混合动力汽车关键技术

1、电动汽车概论课程报告-混合动力汽车关键技术摘要混合动力电动汽车（HEV）的核心是混合动力驱动系统。HEV系统具有高度的复杂性, 混合动力系统设计的关键是系统结构的选择、整车能量管理策略的开发和系统参数的确定。功率分配是系统能量管理策略研究的关键, 随着研究的深人, 自适应控制、模糊逻辑控制、神经元网络控制等方法也得到了有效的运用。文中对子系统的关键技术及整车试验方法和评价体系的建立等方面进行了讨论.关键词：混合 电动汽车 电池管理 驱动系统 逆变器ABSTRACT Hybrid electric vehicle (HEV) is the core of the hybrid drive sys

2、tem. HEV system with high complexity, hybrid system design is the key to the choice of the structure of the system, the vehicle energy management strategy of development and the system of parameters. Power allocation system energy management strategy is the key. With the deep research, adaptive cont

3、rol, fuzzy logic control, neural network control method is also effectively used. In this paper, the technology and subsidiary system vehicle test method and evaluation system of the establishment are discussed in the paper.Key words：Hybrid electric vehicle battery management drive system inverter目录

4、1绪论11.1课题研究背景11.2混合动力汽车分类及技术特点1 1.2.1串联式混合动力汽车（SHEV）11.2.2并联式混合动力电动汽车（PHEV）1 1.2.3混联式混合动力电动汽车（PSHEV）.1 1.2.4外接充电式混合动力汽车（PHEV）.11.3混合动力汽车的特点.11.4本文研究概要 . 22混合动力汽车国外发展现状32.1日本32.1.1概况32.1.2日本混合动力汽车市场32.1.3本田Insight混合动力汽车32.1.4田CR-Z混合动力汽车42.1.5丰田普锐斯(Pirus)混合动力车52.2美国52.2.1概况52.2.2福特Fusion混合动力车52.2.3 克莱

5、斯勒300混合动力62.3其他国家混合动力汽车车型介绍. 7 2.2.3.1奔驰S级400 HYBRID72.2.3.2宝马ActiveHybrid X672.4国外各国未来发展前景82.3.1混合动力汽车产业发展计划82.3.2动力电池发展计划82.3.3政府政策支持93混合动力汽车国内发展现状103.1我国发展混合动力汽车的必要性103.2市场概况103.3我国混合动力汽车技术发展现状103.4我国混合动力汽车重点车型介绍113.4.1比亚迪F3DM113.4.2雷克萨斯RX450H113.4.3奇瑞A5混合动力车型123.4.4广汽丰田凯美瑞混合动力版123.5 全球混合动力汽车未来发展

6、前景134混合动力电动汽车关键技术144.1HEV的结构及特点144.1.1 串联式混合动力汽车( SHEV)144.1.2并联式混合动力汽车(PHEV)144.1.3混联式混合动力汽车( PSHEV) 144.1.4复合式混合动力汽车(CHEV)154.2混合动力汽车需要解决的问题154.2.1两种动力的最优分配控制154.2.2能量存储装置154.2.3混合动力单元技术154.2.4电力驱动系统154.3混合动力汽车电池164.3.1HEV对电池的特殊要求164.3.2HEV电池的发展164.3.3HEV电池管理系统174.4HEV电机驱动系统184.4.1串联式动力184.4.2并联式动

7、力194.4.3混联式动力194.5HEV逆变器设计194.5.1逆变器的结构194.5.2控制原理214.6整车系统集成214.6.1动力系统参数匹配214.6.2整车控制管理系统224.6.3再生制动系统234.6.4车用数据总线234.6.5先进车辆控制技术在混合动力汽车上的应用244.7HEV中电力电子技术的应用244.7.1HEV常用的电力电子技术装置244.7.2HEV对电力电子技术的要求25结论. 27参考文献281.绪论1.1课题研究背景当前，全球汽车工业正面临着资源短缺、能源紧张与环境污染等诸多问题的巨大挑战。发展新能源汽车，实现汽车动力系统的新能源化，推动传统汽车产业的战略

8、转型，在国际上已经形成广泛共识。在这种形势下，美国、日本、欧洲等发达国家和地区，不约而同地将新能源为代表的低碳产业作为国家战略选择，都希望通过新能源产业与传统汽车产业的结合，破解汽车工业能源环境制约，培育新型战略性产业，提升产业核心竞争力，发展低碳经济，实现新一轮经济增长。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。1.2混合动力汽车分类及技术特点目前，混合动力汽车分为串联式混合动力汽车、并联式混合动力电动汽车、混联式（串、并联式）混合动力汽车和外接充电式（Plug-In）混合动力汽车四大类。1.2.1串联式混合动力汽车（SHEV）是

