混合动力电动汽车技术

混合动力电动汽车技术（共12篇）

混合动力电动汽车技术 篇1

据相关资料显示, 近年来, 随着我国人民生活水平的提高, 车的需求量也在逐渐增长, 我国的汽车行业迎来了迅猛发展的好时机。而对大多数国家而言, 汽车工业是国家经济发展的重要支柱产业。我国进入改革开放以后, 我国的汽车行业也进入了高速发展和快速增长时期。但是, 在此过程中, 由于汽车尾气的排放对大气环境造成的环境污染现状也是不容乐观的, 逐渐引起了世界国家和社会的普遍关注, 而混合动力电动汽车技术因为其显著的特点逐渐获得社会的认可, 可有效地降低汽车尾气的排放。因此, 混合动气电动机车技术的开发对国民经济和生活来说都具有重大的意义。

1. 现状及发展前景

近几年来, 随着世界各国关于环境保护的各项举措变得越来越严格, 汽车行业中用新能源替代燃油发电机的有关方案也在逐渐增多。新能源汽车主要技术包括混合动力、纯电动、清洁柴油以及燃料电池技术等, 其中混合动力电动汽车技术逐渐获得人们的青睐。

1.1 混合动力电动汽车技术的现状

在我国, 混合动力电动汽车技术的研究与开发工作始于20世纪90年代。在“十五”期间, 我国科技部组织国内多所高校、多家企业以及科研机构进行联合探索, 确定了“三横三纵”的研发格局。该研发布局以燃料电池汽车 (FCEV) 、混合动力电动汽车 (HEV) 、纯电动汽车 (BEV) 车型为“三纵”, 动力蓄电池及其管理系统、多能源动力总成控制系统和驱动电机及其控制系统为“三横”。在研发的过程中, 虽然小有成就, 但是还是存在制造成本高、能源利用率低等问题, 需要相关工作人员不断对该技术进行修改和优化。

1.2 混合动力电动汽车技术的发展优势

在我国的汽车行业中, 混合动力电动汽车技术将在未来获得广大的发展空间。混合动力电动汽车HEV, 顾名思义, 是指安装有两个及两个以上的动力源, 目前最常使用的是汽油 (柴油) 和电力两种能量形式。该技术具有以下优点:第一, 由于内部安装电池, 在制动、下坡以及怠速时能量可以很方便地进行回收;第二, 采用混合动力后, 汽车可根据平均需要的功率来确定内燃机的最大功率, 有效降低油耗, 减少污染;第三, 内燃机的存在可有效解决空调、取暖、除霜等设备能耗大的问题, 有效节约资源;第四, 在繁华市区, 可关闭内燃机, 实现“零”排放;第五, 可利用现有的加油站进行加油, 不需要额外的设备, 减少投资;第六, 可将混合动力电动汽车内部安装的电池在良好的工作状态下运行, 延长其使用寿命。混合动力电动汽车技术还可以应用在大型车辆上, 拓宽混合动力系统的应用范围, 这也是今后该技术发展的一大方向, 对于混合动力系统的批量化大生产帮助很大。

2. 研制开发过程的要点

我国关于混合动力电动汽车技术的研究现状, 其汽车尾气的排放和对环境带来的影响等已经达到了我国能源利用率和汽车尾气排放等方面的标准, 但是在实际的使用过程中仍然会存在一些不足之处。在研发的过程中, 除了注重降低混合动力电动汽车的制造成本以外, 还应该注意以下要点:其一, 混合动力电动汽车还应具备汽车行业对于动力性能的要求, 以求变得更好;其二, 混合动力电动汽车应具备良好的燃油效益, 可达到节约资源的目的;其三, 在设计的过程中应使其具有清洁环保和经济实用等优点。在研发过程中, 根据上述几点要求, 我国的科研人员需要对混合动力电动汽车进行不断地修改和完善, 并借鉴国外优秀的技术, 增强自主创新能力, 不断提升混合动力电动汽车的可靠性, 解决其内部电池的使用寿命和节约性等问题。

3. 需要解决的问题和关键技术

在国内, 混合动力电动汽车技术的研发还不是很完善、很到位, 因此在研制开发过程中仍然存在很多问题。为了降低汽车尾气排放对大气造成的污染, 保护我们赖以生存的环境, 下面将针对混合动力电动汽车在研发的过程中需要解决的问题和关键技术进行分别论述。

3.1 混合动力电动汽车需要解决的问题

具体来讲, 混合动力电动技术在发展的过程中, 仍然需要解决的问题主要包括以下几个方面:其一, 混合动力系统本身是一项难度系数较高的研究项目, 相对于其他技术而言, 制造成本也高, 在使用的过程中出现故障的话维修起来比较困难, 有关设备的售价较高, 成本较高;其二, 在运行的过程中, 车况随时可能发生变化, 这就要求混合动力电动汽车的电池需要经受不同程度的电流充放电循环, 内部安装的电池必须具备较高的能量密度、功率密度以及比功率, 以满足混合动力电动汽车在加速和爬坡时对大功率的需要;其三, 混合动力汽车的能量管理系统和动力分配装置是对各种可能出现的运行状况进行管理控制的环节, 其要求较高, 具有技术难度大和加工精准度高等要求, 因此需要先进的配备设备, 以提高整个系统的转化效率, 满足我国关于环境标准的排放要求;其四, 混合动力汽车为了满足购车人的需求, 在研发的过程中应建立一套比较先进的驱动系统的数学模型, 模拟各类可能出现的突发状况, 保障驾驶人员的生命安全, 进行计算机仿真并不断根据结果进行修改和完善。

3.2 混合动力电动汽车需要研究的关键技术

据相关资料调查显示, 我国的混合动力电动汽车还处于发展阶段, 虽然已经取得了进步, 但是在研发的过程中还存在很多技术问题。当前, 我国的混合动力电动汽车技术还存在成本较高、难度较大等问题。具体而言, 我国的相关技术人员要针对下面几项关键技术进行具体研究:

(1) 控制策略技术

混合动力电动汽车技术在研发的过程中, 最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定不同的控制策略并不断对其进行优化。该环节根据汽车在行驶的过程中对动力系统的能量要求, 按照不同的程度, 对发电机和电动机系统的输出功率进行动态分配。在该技术的研发过程中, 如何在动力源之间实现能量合理分配是混合动力技术的关键。能量的合理分配, 不仅能保证汽车性能质量良好、降低发动机的燃油消耗, 还能保证内部安装的电池状态良好。因此, 混合动力系统的研发不仅在电力电子技术、软件技术和计算理论与算法, 而且在执行元件的设计难度系数都比较大。

(2) 混合动力单元技术

在混合动力电动汽车技术的应用过程中, 其混合动力单元即为混合动力电动汽车的热力发电机。混合动力电动汽车又分为串联和并联两种方式, 其中, 在串联汽车上, 混合动力单元通过驱动一台发电机产生电能, 也能采用小型高效的发动机;在并联汽车上, 混合动力单元可通过转动轴驱动车轮使得混合动力单元的热力发电机能够适用尺寸更小并且效率更高的发动机。

(3) 能量存储技术

在混合动力电动汽车的研发过程中, 其内部蓄电池的开发和充放电过程是混合动力电动汽车研究的关键。能量储存技术的研究应包括以下几个方面:第一, 内部电池的热能管理和剩余电量管理;第二, 在电池的设计和制造方面, 不断降低制造成本, 改善电池的性能并且逐步提高电池寿命;第三, 研究电池内部的链接、检测、监控以及如何将整个电池子系统安装在汽车上等。由于现在路况不明确, 为了保证汽车在行驶过程中能提高汽车的续驶里程, 现在汽车行业对混合动力电动汽车内电池的要求变得越来越高。为了保证电能能更多地被储存、输出和利用, 在研发过程中不仅要求电池具有高能量密度, 还需要电池具有高功率。随着科学技术的进步, 离子电池逐渐在市场取得一席之地, 据相关数据显示, 在未来的几年里, 离子电池所占的市场份额将会逐渐扩大。

结语

综上所述, 在我国关于混合动力电动汽车技术的研究过程中, 在现有技术的基础上已经实现了提高能源利用率和减少汽车尾气排放等目标。针对混合动力电动汽车技术存在的一些问题, 需要我国科技部组织专门人员进行进一步地研究, 并安排相关人员定期进行培训, 积极学习国外先进的关于混合动力电动汽车的技术, 取长补短, 逐步降低汽车的耗油量和污染物的排放。尽管从长远来看, 混合动力电动汽车只是一种过渡车型, 但是在近十年内发展会很快。我国汽车行业应抓住这块市场, 在国外产品涌入之前, 组织科研人员进行研究和攻关, 迅速开发出属于我们自己的产品, 提高我国混合动力电动汽车的行业竞争力。

摘要：随着我国社会经济的发展和科学技术水平的提高, 我国的环境污染问题变得越来越严重, 治理环境污染中的大气污染问题、改变目前石油等能源短缺的现状成为亟待解决的一大难题。因此, 这个问题成为关乎我国汽车行业领域发展前景的一大难题。就现状来讲, 关于混合动力电动汽车技术, 相关技术人员还应该着重进行研发, 并不断攻坚克难, 在过程中克服一些技术上的难题。本文主要论述了混合动力电动汽车的发展现状及发展前景、研制开发过程的要点以及在当下亟待解决的问题和关键技术。

关键词：混合动力电动汽车,现状,发展前景,关键技术

参考文献

[1]科技部863计划联合办公室.国家高技术研究发展计划 (863计划) (能源技术领域电动汽车专项) 指南[EB/OL].http://www.863.org.cn, 2001-10-22/2003-05-04.

[2]郭广超.混合动力电动汽车技术的发展与现状分析[J].科技创新与应用, 2014 (15) :109-109.

[3]俞剑波, 何仁.混合动力电动汽车混合制动技术分析[J].重庆交通大学学报 (自然科学版) , 2013, 32 (4) :705-711.

