rkq----混合動(dòng)力汽車技術(shù)分析

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要隨著石油供應(yīng)的日趨緊缺和環(huán)境污染的日益加劇，電動(dòng)車這種以電能為動(dòng)力的交通工具憑借其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)日漸成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。20世紀(jì)80年代以來(lái), 許多發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入巨資研發(fā)電動(dòng)汽車，我國(guó)的“863 計(jì)劃”也已明確將電動(dòng)汽車作為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。節(jié)能成為新世紀(jì)全球的主題，日益短缺的能源要求出現(xiàn)新的動(dòng)力技術(shù)。本文詳細(xì)的闡述了汽車混合動(dòng)力技術(shù)原理及應(yīng)用現(xiàn)狀，并且分析了汽車混合動(dòng)力核心技術(shù)，綜合分析了混合動(dòng)力汽車需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。關(guān)鍵詞：環(huán)境；能源；混合動(dòng)力Title： The development of hybrid electric vehicle

2、technology Abstract：With the increasing oil supply shortage and growing environmental pollution, electric vehicles such as electricity-powered vehicles, with its energy saving and environmental protection advantages of becoming the focus of the industry. Since the 80s of the 20th century, many devel

3、oped countries have invested heavily in electric vehicle research and development, China's "863 Program" has a clear focus on electric vehicles as a key project. Energy saving has become subject matter of the world ,the lack of the energy demands a new driving technology .In this paper

4、 ,the hybrid electric vehicle technology has been expounded in detail , and analyz automobile dynamicaled automobile dynamical kernel technology, colligate colligate the technology of automobile dynamicaled and challenge.Keywords ： environment; energy; hybrid 目錄摘要-11 引言-41.1混合動(dòng)力汽車的概述-41.2混合動(dòng)力汽車的發(fā)展技術(shù)

5、背景-42混合動(dòng)力汽車的類型和特點(diǎn)-52.1串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車-62.2并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車-62.3混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車-73混合動(dòng)力汽車的核心技術(shù)研究與發(fā)展- 93.1混合動(dòng)力汽車用電池- 93.1.1混合動(dòng)力汽車對(duì)電池的特殊要求- 93.1.2 混合動(dòng)力汽車電池的發(fā)展-103.1.3 混合動(dòng)力汽車電池的管理-103.2混合動(dòng)力汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)-113.3混合動(dòng)力汽車中電力電子技術(shù)的應(yīng)用-114混合動(dòng)力汽車需要解決的關(guān)鍵技術(shù)-134.1混合動(dòng)力單元技術(shù)-134.2能量存儲(chǔ)技術(shù)-144.3汽車集成電力電子模塊技術(shù)-14結(jié)論- 15參考文獻(xiàn)- 171引言1.1混合動(dòng)力汽車的概述 混合動(dòng)力車是汽車使

6、用兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的動(dòng)力源來(lái)推進(jìn)車輛行駛的車輛，混合動(dòng)力汽車的英文縮寫是HEV。HEV的基本結(jié)構(gòu)是在電動(dòng)汽車（EV）和燃料電池電動(dòng)車（FCEV）的基礎(chǔ)上增加一套輔助動(dòng)力系統(tǒng)-動(dòng)力發(fā)電機(jī)組或某種原動(dòng)機(jī)。原動(dòng)機(jī)可以是內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等熱機(jī)。通常所說(shuō)的混合動(dòng)力一般是指油電混合動(dòng)力，即燃料（汽油，柴油）和電能的混合?；旌蟿?dòng)力汽車是有電動(dòng)馬達(dá)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車?；旌蟿?dòng)力汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性能高，而且行駛性能優(yōu)越，混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)要使用燃油，而且在起步、加速時(shí)，由于有電動(dòng)馬達(dá)的輔助，所以可以降低油耗，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是與同樣大小的汽車相比，燃油費(fèi)用更小， 而且，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)馬達(dá)可以在啟動(dòng)的瞬間

