论文(混合动力汽车系统的结构与原理)

1、浅析混合动力汽车系统的结构浅析混合动力汽车系统的结构与原理与原理09汽服郭永强 摘要 全球能源及环境问题日益突出，一方面传统的燃油发动机车辆废气排放对空气造成严重污染；另一方面石油资源作为不可再生能源日益紧缺，地球上的石油资源总有一天会枯竭，若没有新能源或代替能源，到那时汽车将寸步难行，为此替代燃油发动机汽车已经成为现代汽车研发方向的重点，例如氢能源汽车、燃料电池汽车等。但以目前的条件和实用性来看，具备商业化运作条件的只有混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，简称HEV）。混合动力汽车（亦称复合动力汽车，英文为 Hybrid Power Automobile）是指车上装

2、有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机的发电机组，当前复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。混合动力汽车的问世给人类带来了诸多好处，不仅石油消耗减少了，环境问题也得以改善，由于混合动力汽车在节能和降低排放污染方面的明显优势，因而受到很大的重视，研制开发和产业化的进程相当快。本文重点阐述了混合动力汽车的结构特点、工作原理，并分析介绍了混合动力汽车的控制策略、其优缺点、技术难题。 关键词：混合动力汽车，结构，原理，控制策略 目录1 绪论2 混合动力汽车的简介与分类2.1混合动力汽车的简介2.2混合动力汽车系统的分类3 混合动力汽车的结构与原理3.1 混合动力汽车的

3、节能机理 3.2 串联式混合动力汽车（SHEV）3.3 并联式混合动力汽车（PHEV）3.4 混联式混合动力汽车（PSHE）4 混合动力汽车的策略4.1 混合动力系统的控制策略4.2 混合动力能量管理策略5 混合动力汽车优缺点分析及技术难点5.1 串联式混合动力汽车的优缺点分析5.2 并联式混合动力汽车的优缺点分析5.3 混联式混合动力汽车的优缺点分析5.4 混合动力汽车的关键技术结语参考文献 研究背景 随着全球能源短缺，环境问题的日益突显，开发利用新能源无疑是长久发展的出路之一。为此世界各国和各大汽车公司纷纷研究与开发新型高效能汽车，例如氢能源汽车、电动汽车、太阳能汽车等。这些新型汽车的开发

4、能有效减少有害气体的排放，改善生活环境，还可以减少人类对石油资源的依赖。虽然这些新型汽车有很多优势，但还有许多不完善之处，例如：制造、运输等比较困难、成本高、投资大。然而，混合动力汽车作为节能化、环保化的新型动力系统的现代化汽车，早已是现代汽车发展道路上的重要话题。混合动力汽车同时装备两种动力来源热动力源（由传统的内燃机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上加装使用电动机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况进行灵活调控，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，减少有害气体的排放。其优点在于车辆启动、停止时只靠发电机带动，达不到一定速度发动机则不工作，因此

5、便能使发动机一直保持在最佳工作状态，即动力性好、排放低。比较而言，在这传统的内燃机与新型能源汽车的过渡期间，混合动力汽车更适合社会发展和人类生活的需求。1.2 混合动力汽车的分类 混合动力系统有多种分类方式。依据混合方式的不同，混合动力汽车系统可以分为串联、并联和混联三种类型；依据混合程度不同，混合动力系统还可以分为弱混合动力、轻度混合动力、中度混合动力、重度混合动力、插电混合动力五类；按混合方式分类根据混合动力驱动的混合方式，混合动力汽车主要分为串联、并联和混联三类。 1.串联式混合动力汽车（Series Hybrid Electric Vehicle,SHEV）串联式混合动力系统由发动机、

6、发电机、电机控制器、电动机和动力电池组成。图图 1-1 串联型串联型Plug-in HEV动力系统简图动力系统简图如图1-1所示，串联型Plug-in HEV 的特点是：发动机带动发电机发电，电能通过电机控制器直接输送给电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电能实现动力传递。2.并联式混合动力系统（Parallel Hybrid Electric Vehicle,PHEV） 并联式混合动力系统由发动机、变速器、电机、电机控制器和动力电池组成，其中电机可作为电动机使用，也可作为发电机使用。采用并联式混合动力系统的汽车有两个独立的驱动系统，即传统的发动机驱动系统和电机驱动系

7、统。车辆驱动力由发动机和电机同时或单独供给，也就是说，两个动力系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作来驱动汽车。两个动力系统同时工作时，以机械方式实现动力耦合，动力的流动方向为并联，所以称为并联式混合动力系统。图图 1-2 并联型并联型Plug-in HEV动力系统简图动力系统简图3.混联式混合动力系统（Series/Parallel Hybrid Electric Vehicle） 混联式混合动力系统由发动机、动力分配机构、发电机、电机控制器、电动机和动力电池组成。发动机的动力经过动力分配器后分成两部分，一部分直接驱动车辆，形成机械传输通道；另一部分带动发电机发电，所产生的电能通过电机控