9、由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成驱动系统。串联式混合动力汽车用发动机发电机组均衡发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使串联式混合动力汽车的行驶里程得到延长。1.2.2并联式混合动力电动汽车（PHEV）是由发动机、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”的方式组成驱动系统。并联式混合动力电动汽车的驱动力组合有发动机轴动力组合式、动力组合器动力组合式和驱动轮动力组合式三种不同的组合模式。1.2.3混联式混合动力电动汽车（PSHEV）是上述两种混合动力汽车的结构特点组成的，是由发动机、电动/

10、发电机和驱动电动机三大动力总成组成。并联式混合动力电动汽车的驱动力组合有动力组合器动力组合式和驱动轮动力组合式两种组合模式。混联式混合动力电动汽车兼有串联式混合动力汽车和并联式混合动力电动汽车的优点，可以组合成更多种形式的混合驱动的驱动模式。1.2.4外接充电式混合动力汽车（PHEV）是最新的一代混合动力汽车类型，即在混合动力汽车上增加了纯电动行驶工况，并且加大了动力电池容量，使PHEV采用纯电动工况可行驶一定里程，超过该里程就启动内燃机，采用混合驱动模式。1.3混合动力汽车的特点混合动力汽车具有油、电发动机的互补工作模式，具有省油、节能的优势。同时，混合动力系统在同等条件下相对于汽油车和柴油

11、车来说，汽车尾气排放少，从而减少对空气的污染。因此，混合动力汽车具有环保、污染小的优点。1.4本文研究概要混合动力电动汽车的核心是混合动力驱动系统。本文以混合动力驱动系统为重点就系统集成技术、整车能量管理技术、子系统的关键技术及整车试验方法和评价体系的建立等方面讨论目前研究和开发中的关键技术。2.混合动力汽车国外发展现状从1995年起，包括日本丰田与美国三大汽车公司在内的世界各大汽车生产厂商陆续投入混合动力汽车的研究开发。经过多年发展，混合动力汽车在商用化、产业化进程上的发展已经较为迅速。特别是2004 年全球各大汽车制造商继续加大环保车型的开发力度，混合动力车型成为各大公司的战略重点，逐渐突

12、破了小型车的限制越来越多的应用在中大型车上，技术竞争愈演愈烈。2009年世界汽车市场混合动力汽车销量估计已经超过70万辆，据预测，2010 年将达100万辆，2015年将在世界汽车市场占15%，2020年占25%。2.1日本2.1.1概况1997年，日本丰田推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车，其后又在2001年相继推出了混合动力面包车和皇冠轿车，运用了先进的混合动力系统（THS）电子控制装置与电动四轮驱动及四轮驱动力/制动力综合控制系统，在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面处于世界前沿。以丰田为代表的日系企业，正是在10多年前的精确判断，才最终以混合动力这种过度的新能源技

13、术傲力如今的世界汽车市场。2.1.2日本混合动力汽车市场日本丰田、本田、三菱、马自达等多家企业均抓紧开拓混合动力汽车市场。目前市场上正热销的两款车型分别为丰田Prius和本田Insight。其中Prius标准型每升汽油可行驶35.5公里，售价205万327万日元之间。Insight每升汽油可行驶30公里，售价189万日元。 丰田公司1997年第一代Prius开始销售以来，累计销量已突破100万辆。丰田普锐斯轿车2009年的销量达20.89万辆，同比增长达290%，成为包含微型车在内的新车销量排行榜榜首。08年丰田汽车全球混合动力汽车销量43万辆，计划2011年代早期实现年销量100万辆。为此，

14、丰田和松下各出资60%和40%成立注册资本130亿日元的Panasonic EV Energy株式会社，生产混合动力车用电池。目前混合动力车用电池年产量可供70万辆车使用，2011年扩大至110万辆。2.1.3本田Insight混合动力汽车图2-1本田Insight本田Insight从乘员舱开始的后半部分则按照混合动力车的需求重新设计，放弃了新飞度将油箱前置的设计改为后置，从而有利于有效降低车高保证车身的空气动力特性，因此本田Insight的车身高度也仅为1430毫米。另外，由于采用小型车平台，因此本田Insight混合动力车在增加电动机和电池之后的车重也依然保持在1240公斤左右，相比其它竞

15、争对手的混合动力车型具有不错的轻量优势。2.1.4本田CR-Z混合动力汽车图2-2本田C-RZ本田C-RZ车型于2010年2月份在日本市场上市，是定位于紧凑运动型的混合动力跑车，搭载一款1.5L四缸i-VTEC汽油发动机，配备本田独有的Motor Assist混合动力技术和IMA辅助混合动力系统。2.1.5丰田普锐斯(Pirus)混合动力车图2-3 丰田Pirus普锐斯因其开创了混合动力协调驱动这一先进理念，并在这一理念基础之上采用了THS-（新一代TOYOTA油电混合动力系统），使其燃油消耗只有传统汽油发动机的一半，仅为4.7L/100km。其通过新开发的可变电压系统，提高了马达与发电机电源