混合动力电动汽车技术 篇2

丰田汽车公司近期在东京召开了“丰田环境论坛”，并发布了旨在为减少二氧化碳排放，保护人类赖以生存的地球环境的行动研究报告。整个报告分为“研究开发”、“产品生产”、“社会贡献活动”三部分，详细介绍了丰田为减少汽车尾气排放，保护环境，从车的开发到生产各个环节所做出的努力及长期规划。和汽车密切相关的环境及能源问题主要包括“如何应对石油替代能源”、“如何减少二氧化碳排放，防治地球温室效应”、“防止大气污染”等。在车的研究开发方面，丰田将以混合动力技术为核心，通过继续抑制石油消费以及推进能源多样化，以实现一个和谐发展的汽车社会。

汽车开发

丰田将开发出在能应对能源多样化的同时，也能实现“减少二氧化碳排放”和“大气清洁化”的汽车，并结合世界各地的能源发展动向，基于“适时适地 适车”的方针，将汽车投放市场。车辆：积极推进车辆的小型化，轻量化。2008年计划上市的“iQ”，车身长度不足3米却能满足4人乘坐，这也是实现了全新的空间设计。传动系统：1997年到2007年的10年中，在日本国内销售的新车的平均燃效提高了约28%。为了提高发动机和变速箱的效率，将在2010年更换为全新的系列。

①汽油发动机：2008年将引入1.3L和2.5L的新型发动机，完成发动机产品线的更新换代。并且将在1.3L的汽油发动机中采用新开发的“启&停”系统。②柴油发动机：在2003年引入了带有DPNR的清洁柴油发动机，2007年秋引入了V84.5L新型发动机。

③变速箱：在提高自动变速箱的多档化及CVT化的同时，2008年秋将更新为高效率的小型6速手动变速箱。混合动力车：混合动力系统是丰田为实现“尾气排放清洁化”、“减少二氧化碳”、“提高燃油经济性”这三个目标的核心技术，目前正在为不断扩充混合动力车的车型及其普及做着努力。

2008年4月普锐斯的累积销售量已达到100万辆。2008年6月混合动力车的累积销售量达到150万辆，共减少了约700万t的二氧化碳排放和约270万千升的汽油消耗量。（丰田公司计算结果）

丰田为使在2010年代尽早实现混合动力车年销售量达100万辆的目标努力。今后也将继续推进电机，逆变器和电池等的进一步小型轻量化和低成本化。同时，继中国和美国之后，近期又决定开始在泰国和澳大利亚生产混合动力车，扩大其海外生产规模。替代燃料车

① 生物燃料（FFV*）

2006年在世界范围内销售的车辆都能对应E10（乙醇比例10%）的生物燃料。2007年5月在巴西导入了能使用E100（乙醇比例100%）的卡罗拉FFV。2008年在北美地区导入了E85（乙醇比例85%）的FFV。

*FFV：Flex Fuel Vehicle(能使用汽油和乙醇等以任意比例掺混后的燃料的汽车)

② 电（PHV/EV）

插电式混合动力车在行驶过程中，近距离时作为纯电动汽车行驶，而长距离时和普通的混合动力车相同。因此，在目前阶段认为此技术是最具前途的，已经

在日美欧开始了验证试验，计划到2010年向日美欧的个人用户销售装配了锂离子电池的PHV。

对于小型EV将以量产化为目标，加快其开发进程。

对于作为关键部件的电池，2008年6月下旬新成立了“电池研究部”，进一步推进超越锂离子电池性能的下一代电池的研究和开发。同时，与车载电池的合作伙伴松下集团成立的合资公司——Panasonic EV Energy，将于2009年开始进行锂离子电池的少量生产，到2010年开始正式生产。

③ 氢（FCHV）

丰田开发出了装配新设计的高性能燃料电池“TOYOTA FC STACK”的燃料电池车“TOTOTA FCHV-adv”，并于2008年6月3日取得了国土交通省的型式认证。该车在提高燃效约25%的同时，由于装载了该公司开发的70MPa的高压贮氢罐，一次加氢的续航距离为约830km（10.15工况行驶，JC08工况行驶约760km），这比之前的车型提高了2倍以上。在低温启动性能方面，即使在零下30度的寒冷地区也能启动并行驶。这也证明确实克服了燃料电池车面对的技术难题。今后，将围绕“”确保耐久性“降低成本”这些问题继续努力。

替代燃料的供给

在替代燃料的研究过程中，在供给方面采取了各种措施。

在日本和美国设立了能源研究组织，强化了全球范围的能源调查分析体制。在生物燃料方面，进行既能避免和人类争粮又能确保供给量的纤维素乙醇的研究。本公司开展的研究的特征是活用在日本养殖酵母的技术。关于替代轻油的生物燃料，目前正就酸化稳定性大幅度提高而和轻油具有同样性能的氢处理生物轻油（BHD），同新日本石油公司进行着共同研究。另外，也进行着关于含有纤维素的所有生物质气化后合成得到的生物液化燃料（BTL）的相关研究。

基础设施和驾驶者辅助系统

要解决全球温室效应问题，能源问题，不只要靠汽车本身，包括交通基础设施和驾驶者在内的社会各方面都要做出努力。在这方面汽车厂商也要进行相应支援活动。

在基础设施方面，在国内和相关政府部门互相配合，通过推进交通情报系统的实用化，治理交通堵塞等为改善交通状况做贡献。

混合动力电动汽车技术 篇3

摘要:社会对环境和节能的重视有力地促进了混合动力车辆的发展。本文分析了国内外混合动力汽车的研究现状,介绍了混合动力汽车的主要结构形式与工作特点,指出了混合动汽车目前需要解决的主要问题和采用的关键技术,并对其发展前景进行了预测。

关键词:混合动力 汽车 内燃机 电动机 控制

0 引言

随着全球汽车工业的迅猛发展,石油资源供应的日趋紧张,世界各国积极寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量,大力开发新型节能环保汽车。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 国内外HEV技术发展现状

1.1 国外HEV的发展概况 21世纪后,各国加快了HEV的概念产品化的进程,相继推出了不同形式的HEV产品。丰田的Prius,本田的Insight,通用的Precept,福特的Prodigy,戴姆勒克莱斯勒的ESx3, 日产的Tino等都是具有代表性的车型,其中Prius和Insight己是成熟的产品,截止2008年12月,丰田Prius全球销量已经超过了100万辆。

1.2 我国HEV的研发现状 我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发,有关工作开始于上个世纪90年代。在“十五”期间,科技部组织北京理工大学、清华大学、东风汽车公司等国内多家企业、高校和科研机构进行联合攻关,确定了以燃料电池汽车(FCEV)、混合动力电动汽车(HEV)纯电动汽车(BEV)车型为“三纵”,多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术为“三横”的“三纵三横”的研发布局;之后,节能与新能源汽车的研发又被列入“十一五”863计划重大项目。

2 混合动力系统的构成及工作特点

混合动力驱动系统联合使用两种动力装置,一种是传统的内燃发动机,另一种是电动机。整个系统由发动机、电动机、动力分配装置、发电机、蓄电池和电流逆变器等部分构成。

通常,混合动力系统的动力传递方式有三种:串联式、并联式和混联式。各自的结构形式和特点如下。

2.1 串联式混合动力系统 如图1所示,在串联混合动力驱动(SHEV)系统中,所有发动机机械能都转换为电能以驱动电动机。这种系统使发动机在效率最高的转速范围内工作,因此能最大限度地改善燃油经济性和减少排放。

2.2 并联式混合动力系统 并联式(PHEV)结构有内燃机和电动机两套驱动系统(见图2)。发动机与电动机并联,两者都可以驱动车轮,电动机还可以作为发电机给电池充电,不再需要额外的发电机。在车辆行驶时,系统以发动机为主要动力源,在车辆起步或加速时则使电动机工作,作为辅助驱动力。当发动机效率低的低负荷工况时,则电动机功能转变为发电机功能,向蓄电池充电。其次,在车辆制动或下坡减速行驶时,则通过制动能量回收系统进行制动能量回收。

2.3 混联式混合动力系统 混联式混合动力驱动系统(PSHEV)是串联式与并联式的综合,其结构如图3所示。混联式驱动系统的控制策略是:在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。

3 混合动力汽车需要解决的问题和关键技术

目前,混合动力汽车所需要解决的问题包括以下几个方面:其一,进行动力分配装置和能量管理系统的研究。其二,开发具备高比能量和高比功率经济实用的电池。其三,混合动力系统结构复杂,制造成本高,维修比较困难,售价相对较高。其四,建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态和动态的),进行计算机仿真分析。

具体来讲要进行下面几项关键技术的研究:

3.1 混合动力单元技术 在混合动力汽车上,热力发动机又被称为混合动力单元。为提高燃料经济性,对混合动力单元必然提出更多的要求,例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭等。目前对混合动力单元的研究主要集中于: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。

3.2 控制策略技术 HEV产品开发中最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化其控制策略,国外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。控制系统的开发首先是根据采集到的速度和负荷等数据,计算出对应的要求输出功率:计算出以最高效率为基点的分配到内燃机与电动机上的功率值,即实现内燃机与电动机的最优功率分配比;然后,根据功率分配比,求出驱动电动机的功率值和其它有关数据,给出内燃机的控制参数和电动机的控制参数。同时,驱动执行器完成这两个层次的工作控制。在执行器设计中,功率分配装置的设计及其与变速器的一体化设计是关键的部件设计工作。因为它要根据控制器的指令,正确地进行内燃机功率向驱动车辆功率和驱动发电机功率的分解。

3.3 能量存储技术 在电动汽车上,蓄电池的开发和充放电特性的研究是关键。现在,镍氢电池和锂离子电池己可达到混合动力汽车的使用要求,但仍有价格高或寿命不长等缺陷。从发展看,能量储存装置的研究应该包括以下几个方面:一是研究电池内部的连接、检测、监控。二是电池设计和制造方面的改进,降低制造成本,改善电池的性能和提高寿命。适用于混合动力汽车的电池需要有较高的比功率,要达到的目标是,功率与能量比值大于20W/wh;使用寿命达到10年;至少循环使用12万次。三是电池的热能管理及剩余电量管理。此外,电池的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性和排放,因此需要有效的测试方法和控制装置。

4 发展前景分析

从目前的发展来看,以计算机技术和自动控制技术,各种智能控制系统包括自适应控制技术、模糊控制技术(Fuzzy)、专家控制系统(Expert System)、神经网络控制系统(Neural Networks)等在混合动力汽车上的逐渐应用,将进一步促进混合动力汽车的发展。与传统型汽车相比,混合动力汽车充分吸取了电力/热力系统中最大的优势,在节能和排放上胜出一筹;与纯电动汽车相比,HEV的电压和功率等级与电动车类似,但蓄电池容量大大减小,因而其造价成本低于电动汽车。

当前HEV所面临的主要技术问题还很多。尽管从长远来看只是一种过渡车型,但HEV在近20-30年内会很有发展前景,这一点是毫无疑问的。汽车行业专家预言,不久的将来,新生产的汽车中HEV将占40%以上。我国的汽车工业应顺应科技发展趋势,抓住HEV这块市场,在国外产品涌入之前,集中科研力量攻关,迅速开发出自己的产品。

参考文献:

[1] 张金柱.混合动力汽车结构、原理与维修[M].北京:化学工业出版社.2008.

混合动力电动汽车技术 篇4

20世纪最伟大的20项工程技术成就之一就是汽车,汽车在现如今已经是不可缺少的代步工具了,但是,随着汽车的逐渐普及,其带来的问题也越发的严重,其中较为严重的就是对环境的污染以及相关能源缺少的问题,而这也就使得电动汽车受到了越来越多的关注,大家都积极投身于电动汽车的研发当中,而后就出现了混合动力电动汽车技术。在我国,对于电动汽车的相关研究工作其时间也是不短的,差不多有近十年的研究,而这也使得我国电动汽车的发展也得到了一定的提升[1]。

1 混合动力电动汽车

1.1 混合动力电动汽车的原理

混合动力汽车就是在一辆汽车上将电动机和辅助动力单元想结合,让两者作为行驶的驱动力,和传统汽车单一的内燃机是不一样的,将两者组合起来能够最大程度发挥两者的优势,将发动机强大的运转能力和动力和电动机环保无污染的优势相结合,从而达到最大的运行效率、环保能力。

1.2 混合动力电动汽车系统工作特点

混合动力系统工作特点主要有以下三点:(1)混合动力电动汽车与同类的发动机车型相比,其优势就是热力和电力这两方面,混合动力电动汽车能够实现电力和热力的合理调配,同时降低油耗和污染的排放。(2)混合动力电动汽车其辅助动力就是电动机,这样就能在一定程度上提升了能量的回收、燃料的经济性能。(3)混合动力电动汽车通过减小发动机负荷,从而在一定程度上降低了噪声。(4)混合动力电动汽车可以通过改造现有的加油站来降低成本,不需要再重新建设新的燃料供应站。

2 混合动力电动汽车的现状

2.1 混合动力电动汽车技术发展的趋势

就目前的发展情况来看混合动力电动汽车未来发展的趋势就是体现在动力性能、清洁环保、实用性、耗油经济上面。但是,各个车的情况都不可能相同,因此,相关厂商还需要关注电池的能量、功率密度的管理以及电池充放电性能、热能管理、剩余电量管理、电池的使用寿命等情况,毕竟汽车加速和爬坡的效果受能量的储存装置所影响[2]。所以,热力发动机的性能问题也就成了研究的重点,其中具体就包括如何使其能更好的降低油耗、提高转化效率等问题。