8、制器提供给电动机驱动车辆，形成电力传输通道。通过调整发电机转速，可以控制机械传输通道和电力传输通道的动力分配比例。这个系统具有双重特征，一是电力传输通道和动力电池之间以电方式实现动力耦合，动力的流向为串联；二是机械传输通道和电动机之间以机械方式实现动力耦合，动力的流向为并联，所以称为混联式混合动力系统。图图 1-3 混联型混联型Plug-in HEV动力系统简图动力系统简图1.2.2 按混合程度分类 在混合动力系统中，根据电动机的输出功率在整个系统输出功率中所占比例，可以分以下五类：弱混合动力（也称微混合动力）、轻度混合动力、中度混合动力、重度混合动力（也称全混合动力，强混合动力）、插电式混合

9、动力。其混合度不同，功能要求也有差别。 （1）弱混合动力系统这种混合动力系统对传统发动机的起动机进行了改造，形成了由带传动的发电起动一体式电机（BSG）。该电机用来控制发动机快速起停，因此可以取消发动机的怠速过程，降低了油耗和排放。 （2）轻度混合动力系统该混合动力系统采用了集成起动电机（ISG）。轻混合动力系统除了能够实现用电机控制发动机的起停外，还能够在车辆制动和下坡工况下，实现对部分能量进行回收。 （3）中度混合动力系统该混合动力系统同样采用了ISG系统。中混合动力系统采用的是高压电机，在汽车加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助发动机驱动车辆，补充发动机本身动力输出的不足，提高整车性能。

10、 （4）重度混合动力系统重度混合动力系统采用了272-650V的高压电机，混合度可以达到50%以上，在城市循环工况下节油率可以达到30%-50%。 （5）插电式混合动力系统插电式混合动力汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle,PHEV）是可以利用电网对动力电池充电的混合动力汽车，可以使用纯电动模式驱动车辆行驶，且纯电动行驶里程较长；电能不足时，车辆仍可以重度混合模式行驶。二 混合动力系统的结构与原理2.1 混合动力汽车的节能机理1.混合动力汽车的节能途径 1）混合动力汽车可以从以下四个方面达到节能目的: 2）选择较小的发动机，从而提高发动机的负荷率。 3）改善控制

11、策略使发动机工作在高效率区，以改善整车的燃油消耗。 4）发动机具有取消怠速和高速断油的功能，以节省燃油消耗。具有再生制动能量回收功能。2.2 串联式混合动力汽车（SHEV） 串联式混合动力模式由发动机、发电机和驱动电动机三大动力组成，发动机、发电机和驱动电机采用“串联”的方式组成SHEV的驱动系统。（一）串联式混合动力的结构 串联式混合动力的结构如下图所示。它由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。 蓄电池逆变器电动机驱动轴发电机发动机图图2-1 串联式简图串联式简图（二）串联式混合动力的工作原理 在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可

12、以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。 由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。（三）串联式混合动力的结构特点 1）发动机和发电机组成的辅助动力单元一起工作产生所需的电能。发动机和发电机之间的机械连

13、接装置中不需要离合器。 2）发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和机械传动装置驱动车轮。 3）单条驱动线路，两个电机，只有牵引电动机驱动汽车行驶，而发动机仅用于带动发电机发电，与驱动轮无机械连接，不直接驱动车辆。在两个电机种，一个电机用于驱动和能量回馈，另一个电机专门用于发电。 4）属于内燃机辅助型的电动汽车，用于增加电动汽车的续驶里程。2.3 并联式混合动力汽车（PHEV） 并联式混合动力汽车由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成。发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成PHEV的驱动系统。（一）并联式混

14、合动力的结构并联式混合动力是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。如图2-2所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合：（1）在发动机输出轴处进行组合；（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合；蓄电池逆变器电动机驱动轴发动机耦合器图图2-2 并联式简图并联式简图（二）并联式混合动力的工作原理 图2-2所示，是一种电动机的动力在驱动轮处进行组合的驱动轮动力组合式PHEV，其驱动模式为：（1）以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；（2）驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱

15、动电机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四驱动模式。（三）并联式混合动力的结构特点两条驱动线路：内燃机和电动机都可以通过各自的驱动线路驱动车轮。2）三种基本驱动模式：发动机单独驱动、电动机单独驱动、发动机和电动机混合驱动。3）属于电力辅助型的燃油汽车，可以降低排放和燃油消耗。4）当发动机提供的功率大于驱动车辆所需的功率或者再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量充入蓄电池。2.4 混联式混合动力汽车（PSHEV）混联式混合动力汽车综合了SHEV和PHEV的结构特点，由发动机、电动-发电机和驱动电动机三大动力总成组成。（一）混联式混合动力汽车的结构PSHEV是综合SHEV和PHEV结构特点