7、產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)力，因此，車主可以享受更強(qiáng)勁的起步、加速。同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)較高水平的燃油經(jīng)濟(jì)性?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）將內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)與一定容量的蓄電池通過(guò)控制系統(tǒng)相組合，電動(dòng)機(jī)可補(bǔ)充提供車輛起步、加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩，又可以存儲(chǔ)吸收內(nèi)燃機(jī)富余功率和車輛制動(dòng)能量，從而可大幅度降低油耗，減少污染物排放。混合動(dòng)力汽車雖然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)零排放，但其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等綜合指標(biāo)能滿足當(dāng)前苛刻要求，可緩解汽車需求與環(huán)境污染及石油短缺的矛盾。所以自從90年代以來(lái)，全球刮起了研究混合動(dòng)力的風(fēng)暴。日本豐田率先將混合動(dòng)力車商品化，于1997年推出Prius，隨后的時(shí)間里，多家日本汽車公司實(shí)現(xiàn)了多款混合動(dòng)力的商品化。在美國(guó)，

8、克林頓政府上臺(tái)不久，為了開(kāi)發(fā)新一代汽車，由美國(guó)政府促進(jìn)，于1993年9月29日發(fā)起了新一代汽車伙伴計(jì)劃即PNGV，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)低油耗的混合動(dòng)力汽車。然而該計(jì)劃最終被廢止，沒(méi)有達(dá)到預(yù)訂的2005年左右推出商品化的混合動(dòng)力汽車的目標(biāo)。1.2混合動(dòng)力汽車的發(fā)展技術(shù)背景 隨著石油供應(yīng)的日趨緊缺和環(huán)境污染的日益加劇，電動(dòng)車這種以電能為動(dòng)力的交通工具憑借其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)日漸成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。20世紀(jì)80年代以來(lái), 許多發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入巨資研發(fā)電動(dòng)汽車，我國(guó)的“863 計(jì)劃”也已明確將電動(dòng)汽車作為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。目前，我國(guó)電動(dòng)汽車的研發(fā)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家基本上處在同一起跑線上，在某些方面甚至超過(guò)國(guó)外2。2005

9、年，我國(guó)第一代混合動(dòng)力商品車通過(guò)論證和驗(yàn)收。     法國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)等都經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和示范運(yùn)行，開(kāi)發(fā)出具有商品化水平的純電動(dòng)汽車，如法國(guó)PSA 公司的標(biāo)志P106 和雪鐵龍AX 電動(dòng)轎車，日本豐田汽車公司的RAV-4EV 電動(dòng)轎車，美國(guó)通用汽車公司的EV1 電動(dòng)轎車等。我國(guó)也將電動(dòng)汽車的研究開(kāi)發(fā)列入“八五”、“九五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目，并于1996年6月建成廣東汕頭國(guó)家電動(dòng)汽車試驗(yàn)示范基地?！笆濉逼陂g，國(guó)家科技部將電動(dòng)汽車項(xiàng)目列入國(guó)家“863”重大專項(xiàng)。成了資助電池、電機(jī)及其控制系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)以外，重點(diǎn)資助北京市（北京理工大學(xué)牽頭）進(jìn)行

10、純電動(dòng)大客車的研發(fā)和示范運(yùn)行。2005 年6 月21日由國(guó)家發(fā)改委正式批準(zhǔn)，14輛鉛酸電池純電動(dòng)公交大客車在北京公交121 路線投入商業(yè)化運(yùn)行。另一個(gè)課題資助天津清源動(dòng)力公司（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心）進(jìn)行純電動(dòng)轎車的研究開(kāi)發(fā)和示范運(yùn)行。其中有5輛純電動(dòng)轎車于2005年初首次出口到美國(guó)。雖然電動(dòng)汽車具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它不能取代傳統(tǒng)的燃?xì)鈩?dòng)力模式，而混合動(dòng)力汽車是目前新型清潔動(dòng)力汽車中最具有產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化前景的車型，其發(fā)展方向是真正零排放、無(wú)污染，不消耗燃油的燃料電池車輛?，F(xiàn)在混合動(dòng)力汽車在歐美國(guó)家及日本已形成產(chǎn)業(yè)化，而國(guó)內(nèi)還處于起步階段，沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化。2混合動(dòng)力汽車的類型和特點(diǎn)先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)是混