2.2 混合动力电动汽车发展过程中的问题

2.2.1 成本压力

混合动力电动汽车相比同类型的汽车而言,其制作成本较高、价格与市面上的内燃机汽车相比竞争力不够,所以在成本上面临着较大的竞争压力,因此,要想打开其市场,就需要有较高的性价比,在这一方面,虽然政府有出台相关的政策,给相关的制作厂商一定的补贴,但是并没有什么实质性的作用。因此,要想使得混合动力电动汽车发展的更好,相关政府应该制定科学合理的有效正常,推动电动汽车产业化的发展。

2.2.2 基础服务设施落后

混合动力电动汽车相比同类型的汽车而言其基础服务设施建设布局不均衡,整体数量偏少,也正是其基础服务设施落后的原因,使购买者在消费的过程中宁愿花费相同的价位,去享受传统汽车所带来的更加合理、友好、快捷的服务,也正是这样就使得混合动力电动汽车的购买的人员十分的缺少。

2.2.3 群众对于混合动力电动汽车报以观望的态度

混合动力电动汽车算是一种新型的汽车类型,很多群众对于其安全性能等各方面都没有一个很好的了解,所以,对于汽车的安全性有着一定的担忧,导致大多数的群众对于混合动力电动汽车都报以观望的态度,害怕电动汽车安全性能不够好。

2.2.4 服务保障不够

要想推动混合动力电动汽车产业的发展,不能只依靠政府和制造商这两方面,还需要社会各个层面多管齐下的力推,才能使其更好的发展,但是,就目前而言,混合动力电动汽车产业链的协同效应、服务保障都不够充分,而这也在一定程度上制约了混合动力电动汽车技术的发展。

3 混合动力电动汽车技术的发展

3.1 提升混合动力电动汽车技术所具备的优势

混合动力电动汽车其主要的优势就是清洁环保、经济实用、良好的动力性能、良好的燃油经济性,为此,要想使得混合动力电动汽车技术得到更好的发展,可以提升这些优势,将这些优势进行充分的发挥,让群众了解混合动力电动汽车的好处,然后才能提升混合动力汽车的受众群。在这过程中,相关商家在对汽车低耗油特性进行分析的时候可以采用较为先进的内燃机技术;然后再选择较好的电机对其效率进行研究;最后再对汽车进行周密的分析和实验,将三者之间最高性能的区段进行组合和叠加,从而真正实现汽车的环保性、经济性、动力性。

3.2 降低成本

混合动力电动汽车发展较为落后的原因之一就是制作成本太高,这也是因为混合动力电动汽车不仅只是安装简单的动力装置,还需要安装电池,所以就加大其制作的成本。因此,要想使混合动力电动汽车技术得到更好的发展,首先需要解决的就是如何降低电机驱动系统、电子控制系统、动力电池等成本[3]。为此,我们可以在大型的车辆上应用混合动力系统,拓宽其应用的范围,这样就有利于推动混合动力系统大范围、批量化的使用,从而降低成本。

3.3 提升能量的再生利用率

要想推动混合动力汽车技术的发展,可以在汽车制造阶段对其内部系统进行科学合理的设计和改进,使其满足现如今再生制动回收要求,利用能量再生利用效率,加大汽车的优势,从而通过提升汽车在行驶过程中的能量再生利用效率推动混合动力汽车技术的发展。

3.4 加强混合动力电动汽车的可靠性

要想推动混合动力汽车技术的发展,就需要加强混合动力电动汽车的可靠性。

4 结语

综上所述,混合动力电动汽车技术是符合现代发展要求的技术,但是,要想使其更好的发展,除了相关政府的支持,还是要从汽车本身出发,只有加强了汽车的安全可靠性,才能增加更多的受众群。

参考文献

[1]高东璇,肖键,张海军.浅谈混合动力电动汽车的关键技术及国内外发展现状[J].知识经济,2012,13(14):77-77.

[2]刘张焱.我国混合动力汽车面临的现状及发展分析建议[J].中小企业管理与科技旬刊,2015,25(30):253-253.

混合动力汽车是新能源汽车吗 篇5

广义上说，混合动力汽车(Hybrid Vehicle)是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供。

通常所说的混合动力汽车，一般是指油电混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)，即采用传统的内燃机(柴油机或汽油机)和电动机作为动力源，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。

根据混合动力驱动的联结方式，一般把混合动力汽车分为三类：

串联式混合动力汽车(SHEV)：主要由发动机、发电机、驱动电机等三大动力总成用串联方式组成了HEV的动力系统。

并联式混合动力汽车(PHEV)：发动机和发电机都是动力总成，两大动力总成的功率可以互相叠加输出，也可以单独输出。目前PHEV比较热门，也就是插电式混合动力，其动力不单单是汽油燃料，可以直接充电作为动力，可以说是纯电动车和混合动力车的过渡车型，是未来短时期内的.市场主流。

混动式混合动力汽车(PSHEV)：综合了串联式和并联式的结构而组成的电动汽车，主要由发动机、电动-发电机和驱动电机三大动力总成组成。

混合动力电动汽车技术 篇6

关键词：混合动力；电动汽车；结构；控制对策

中图分类号：U469.79 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）14-0091-01

随着我国社会经济的不断发展，人们的经济条件越来越好、生活水平越来越高，对生活质量的要求也随之上升。在多年的发展中，为了保证经济的增长，对环境造成了严重的危害。为了缓解环境压力，国家逐渐开始针对污染环境的因素进行整改，首先就是汽车尾气问题。随着各项政策的不断出台，传统的汽车工业正面临着转型的重要阶段。由于燃油价格的不断上升，人们逐渐开始选择电能，但是传统的电池技术难以满足汽车的能源需求。因此，随着科学技术的发展，逐渐出现了以混合动力为主的电动汽车。

1 混合动力电动汽车的特点

混合动力汽车指的是由两种动力源组成的动力装置。而混合动力电动汽车指的则是在动力装置中，有一种动力源可以转化为电能。混合动力电动汽车的结构以及控制策略都有着一定的差异性，同时结构也呈现出多样化的趋势。

从我国目前的情况来看，主要的混合动力电动汽车分为串联型、并联型与混联型三种。分类主要是根据动力源的数量以及传递方式的区别。

和传统的电动汽车相比，这种混合动力电动汽车的优势主要可以分为以下几方面：

第一，混合动力电动汽车的发动机负荷和传统的电动汽车比要小，因此在节能减排方面体现的更加明显，噪音也更小；

第二，电池数量的转变，使得汽车的整体质量有明显减少；

第三，在混合动力电动汽车中，使用了辅助动力单元，因此汽车在持续性以及动力性能方面都比原来提高了很多，其水平和内燃机相差无几；

第四，混合动力电动汽车在行驶中有电动机的帮助，因此能够保证发动机长时间处于正常工作状态下，能够提高对制动能量的回收率，经济效益较强。

随着我国开始重视环境发展的措施，混合动力电动汽车以其低排放、环境优化的优势，必然会是未来的主要发展方向。

2 混合动力电动汽车结构与控制策略分析

2.1 串联式混合动力电动汽车结构与控制策略分析

串联式混合动力电动汽车是混合动力电动汽车中结构以及控制策略最方便的一种方式。串联式混合动力电动汽车的工作原理是：首先发动机工作产生机械能，再通过发电机将机械能转化为电能，这其中一部分电能来保证电动机以及动力传动装置的运行，另一部分电能则是储存在蓄电池中。

在对这类混合动力电动汽车采取的控制策略，主要是保证发动机的工作效率，使得排放一直处在良好的稳定状态的技术措施。

为了达到系统的最优化目标，在实践的过程中，这类混合动力电动汽车的控制方式主要分为两种：恒温器控制技术和发动机跟踪控制技术。

在使用恒温控制技术时，当蓄电池SOC的值达到最低点时，发动机会自动启动，在最低排放点保证功率的稳定输出，从而一边支持汽车工作，一边蓄电。当SOC的值达到最高点时，发动机会自动关闭，通过电能来保证汽车的正常运作[1]。这种控制技术，会使蓄电池处在不利的地位；

而发动机跟踪器控制技术，和传统的汽车控制技术较为相似。在这种技术下，对蓄电池的损失率较低。但是发动机的效率则较差，为了缓解这种情况，可以通过自动无极变速解决。

2.2 并联式混合动力电动汽车结构与控制策略分析

并联式混合动力电动汽车指的是发电机和电动机是两套独立的驱动系统，在保证汽车的正常运作时，可以采用三种驱动方式：发动机驱动、电力单独驱动、混合驱动。并联式混合动力电动汽车的工作原理是将行星轮系作为汽车的动力符合装置，或者通过将发动机、电机、轴串联在一起，组成全新的结构，从而通过磁场叠加原理保证混合动力电动汽车的正常运行。

在控制策略方面，目前主要有电力辅助控制、SOC扭矩平衡式控制、自适应控制、模糊逻辑控制等等。其中，电力辅助控制是应用最广泛的技术，能够很好的适应并联式混合动力电动汽车。在实践中，当混合动力电动汽车的车速比设定速度大时，由发动机工作功能；当混合动力电动汽车的车速比设定速度小时，则由电动机进行功能。当车轮的符合较大时，发动机和电动机会同时工作，保证汽车的运行。如果发动机的工作效率不高，则会让电动机作为混合动力电动汽车的主要结构。如果电池的状态不佳，则由发动机为电动机的工作提供能量。

2.3 混联式混合动力电动汽车结构与控制策略分析

混联式混合动力电动汽车的动力系统是在串联式与并联式的基础上，将两种进行综合的结果。混联式混合动力电动汽车的驱动方式较多变，既可以由发电机对混合动力电动汽车进行驱动，也可以通过发动机来驱动混合动力电动汽车，或者由两者同时工作进行驱动。混联式动力系统是混合动力电动汽车系统中优化性的最好体现。

在该控制策略中，有以下优势：在这种动力系统下，开始启动时由电池进行供电，当发动机能够维持在一个较高的稳定工作效率时，再由发动机驱动混合动力电动汽车。轻载下由电池进行功能，而正常的行驶过程则由发动机负责。在加速的过程中，两者之间相互配合，共同完成驱动任务。在减速过程中，电动机可以转化为电机模式进行工作。

2.4 电动轮混合动力电动汽车的结构与控制策略

除了以上串联型、并联型以及混联型混合动力电动汽车之外，近年来还出现了另一种更加先进的电动汽车：电动轮混合动力电动汽车[2]。

电动轮混合动力电动汽车的最大特点就是用电子差速器代替了传统汽车中额差速器与半轴，将电动机直接安装在驱动轮上，从而使得整个电动轮结构简便，传动效率更高。目前，通过计算机控制技术对电动轮的电子差速进行控制，已经成为电动汽车发展的一个重要方向。

电动轮混合动力电动汽车的控制策略主要在于对电子差速的准确控制。电子差速器的控制原理是当混合动力电动汽车直线行使时，左右车轮的转速相同，并通过车轮转速传感器将信号传输到中央处理器中，中央处理器在对两侧车轮进行分析后，将分析结果传输到电机控制器中，从而保证两边车轮速度的相同。当混合动力电动汽车转弯时，中央处理器会根据方向盘的转动幅度、路面的道路情况以及车轮转速情况等因素进行综合分析，并将分析的结果，也就是两轮所需要的转速信号传输到电机控制器中，从而保证两轮的差速控制。

3 结 语

随着我国社会经济的不断发展，逐渐开始重视环境的重要性。传统的汽车，每年会排放大量的汽车尾气，对环境造成严重的危害。随着混合动力电动汽车的出现，一方面可以充分利用我国在传统汽车行业方面的研究成果与工业基础；另一方面，大大减少了汽车尾气的排放，降低油耗，是传统内燃机汽车向零排放电动汽车过渡的使用方案之一，已经受到了广泛研究人员的关注。目前，混合动力电动汽车分为串联、并联、混联以及全新的电动轮等多种形式，在具体的应用中，要考虑到不同地点、用途，结合实际情况进行选择。

参考文献：

[1] 葛郢汉.混合动力电动汽车结构与控制策略分析[J].内燃机与动力装置，2011，（1）.