16、组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。电动机的动力要与车辆驱动系统相适应，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。如图2-3所示。蓄电池逆变器电动机驱动轴发动机行星齿轮机构发电机图图2-3 混联式简图混联式简图（二）混联式混合动力汽车的工作原理 图2-3所示的是一种发动机的动力与驱动电动机的动力在驱动轮处进行组合的方式，其驱动模式为： （1）以发动机驱动为基本驱动模式，带动电动机/发动机，并独立驱动后驱动轮； （2）以驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮。在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电动机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四轮驱动

17、模式。 （三）混联式混合动力汽车的结构特点与串联式和并联式混合动力汽车比较，混联式混合动力汽车的机构特点如下： 1）将串联式混合动力汽车和并联式混合动力汽车相结合，具有两者的优点。 2）与串联式混合动力汽车相比，增加了机械动力的传递路线。 3）与并联式混合动力汽车相比，增加了电能的传输路线。混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制目标。三 混合系统的策略3.1 混合系统的控制策略由于各种混合动力汽车结构上的差异，因而需要不同的控制

18、策略来调节和控制功率流在不同元件间的流动，其目的是为了实现最佳的燃油经济性、最低的排放和较好的驱动性能等。混合动力汽车控制策略的设计主要考虑以下几点： 1）优化发动机的工作点：基于最佳燃油经济性，根据发动机的转矩和转速特性曲线确定最佳工作点。 2）优化发动机的工作曲线：如果发动机需要发出不同的功率，相应的最优工作点就构成了发动机的最优工作曲线。 3）优化发动机的工作区：在转矩和转速特性曲线上，发动机有一个首选的工作区，在此工作区内，发动机的效率较高。 4）最小的发动机动态波动：缓慢调整发动机工作转速以减小发动机波动，避免由于发动机的动态波动带来的燃油经济恶化。 5）限值发动机最低转速：当发动机

19、低速运行时，燃油效率很低，因而当发动机转速低于设定的限值时，应关闭发动机。 6）适当减少发动机的起停次数：过于频繁地起停发动机，会引起油耗和排放恶化。 7）合适的动力电池荷电状态：动力电池的容量须保持在适当的水平，以便在汽车加速时提供足够的功率，在汽车制动或下坡时能回收能量。若动力电池的容量过高，应关闭发动机或怠速运转。 8）安全的动力电池电压：在放电、发电机充电和制动回收充电时，动力电池的电压会发生很大的变化，应避免动力电池电压过低或过高，否则动力电池会产生永久性破损。 9）分工适当：在驱动循环中，发动机和动力电池应合理分担汽车所需功率。 10）合理确定纯电动模式运行条件：依据车速、电池荷电

20、状态、汽车加速踏板开度等信息确定合理的发动机起停条件。 11）最大限度地回馈汽车制动能量：依据车速、汽车加速踏板和制动踏板等信息确定能量回馈的功率。 12）附件系统的控制：依据实时温度，控制发动机、电机及电池冷却风扇的转速。 13）工作模式平稳转换：在纯电动模式驱动、混合动力模式和汽车减速制动等工作模式转换时，应保证过渡平稳。3.2 混合动力的能量管理策略 混合动力汽车具有两个以上的动力源，因此为了解决混合动力汽车多动力源所引起的模式切换和动力分配，需要引入一个能量管理系统对系统的能量流动进行合理的分配。 （一）电动机辅助控制策略 电动机辅助控制策略（Electric Assisted Con

21、trol Strategy）。电动机辅助的能力控制策略采用发动机作为主动力源，电动机和蓄电池协助提供峰值功率。这种控制策略容易对发动机工况进行优化。与发动机相比，电动机相应快、控制灵敏，容易实现不同的控制方法。这种控制策略在大多数并联式混合动力系统中采用。 （二）优化ICE曲线控制策略 优化ICE曲线控制策略（Optimum ICE Curve Control Strategy）。优化ICE 曲线控制策略从静态条件下的发动机万有特性出发，将一定发动机转速和一定负荷下发动机的最低燃油消耗点连成一条线，也就是静态条件下发动机的最佳工作曲线。在这种模式下，发动机在需求功率或转矩高于某个限值时才会工作