11、合動(dòng)力汽車取得成功并實(shí)現(xiàn)其優(yōu)越性的關(guān)鍵?；旌蟿?dòng)力汽車是將電力驅(qū)動(dòng)和輔助動(dòng)力單元（Auxiliary Power Unit,縮寫為APU）合用到一輛汽車上。這個(gè)輔助動(dòng)力單元通常采用一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)組。一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)始終在最佳工作點(diǎn)上驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或直接驅(qū)動(dòng)汽車，排放少、效率高；另一方面，蓄電池又可得到發(fā)電機(jī)的不斷補(bǔ)充充電，從而，在減少蓄電池容量和體積的同時(shí)提高了汽車最高速度，加大了續(xù)駛里程，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)的連接方式，目前開(kāi)發(fā)研制的混合動(dòng)力汽車基本上可分為三類，即串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。2.1串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車這種汽車系統(tǒng)更接近于電動(dòng)汽車，它由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電池和電動(dòng)

12、機(jī)等動(dòng)力裝置以串聯(lián)方式連接組成（如圖2-1所示）。在這種系統(tǒng)中，一臺(tái)小型的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能被儲(chǔ)存于蓄電池或傳給電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)車輪。負(fù)荷小時(shí)由電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)；負(fù)荷大時(shí)則由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；車輛制動(dòng)或減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)把驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)功率變速器給蓄電池充電。圖2-1串聯(lián)式HEV串聯(lián)式HEV動(dòng)力傳動(dòng)系的組成，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、功率變速器以及蓄電池。這種類型車能以超低排放模式工作。由于串聯(lián)式HEV動(dòng)力傳動(dòng)系中的發(fā)電機(jī)與汽車驅(qū)動(dòng)輪之間無(wú)機(jī)械連接具有獨(dú)立于汽車行駛工況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的優(yōu)點(diǎn)，適用于市內(nèi)常見(jiàn)的頻繁起步、加速和低速運(yùn)行工況，可使發(fā)

13、動(dòng)機(jī)穩(wěn)定于高效區(qū)或低排放區(qū)附近工作。但串聯(lián)式HEV動(dòng)力傳動(dòng)系的綜合效率較低，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，再由電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能用以驅(qū)動(dòng)汽車，途經(jīng)二次能量轉(zhuǎn)換，中間必然會(huì)伴隨著能量的損失。 2.2并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車汽車并聯(lián)式HEV動(dòng)力傳動(dòng)系的組成，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、耦合器、變速器、電動(dòng)機(jī)、功率變速器以及蓄電池（如圖2-2）。這種系統(tǒng)更接近于傳統(tǒng)意義上的燃油汽車，該系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)是并列連接到驅(qū)動(dòng)橋上的。汽車行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)可以分別獨(dú)立或共同向汽車驅(qū)動(dòng)輪提供動(dòng)力。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車主要由燃油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，動(dòng)力性較好。其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制較復(fù)雜，電池總?cè)萘績(jī)H是串聯(lián)式的三分之一

14、，能量傳遞損失小。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車驅(qū)動(dòng)輪間有直接的機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況不可避免地要受到汽車具體行駛工況的影響，很難在最佳工作區(qū)工作，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能均較串聯(lián)式差。圖2-2并聯(lián)式HEV綜上所述，并聯(lián)式HEV布置方案由于在傳動(dòng)系組成及控制方面更接近于傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)系，并且所需的電機(jī)功率較小，電池組數(shù)量小，整車的價(jià)位也較低。更可貴的是，并聯(lián)式HEV可采用傳統(tǒng)車用發(fā)動(dòng)機(jī)，從而可把傳統(tǒng)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的最新研究成果應(yīng)用到混合動(dòng)力汽車上，節(jié)省了研發(fā)資金，目前這種結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系應(yīng)用比較廣泛。2.3混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車典型的混聯(lián)式HEV動(dòng)力傳動(dòng)系是由電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、離合器以及蓄電池組成，具備了串、并聯(lián)結(jié)

15、構(gòu)各自的特點(diǎn)（如圖2-3）。這種系統(tǒng)包括兩條能量傳遞路線：一是機(jī)械能傳遞路線，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能可通過(guò)機(jī)械裝置直接驅(qū)動(dòng)車輪；二是電能傳遞路線，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。同時(shí)，電池連接到發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間，可接受充電或提供輔助動(dòng)力。圖2-3混聯(lián)式HEV混聯(lián)式HEV布置方案綜合了串、并聯(lián)兩種布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)，是一種相對(duì)比較完善的動(dòng)力系統(tǒng)，其電池的體積較小、重量較輕、成本較低；發(fā)動(dòng)機(jī)總是在最高效率下工作，具有很好的燃油經(jīng)濟(jì)性和較低的排放，加速性和平穩(wěn)性也很好。因此，可以說(shuō)在許多方面，混聯(lián)式混合動(dòng)力車綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)?；炻?lián)式HEV控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)最