混合动力电动汽车技术 篇7

随着能源短缺和环境保护问题的凸显，混合动力电动汽车HEV (Hybird Electric Vehicle)作为燃油发动机汽车和电动汽车的中间产品，以其节约能源，降低排放的优势出现在人们的视野。所谓混合动力，即在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(Auxiliary Pow e rUnit，简称APU)等两个动力装置。混合动力汽车通过存储能量装置(如蓄电池等)与控制系统对能量的调节以实现最佳的能量分配，整车达到低排放、低油耗以及高性能的要求。尽管混合动力汽车是传统汽车向纯电动汽车转化的过渡产品，但较电动汽车和传统内燃机汽车而言还是拥有自身鲜明的优势，如电池的容量较小，电动汽车自重过大等矛盾有所缓和，同时动力单元(APU)的选用使续驶里程数与动力性能能够达到内燃机汽车的水平，汽车尾气的排放却大大的降低了，在一些对废气排放严格限制的诸如商业中心、旅游区等区域，混合动力汽车可以由纯电力来驱动而成为零排放的汽车。而运用原动机输出的动力直接带动车内空调、暖风、制动空压机以及动力转向等等系统，无需消耗电池组内的有限电能，从而保证了驾驶的轻便性和乘员的舒适性。

2 日益成熟的混合动力汽车动力系统及其分类

随着各种高新技术的应用，混合动力汽车的动力系统得到了全面的改进，燃油动力和电动动力系统集成优化技术较从前取得很大的进展，节能效果不断获得提高，轻量化技术和电器结构安全性技术也得到了系统应用。在混合动力技术的发展方式上，表现出明显的模块化与平台化的趋势，随着电功率比例的逐步提升，混合动力程度不断得到提高，最终过渡到可充电的串联式“全混合”方式。由于混合动力汽车各个组成部件、布置方式以及控制策略的不同，形成各式各样的结构，目前按照动力系统两种不同能量的搭配比例不同，混合动力汽车分为四大类。1)微混合，也称为“起—停混合”(Microhybrids)，在微混合动力系统中，电机仅作为内燃机的启动机/发电机使用，从严格意义上来讲，微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车提供持续动力。2)轻混合，也称辅助驱动混合(Mild hybrids)，与微混合相比，汽车驱动的电池—电机功率的比例增大，内燃机功率的比例相对减少，这种混合动力系统一般采用集成启动电机，车辆还是以发动机为主要动力来源。3)全混合(Fullhybrids)，既可以使用汽油引擎驱动或电动机单独驱动也可以同时使用两种动力混合驱动的汽车，普遍采用大容量的电池以供给电动机做纯电动模式的运行，同时还具有动力切换装置用以电动机、发动机各自动力的耦合及分离，内燃机功率的比例更小。4)插电式混合(Plug-in hybrids)，即通过接入家用电源为系统中配备的充电电池充电，充电后可仅凭充电电池作为电动汽车行驶，这种混合动力汽车比全混合动力汽车有较长纯电动行驶里程，内燃机功率比例与全混合系统基本相同，电池容量一般比全混合系统的大，比纯电动车辆的小，这是最新的一代混合动力汽车类型。

3 混合动力汽车的发展前景和政策趋势

无需置疑环保和节能汽车已经成为未来混合动力汽车市场发展的主流方向，一方面世界原油价格持续攀升，2012年3月中国的成品油价格再创历史新高，宣告油价全面进入“8元时代”，汽车需求结构发生着巨大的变化。另一方面，世界主要汽车市场进一步强化汽车燃气排放的标准，如2012年欧盟范围内销售的所有汽车平均排放量必须低于每公里130克。因此国内外汽车制造业企业普遍认为混合动力电动汽车是当前最具开发和推广前景的环保型交通工具之一，放眼世界，世界各国都在混合动力汽车的研发领域内加大投入，以期在未来的市场竞争中占得先机，如在美国，20世纪90年代美国能源部就与三大汽车公司签订了混合动力电动汽车的开发合同，2005年通用汽车、戴姆勒·克莱斯勒与宝马集团签署了构建全球合作联盟，以共同开发混合动力推进系统的合作协议。2009年美国混合动力汽车销量达到了30余万辆，逐年上升趋势非常迅速，预计到了2013年将达到87.2万辆，市场占有率将达6%以上。由于我国汽车工业才刚刚起步，因此在混合动力汽车的产业化发展战略上，有更大的自由选择度和比较优势，相对常规汽车而言，我国混合动力汽车研发战略计划包括近期、中期和长期3个阶段的研究发展规划，力争在2030年之前混合动力汽车呈大幅度増长的发展势态，占到所有汽车总产量的50%以上，而传统的燃油汽车数量则会下降到汽车总产量的25%左右。当前我国的混合动力汽车的研发已取得了实质性的进展，相关技术已趋于成熟，以BSG和ISG为代表的轻度混合动力汽车目前已经具备产业化的条件。2007年10辆奇瑞BSG混合动力轿车率先在奇瑞出租车公司投入使用，单车运行计划达到10万公里以上。同年由长安汽车集团自主研发的第一款量产混合动力轿车杰勋HEV正式下线，2010年产量达到了5000辆，奇瑞也推出了混合动力A5，华晨则推出了混合动力版尊驰。在北京车展上亮相的9款自主品牌的混合动力汽车中已有4款确定将在国内的汽车市场上投入生产，这也标志着中国混合动力汽车的研发方面迈出了重要一步。在政策方面，“十一五”期间混合动力汽车被列入国家科技部“863”计划的12个重大专项之一，国家投入30亿元的研发经费，支持混合动力汽车关键技术、平台集成技术以及整车和关键零部件的开发。正如著名新能源汽车开发专家万钢指出的那样：“混合动力汽车的发展，一事关国家能源安全，二事关减轻大气污染，维护社会可持续发展战略。”2010年6月，《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》开始实行，确定每辆混合动力汽车补贴3000元，国家支持混合动力汽车发展的意图非常凸显。广阔的市场前景促使企业投入更多的精力去进行技术升级和市场推广，因此未来中国混合动力车的政策支持力度进一步提高是大势所趋。根据2009年国家出台的《汽车产业调整和振兴规划》内容所示，在2020年之前我国新能源汽车销售规模将要达全球第一，未来10年政府财政计划投入超过1000亿元来打造新能源汽车产业链似乎也印证了这一点。

4 结语

混合动力汽车目前已实现了产品的市场化和技术的稳定化，仅丰田混合动力普锐斯目前在全球的保有量就已超过300万辆。可以预见，在世界各国环境立法日趋严厉以及石油的日益短缺背景之下，随着混合动力汽车性能的日益提高以及使用成本的持续降低，其市场份额将逐年增大，甚至能够逐渐成为汽车市场的主导产品。混合动力汽车兼具纯电动汽车和传统汽车的优势，未来在汽车技术工作者的共同努力之下，进一步的提升完善和应用推广混合动力技术，混合动力汽车必将具有极其光明发展前景。

摘要：混合动力电动汽车以其节能减排的优势兼具纯电动汽车和传统汽车的特点, 随着各种高新技术的应用, 其动力系统得到了全面的改进, 节能效果不断获得提高, 已实现了技术的稳定化和产品的市场化。可以预见, 在世界各国环境立法日趋严厉以及石油日益短缺背景之下, 混合动力汽车的市场份额将逐渐增大, 拥有极其光明发展前景。

混合动力电动汽车技术 篇8

汽车作为目前人类社会最重要的交通工具,已有超过100年的历史,并逐渐成为人们生活中必不可少的一部分。然而随着汽车保有量与日俱增,由此产生的环境和能源问题也越来越引起人们的重视。急剧增长的石油消费、日益严峻的环保压力以及每况愈下的城市交通状况,都迫使汽车产业必须走节能环保的发展道路。中国制造2025规划中明确指出新能源汽车与智能互联汽车是十个重点发展产业其中之一。电动汽车作为新能源汽车中的代表类型,无疑是最具发展前途的。但针对中国目前的能源结构,发电过程中的环境污染不容忽视。根据“wells to wheels”概念[1],任何与汽车生产、运行相关的环节所造成的排放都应归类于车辆排放,基于此考虑,电动汽车在目前并不是严格意义上的低排放汽车。同时,由于电池的能量密度与汽油相差很大,使得目前电动汽车的续航里程受限。在这种情况下,油电混合动力汽车作为汽柴油车向电动车转化的过渡产品,在接下来的一段时间内会在市场上占领很大的份额,并且向多元化发展。

将电能与传统能源结合使用不仅能改善车辆的燃油经济性及尾气排放,同时车辆原有的动力性能也能得到保证。混合动力汽车与传统车相比具有低油耗和低排放的优势,与电动汽车相比则不需要专门的场外充电设施。[2]参考国际电子电气技术委员会的定义,可将油电混合动力汽车理解为同时利用燃油发动机和电动机两种推动力能源的车辆。

1、油电混合动力汽车的分类

混合动力汽车根据动力源能量耦合方式的不同可以分为三类,分别是串联混合动力汽车、并联混合动力汽车和混联混合动力汽车。[3]还有另一种根据电功率占全部功率输出百分比的分类,可以将混合动力汽车分为轻度混动、中度混动和中度混动这三类。[4]

1.1基于结构的分类

根据发动机、电机与传动系统的连接形式不同,混合动力汽车有三种结构形式,分别是:串联式、并联式和混联式。

1.1.1串联式混合动力汽车

串联式混合动力汽车是三种中结构相对简单的一种,发动机与发电机直接连接作为能量产生环节,而电动机与减速机构连接作为驱传动环节,其结构简图如图1所示。串联式混合动力系统中,能量产生环节中产生的电能通过逆变器进行转化后,提供给电动机工作,多余的部分储存到蓄电池中。当发动机不工作或发电机产生的电功率不足时,蓄电池也向电动机供电。该结构中发动机与电机控制相对独立,燃油发动机可工作在较优工况,但是由于所有能量经过了机械能-电能-机械能的转换过程,整体效率较低。此系统较适用于公交等大型车辆,在大功率或较高车速工况下表现不好。

1.1.2并联式混合动力

并联式混合动力系统通常用在插电式混合动力车辆中,发动机与电动机同时与减速机构连接,驱动车辆行驶,其结构简图如图2所示。目前除丰田外的油电混合动力车辆多采用的是此种结构,该系统结构相对简单且油耗水平及动力性能变现良好,但是动力辅助作用受蓄电池容量的制约。

1.1.3混联式混合动力

混联式混合动力系统是三种中结构最复杂的一种,它集合了串联式和并联式结构的优点,如图3所示为混联式混合动力结构简图。在混联式系统中,通常需配备行星排等功率耦合装置以将发动机功率分流成为机械功率和电动率两部分,从而尽可能地合理利用发动机功率,提高发动机的工作效率。该系统又可根据行星传动装置与发动机、两电机间及行星传动构件间的不同连接方式分为输入分流式、输出分流式和复合分流式。

