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1、混合動力汽車研究,作者：安月強 指導(dǎo)老師：李根寶,混合動力汽車研究,一、電動汽車簡介 二、混合動力車的主要形式 三、混合動力汽車的技術(shù)難點 四、混合動力汽車的設(shè)計方案 五、混合動力汽車典型車型介紹,一、電動汽車簡介,1.電動汽車的主要類型a.純電動汽車（Electric Vehicle，EV）：是滿足零排放的最好汽車；能量密度低、續(xù)駛里程短、充電時間長等，其性能價格比太低，充電站網(wǎng)的建設(shè)困難可能要大于研制、生產(chǎn)電動汽車本身 。 b.燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CV）：具有極高的效率、低排放、低噪音，其甲醇燃料有廣泛的來源，并可再生等重大優(yōu)勢，但產(chǎn)業(yè)化仍需較長時間。 c.

2、混合電動汽車（ Hybrid E1ectric Vehic1e，HEV）：混合電動汽車成為當(dāng)前解決節(jié)能、環(huán)保問題切實可行的過渡方案。,,混合電動汽車是車上裝有內(nèi)燃機和電動機兩種動力源。將產(chǎn)生動力的部件與電能儲存元件以不同的方式結(jié)合起來，可以形成不同類型的HEV。 輔助動力單元（APU）的選用使汽車的續(xù)駛里程和動力性能可以達(dá)到內(nèi)燃機汽車的水平； 減少了汽車變工況（特別是低速、怠速）時的排放 可回收制動能量，達(dá)到節(jié)能目的； 產(chǎn)業(yè)化前景廣闊： 不用改變現(xiàn)有汽車企業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu) 不必改變現(xiàn)有能源（燃油）的生產(chǎn)供給體系 不會改變駕駛員對汽車的使用習(xí)慣,,2. 混合動力汽車的設(shè)計目標(biāo)： 綜合考慮燃

3、油經(jīng)濟性，排放，成本，達(dá)到令人滿意的性能。,,3.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 90年代以來，日本、美國、歐洲汽車公司紛紛開始研制混合動力型汽車。 在日本，豐田、本田、日產(chǎn)等大公司分別研制了自己的混合動力轎車，技術(shù)水平世界領(lǐng)先。 美國能源部與三大汽車公司簽訂了混合動力汽車開發(fā)合同，“它預(yù)示了未來汽車的發(fā)展方向”。 在歐洲，法國PSA集團推出了貝靈格型和XSARA型混合動力汽車，德國西門子和波許（BOSCH）等著名零部件公司也積極與大汽車公司聯(lián)手開發(fā)混合動力汽車技術(shù)。 在我國，90年代中期開始對混合動力汽車技術(shù)表示了極大的關(guān)注，并積極著手研制開發(fā)樣車。目前規(guī)模較小，技術(shù)方案大多雷同。99年以后，東風(fēng)集團

4、著手研制混合動力汽車，目前已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。,二、混合動力汽車的布置形式及特點,1串聯(lián)式混合動力汽車 2并聯(lián)式混合動力汽車 3混聯(lián)式混合動力汽車,1、串聯(lián)式混合動力汽車,串聯(lián)式混合驅(qū)動系統(tǒng)由電動機驅(qū)動汽車行駛，發(fā)動機與發(fā)電機集成為輔助動力單元（APU）。發(fā)動機在最佳工況點附近驅(qū)動發(fā)電機以相對穩(wěn)定的工況運行。 當(dāng)發(fā)電機發(fā)出的功率無法滿足汽車行駛時對功率的需求時（如起動、高速行駛、爬坡等），電池組可以向電動機提供額外的電能； 當(dāng)發(fā)電機發(fā)出的功率超過汽車行駛時對功率的需求時（如低速、滑行、停車等），發(fā)電機向電池組充電。 串聯(lián)式混合動力汽車具有以下特點： 由于發(fā)動機與電動機之間沒有直接的機械連接，使

5、整車布置自由度較大；汽車具有良好的經(jīng)濟性和低的排放指標(biāo)；并可采用燃?xì)廨啓C、轉(zhuǎn)子發(fā)動機等其他型式的發(fā)動機。 電力驅(qū)動模式是其唯一的驅(qū)動模式，控制技術(shù)較為簡單。但三大動力總成的功率較大，外形和質(zhì)量都較大，這種布置形式在中小型汽車上不易實現(xiàn)。 在熱能電能機械能的能量轉(zhuǎn)換過程中，能量損失較大，能量利用率比內(nèi)燃機汽車低。 該布置形式更適合于路況復(fù)雜的城市內(nèi)公路和山區(qū)公路行駛的車輛。在環(huán)保要求高的市區(qū)，汽車在起步和低速時也可關(guān)閉發(fā)動機，進(jìn)入電動狀態(tài)，使汽車達(dá)到零排放的要求。,2、并聯(lián)式混合動力汽車,并聯(lián)式布置保留了發(fā)動機和后續(xù)驅(qū)動系統(tǒng)的機械連接，由儲能裝置所提供的動力在原驅(qū)動系統(tǒng)的某一處和主動力匯合，或者

