电池的电能提供给电动马达来驱动车辆；在高速状态下汽油发动机提供车辆行驶的全部动力；而在减速的时候发动机不再提供动力，同时一部分动

9、能会被回收，储存在蓄电池中。（3） 混联式混合动力电动汽车混联式混合动力汽车结构混联式混合液动力电动汽车在结构上综合了串联式和并联式的特点。与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传输路线。因此，它兼有串联式和并联式的优点。混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。Prius采用的是混联式联结方式。丰田普锐斯为例伴随

10、着混合动力车型的研发，丰田普锐斯推出了Hybrid Synergy Drive（HSD），这套系统是由两台电动马达和一台发动机组成。其中的一台电动马达与发动机直接相连，另外一台则没有直接连接发动机。丰田这套系统最为关键的设计就是复合式行星齿轮变速箱。发动机和与其相连的电动马达组合在一起形成一套驱动单元，另外一台电动马达形成第二个驱动单元。这两套单元可由车载电脑灵活调配，通过变速箱对驱动轮传递动力。加速时，第一套动力单元通过变速箱向车轮传递动力；在纯电力模式下，第二套动力单元取代发动机和电动马达，单独为车轮提供动力，此时发动机和与其相连的电动马达均处于关闭状态。车辆减速时，HSD混合动力系统的电

11、动马达会转变为向电池组充电的发电机。当电池组充满电后，发动机所产生的电能将会输往与发动机相连的电动马达，马达通过对发动机转速的干预来达到辅助车辆减速的目的。所以，当你驾驶一辆丰田品牌的混合动力车时，并不需要对刹车踏板过分敏感，电动马达提供的减速度已经基本够用。只有在停车或遇上紧急情况时车辆原本的刹车系统才能派上用场。这套系统的诞生为由车载电脑控制的线控刹车及油门系统提供了前提条件。4二、 混合动力电动汽车的节油机理混合动力汽车可通过下列途径达到节油目的：选择较小功率发动机； 取消发动机怠速；控制发动机工作在高效区；发动机断油控制；适当增大电池SOC（State of Charge）窗口；回收再

12、生制动能量。1. 选择较小功率发动机并联混合动力汽车的基本控制策略为：通过限制发动机的工作区间，将发动机控制在高效率区运行，提供所要求的扭矩； 将电机作为载荷调节装置，当需要大扭矩输出时参与驱动，当需要小扭矩输出时吸收发动机能量进行发电，并将电池组的电量状态维持在高效率区间内。发动机的选择只需满足整车要求的平均功率即可，因此降低了发动机需求功率。发动机功率降低带来如下优点：减小功率损失，提高了发动机的效率；所消耗的燃油减少， 相应降低了油耗。原来传统汽车需求的 ( 缸机降为 , 缸机，即可满足混合动力汽车的整车要求。研究表明，发动机由大功率降为中等功率，可节油5%15%。2. 取消发动机怠速大

13、型柴油机怠速1h消耗燃油约3.785L。按照统计的城市公交客车循环工况，发动机怠速时间约占整个循环时间的30%40%。如果一辆公交汽车每天运行8h， 则怠速燃油消耗将达到912L，可见取消发动机怠速有利于节约燃油。混合动力汽车通过控制策略，可以实现发动机的起动与停止。当车速为零、加速踏板松开时，程序控制自动关闭发动机；当加速踏板踩下时，程序控制电动机在0.5s内起动发动机， 实现发动机无怠速控制。 下图为北京循环工况下取消发动机怠速时，发动机燃油消耗随时间的变化关系。从图中可以看出，车速为零时，发动机关闭，取消了发动机怠速，相应发动机燃油率为零，达到了节油的目的。研究表明，取消发动机怠速可节油

14、5%10%。3. 控制发动机工作在高效区发动机在较高的负荷率及中高转速下工作时，发动机的平均效率明显提高。混合动力汽车通过控制策略并选用了较小功率的发动机，可使绝大多数的工作点落在发动机的高效区间。 在低速低负荷时，如果电机能够满足需求功率， 则电机单独驱动，实现纯电动模式；如果电机不能够满足需求功率，则控制发动机工作在高效区，剩余的功率为电池充电，以提高燃料利用率。而在汽车急加速和爬坡、发动机满足不了整车需求时，电机参与工作，实现电机助力联合驱动模式。控制发动机工作在高效区，可以实现节油。4. 发动机断油控制当松开加速踏板使汽车减速时，可以控制发动机高速反拖断油，直到怠速恢复供油止，实现节油

15、的目的，研究表明，控制发动机断油，可节油5%左右。5.适当增大电池SOC窗口对于能量平衡型的混合动力汽车（所谓能量平衡型是指汽车经过某一循环工况后，电池的荷电状态SOC的变化SOC=0或|SOC|<1%），电池的荷电状态SOC窗口适当增大有利于节油。因为适当增大电池的荷电状态SOC窗口，电池所能提供的能量越多，电机参与的工作越多，而电机和电池的效率要高于发动机，因此可以实现节油。另一方面，适当增大电池的荷电状态SOC窗口，电池的充放电频率减少，这样能量间的转化损失减少，因此越节油。下图为电池SOC窗口对燃油消耗的影响。电池SOC窗口从65%80%到60%80%再到40%80%，燃油经济性

16、分别提高0.01%和3%因此，根据每种电池的性能，以及所允许的电池SOC工作窗口不同， 在兼顾电池效率 （要求效率最高） 和内阻 （内阻最小） 的情况下， 可适当增大电池SOC窗口，达到节油的目的。6.回收再生制动能量混合动力汽车由于加装了电机系统，在车辆滑行或制动时，可利用电机吸收能量，回馈到电池组中储存起来。为了最大限度地回收再生制动能量，控制策略应是优先由电机再生制动，当电机满足不了整车制动强度或电池的SOC达到最大限值时，机械制动参与工作以实现制动的可靠性。下图为电机再生制动能量与机械制动能量分配关系图。在制动过程中，整车控制策略分配制动力矩，实现电机最大限度地回收再生制动能量。研究表

17、明，由于电机再生制动能量的回收可节油5%12%。5综合采取上述措施，可大大降低整车油耗，达到节油30%50%的目标。三、混合动力汽车的关键技术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,所面临的关键性技术和需要解决的问题包括以下几个方面（1） 内燃机与电机耦合功率分配比的最优控制。混合动力汽车发动机和电动机要相互配合工作,而根据运行工况控制它们适时启动和关闭, 并使发动机始终工作在低油耗区的整个控制过程十分复杂,因此需要用成熟可靠的动力复合装置以及先进的检测系统和控制策略实现功率的合理分配,以达到低油耗和良好

18、的动力性目标。（2） 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。电池还要具有快速充电能力, 以保证制动时能量能及时回收, 而目前高功率电池往往存在快速充电接受能力差的问题,还需做进一步的研究。电池还要提高充放电效率,这对提高整车工作效率至关重要。此外,还必须对热能进行控制管理, 判定荷电状态,选择适当的充电或放电模式,对电池进行均衡充电,防止电池过充电或过放电, 并平衡电池组的工作温度。同时,电池还要有较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造成本。（3） 需要开发高性能的电子控制元件。为了满足汽车高速开关控制的要求，混合动力汽车还需要装备高功率密度、 低损耗的开关、 电容和电感等。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,其功率密度高,散热性能较好。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。它的制造过程中