输入功率分流式和输出功率分流式系统只需要单行星排进行功率耦合分流。其中输入分流式的行星传动机构中两构件分别与发动机和一个电机机械连接,第三构件同时与输出端和另一电机连接,如图4所示。此结构在低传动比区域有较好的工作效率,高速下电机2转速过高,电功率比例增加,电功率传递路径反向,会产生功率循环,传动效率急速下降。

输出分流式的行星传动机构的三构件中,一个同时与发动机和某一电机相连,第二个构件与另一电机连接,第三构件为输出端,其连接方式及低速工作时能量传递路径如图5所示。此结构在高传动比区域有较好的工作效率,低速下会产生如图所示的功率回流现象,系统传动效率很低。

复合功率分流式结构通常需配备双行星排等耦合装置,双行星排的六个构件中有两组相互连接产生四个独立接点,其中三个分别与发动机及两电机机械连接,另一个为输出端口。该方式兼顾输入和输出分流模式的优点,具有多种能量流路线,此结构在一定传动比范围内都具有较高的工作效率,如图6所示位复合分流模式构型。

1.2基于混合度的分类

也有学者根据混合度,即电功率占总功率的比例,将油电混合动力车辆分为轻度混合动力、中度混合动力和重度混合动力三种类型。

(1)轻度混合动力系统。这种混合动力系统通常是配备了一台ISG电机,即启动发电一体化电机,该电机的作用是使发动机不再在怠速工况下工作,但是电机本身不参与驱动或能量转换过程。

(2)中度混合动力系统。该系统可理解为采用了更大功率ISG电机的轻混系统,不同的是在中混系统中,ISG电机可为车辆的行驶提供驱动力。

(3)重度混合动力系统。通常定义重度混合动力系统为混合度大于或等于30%的混动系统,这种结构通常需配备大功率的发电机和电动机。

2、关键技术

油电混合动力系统有机械功率和电功率两条能量传递路线,包含发动机、变速箱、电机及其驱动、电池等多个环节,是一个集成度很高的系统。相信在未来10~20年的发展过程中,要想使混合动力系统具有更加优良的燃油经济性和出色的动力性能,还需在以下几点关键技术上下功夫。

2.1高能量密度电池及其管理系统

一定程度上,油电混合动力汽车的出现是为了解决现阶段电池性能不足而造成的纯电动汽车续航里程较短的问题。但同时,为确保混合动力汽车在加速与爬坡时能有效提供较大的峰值功率,对电池的能量密度和功率密度也提出了很高的要求。特别是随着汽车轻量化革命的推进,为混动汽车配备高能量密度的电池以及更加高效的电池管理系统成为需要重点解决的问题。具体来讲,插电式混合动力汽车的电池容量直接影响到车辆的油耗水平,而以丰田“PRIUS”为代表的非插电式混合动力为延长电池寿命,对其电池系统设计了浅充浅放的控制策略,无形中降低了电池的有效能量密度,与汽车轻量化的发展趋势不符。因此,无论未来的油电混合动力汽车是采用镍氢电池、磷酸铁锂电池还是三元锂电池,都急需提高电池的能量密度,同时为其配备一套完善的电池状态监测管理系统,以最大限度的发挥电池性能、延长电池使用寿命。

2.2高可靠性、高效率的机械传动结构

纯电动汽车已没有传统意义上的变速箱,但现阶段的混合动力车辆都还或多或少有机械传动环节,尤其是在混联式混合动力系统中,由行星排和齿轮传动构成的功率耦合装置作为核心环节,其效率和可靠性很大程度上决定了整车的性能。丰田“PRIUS”在进行换代改进时,为降低传动环节的磨损、增强可靠性,专门将定传动比的第二排行星传动改成了平行轴齿轮传动。

2.3高性能电机及其驱动技术

随着混合动力技术的发展,电机已经不仅仅作为一项驱动单元,还要作为能量转换过程中极为重要的一环,在电动以及发电模式下都能高效运行。并且,在电机峰值功率上,需具备启动发动、电驱动、整车加速、制动回收等各方面的能力。现阶段在混动汽车上使用的电机主要有交流永磁同步、直流永磁、开关磁阻以及异步电机等四种类型。在进行电机选用时,需要综合考虑性能、质量、效率、成本等因素。因此,接下来的电机研发工作集中在质量改进、性能提升以及体积缩小上。电机的高效工作与其驱动技术密不可分,随着混合动力汽车的发展,系统中电机功率不断增大,这就对驱动电路中的功率放大模块提出了很高的要求。此外,电机转速、转矩控制的精确性和稳定性也离不开优化的控制算法。2.4优化的整车控制策略

混合动力汽车的控制策略是整个混合动力系统的大脑,国内早期的有关研究主要是利用实验数据映射出发动机工作点,与所建立的控制策略仿真结果进行对比,反推国外车型的控制策略。控制策略通常可分为基于确定规则的控制策略、离线全局优化算法和预测控制算法三种,它们各具优缺点。基于确定规则的控制算法难以充分发挥行星混联系统的节能潜力,控制效果有限;离线全局优化算法往往难以保证实时性,也不具有普遍的工况适应性,预测控制摆脱了工况局限性,但实时性仍是应用瓶颈。因此,若要使混合动力系统的综合性能再上一个台阶,还需设计出实时性良好,可应用于实车控制器,又能大幅提升整车燃油经济性的控制策略。

3、结论

(1)油电混合动力汽车具有优良的燃油经济性和低排放特性,是现阶段纯电动汽车续航里程瓶颈无法突破时的情况下,推进新能源汽车产业的不二选择。

(2)混合动力汽车的发展离不开电池技术、电机及驱动技术和整车控制策略的优化改进,未来的混合动力车辆对电池的能量密度、电机的性能和控制策略的实时性将提出很高的要求。

摘要：新能源汽车产业革命推动了油电混合动力汽车的高速发展,在燃油经济性、整车动力性和续航里程上,混合动力系统具有不可比拟的优势。文章介绍了油电混合动力系统的定义及基本原理、混合动力汽车的发展现状,对比分析了不同类型混合动力系统的结构和特点。最后,对油电混合动力系统的关键技术进行了介绍,并对其发展趋势进行了预测。

关键词：油电混合动力,新能源,油耗,动力性能

参考文献

[1]李旭海.混联式混合动力电动客车动力系统设计[D].武汉理工大学,2008.DOI:10.7666/d.y1364475.

[2]余志生.汽车理论.第3版[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3]孙逢春,何洪文.混合动力车辆的归类方法研究[J].北京理工大学学报,2002,22.

混合动力电动汽车技术 篇9

关键词：混合动力汽车,基本型式,发展状况,关键技术

1 混合动力汽车的结构特点

混合动力电动汽车 (HEV) 主要是通过结合传统内燃机驱动和纯电动驱动的优点, 采用电池系统与电机系统相互配合的形式, 在确保结构符合汽车动力性能要求的基础上, 实现对内燃机效率的优化, 能有效提升汽车的整体排放性能与经济适用性。其中, 以混合动力系统双动力源的不同配置与组合模式, 可将其划分为动力传动的三种方式, 即:串联式、并联式、混联式。以混合度由高至低, 可将其划分为:重度混合型、中度混合型、轻度混合型、微混合型等四类。

2 混合动力汽车的发展现状

在当今全球性环境污染问题突出、石油资源紧缺的情况下, 节能环保型混合动力汽车的研发顺应时代需求, 受到各国的一致认可与高度支持。一些科技较为发达的国家, 已成功研制出性能较好的混合动力汽车。如丰田所推出的Prius, 为混联式混合动力车型的典型代表, 在2010年销售量高达200多万。而美国的通用、福特、克莱斯勒等, 则分别推出的P recep t、P r od ig y、Dodge ESX2, 皆为混合动力汽车。紧随其后, 本田再度研发出新的混合动力技术, 主要代表为第二代Civic Hybrid, 其采用了15k W的永磁电动机驱动与67k W发动机, 将动力成功混合为80k W, 输出转矩为166N·m, 其经济环保性能再次得到提升。而有法兰克福所推出的奥迪Q7混合动力汽车, 通过将200N·m扭矩电动机与4.2L FSI八缸发动机的有效结合, 极大提升了混合动力汽车的动力性能, 其油耗不仅低于标准的13%, 从静止加速到100km/h所需时间仅为6.8s。

在国内, 由奇瑞所推出的奇瑞A5 BSG, 采用双轴并联式混合动力系统, 为起动、发电一体式BSG发电机, 能有效减少发动机怠速时产生的大量尾气与燃油消耗。有长安推出的长安杰勋, 为并联式中度混合动力汽车, 其动力系统采用起动、发动一体化技术, 整体结构较为紧凑, 动力性能较好。在2010年有奔驰推出的奔驰S400, 为串联式轻度混合动力汽车, 从静止加速到100km/h, 所需时间仅为7.2 s, 并能轻松达到限速250km/h。而国内其他大型汽车制造商也相应推出了相关的混合动力汽车, 混合动力汽车技术得到了进一步的发展, 相信在不久的将来, 将会有更多环保节能且性能极佳的混合动力产品问世。

3 混合动力汽车的关键技术分析

(1) 电池及电池管理系统。

与普通的电动汽车相比, 混合动力汽车在电池使用方面存在较大差异, 其电池放电速率与效率较高, 为确保汽车在加速与爬坡时, 能有效提供较大峰值功率, 对电池的能量密度与功率密度有着非常高的要求。电池的充放电次数、工作温度等都不同程度地影响着电池的使用寿命与性能状态。对电池的过度充放电, 会严重影响电池的性能, 甚至可能损坏电池, 缩短电池的使用寿命。因此, 必须对电池的工作过程与所处环境、状态进行监控, 而电池管理系统而主要用于对电池工作环境与过程的监测, 通过其对电池状态的预测提示, 能有效延长电池的使用寿命, 确保电池能效得到充分利用。

(2) 电机及电机控制系统。

电机为混合动力汽车中的一项驱动单元, 以性能高、质量轻、效率高、成本低为选用原则。并且, 在电机峰值功率上, 须具备起动发动、电驱动、整车加速、制动回收等各方面能力。现阶段, 混合动力汽车主要使用永磁无刷同步、直流永磁、开关磁阻以及交流异步等四种类型的电机。由电机工作原理与选用原则可知, 对电机的研发主要集中在质量的改进、性能的提升以及体积的缩小上。ISG结构的提出, 是对现有发动机动力系统的有效改进, 能以较低成本, 实现对汽车节油减排性能的改造。

其中, 在车辆进行制动减速或下坡行驶时, 应确保电机处于发电机工作状态, 让机械能转化为电能, 存储于电池内。因此, 为了满足汽车形式的动力性能需求, 电机控制系统需确保对电机工作模式的有效控制。

(3) 驱动系统控制。

汽车在行驶时, 动力系统会进行工作模式的相互切换, 形成许多对单个动力源而言的非连续瞬态过程, 为协调控制这一过程中两个动力源的动力输出, 需解决以下问题。第一, 确保发动机能在较短时间内平稳起动。第二, 能有效控制驱动前的转速与离合器结合过程。第三, 能协调控制动机与电机转矩, 因状态切换而形成的发动机需求转矩变化。第四, 确保在汽车总需求转矩造成较大波动时, 能有效协调控制电机与发动机的转矩。

在进行驱动系统控制策略分析时, 需结合汽车相关的行驶状况、发动机与电机工作性能、电池SOC等方面数据, 实现对驱动系统的有效控制, 包括对起步、模式切换、换挡等动态过程的控制。目前, 国内外对混合动力系统的控制策略, 已有了较为深入的研究, 在动态性能的协调控制方面已取得了较大成果。