22、。同时，只有在极限情况下（如当需求功率超过了蓄电池的最大功率调节能力时），才会调整发动机的工作点。这种控制策略借鉴了传统汽车的控制经验，侧重于发动机局部最优。 四 混合动力汽车的优缺点分析及技术难点 4.1 串联式混合动力汽车的优缺点分析 1.串联式混合汽车的优点 1）以动力电池组为基本能源，可实现“零污染”状态行驶。发动机-发电机组所发出的电能向动力电池组充电，用于补充动力电池组的电能，或直接供给驱动电动机，以延长续驶里程。 2）发动机-发电机组中的发动机与驱动轮之间没有机械上的连接，因此能够保证在稳定、高效、低污染的状态下运转，将有害气体排放控制在最低范围。此外，还可采用燃气轮机、转子发动

23、机等其他类型的发动机，进一步降低燃料消耗和有害气体的排放。 3）趋近于纯电动汽车，只有电动机驱动车辆。因为电动机具有较为理想的转矩-转速特性，所以驱动系统不需要多挡传动装置，从而使结构大为简化，进而降低成本。 4）发动机与车轮之间在机械上完全解耦，总体结构较简单，易于控制。发动机-发电机组和电动机之间没有机械联系，在车上布置时有较大的自由度。2.串联式混合动力汽车的缺点 1）电动机驱动功率必须能够克服车辆在行驶过程中的最大阻力，故要求电动机功率较大，外形尺寸较大，质量较大。由于电动机不经常在满负荷状态下工作，因此效率较低。要求动力电池组容量较大，同时还需要较大功率的发动机-发电机组，加上庞大的

24、动力电池组，整车外形尺寸较大，质量较大，在中小型车上布置有困难，较适合应运于大型客车。 2）发动机-发电机-电动机系统在机械能-电能-机械能的能量转换过程中，能量损失较大；在动力电池组的充、放电过程中存在能量损耗，车辆也不是经常在满负荷状态下运行，能量转换的综合效率比内燃机汽车低。 3）发动机-发电机组与电池组之间的匹配要求较严格，应能根据动力电池组SOC的变化，自动起动或关闭发动机，以避免动力电池组过放电和过充电，因此需要更大容量的电池。4.2 并联式混合动力汽车的优缺点 1.并联式混合动力汽车的优点 1）只有发动机和电动机两个动力总成，两者的功率可以等于车辆驱动功率的50%-100%，比串

25、联式混合动力汽车三个动力总成的功率、质量和体积小很多。 2）发动机可直接驱动车辆，没有串联式混合动力汽车发动机的机械能-电能-机械能的转换过程，能量转换的综合效率比串联式的高。当车辆需要最大输出功率时，电动机可以提供额外的辅助动力，因此发动机的功率可选择得较小，燃油经济性比串联式好。 3） 与电动机配套的动力电池组容量较小，使整车质量减小。 4）当轻度混合时，电动机可带动发动机起动，调节发动机的输出功率，使发动机基本稳定在高效率、低污染状态下工作。发动机也可带动电动机发电向电池组充电，以延长续驶里程。2.并联式混合动力汽车的缺点 1） 需要配备与内燃机汽车相同的传动系统，总布置基本与内燃机汽车

26、相同，动力性能接近内燃机汽车。发动机工况会受到车辆行驶工况的影响，有害气体排放高于串联式汽车。 2）需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动桥等总成，还有电动机、动力电池组和动力耦合器等装置，因此动力系统结构复杂，布置和控制更困难。4.3混联式混合动力汽车的优缺点 1.混联式混合动力汽车的优点 1）三个动力总成比串联式混合动力汽车三个动力总成的功率、质量和体积小。 2）有多种工作模式，节能最佳，有害气体排放达到“超低污染”。 3）发动机可直接驱动车辆，没有机械能-电能-机械能的转换过程，能量转换的综合效率比内燃机汽车高。 4）电动机可独立驱动车辆行驶。电动机利用低速大转矩特性，带动车辆起步，可在城

27、市中实现“零污染”行驶。当车辆需要最大输出功率时 ，电动机可给发动机提供辅助动力，因此发动机动率可选择较小，燃料经济性比串联式混合动力汽车好。2.混联式混合动力汽车的缺点 1）发动机是基本驱动模式，电动机是辅助驱动模式，动力性更接近内燃机汽车。发动机工况受行驶工况的影响，有害气体排放高于串联式混合动力汽车。 2）需要配备两套驱动系统；发动机传动系统需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动桥等传动总成，另外，电动机、减震器、动力电池组以及多能源动力组合或协调专用装置。因此，多能源动力系统结构复杂，总布置困难。 3）多能源动力系统的工作模式有多种形式，只有依靠复杂的多能源动力总成控制系统，才能达到高经济性和“超低污染”。4.4混合动力汽车的关键技术1.动力耦合系统2.动