16、為復(fù)雜，技術(shù)難度最大，增加了開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本，不過(guò)，隨著控制技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代混合動(dòng)力汽車更傾向于選擇這種結(jié)構(gòu)。在以上三種方式中，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的污染最小，但是能量在傳遞過(guò)程中損失較大，且對(duì)電池的要求較高。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的集成度相對(duì)較低，主要依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)受工況的影響，因而燃料的經(jīng)濟(jì)性較差、排放污染情況相對(duì)較差、噪聲較大，這不符合混合動(dòng)力車高效率、低能耗、低污染的基本目標(biāo)，但由于其具有較好的動(dòng)力性，曾一度得到各大汽車公司的青睞。混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車同樣具有良好的動(dòng)力性而且污染與油耗大大降低，因此，世界各大汽車公司紛紛開(kāi)始把注意力投向混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的研

17、究與開(kāi)發(fā)。這三種方式具體的分類比較，見(jiàn)表2-4表2-4 串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)三種方式的比較項(xiàng)目方式控制系統(tǒng)電池能量傳遞效率燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率環(huán)境污染其他串聯(lián)式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只要根據(jù)蓄電池充電狀態(tài)決定其運(yùn)行或停止對(duì)電池要求較高，容量大，增加了電池和汽車重量以及制造成本動(dòng)力傳遞過(guò)程中，存在能量轉(zhuǎn)換的損失，降低了能量利用率發(fā)動(dòng)機(jī)的工作不受汽車行駛工況的影響，總在最佳工況下工作，具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性污染最小每一動(dòng)力裝置的功率均等于汽車要求的總功率，設(shè)備規(guī)模較龐大，增加了車輛的成本及機(jī)構(gòu)布置的難度并聯(lián)式動(dòng)力控制系統(tǒng)及機(jī)械切換系統(tǒng)相對(duì)較復(fù)雜總?cè)萘勘却?lián)式?。s為三分之一），對(duì)蓄電池的峰值功率要求較低動(dòng)

18、力直接傳到車輪上，中間環(huán)節(jié)少，比串聯(lián)式有更高的能量效率主要?jiǎng)恿€是來(lái)源于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，但燃油發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍大，效率較低污染和噪聲較大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可把傳統(tǒng)車用發(fā)動(dòng)機(jī)的最新研究成果應(yīng)用到混合動(dòng)力汽車上，節(jié)省了研發(fā)資金混聯(lián)式機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)最為復(fù)雜對(duì)電池的依賴小，甚至可以不需要外置充電系統(tǒng)較高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作不受汽車行駛工況的影響，總是在最高效率狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，具有很好的燃油經(jīng)濟(jì)性比并聯(lián)小發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)均可較小。動(dòng)力系統(tǒng)可根據(jù)不同工況選用不同的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式，充分利用兩套動(dòng)力裝置的優(yōu)點(diǎn)3混合動(dòng)力汽車的核心技術(shù)的應(yīng)用汽車的混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展與機(jī)械、電氣、內(nèi)燃機(jī)、能源、計(jì)算機(jī)、汽車、信息等技術(shù)息息相關(guān)。HEV作為

19、多種高薪技術(shù)的集成,是典型的高薪技術(shù)產(chǎn)品,集智能化、數(shù)字化、輕量化和實(shí)用化于一體。其研制和開(kāi)發(fā)的核心技術(shù)主要是電池、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)控制、電力電子技術(shù)、能量管理技術(shù)以及車身和底盤設(shè)計(jì)等,其中前4項(xiàng)是混合動(dòng)力汽車的發(fā)展瓶頸。3.1混合動(dòng)力汽車用電池HEV的成敗關(guān)鍵在于電池,電池也是一直制約混合動(dòng)力汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。HEV在勻速行駛時(shí),由發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量,電池組基本上處于不充不放的狀態(tài);汽車行駛需要大功率時(shí)(如加速、爬坡、高速等) ,電池組放電,釋放能量;汽車行駛需要小功率時(shí)(如低速、停車等) ,電池組充電,積蓄能量。3.1.1混合動(dòng)力汽車對(duì)電池的特殊要求與EV不同, HEV電池連續(xù)工作時(shí)間短,對(duì)電