4 动力总成关键零部件技术

4.1 发动机

在混合动力汽车系统中, 可通过对发动机的优化设计, 来提高汽车的经济性能减少尾气排放。对发动机改进技术的研究, 主要从采用其他型式热机或改进内燃机两方面进行。如长安汽车公司所研发的专用发动机, 主要用于中型混合动力汽车内, 其通过将压缩比提高、改进原有配气相位、优化电喷系统匹配度等, 实现对发动机的优化改造。

4.2 变速器

变速器是汽车传动系统中的重要组成部分, 对其动力性与经济性有着直接影响。现阶段, 混合动力汽车系统内, 所采用的变速器型较多, 包括机械式自动变速器、手动变速器、带传动无级变速器、电子式无级变速器、行星齿轮自动变速器等。无级变速器的传动效率低于机械变速器, 虽能进行无级变换, 但配置成本较高。而电子式无级变速器, 其应用技术还处在研究阶段。而机械式自动变换器, 其所需成本较低而传动效率较高, 但操作难度偏高。传统液力式自动变速器, 利用行星齿轮系来达到变速的目的, 能有效实现对混合动力汽车的换挡控制, 但存在传动效率不高, 整体经济性能偏低的缺点。

4.3 动力耦合装置

在混合动力系统开发中, 动力耦合装置一直都是其研究的重点与难点, 直接影响着对车辆整体性能的控制。目前, 在混合动力系统中, 主要采用转矩结合式、驱动力结合式、转速结合式等三种动力耦合方式。其中, 转矩结合式动力耦合装置能通过传动系统, 实现对汽车的直接驱动, 并以直接或间接带动电动、发电机的形式, 让电池蓄电, 在并联混合动力汽车内运用较广。而驱动力结合式能有效利用车辆的地面附着力, 提高整体驱动性能, 但存在组成系统大、控制难度高的问题。转速复合式装置, 由于其要求保持电动机与电机输出转矩时刻相等, 控制难度较大, 难以广泛应用于现实中。

5 测试技术

在混合动力汽车测试系统中, 其测量包括发动机转矩、转速、电池工作状态等, 需对传统台架测试数据采集系统进行优化, 添置相应的电池数据采集装置, 测试电池的工作状态。在这个过程中, 由于电池的性能易受工作环境与温度的影响以及电池SOC的变化, 使得电池的数据系统研发困难重重。但随着科技与计算机技术的快速发展, 在混合动力汽车测试系统技术方面, 已取得了较大突破。

参考文献

[1]程艳.混合动力汽车及关键技术综述[J].硅谷.2010 (1) .

[2]蒋延莲.混合动力汽车发展前景探讨[J].江苏科技信息.2010 (2) .

混合动力电动汽车技术 篇10

随着电力电子技术的飞速发展,汽车的电动化被认为是解决现今环境污染和能源危机的最有效的方法[1]。目前占绝对优势的汽车均采用燃油发动机,因此汽车就成为消耗矿物能源和环境污染的最主要者,目前城市污染50%以上都是来源于汽车[2],我国近年来的雾霾严重很多也是汽车污染造成的。据报道,北京市机动车尾气排放对大气污染物中C0、HC、NOx的分担率依次为63.4%、73.5%、和46%。相比于北京市,上海市汽车所产生的三种主要排放物C0、HC、NOx的分担率分别为86%、96%和56%。而且全国各大城市例如广州、天津、重庆的许多中大型规格的城市机动车尾气也相当严重[1]。2013年3月,中国工信部等部委共同发布了《乘用车企业平均燃料消耗两核算办法》,此举旨在促进先进节能技术的应用和推广,加快汽车产业结构调整和转型升级,确保中国在2015年乘用车平均燃料消耗量降至6.9升/百公里的目标实现。为了能够缓解机动车尾气对大气污染的进一步恶化,新动力汽车代替传统燃油发动机汽车是大势所趋。现如今,许多国家都开始了新一代汽车的研制。1993年美国开始执行“新一代汽车伙伴计划-PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles)”,随后日本也启动了政府“先进清洁汽车项目-ACE (Advanced Clean Energy Vehicle Project)”,而欧洲则提出了“明日汽车-The Car of Tomorrow”计划。而早在1999年4月,中国政府在北京召开了“全国清洁汽车行动大会”,决定在北京、上海等12个大城市进行“清洁汽车试验示范”活动以实施城市“蓝天”计划[2]。因此,目前,有很多可替代燃油发动机汽车的方案,例如燃料电池汽车、氢能源汽车以及混合动力汽车等。

据报道,2013年我国新能源汽车产量1.75万辆,同比增长39.7%,其中纯电动汽车1.42万辆;新能源汽车销售1.76万辆,同比增长37.9%,其中纯电动汽车销售1.46万辆。我国新能源汽车产销不断创新高的同时,面临政策、商业模式、基础设施、产业化推进等瓶颈问题亟待解决[2]。2013年11月,太原市被列为新能源汽车示范城市,提出2014年50辆电动公交车和200量电动出租车推广应用计划。未来5年,太原市将建设28座电动汽车充电站,充电站科技含量和服务能力将达到国际化、智能化水平。2014年5月15日,国家税务总局货物和劳务税司副司长林枫在税务总局网站就节能环保税收优惠政策进行了在线解答,针对城市中经常用到的电动汽车,林枫说,这有利于节能减排,现行消费税政策规定,电动汽车不纳入消费税征收范围,不征收消费税。依据目前我国现状,混合动力电动汽车是最具有实用性,并且已有商业化生产模式的新型汽车[3]。

依据混合动力汽车(hybrid power vehicle)总成的驱动系统能量流和功率流的配置结构关系,可分为串联式(Series Hybrid System)(两种)、并联式(Parallel Hybrid System)和混联式(Series·Parallel Hybrid System)等三种,如图1所示[3]。

(a)串联型式Ⅰ;(b)串联型式Ⅱ;(c)并联形式;(d)混联型式

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,它们之间以串联的方式组成动力系统,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(如串联型式Ⅰ、串联型式Ⅱ)。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动发电机发电驱动电动机。当车辆处启动、加速、爬坡工况时,发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能(串联型式Ⅱ);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,当电池组亏电时则由发动机发-电机组向电池组充电,组成如图1 (a)、(b)所示[3]。

如图1 (a)、(b)所示的串联式结构适用于城市内频繁起步和低速行驶工况,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经过多次转换,机械效率较低[3]。

如图1 (c)的并联式的发动机和电动机可以共同或分别驱动汽车,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。组成如图1 (c)所示[3]。

混联式系统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。如图1 (d)所示[3]。

按照两种不同的能量的搭配比例不同,混合动力车辆则有四种类型:

微混合(micro hybrids),有时也叫“起-停混合”,其特点是采用低电压和低功率的电动机,电动机不驱动车轮,只是用于大功率的起动机。在内燃机起动时,将内燃机的曲轴旋转到较高的转速,使得内燃机的起动更加轻松可靠;汽车在减速、制动时还可以使内燃机熄火,电动机则通过再生制动发电给蓄电池充电回收部分能量,这样都可以达到节省燃油的效果。轻度混合(mild hybrids)动力电动汽车的特点是采用高电压和低功率的电动机,在汽车加速时,电动机作为辅助动力使用。这样内燃机的排量就可以减小[3]。

全混合(full hybrids)也称强混合(strong hybrid),特点是可以只使用内燃机或电动机驱动车辆,也可二者同时驱动。当然,这需要装备较大体积、较高电压的电池。日本的丰田PRIUS即属此类[3]。

外电源插座充电混合动力汽车(Plug-in Hybrid Electric Vehicle,以下简称为PHEV),PHEV是指可以使用家用电源插座(例如220V电源)对混合动力车电池充电的混合动力汽车,同时这种混合动力汽车可单独依靠电池就能行驶较长距离,但需要时仍然可以像通常的全混合动力汽车一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50km的PHEV,可利用电池行驶40km到旅程终点后,插入电源对电池充电;如果旅程超过50km,则开始的50km可以用电池来行驶,超过50km后则可以以通常的混合动力方式行驶,到了旅程终点则再插入电源对电池充电[3]。

从上面的混合动力汽车(hybrid power vehicle)工作原理简介可看出,混合动力汽车的电机与电池、以及控制是其关键技术。目前由于电池尺寸、重量以及其他因素使得混合动力汽车(hybrid power vehicle)的成本很高,但是随着电池和混合动力技术的进步,混合动力汽车(hybrid power vehicle)可能会成为未来的一种汽车[3]。为此下面仅对混合动力汽车(hybrid power vehicle)上使用超级电容(super capacitor)解决电能储存的问题进行分析。

1、超级电容器类型及其特点

超级电容器(super capacitor)作为一种新型的储能元件是介于传统物理电容器和电池之间的一种最佳储能方案。与电池相比,超级电容器的优势体现在各个方面。从表1可以看出,超级电容器在最大工作电流、功率密度、循环寿命及环保方面相比电池而言,均具有很大的优势。尤其是在快速充电性能方面优势极为突出。但由于其能量密度较小,所以不适合进行长途行驶。但在重型纯电动牵引车,以及运输线路固定、路况良好、启动频繁的港口码头应用较为广泛。超级电容器具有以下优点[4];

(1)超级电容器与普通的电容器相比具有超高的容量。超级电容器的容量范围是0.1～6000F,它比同体积的电解电容器容量大2000～6000倍[5]。

(2)超级电容器的功率密度是电池的10～100倍,它可在瞬时提供大电流,短时间内可以达到几百到几千毫安。

(3)由于超级电容器的充放电过程不会对电极材料造成影响,循环次数不会影响电极材料的使用寿命。因此超级电容器的充放电效率很高,达到了105以上。同样,它的寿命也非常高。超级电容器的工作温度为-40～70℃,在25℃环境温度下的寿命为90000小时,在60℃的环境温度下为4000小时[6]。而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次[9]。

(4)与电池相比,超级电容器的材料是无毒、安全的。因此,超级电容器对环境不会造成任何污染。而像铅酸蓄电池、镍镉蓄电池等用材均为有毒材料。

(5)超级电容器在放置长时间后,电压会下降。但再次充电后会回到原来的电位,并且对超级电容器的容量性能没有影响。

(6)超级电容器使用的材料安全、无毒、环保。

根据电极材料的不同,超级电容器可分为:碳电极电容器、贵金属氧化物电极电容器和导电聚合物电容器。而双层电容器和法拉第准电容器是典型的两种超级电容器。

超级电容器根据储能的机理不同,可分为双层电容器(Electric double layer capacitor,EDLC)和法拉第准电容器或赝电容器(Pesudocapacitor)。

根据超级电容器的结构及电极上发生反应的不同,也可分为对称型和非对称型。当两个电极的组成相同且电极反应相同,反应方向相反,这种类型可称为对称型。碳电极双层电容器和贵金属氧化物电容器均为对称型电容器。相反,当两电极组成不同或反应不同,则被称为非对称型电容器。

1.1 双层电容器

双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当外加电压加到超级电容的两个极板上时,与普通的电容器一样,极板的正电极存储正电荷、负极板存储负电荷,进一步在超级电容的两极板上电荷产生的电场作用下,在电解液的内电场中,这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上,这个电荷分布层叫做双电层,因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上电荷不会脱离电解液,超级电容器为正常工作状态(通常为3V以下),而当两极板间电势超过电解液的氧化还原电极电位时,电解液将分解为非正常状态。