16、系统的电压，实现了世界最高水准的35.5km/L低燃耗。此外，还组合配置了动力分离装置和系统控制系统。动力分离装置对发动机、马达和发电机的机械动力进行分配、集中和传输；系统控制则精确、迅捷地指挥这些组件进行高效协同工作。2.2美国2.2.1概况美国三大汽车公司通用、福特和戴姆勒-克莱斯勒在2004年就组建了生产混合动力汽车和燃料电池汽车所用电池联合开发公司USABC，投资460万美元开发新一代环保型双动力汽车所需要的高性能锂聚合物电池。2005年9月，通用汽车、戴姆勒克莱斯勒集团与宝马集团签署了关于构建全球合作联盟，以共同开发混合动力推进系统的合作备忘录，共享各自在混合动力推进系统方面领先的技

17、术能力及丰富的科技资源，并把发展“双模”完全混合动力系统作为首要目标。2009年美国混合动力汽车销量达到29.03万辆，占美国汽车市场份额达2.8%,虽然份额还较小，但却从2005年的1.2%开始呈逐年上升之势。预计美国混和动力汽车的销量2013年将达到87.2万辆，市场占有率将达到5%。2.2.2福特Fusion混合动力车据美国媒体autoevolution报道，汽车业权威评测机构环球质量调研系统（The Global Quality Research System，简称为GQRS）的2011年报告评出了美国混合动力三厢轿车的质量排名前三甲，其中福特Fusion混合动力车综合质量得分夺冠，而

18、丰田凯美瑞与日产阿蒂玛的混合动力版本分别紧随其后。图2-4 福特Fusion数据显示，福特Fusion混合动力车是美国燃油效率最高的混合动力轿车，更是获得了91%的综合质量得分，而丰田凯美瑞与日产阿蒂玛的混合动力版本分别获得80%、71%的综合质量得分。福特Fusion混合动力出租车在过去十年里的行驶里程已经达到了8000万英里，超越了丰田普锐斯的记录。2.2.3克莱斯勒300混合动力图2-5克莱斯勒300目前，克莱斯勒汽车正在计划推出全新克莱斯勒300的首款油电混合动力车型，这款车型将会搭载八前速自动变速箱，并有望在2013年上市销售。据悉，全新克莱斯勒300插入式混合动力系统将不会采用原先

19、在道奇Durango和克莱斯勒Aspen上所使用的5.7升排量Hemi V8发动机混合动力系统，取而代之的是装备全新克莱斯勒Pentastar 3.6升V6发动机的混合动力系统。根据克莱斯勒汽车的规划，到2013年至少将有三款混合动力的量产车型上市销售。2.3其他国家混合动力汽车车型2.3.1 奔驰S级400 HYBRID德国豪华汽车生产商梅赛德斯-奔驰推出的首款混合动力轿车，也是世界首款量产的锂离电池混合动力豪华车-梅赛德斯-奔驰S400 HYBRID。奔驰在技术上的创新从来都不会中止，无论从安全、舒适、动力，还是环保与节能上，都成绩斐然，随着S400 HYBRID的出现这为全球汽车工业重新

20、树立环保豪华的新标杆。图2-6 奔驰S 400 HYBRID奔驰S400 HYBRID系统在3.5L的发动机和7挡自动变速器之间连接了一台15KW的电动机(e-motor)，还有用于能量储存的锂离子电池组，以及用于电能变换的电子系统以及一些辅助装置。同时，为了提高混合动的动耗比，这套混合动力系统还提供了Start/Stop自动启停功能以及制动能量回收和电传控制等功能。3.5L的汽油发动机可以输出279马力的最大功率和350牛米的最大扭矩。电动机可以输出20马力(15KW)的最大功率和160牛米的最大扭矩，因此总的最大输出功率可以达到299马力，最大扭矩达到385牛米，综合油耗达到8.0L/10

21、0km，二氧化碳排放量达到了同一级别最低的188g/km。2.3.2宝马ActiveHybrid X6宝马ActiveHybrid技术为驾驶者提供了依靠纯电力行驶、依靠发动机动力行驶及在两种动力结合的模式下行驶。在车速低于60公里/时的电动模式下行驶时，可实现零排放。宝马ActiveHybrid X6的动力系统由一台输出功率为300千瓦的双涡轮增压V8发动机及两台输出功率分别为67千瓦和63千瓦的电机组成。该系统最大输出功率为357千瓦，峰值扭矩为780牛米。这使BMW ActiveHybrid X6成为世界上最强劲的混合动力车辆。图2-7 宝马ActiveHybrid X6宝马ActiveH