6、發(fā)動機和電動機產(chǎn)生的力完全分開用以驅(qū)動不同的驅(qū)動橋。即汽車可由發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動或各自單獨驅(qū)動。 并聯(lián)式混合電動汽車的結(jié)構(gòu)形式更象是附加了一個電動機驅(qū)動系統(tǒng)的普通內(nèi)燃機汽車。并聯(lián)混合動力系統(tǒng)同串聯(lián)混合動力系統(tǒng)的布置比較起來，其布置結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，實現(xiàn)形式也趨多樣化。 并聯(lián)式混合動力汽車具有以下特點： 發(fā)動機保持了與機械驅(qū)動系統(tǒng)的機械聯(lián)系，因而發(fā)動機一般依然選用傳統(tǒng)的往復(fù)式內(nèi)燃機，使整車的動力性能得到了保證；但這種聯(lián)系使發(fā)動機可能較多地在不良工況下運行，發(fā)動機的排放要略差。發(fā)動機工作點的優(yōu)化相對困難，整車控制技術(shù)較復(fù)雜。 系統(tǒng)可采用小功率的發(fā)動機與電動/發(fā)電機，使得整車動力總成尺寸小、質(zhì)量較輕

7、。但發(fā)動機與機械驅(qū)動系統(tǒng)的機械聯(lián)系，增加了整車布置的難度。 發(fā)動機輸出能量的利用率較高。 該布置形式適合于路況簡單的城市間公路及高速公路行駛的車輛。當(dāng)汽車進(jìn)入市區(qū)行駛時，關(guān)閉發(fā)動機，進(jìn)入電動狀態(tài)；當(dāng)汽車在市郊公路行駛時，關(guān)閉電動機，由發(fā)動機直接驅(qū)動。,3、混合式混合動力汽車,混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的布置方案是串聯(lián)式布置和并聯(lián)式布置的綜合。發(fā)動機發(fā)出的功率一部分通過機械傳動輸送給驅(qū)動橋，另一部分則驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電機發(fā)出的電能由控制器控制，輸送給電動機或電池，電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力矩通過動力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動橋。 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的控制模式是控制器根據(jù)油門踏板的開度，一方面控制電子油門的開啟程度，另

8、一方面確定發(fā)動機的動力用于直接驅(qū)動汽車部分和用于發(fā)電部分之間的分配比例，準(zhǔn)確控制并協(xié)調(diào)發(fā)動機和發(fā)電機驅(qū)動力，如果蓄電池電量SOC下降，控制器控制發(fā)電機發(fā)電為蓄電池充電。 具有以下特點： 該系統(tǒng)適合各種行駛條件，具有良好的燃油經(jīng)濟性和排放性能。且不需外界充電，續(xù)駛里程與內(nèi)燃機汽車相當(dāng)，是最理想的混合電動方案。 由于發(fā)動機與發(fā)電機、電動機以機械方式聯(lián)接，機械裝置較復(fù)雜，整車布置有一定的難度，發(fā)動機多為傳統(tǒng)的車用內(nèi)燃機。 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)可采用小功率的電動機和發(fā)電機，減少電池的數(shù)量。但其控制系統(tǒng)技術(shù)含量高，控制元器件價格高，整車價格較高。,三、混合動力汽車的技術(shù)難點,整車的集成和優(yōu)化匹配技術(shù)研究；

9、 整車控制策略和整車控制器的開發(fā)研究； 動力總成的機電耦合技術(shù)研究，混合動力專用電控全自動機械變速箱的開發(fā)； 大功率、高轉(zhuǎn)速、大啟動扭矩風(fēng)冷式開關(guān)磁阻電機及其控制器的開發(fā)與研究； 混合動力車專用高比功率鎳氫電池及其管理系統(tǒng)的開發(fā)與研究； 混合動力車專用高效低排放電控內(nèi)燃機（康明斯電控柴油機）的開發(fā)與適配； 汽車典型運行工況仿真技術(shù)的研究。 開發(fā)與研制混合動力總成。,四、混合動力汽車的設(shè)計方案,1、任 務(wù) 2、系統(tǒng)原理框圖 3、整車驅(qū)動力分配圖 4、運行工況分析 5、控制策略表 6、車載信息系統(tǒng),1、任務(wù),根據(jù)司機踏板位置，整車ECU通過計算和查表，發(fā)出指令給發(fā)動機ECU和電機ECU。 在制動時