由于随着超级电容的放电,正、负极板上的电荷被外电路泄放,电解液的界面上的电荷相应减少。因此,超级电容的充放电过程始终是物理过程,没有化学反应。因此,其性能是稳定的,与利用化学反应的蓄电池是不同。超级电容器为正常工作状态的当电极和电解液接触时,由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用,使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷,称为界面双电层[7]。超级电容器的结构如图2所示。

在图2中,超级电容器的结构如图2所示,其电极多为活性炭多孔化电极,有活性炭(粉末和纤维)、炭气凝胶和碳纳米管。双层电容器的容量大小与电极材料的空隙有很大关系。当电极材料的孔径大小在2～50nm之间,孔隙率越高,其电极材料表面积就越大,电极上积累电荷就越多,双层电容器的容量就越大。在超级电容器结构图中,使用电解电容器纸的隔膜起到了引出电极、多孔化活性炭和隔膜外的所有空间均填充电解液的作用。这样可以大大提高实际面积与空间面积的比例,并且具有流动性的电解液可以与多孔化的活性炭电极紧密接触使得实际电机具有更大的有效极板面积。平板电容器的容量为

式中C为平板电容器的电容量,其中S、d、ε0、ε分别为电容器的极板面积、极板间距离、极板间介质的相对真空的介电系数和电介质的介电常数。由公式(1)可以得出,当电极表面积越大,极板之间距离越小,电容器的容量就会迅速扩大。

1.2 法拉第准电容器

法拉第准电容器是在电极表面或体相的二维或准二维空间上,活性物质发生了欠电位沉积,进而发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应,并产生了与电极充电电位有关的电容。由于在体相中进行氧化还原反应,其最大电容值相当大。通常,碳材料的比容为20 x 10-6F/cm2,而吸附型准电容为2000 x10-6F/cm2。因此,法拉第准电容器的容量为通常双层电容器10～100倍。法拉第准电容器的电极材料为金属氧化物,因此法拉第准电容器又可以被称为贵金属氧化物超级电容器。它所采用的电极材料通常是过渡金属氧化物,如MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、H3PMo12O40、WO3、PbO2和CO3O4等。[5]其中,RuO2作为法拉第准电容器的电极材料,它具有更高的导电性。RuO2在H2SO4电解液中的比容可以达到700～760F/g。但RuO2材料的稀有性和高价格限制了它的广泛应用。

1.3 导电聚合物电极电容器

导电聚合物电容器是一种新型的电化学电容器,它具有高性能和比贵金属超级电容器更优越的电性能。因为聚合物产品具有良好的电子电导率,可通过选择相应聚合物的结构进一步优化集合物的性能,从而提高电容器的容量。导电聚合物是通过法拉第过程大量储存能量,它是借助于电化学氧化和还原反应在电子共轭聚合物链上引入正电荷和负电荷中心,正、负电荷中心的充电程度取决于电极电势。导电聚合物电极电容器可分为三种类型,第一种为对称结构电容器。这种类型电容器中的两电极为相同可p型掺杂的导电聚合物。第二种为不对称结构电容器。此类型电容器是两电极为不同的可进行p型掺杂的聚合物材料。第三种电容器是导电聚合物可以进行p型和n型掺杂,充电时电容器的一个电极是n型掺杂状态,而另一个电极是p型掺杂状态,放电后为去掺杂状态。而当两电极的分别为n型掺杂和p型掺杂时,电容器具有类似蓄电池放电时的特性,即充分利用溶液中的阴阳离子来进行放电的过程。[8]聚乙炔、聚毗咯、聚苯胺、聚噻吩等聚合物为现今有限可以在较高的还原电位下稳定地进行电化学n型掺杂的导电聚合物。

2、超级电容器的充放电方式

当外加电压加到双层电容器的两个极板上时,极板的正极上为正电荷,极板的负极上为负电荷。电解液在两极板产生的电场作用下,在与电解液和电极间的界面上形成了相反的电荷。以此来平衡电解液的内电场。当电容器两极板间的电势低于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上的电荷不会脱离电解液,这是电容器的放电过程。而当电容器两端的电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解液将进行分解,此过程就为电容器的充电过程。图3所示双层电容器的充放电过程示意图。

1.双电层2.电解液3.极化电极4.负载

对于法拉第准电容,其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储,而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。当在和多孔过渡金属氧化物发生氧化还原反应时,有如下现象出现在充放电过程中:

(1)两极电位与电极上施加或释放的电荷几乎呈线性关系;

(2)系统的电压随时间呈线性变化,则可以表示为:

其产生的电流为恒定或者几乎恒定的电容性充电电流为:

此充放电过程是动力学高度可逆,反应随着电荷的转移,进而实现能量的储存。以RuO2反应为例,从图4可以看出法拉第准电容器充放电的大致过程。以RuO2作为电极,H2SO4作为溶液的电容主要取决于法拉第准电容器。当在电极上发生法拉第反应,其反应方程式为:

RuO2+xH++xe-=RuOz-x(OH)x

此反应是通过在RuO2的微孔中发生可逆的电化学离子注入,它不仅发生在电极表面,而且可深入电极内部,从而获得比双层电容器更高的电容量和能量密度。

3、混合动力汽车中的超级电容器及其选用

超级电容器的高功率输出、快速充电、宽温度范围以及使用寿命长等方面明显优越于传统动力电池。对于汽车在启动、加速、爬坡时的大功率输出要求均能较好的满足。在汽车中当超级电容与动力电池配合使用时,可以减少大电流充放电时对电池的伤害,延长使用寿命。拥有超级电容器的混合动力汽车可以明显减少汽车的总排放量,节约能量,其燃料可以减少25%的用量[12]。图5为带有超级电容的混合动力汽车的基本结构组成示意图[11,12]。

以城市混合动力公共汽车为例,可以看出超级电容器在汽车使用实际情况[10]。该城市混合动力公共汽车是由一个85KW的异步电机作为驱动电机,通过一个125KW柴油机恒速驱动同步发电机馈电和带有超级电容的能量存储单元与经过相控稳压器电路链相耦合的供电系统向自换向双向变化器供电。当车速低于20km/h,超级电容器开始放电;当柴油机的输出功率小于50KW时,超级电容器也开始放电。超级电容器可以进行在汽车制动时进行能量的回收,其储能单元与柴油机都在高效运行状态。超级电容器通过自身的这些优点使燃料消耗降低了26%,城市的总的能量需求减少了18%,并且减少了城市范围内的大气污染。超级电容器不但可以应用在公共汽车上,在需要进行各种加速和制动循环地铁与轿车上也可以广泛的使用[6]。

对于超级电容器的具体工作流程,可以通过一实例来进行说明。当一台质量为2吨的汽车在看见红绿灯时开始制动,其初始制动速度为50Km/h,经过制动后直到速度为0。它所产生的动能可以被存储在超级电容器中。超级电容器的初始充电电压为UE=46V,充电完成时电压为UA=25V。通过下面的公式(2)和公式(3)可以得出在此充电过程中所需要的电容量。

汽车制动产生的能量

其中,质量m=2t=2000kg,速度v=50km/h=13.89m/s。经过上式计算得到能量为193kJ。

再由下式能量与电容的关系可以得出储存制动能量所需的电容:

最终可以得出存储制动能量所需要的电容为260F。

在此制动过程中,假设制动时间为10s。利用公式(5)可以得出完成此制动过程的制动电流。

根据上式可得到对应的制动电流为546A。

在选用电容器时可以通过以上计算结果来选取合适的容量与数量的电容器进行组合。经过以上公式计算,此辆汽车需要260F的电容量和46V的涌浪电压。其电容可以用18个5000F/2.7V的超级电容器进行串联可以满足。

4、超级电容器的其它应用领域

目前的内燃机型的汽车基本上是用蓄电池组来启动柴油发电机组的,蓄电池的充放电时间较长,在冬天启动汽车比较困难。冬天,很多司机都会将卡车处于怠速状态,以保证卡车在停了几个小时后能重新启动。德国的研究人员对超级电容器应用在汽车发动机的快速启动上做了研究[10],以解决怠速停车产生的能源浪费问题。他们使用一个小的蓄电池并联一个超级电容器代替原蓄电池为车辆启动提供动力。超级电容器+蓄电池组构成的启动能源系统的质量仅为传统车用蓄电池的1/3,但却使启动机的启动扭矩提高50%,而且启动转速也有所增加[10]。

另外,在其他领域超级电容器也获得成功的应用,超级电容器替代电解电容器,应用在高压变电站及开关站的电容储能式硅整流分合闸装置中,作为储能装置,可以解决电解电容器由于储能低及漏电流大造成的分合闸装置町靠性差等缺点,防止产生严重事故[11]。超级电容器代替电解电容器能保持原装置简单的结构,还能降低成本,减少维护量[11]

超级电容器也可以用于分布式电网的储能。该系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来,当能量紧急缺乏或需要时,再将存储的能量通过控制单元释放出来,准确快速地补偿系统所需的能量,从而实现电能的平衡、稳定控制[11]。

新一代的激光武器、粒子束武器、潜艇、导弹以及航天飞行器等高功率军事装备在发射阶段除了具有常规高比能量电池外,还必须与超大容量电容器组合才能构成“致密型超高功率脉冲电源”,通过对脉冲释放率、脉冲密度、峰值释放功率的调整,使脉冲电起飞加速器、电弧喷气式推进器等装置能实现在脉冲状态下达到任何平均功率水平的状态。Evans公司开发了一种大型的超级电容器,计划应用于海军。Evans公司的这种电容器的工作电压为120V,存储的能量超过35 kJ,功率高于20kW[5]。

超级电容器由于具备高比功率、长循环寿命等优势,使其作为许多电力行业的首要选择。目前已应用于计算机备用电源、信号灯电源及与燃料电池、镍氢电池等动力电池复合作为电动汽车的动力电源。尤其是混合动力汽车和纯电力驱动汽车,超级电容器重要的研究方向之一是将其与高比能量的蓄电池连用,在车辆加速、刹车或爬坡的时候提供车辆所需的高功率,在车辆正常行驶时则由蓄电池充电或由车辆刹车时所产生的电能充电,减少汽车对蓄电池大电流放电的要求,达到减少蓄电池的体积和延长蓄电池寿命的目的。

目前,超级电容器的研究主要围绕碳材料展开,但是制备的电容器比能量很低,而且性能有待进一步提高。纳米碳材料的出现和发展为超级电容器电极材料研究提供了新的发展方向,将给超级电容器性能提高提供广阔的发展思路和空间[8]。

5、结论

在与蓄电池和传统电容器相比,超级电容器在功率密度、寿命、快速充电性能以及工作温度方面具有明显的优势,但在成本和能量密度方面仍需要大幅度的提高。超级电容器在电动汽车和混合动力汽车中的应用具有巨大的优势。尤其当车辆启动和爬坡需要大功率能量输出时,超级电容器的快速响应相对比传统蓄电池电动汽车的优势不言而喻。超级电容器的优势同样可以应用在传统内燃机汽车蓄电池问题、电力系统的储能以及军事新兴武器研究等各个领域。随着对超级电容器研究的深入,其实用性和性能将不断提高,超级电容的前景将无限宽广。

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混合动力汽车发展前景展望 篇11

[关键词]混合动力；市场；技术；前景光明

[中图分类号]U464.11[文献标识码]A[文章编号]1009-9646(2009)06-0022-02

混合动力电动汽车(Hybrid Electric ve－hicle，简称HEV)是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(Auxiliary PowerUnit，简称APU)，其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组。目前HEV所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃气轮机。