22、ybrid X6在双模变速箱中集成了两台电机，提供两种工作模式。一种用于动态起步和低速行驶，另一种用于高速行驶，使其在各种负荷状况及车速下均能实现最大效率。同时，由两台电机、三个行星齿轮组及四个多片式离合器组成的7挡自动变速箱保证了车辆的舒适性及平稳性。制动或松开油门时产生的动能，可转变为电能存储到高性能蓄电池中。该系统的能量回收效率和输出功率比普通宝马车型所采用的制动能量回收系统高25倍。舒适性方面，在电动模式与发动机驱动模式下的驾驶体验基本一致。xDrive全轮驱动技术带前后全时可变动力分配功能，从而提高车辆的行驶能力。2.4国外各国未来发展前景2.4.1混合动力汽车产业发展计划近年来，美

23、、日、德等汽车工业强国先后发布了关于推动包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业发展的国家计划。美国奥巴马政府实施绿色新政，计划到2015年普及100万辆插电式混合动力电动汽车（PHEV）。日本把发展新能源汽车作为“低碳革命”的核心内容，并计划到2020年普及包括混合动力汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆,为完成这一目标,日本到2020年计划开发出至少38款混合动力车、17款纯电动汽车。德国政府在08年11月提出未来10年普及100万辆插电式混合动力汽车和纯电动汽车，并宣称该计划的实施，标志德国将进入新能源汽车时代。2.4.2动力电池发展计划动力电池成为各国政府在电动汽车领域支持的重中之重。

24、美国总统奥巴马09年8月宣布安排24亿美元支持PHEV的研发与产业化，其中20亿美元用来支持先进动力电池的研发和产业化。日本政府提出“谁控制了电池，谁就控制了电动汽车”，并组织实施国家专项计划，在2011年以前将投入400多亿日元用于先进动力电池技术研究，2010年左右新型锂电池将规模应用于下一代新能源汽车。德国从今年起启动了一项4.2亿欧元的车用锂电池开发计划，几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。国家的大量投入，充分调动了企业的积极性，目前国际主要汽车制造商不断加强与电池企业的合作，以动力电池突破为核心目标的强强联合与产业联盟不断涌现，动力电池技术研发和产业化进程明显加快。2.4.3政府政

25、策支持各国政府加大了政策支持力度，全力推进包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业化。美国对PHEV实施税收优惠，减税额度在2500美元和15000美元之间，同时美国政府对电动汽车生产予以贷款资助。09年6月23日，福特、日产北美公司和Tesla汽车公司获得80亿美元的贷款，主要用于混合动力和纯电动汽车的生产。日本从09年月日起实施新的“绿色税制”，对包括混合动力车、纯电动汽车等低排放且燃油消耗量低的车辆给予税赋优惠，一年的减税规模约为2100亿日元，是现行优惠办法减税额的10倍。法国对购买低排放汽车的消费者给予最高5000欧元的奖励，对高排放汽车进行最高2600欧元的惩罚。此外，欧盟计划在200

26、9年上半年发放70亿欧元贷款，支持汽车制造商发展新能源汽车；此外，美国新的汽车燃油经济性法规和欧盟新车平均二氧化碳排放法规，对汽车的技术要求大幅提高，如果不发展新能源汽车技术，汽车制造商将很难达到新法规的要求。3.混合动力汽车国内发展现状3.1我国发展混合动力汽车的必要性当前能源问题得到重视，环境污染严重，社会环保意识加强等众多社会问题，紧逼汽车产业向节约能源的绿色汽车业转型。我国已有10个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中，而机动车污染排放是城市空气污染的主要来源之一。再加上油价不断攀升，道路拥堵问题严重，因此，我国迫切地寻求发展耗油低、污染少的混合动力汽车。3.2市场概况目前，多

27、家主流整车企业，包括长安集团、上海大众、上汽集团、奇瑞汽车和上海华普等多家国内汽车企业均公布了自己的混合动力计划，混合动力成为目前国内车市新的热点。但从近几年的整车销售来看，尽管市场对混合动力等新能源汽车的呼声很高，但从市场表现来看，混合动力汽车仍然是市场上的配角。混合动力汽车还需多方扶持。3.3我国混合动力汽车技术发展现状目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创

28、新取得了重大进展。形成了具有完全自主知识产权的动力系统技术平台，建立了混合动力汽车技术开发体系。混合动力汽车的核心是电池（包括电池管理系统）技术。除此之外，还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。截止到2009年1月31日，在混合动力车辆技术领域，我国知识产权局受理并公开的中国专利申请为1116件。 在1116件专利申请中，发明为782件（授权为107件）、实用新型为334件。掌握了关键零部件核心技术，自主开发出

29、系列化产品，关键零部件产业化全面跟进。在混合动力汽车的核心电池技术研发方面，我国已自主研制出容量为6Ah-100Ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品，能量密度和功率密度接近国际水平，同时突破了安全技术瓶颈，在世界上首次规模应用于城市公交大客车；自主开发的200kW以下永磁无刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机，电机重量比功率超过1300w/kg，电机系统最高效率达到93；自主开发的燃料电池发动机技术先进，效率超过50%，成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级燃料电池发动机研发、制造以及测试技术的国家之一。与此同时，混合动力汽车关键零部件的产业化全面跟进，生产配套能力显著增强。在未来2-3年内，预计将形