10、，整車ECU給電動機ECU發(fā)出能量回收再生發(fā)電控制命令。 根據(jù)蓄電池的狀態(tài)，決定電動機是否處于發(fā)電狀態(tài)。,2、系統(tǒng)原理框圖,3、整車驅(qū)動力分配圖,4、運行工況分析,點火開關(guān)置空檔 系統(tǒng)不工作。 停車充電 當(dāng)車速降為零，油門踏板也為零時，判斷蓄電池的荷電狀態(tài)，當(dāng)其小于50%，發(fā)動機工作，利用空擋帶動電動機（此時用作發(fā)電機）給蓄電池充電，對發(fā)動機進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制；若荷電狀態(tài)高于70%，系統(tǒng)停止工作。 起步過程 油門開度加大，發(fā)動機轉(zhuǎn)速上升，駕駛員踩下離合器后，掛檔，然后緩慢松開離合器，在此過程中，汽車開始起步。此時，由發(fā)動機ECU對發(fā)動機進(jìn)行齒桿控制，并判斷發(fā)動機轉(zhuǎn)速是否在經(jīng)濟轉(zhuǎn)速，由儀表ECU

11、給出升降檔指示。,,起步加速 起步過程后，離合器踏板全松，車速不為零。在低轉(zhuǎn)速下，由加速踏板位置和發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne查整車Map圖得到駕駛員所需要的轉(zhuǎn)矩T，再由（、ne）查表得發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Te ，由電動機提供T-Te部分的，即發(fā)動機和發(fā)電機共同工作，在低速實現(xiàn)等轉(zhuǎn)矩；在高速時，由發(fā)動機單獨驅(qū)動，電動機空轉(zhuǎn)，并判斷ne是否在經(jīng)濟轉(zhuǎn)速，若不在，由儀表ECU給出升降檔指示。（由查表，若ne對應(yīng)TTe，ne為低轉(zhuǎn)速，否則為高轉(zhuǎn)速）。,,全松加速踏板 油門由某值變?yōu)榱悖l(fā)動機ECU對發(fā)動機進(jìn)行怠速控制，電動機不控制，空轉(zhuǎn)。 勻速行駛 在行車過程中，若油門的變化量小于某值，認(rèn)為駕駛員想勻速行駛。由（、ne

12、）查表得發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Te和駕駛員所需要的轉(zhuǎn)矩T，在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時，若電池的荷電狀態(tài)大于50%，T- Te部分轉(zhuǎn)矩由電動機提供，若電池的荷電狀態(tài)小于50%，由發(fā)動機單獨驅(qū)動。在發(fā)動機高轉(zhuǎn)速時，若電池的荷電狀態(tài)大于70%，由發(fā)動機單獨驅(qū)動；若電池的荷電狀態(tài)小于70%，電動機ECU控制電動機為發(fā)電機工況，給蓄電池充電。整個過程中，要判斷發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne是否在經(jīng)濟轉(zhuǎn)速，若不在，由儀表ECU給出升降檔指示。 制動或減速 當(dāng)油門踏板全松，踩下制動踏板，發(fā)動機ECU對發(fā)動機進(jìn)行怠速控制，電動機ECU控制電動機為發(fā)電機，電力制動和機械制動同時工作。,,純電動運行 在運行過程中，若車速小于10km/h，蓄電池的

13、荷電狀態(tài)大于某值，可使發(fā)動機停機，由電動機驅(qū)動汽車，實現(xiàn)純電動。,5、控制策略表,6。、車載信息系統(tǒng),五、混合動力汽車典型車型介紹,豐田汽車公司Prius 該車采用了獨特的混聯(lián)方式，行星齒輪軸（行星架）與發(fā)動機相聯(lián)接，利用行星齒輪將動力傳遞給外圈的齒環(huán)和內(nèi)圈的中心輪。齒環(huán)的軸直接與電動機和傳動軸相聯(lián)接，然后與驅(qū)動橋聯(lián)接。中心輪軸與發(fā)電機聯(lián)接。行星齒輪機構(gòu)各軸轉(zhuǎn)速關(guān)系如下： ng+nr=(1+) ne (1) 式中：行星齒輪比（中心輪齒數(shù)/齒圈齒數(shù)） ng中心輪轉(zhuǎn)速 nr齒圈轉(zhuǎn)速 ne行星架轉(zhuǎn)速 由上式可知，在車輛加速和減速時，可以通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速協(xié)調(diào)發(fā)動機和電動機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)動力分配，達(dá)到電控?zé)o級自動變速箱的功用，并取消了傳統(tǒng)的汽車離合器。先進(jìn)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了車輛的電力起步，停車，低速運行，減速時發(fā)動機自動關(guān)機確保發(fā)動機在高效率范圍內(nèi)工作，該車的排放與傳統(tǒng)的汽油機車輛相比CO2下降50%，HC、CO和NOx排放可降低90%左右，燃油節(jié)省一半。,