一、混合动力汽车的适用性决定了它具有很大的潜在市场

混合动力电动汽车比较纯电动汽车和原动机具有以下优点：

1电池的数量减少，因此混合动力电动汽车自身质量可减轻。

2辅助动力单元(APU)的选用使汽车的续驶里程与动力性能可以达到内燃机汽车的水平。

3虽然原动机会有排放产生，但是由于原动机主要工作在最佳工况点附近，因而大大减少了汽车上内燃机变工况(特别是低速、怠速)时的排放，由于可回收制动能量，使得混合动力电动汽车成为较低排放的节能汽车。

4借助原动机输出的动力直接带动车内空调、暖风、真空助力器、动力转向等汽车电器附件，无需再消耗电池组内有限的电能。

5在某些对汽车排放严格限制的地区(如商业区、旅游区、居民小区等)，混合动力电动汽车可以关闭APU，由纯电力方式驱动，成为零排放的电动汽车。

6电能的取得比石油更为简单，成本更低，利用各种方式获得电源来供给电力汽车的使用，让汽车的使用成本更低，同时由于电动汽车的环保性，将令它成为新时代的交通工具的代表，广受世界各国人民的喜欢，这也就注定它拥有若大的市场。

由于存在上述优点，混合动力电动汽车的整体性能价格比明显优于纯电动汽车。

二、成熟的混合动力汽车技术

混合动力汽车的动力系统的全面改进，各种高新技术开始在混合动力汽车上应用，主要技术包括：燃油动力与电动动力系统集成优化技术不断取得进展，节能效果不断提高；高性能锂离子电池、镍氢电池取代传统的铅酸电池；高效的一体化电力驱动系统取代传统的直流电机；电动辅助系统的广泛应用提高了整车能量利用效率和性能；网络系统的应用促进了混合动力汽车的模块化和智能化；轻量化技术和电器结构安全性技术得到了系统应用。

在混合动力技术的发展上，表现出明显的模块化和平台化趋势，轿车混合动力系统的模块化愈加明显，逐步推进汽车动力的电气化。从只具备自动启停、怠速关机功能的“微混合”、以并联式混合动力发动机为主体的“轻混合”和以混联式为特征的“强混合”，随着电功率的比例逐步提高，混合程度不断提高，最终过渡到可充电式的串联式“全混合”方式。城市客车混合动力系统出现平台化趋势。发电机组+驱动电机+储能装置，构成了混合动力系统的基本技术平台。通过换用不同的发电机组即APU，从汽、柴油内燃机到气体燃料发动机各种不同的能源动力转化装置，形成油一电、气一电等各种不同混合动力系统，促进了动力系统的平稳过渡与转型。

三、宽松的政策推动混合动力汽车的应用

混合动力汽车节能和环保效果明显，得到快速发展，并在各国优惠政策的鼓励下，逐步进入商业化推广应用阶段。大型汽车公司纷纷推出具有各自特色的混合动力汽车。目前已批量销售的混合动力汽车包括丰田公司Prius、本田公司Insight、Civic、福特公司的Escape等轿车和OrionBusVI、NovaBus、HIMR客车等。2007年，美国市场上销售的混合动力车达到40多万辆，占新车总销售量的3％。

我国在“863”计划重大专项中共投入20亿元的研发经费，支持混合动力汽车关键技术、平台集成技术以及整车和关键零部件的开发。

国家发展和改革委员会于2007年11月1日颁布实施的《新能源汽车生产准入管理规则》为各种电动汽车的推广应用扫清了政策障碍。规则根据混合动力汽车特点和技术成熟度，规划了推广应用的范围和条件。

四、我国混合动力汽车发展概况

在混合动力汽车方面，首先在乘用车上推广使用具有怠速停车功能和启动电机。发电机一体化的轻度混合动力轿车技术，将其应用到使用率较高的领域，如城市出租车；其次是在城市公交车辆上推广应用具有制动能量回收功能的混合动力，逐步扩大其应用范围。

混合动力汽车技术基本成熟，以BSG和ISG为代表的轻度混合动力汽车具备产业化条件。2007年11月底，10辆奇瑞BSG混合动力轿车率先销售到奇瑞出租车公司，计划单车运行10万公里以上。12月13日，由长安汽车集团自主研发的首款量产混合动力轿车杰勋HEV，在长安汽车第五工厂正式下线，长安集团计划于2009年生产该款混合动力车3000辆，2010年将达5000辆。

清华大学与清能华通共同研发的“Micro哈里”采用了自主研发的新型四轮智能驱动技术和高性能锂离子动力蓄电池，最高车速65km／h，0km／h-30km／h加速时间4.5s，百公里能耗5kWh，续航里程大于120km。

五、还需要攻关的难题

非常重要的课题之一就是汽车电池的老化。车载充电电池一般要求使用5年以上，或使用100000km以上，而且还必须保证能够稳定使用。汽车电池必须避免在使用过程中过早老化，导致频繁充电的情况发生。

要确保电池的长期使用可靠性，需要对电池单元及单元串联而成的电池组进行电力及热量方面的管理。这就要进行极其精细的控制，比如监视单元温度及电压或电流，估算充电率、确认健全度(容量缩小度)以及优化控制充放电，管理单元温度，发现故障时转化状态、切断系统等。

行驶控制系统方面，目前也正全力实施行驶马达／逆变器、发电马达／逆变器、充电电池、变速箱、车外信息及发动机等的联动及能源，功率管理以及基于模型还在进一步研究开发。

六、结论

混合动力汽车动力总成设计构想 篇12

1 高压共轨柴油机电控技术简介

高压共轨柴油发动机采用电子控制单元 (Electronic Control Unit简称ECU) 从传感器 (油门位置、转速、大气状态、水温、共轨压力) 获取信息, 结合约束条件, 查找预先设定好的MAP, 调整喷油器的主喷, 预喷和后喷 (可选) 时长, 达到控制喷入气缸油量目的。博世高压共轨柴油机电控系统以转速为输入, 结合转速、油门来控制油量和喷油时间, 高压共轨柴油系统以扭矩为输入, 控制最后的油量和喷油时间。

2 电机驱动系统控制简述

电机驱动系统作为类似发动机功能单元的动力单元通常由电机和电机控制器组成。而电机控制器由电机控制器核心板, IGBT驱动电路, 控制电源, 结构和散热系统, 高压开关控制电路组成。控制器核心板负责接收整车控制器的指令并反馈信息, 检测电机系统内传感器信息, 根据指令和传感器信息产生逆变器开关信号;IGBT驱动电路接收CPU板开关信号并反馈信息 (如各相电流) , 放大开关信号并驱动IGBT, 提供电压隔离和保护功能;控制电源为CPU板和驱动电路提供多路相互隔离的电源;结构和散热系统则为电力电子模块散热, 支撑组件安装并提供环境保护;高压开关控制电路负责接受信号将直流电源能量传递给逆变器, 减少突然接通电路的大电流冲击。

各种电机转矩-转速特性在加减速或速度调节情况下都服从运动学方程Te-TL=J*dn/dt (Te为电磁转矩, TL为负载转矩, J为转动惯量, n为电机转速) , 对于恒定负载或者突加减负载, 只需要控制电机电磁转矩即可。

以某型号永磁同步电机 (额定75kw, 输出扭矩540N.m) 控制为例, 接收扭矩请求后将扭矩控制转化为定子q轴电流PI调节;励磁或弱磁控制部分转换为定子d轴电流PI调节[2]。空载情况下在线修改整车控制器RAM指令, 经过CAN总线发送给电机控制器, 0-1.48秒间发命令扭矩20N.m, 转速上升斜率较小, 1.48秒时刻更改为40N.m命令扭矩, 转速上升斜率变大, 在低速空载情况下电机经过报文发出的扭矩和命令扭矩有差异, 真实值需在测功机上测量。电控发动机和电机控制可实现CAN总线模式下转速和扭矩控制, 发动机ECU其通讯协议遵循SAE J1939, 电机控制通讯协议需要自行设定。

3 整车电控技术原理和设计

基于以上对发动机和电机控制的认识, 在并联式混合动力客车中可类比传统柴油车的控制方式, 由司机加速踏板开度 (即传统车油门) 和制动踏板开度, 发动机及电机转速, 并结合发动机水温等约束条件分配二者扭矩。对于串联或者增程式混合动力客车, 尽可能使得发动机转速位于经济区域, 即主要是发动机转速控制和发电机的扭矩控制。除了发动机和电机自带的ECU, 需要另外设计整车控制器 (Vehicle Control Unit简称VCU) 。

3.1 整车控制原理

串混或增程式系统主要驱动力来自驱动电机, 根据电机转速和加速踏板及制动踏板查询扭矩需求得到驱动电机的需求扭矩, 再结合A-PU (即发动机-发电机系统所能提供的电流限制) 得到电机的目标扭矩, 该目标扭矩由整车控制器经过CAN报文发送给电机控制器, 而电机需求扭矩转化为能量需求并结合电池 (或者超级电容) 电压以及剩余电量SOC转化为APU电流需求, 再经CAN总线实现对发动机转速和发电机扭矩 (或者励磁PWM) 需求。

对于并联混合动力, 由于发动机的转矩响应受瞬态空燃比控制燃油补偿等因素较目标扭矩迟滞, 而电机的扭矩响应在毫秒级, 可认为是瞬变量。若某一时刻目标扭矩是600N.m, 分配给电机和发动机扭矩分别是200 N.m和400 N.m, 必然导致瞬间合成扭矩和目标扭矩差异较大影响舒适性, 以并联式混合动力客车从纯电动切换到发动机单独驱动为例, 电机目标扭矩瞬间变为0, 此时发动机输出扭矩尚未输出到位将导致动力中断, 需要电机转矩补偿或者延缓电机响应。

3.2 VCU硬件结构

设计一款采用freescale S12X系列处理器的VCU, 负责采集挡位, 加速踏板和制动踏板信息, 并根据转速或者车速信息, 发送扭矩命令给电机控制器和发动机ECU (也可用总线油门或者硬件油门信号) ;对于带有自动变速箱的车辆, 需要根据挡位和位置传感器由H桥电路控制离合器或者选档换挡执行器;对于串联式混合动力汽车, 通常需要控制发电机励磁或发电机扭矩需求。

发动机ECU的RAM设计为1-2MB, 单片机自身RAM通常难以达到, 需要另外用地址数据总线扩展, 可标定数万个浮点型变量和若干一维和二维MAP。S12X处理器RAM为64KB, 在标定变量不是特别大的情况设定某个RAM地址区域用于MAP和可调整参数标定, 通常使用CAN Calibration Protocol (CCP) 协议。

3.3 VCU软件结构

在codewarrior下新建工程文件project后, 手工代码完成硬件层驱动程序, 如CAN, AD, PWM等功能。控制策略部分通常采用Matlab Simulink中进行上层算法建模仿真调试, 其软件结构通常分为初始化和步进执行两部分。初始化不进入无限循环只需要执行一次, 而步进执行部分分不同的周期需要在无限循环中执行, 该周期需要在simulinkconfigue中设置且须和project中执行周期一致。然后利用Real-Time Workshop工具箱对上层算法进行自动代码生成。最后需要在Codewarrior集成开发环境中将生成的C代码形式的上层算法与手写代码进行拼接, 整合与调试, 编译连接之后生成在单片机环境下运行的可执行文件, 可通过串口或者CAN下载已经编写bootloader的VCU中。

4 结束语

以扭矩为切入点分析发动机和电机控制的共性从而扩展应用到混合动力汽车研发是本文的主要脉络。建立在Freescale S12X处理器平台的整车控制器可实现simulink算法生成代码, 并通过扭矩命令 (或者转化为发动机油门) 实现对电控发动机和电机的控制可以应用于混合动力汽车开发。

参考文献

[1]黄海燕.汽车发动机试验学教程[M].北京:清华大学出版社, 2009.