30、成20亿Ah以上的动力电池和全系列驱动电机生产能力，能够满足100万辆混合动力及电动汽车的配套要求。掌握了电动汽车整车开发关键技术，形成了各类电动汽车的开发能力。我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现节油10%-40%。同时，各汽车企业对混合动力汽车的研发和产业化投入显著增强，产业化步伐不断加快。目前，国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视，一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力，混合动力车型已完成样车开发，并有部分车型已经实现小批量上市。3.4我国混合动力汽车重点车型介绍3.4.1比亚迪F3DM图3

31、-1比亚迪F3DMF3DM双模电动车搭载了BYD371QA全铝发动机，配合75KW的电机，输出功率达到125KW。在纯电动的模式下，F3DM双模电动车实现了目前世界上最长的续航里程100km，最高时速可达150公里/小时。不到15万元的售价是F3DM最大的资本，这几乎就是一辆普通的合资品牌同级车价格。F3DM的上市将预示着一个未来产业化的开始。3.4.2雷克萨斯RX450H 图3-2雷克萨斯RX450HRX450h采用了EVCT电子无级变速系统和最新人工智能换挡技术，百公里综合油耗只有6.8升，排放达到欧IV标准，是目前国内最环保的SUV车。3.4.3奇瑞A5混合动力车型与其它混合动力车型相比

32、，奇瑞A5属于“入门级”混合动力车型，但是它却以较简单的设计和低廉的成本实现了节油和减少二氧化碳排放的目的。尽管它看上去还比较粗糙，但在北京路面上行驶的混动版A5出租车足以说明这一车型的现实意义。图3-3奇瑞A5奇瑞A5属于弱混合动力，采用的BSG是一种具备怠速停机和启动功能的混合动力技术，其采用皮带传动方式进行动力混合。系统通过BSG系统快速地启动发动机，也就消除了发动机在怠速工作时的油耗、排放与噪声。BSG技术通过消除怠速运行状态下的燃油消耗和尾气排放，相当于降低汽车排量0.20.3L，等于每周少开一天车，可以节油10%左右。3.4.4广汽丰田凯美瑞混合动力版图3-4广汽丰田凯美瑞目前国内

33、最成熟的新能源轿车非凯美瑞混合动力版车莫属。凯美瑞混合动力外观独特，银色水箱格栅质感十足，炯炯有神的前大灯透着淡淡的蓝光，让凯美瑞前脸呈现一种贵族气息。凯美瑞的尾灯同样独特，尖锐的线条和中间的缝隙都体现了丰田公司在细节方面下的功夫。内饰方面继承了丰田内饰的优良传统，车厢空间宽敞。内饰舒适美观。中控台设有能量检测器，能够清晰的显示行驶时的能源情况以及电池的变化。用瞬时油耗表取代了转速表，使显示更加人性化。动力方面，凯美瑞混合动力版配备丰田特有的直列四缸VVT-i3AZ-FXE发动机以及同步交流永磁式电动机。最大功率为110kW，最大扭矩187Nm/4400rpm，综合工况油耗6.0L/100Km

34、；电动机最大功率为105kW，最大扭矩为270Nm。如果处于油电混合动力系统，最大功率将达到140kW，最大扭矩达270Nm。百公里加速时间为9.5s。凯美瑞无论从动力还是内饰都很优秀，外形设计新颖，新能源方面技术成熟，功率较高，油耗较低，加之丰田汽车优秀的品牌，凯美瑞是当今国内朋友购买混合动力轿车很好的选择。但由于凯美瑞的无插电式设计，不能享受国家新能源补贴，造成凯美瑞价格较高。不过总体来说，低油耗和环保不但切合当今社会的主题，也是无数车主迫切需要的。3.5全球混合动力汽车未来发展前景08年全球混合动力汽车需求量48万辆，JP摩根证券预测， 2020年将增至1128万辆，相当于08年23倍，

35、占汽车总销量13.3%。按地区分布看，北美349万辆，欧洲346万辆，中国197万辆，日本70万辆。混合动力汽车增长将会带动电池等相关产业。08年全球汽车电池市场规模约800亿日元，2020年将增至1万零540亿日元。再加上其他零部件及发动机等主要部件，预计每年混合动力汽车相关产业市场规模约2万多亿日元。混合动力汽车增长还将带来一场新的产业技术革命。随着车体轻量化，以钢铁为主材料的车身可能会被碳素纤维所取代，传统的锻轧和焊接工艺可能向一次成型和粘合方向转化。4. 混合动力电动汽车关键技术4.1 HEV的结构及特点目前国内外研究的HEV有多种结构,按动力系统布置可分为串联式混合动力汽车( SHE

36、V) 、并联式混合动力汽车( PHEV) 、混联式混合动力汽车( PSHEV)和复合式混合动力汽车(CHEV) 。4.1.1串联式混合动力汽车( SHEV)SHEV的动力系统结构是HEV中最简单的一种(图1) 。发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能,该电能可通过功率转换器为蓄电池充电,或经由电动机和传动装置驱动汽车。SHEV以电动机为主驱动装置,发动机为辅助动力装置以提高行驶里程。由于发动机与驱动车轮之间没有直接的机械连接,发动机不受汽车行驶工况影响,易运行在高效区。但是SHEV的能量转换、传输环节多,造成能量转换效率低,使得燃油利用率比较低。图4-1 串联式混合动力汽车4.1.2并联式

37、混合动力汽车(PHEV)PHEV采用发动机和电动机两套驱动系统(图2) ,可采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或发动机和电动机联合驱动3种工作模式。在汽车需要大功率输出时,发动机和电动机联合驱动汽车,所以此时发动机和电动机的额定功率选较小值就可以达到动力要求。在汽车减速或刹车时,电动机工作在发电状态,向蓄电池充电,即再生制动。与SHEV相比较, PHEV的发动机和电动机的功率较小,但结构复杂、控制难度大。图4-2 并联式混合动力汽车4.1.3混联式混合动力汽车( PSHEV)PSHEV在结构上综合了SHEV 和PHEV 的特点,如图3所示。与SHEV相比,它增加了机械动力传递路线;与PHEV相

38、比较,它增加了电能的传递路线。发动机和电动机可选择比较小的功率,控制策略灵活,发动机可以比较容易的工作在高效率区域。但是, PSHEV结构复杂,成本高。图4-3 混联式混合动力汽车4.1.4复合式混合动力汽车(CHEV)CHEV结构更加复杂,如图4所示,一般用于双轴独立系统,相当于一套完整的串联系统加上一套完整的并联系统,工作模式更加多样化, 成本最高, 控制系统也最复杂。图4-4 复合式混合动力汽车4.2混合动力汽车需要解决的问题4.2.1两种动力的最优分配控制两种动力的最优分配控制。HEV 两种动力如何分配，使发动机始终在最佳工作范围内，使油耗和排污最低，使电动机发挥其最大优点，最大限度地

39、吸收制动能量和减少电池的能量消耗。4.2.2能量存储装置能量存储装置。汽车加速和爬坡时要求电池具有较高的比能量和比功率。电池还要有快速充电能力、提高充放电效率、降低成本和延长使用寿命。4.2.3混合动力单元技术混合动力单元技术。要提高混合动力单元燃料经济性，降低排放，目前的研究主要集中于：一是燃烧系统的优化；二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统；三是代用燃料的研究。4.2.4电力驱动系统电力驱动系统。电机必须要具有良好的可控性和容错能力，以及具有低噪声、高效率的特点。4.3混合动力汽车电池HEV的成败关键在于电池,电池也是一直制约混合动力汽车发展的关键因素。HEV在匀速行驶时,由发动机

40、提供能量,电池组基本上处于不充不放的状态;汽车行驶需要大功率时(如加速、爬坡、高速等) ,电池组放电,释放能量;汽车行驶需要小功率时(如低速、停车等) ,电池组充电,积蓄能量。4.3.1 HEV对电池的特殊要求一般情况下, 混合动力系统的动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环。在充放电过程中, 电压、电流可能有较大变化。针对这种使用特点, 混合动力系统对电池有如下几方面的特别要求大功率充放电的能力。（1）质量比功率和体积比功率是衡量电池快速放电能力的指标, 相对于能量要求, 混合动力系统的电池对比功率的要求更高。同时, 混合动力系统在制动能量回收或低功率调峰时要求电池能够在短时间内接受大量的能

41、量。目前的高功率电池往往存在快速充电接受能力差的问题。提高电池快速充电接受能力比提高电池的比功率更加紧迫和关键。（2）充放电效率。混合动力电动汽车中内燃机发出的相当一部分能量须经历充电一放电的能量循环, 高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。（3）混合动力系统的电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定。混合动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数也是对电池的基本要求。另外HEV电池SOC工作范围在50%左右,波动一般不超过20%。这是因为HEV要求电池留有足够的余量,以保证车辆制动时可以充分吸收能量,并不致使电池过充后降低寿命,甚至破坏电池。此外, 作为车

42、用动力电池, 还有一些基本要求电压、质量比能量和体积比能量、质量比功率、循环寿命、免维护性以及成本等。4.3.2 HEV电池的发展至今为止,电动汽车用电池经历了三代的发展,已取得了突破的进展。第一代是铅酸电池,主要是阀控铅酸电池(VRLA) ,由于其比能量高、价格低和放电倍率高,成为目前唯一大批量生产的电动汽车用电池。第二代是碱性电池,只要有Ni2Cd, Ni2MH, Na /S,L i2ion和Zn /Air等多种电池,其比能量和比功率都比铅酸电池高,大大提高了电动汽车的电动能力和续驶里程,但是价格比铅酸电池要高。第三代是以燃料电池为主的电池,燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能,具有能量转

43、换效率高、比能量高、比功率高、控制反应过程可控、能量转化过程可连续的特点,因此是理想的汽车用电池,现正处于研制阶段,一些关键技术还有待突破。从目前车用电池的发展来看,镍氢电池可能是HEV动力能源的首选电池,它已经规模化生产,性能稳定,其质量比、体积比功率、电池寿命和重复充放电次数方面已经达到美国先进电池联合会(USABC)性能指标。另外,一种叫质子交换膜的燃料电池( PEMFC)的能量转换效率是普通内燃机热效率的23倍;同时它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性,使得PEMFC非常适合用作交通工具的动力源,有关专家预言: 21世纪燃料电池电动汽车可能成为汽

44、车的主体。HEV尚在试验阶段的其它储能技术（1）飞轮电池:飞轮电池比能量高、比功率大、充电快、寿命长、无污染等优点, 但目前技术难度和成本都较高。(2)超级电容:虽然能量密度较低, 但却拥有很高的功率密度, 能在瞬时提供很大的电流和功率, 同时寿命长、效率高、充电快, 是混合动力系统中很有前途的一种瞬时供能装置。除了这两种还有很多种研究这的电池，它们都有着寿命长、环保等优点,在未来的车用电池中也必将占有一席之地。4.3.3 HEV电池管理系统电池管理系统是整车能量管理系统的一部分。整车能量管理策略的实施要依赖电池管理系统对电池状态的判别和对电池性能的维护。目前着力于多个电池串、并联使用,为管理

45、此更新的电池类型,需要采用嵌入式控制器来监视电池组的工作情况。大型HEV电池组可能包含200个甚至更多的独立电池,因此对所有电池进行单独监控是不现实的,而嵌入式处理器的可根据电池技术的多重特性、不同电池组之间的电压以及流入或流出电池组的电流来估计电池的电量状态。当铿电池或镍氢(Ni2MH)电池的电量耗尽到低于闭值时,镍氢电池和铿电池将很快损坏,不过嵌入式处理器可测定电量状态,并在电池组或单个电池的电压低于闭值前关断系统。但也不可对铿电池和镍氢电池进行过充电,以尽量延长电池组的使用寿命。一般来说，电池管理系统的基本功能应该具有：（1）安全保护功能在电池闲置（停机）状态、工作状态（充电、放电）下，

46、对电池模块进行监测，一旦电池温度、电压、电流超出设定极限值时，管理系统能够立刻关闭电池模块输出，并警告使用者。闲置状态时，主要检测电池温度是否过高，电路有否短路（短路时电压为0V）等。工作状态时，主要进行充电过压、放电欠压、充电过温、放电过温、放电过电流、短路以及充满电停止等保护功能，还可以加入充电过电流等人们需要的其他功能。（2）电池模块状态监测、统计、输出数据功能随时监测统计电池电压、温度、工作电流、内阻等性能参数；及时计算电池剩余容量，以便用户随时了解电池模块的使用状态；这样，使用者可以随时知道电动车的续航里程，找准机会进行充电，避免半路抛锚的情况发生。检测到的数据超出设定极限值时，及时

47、通知驾驶者，方便其作出判断，是否要进行充电，充满电否，温度过高否，放电电流过大否，是否有短路，剩余电池容量还能续航多远，等等。（3）一致性补偿功能当电池之间有差异时，有一定措施进行补偿，保证电池组表现能力更强，并有一定的手段来显示性能不良的电池位置，以便修理替换。一般采用充电补偿功能。设计有旁路分流电路，以保证每个单体都可以充满电，这样可以减缓电池老化的进度，延长电池的使用寿命。（4）电池温度控制功能电池在充电、放电的过程中，温度一般会有所升高，有时会达到安全极限，为了能保证电池模块能持续工作，安装并控制冷却装置也是必要的，可以采用分级风冷的措施，这样既能有效降低电池温度，又可以节省能源（电量

48、），有利于电动车续航里程。因为有的地方、季节环境温度过低（-20摄氏度都有），不利于电池使用，可以考虑增加升温装置，这样，才有利于电池性能的发挥。4.4 HEV电机驱动系统电机驱动系统是电动汽车的原动机,是心脏,是HEV的关键核心技术之一。电机驱动系统是由电动机和驱动控制器两部分组成。电动机是一种将电能转化为机械能的装置,为满足整车动力性能的需要,对电动机的具体要求为: 1)瞬时功率大、功率密度高、过载能力强; 2)效率高; 3)运行速度范围要广,高、低速综合效率也要高。电动机在低速区具有恒转矩特性,在高速区具有恒功率特性,其转矩和功率控制特性如图4-6所示; 4)结构简单牢固,耐冲击、颠簸、

49、运行可靠,免维护,低成本等。图4-5 电动机驱动控制器是将电池的电能转换为适于电动机运行的另外一种电能变换控制装置。通过这种变换和控制使电动机处于上述要求的运行最佳工作状态,以满足HEV实际行驶工况的需要。驱动控制系统结构简单,控制精度高,动态响应好,系统可靠性高,成本低等。图4-6 电动机转矩和功率控制特性不同结构系统对驱动电机的要求不同.4.4.1串联式动力串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，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

50、动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况况时，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，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。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佳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。使发动机避免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。4.4.2并联式动力并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的

51、路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。4.4.3混联式动力混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力

52、源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。目前发展中的“ 42V系统” 实际上就是一种“ 轻度复合” 方案。用于HEV的电机必须要具有良好的可控性和容错能力以及具有低噪声、高效率的特点,同时具有对电压波动不敏感等性能。用于HEV的电机类型有交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机。其中交流感应电机较具有代表性,但这种电机很难解决其功率和效率之间的矛盾,因此需要能够适用于HEV的具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机的先进电机来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也应有深入的研究。4.5 HEV逆变器设计4.5.1逆变器的结构图4-7 逆变器的

53、结构1我们继续来深入分析上面这个结构：图4-8逆变器的结构2逆变器的整体结构与功能：逆变器的作用是利用与主电池的直流电源桥接的6个功率元件，将直流电转换为三相交流电，向马达供电（图4-9）。在这里，功率元件是指IGBT（绝缘栅型双极晶体管）与二极管（续流二极管）的组合。图4-9逆变器的6个功率元件4.5.2控制原理首先，HEV和ECU根据显示驾驶员油门踏板操作量的油门开度指令计算出所需的驱动转矩，发出IGBT的驱动信号。此时，根据电压相位与转子位置的关系求出的转矩不固定，因此需要以检测转子位置能够获得最大转矩为前提，确定通电的时机。IGBT的驱动使用PWM（脉宽调制）控制，工作方式是从功率元件

54、输出电压可变的正弦波三相交流电，控制驱动转矩。逆变器设计关键技术包括：主电路参数计算；散热器和风机计算；数字控制电路设计和软件设计；总体结构设计。逆变器的控制算法由数字控制电路完成，数字控制电路包括两大部分：电源及功率器件驱动板和数字控制电路板。 数字控制电路板的核心芯片使用TI公司的TMS320F240，它接收外部命令，检测外部模拟信号，完成复杂的数字控制算法，产生PWM脉冲；使用CPLD芯片作为外围接口芯片；使用AMP防水插座接收外部信号。 由于HEV传动系统的速度和转矩变换范围非常大，系统采用的是有速度传感器的转子磁场定向控制。4.6整车系统集成整车系统集成关键技术包括：动力系统参数匹配

55、、整车能量控制系统、再生制动系统、车用数据总线以及先进车辆控制技术在混合动力汽车上的应用等。4.6.1动力系统参数匹配混合动力系统的参数匹配是混合动力汽车设计的一个重要内容，直接影响混合动力汽车将来的排放和燃油经济性能，它包括合理的选择和匹配发动机功率、动力电池容量和电机的功率等，以确定车辆的混合度，组成性能最优的混合驱动系统。由于动力系统有多种不同的组合方案，并且参数设计具有较大的自由度，计算机仿真优化是进行混合动力系统参数匹配的一个重要手段。 4.6.2整车控制管理系统混合动力汽车兼有传统燃油汽车和纯电动汽车的优点，是二者的完美结合，这个结合的纽带就是混合动力汽车的整车能量控制系统，整车能

56、量控制系统的主要功能是进行整车功率控制和工作模式切换的控制。整车能量控制系统如同混合动力汽车的大脑，指挥各个子系统的协调工作，以达到效率、排放和动力性的最佳，同时兼顾行驶车辆的平顺性。 混合动力电动汽车的能量管理系统普遍采用分级分布式结构, 如图7所示。最上层为能量管理系统的决策单元一, 统一协调和控制各个低端控制器中间一层包括多个低端控制器最下层为各个执行器。能量管理系统的决策单元接受驾驶员输人的指令、各个执行器的信息和环境信息, 协调各子系统的工作。图4-10混合动力汽车整车能量管理系统整车能量控制系统根据驾驶员的操作，如加速踏板、制动踏板、换档杆的操作等，判断驾驶员的意图，在满足驾驶员需求的前提下，分配电机、发动机、电池等动力部件的功率输出，实现能量利用率的最优管理，使有限的燃油发挥最大的功效。目前的混合动力汽车都不需要外部充电，与传统汽车一样，其整车驱动能量全部来自于发动机的燃油热能，电机驱动所需的电能是燃油热能在车辆行驶中转换为电能后储存在蓄电池中的，图1所示为混合动力汽车的能量转换示意图。能量管理策略的目标，就是使燃油能量转换效率尽可能高。图4-