20、池容量要求不高,而對(duì)功率要求較高。另外HEV電池SOC工作范圍在50%左右,波動(dòng)一般不超過(guò)20%。這是因?yàn)镠EV要求電池留有足夠的余量,以保證車輛制動(dòng)時(shí)可以充分吸收能量,并不致使電池過(guò)充后降低壽命,甚至破壞電池。HEV和EV用電池的主要性能指標(biāo)有質(zhì)量比能量、體積比能量、質(zhì)量比功率、價(jià)格和循環(huán)壽命等。為了確保HEV合理的行駛性能,對(duì)其能源系統(tǒng)有如下要求:高比能量(確保HEV達(dá)到合理的行駛里程) ;高比功率(確保加速和爬坡性能) ;壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、充電快、效率高(提高車輛的使用效率和接受制動(dòng)回輸功率的能力) ;尺寸小;安全性高。3.1.2 混合動(dòng)力汽車電池的發(fā)展至今為止,電動(dòng)汽車用電池經(jīng)歷了三代的

21、發(fā)展,已取得了突破的進(jìn)展。第一代是鉛酸電池,主要是閥控鉛酸電池(VRLA) ,由于其比能量高、價(jià)格低和放電倍率高,成為目前唯一大批量生產(chǎn)的電動(dòng)汽車用電池。第二代是堿性電池,只要有Ni2Cd, Ni2MH, Na /S,L i2ion和Zn /Air等多種電池,其比能量和比功率都比鉛酸電池高,大大提高了電動(dòng)汽車的電動(dòng)能力和續(xù)駛里程,但是價(jià)格比鉛酸電池要高。第三代是以燃料電池為主的電池,燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,具有能量轉(zhuǎn)換效率高、比能量高、比功率高、控制反應(yīng)過(guò)程可控、能量轉(zhuǎn)化過(guò)程可連續(xù)的特點(diǎn),因此是理想的汽車用電池,現(xiàn)正處于研制階段,一些關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。從目前車用電池的發(fā)展來(lái)看,

22、鎳氫電池可能是HEV動(dòng)力能源的首選電池,它已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn),性能穩(wěn)定,其質(zhì)量比、體積比率、電池壽命和重復(fù)充放電次數(shù)方面已經(jīng)達(dá)到美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)性能指標(biāo)另外,一種叫質(zhì)子交換膜的燃料電池( PEMFC)的能量轉(zhuǎn)換效率是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的23倍;同時(shí)它還具有噪音低、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)迅速、比功率大和輸出功率可隨時(shí)調(diào)整等特性,使得PEMFC非常適合用作交通工具的動(dòng)力源,有關(guān)專家預(yù)言: 21世紀(jì)燃料電池電動(dòng)汽車可能成為汽車的主體。其他尚在試驗(yàn)階段的電池如飛輪電池、太陽(yáng)能電池,有著壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),在未來(lái)的車用電池中也必將占有一席之地。3.1.3 混合動(dòng)力汽車電池的管理 在電池管理方面,

23、目前著力于多個(gè)電池串、并聯(lián)使用,為管理此更新的電池類型,需要采用嵌入式控制器來(lái)監(jiān)視電池組的工作情況。大型HEV電池組可能包含200個(gè)甚至更多的獨(dú)立電池,因此對(duì)所有電池進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)控是不現(xiàn)實(shí)的,而嵌入式處理器的可根據(jù)電池技術(shù)的多重特性、不同電池組之間的電壓以及流入或流出電池組的電流來(lái)估計(jì)電池的電量狀態(tài)。當(dāng)鏗電池或鎳氫(Ni2MH)電池的電量耗盡到低于閉值時(shí),鎳氫電池和鏗電池將很快損壞,不過(guò)嵌入式處理器可測(cè)定電量狀態(tài),并在電池組或單個(gè)電池的電壓低于閉值前關(guān)斷系統(tǒng)。但也不可對(duì)鏗電池和氫電池進(jìn)行過(guò)充電,以盡量延長(zhǎng)電池組的使用壽命。3.2混合動(dòng)力汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的原動(dòng)機(jī),是心臟,是H

24、EV的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器兩部分組成。電動(dòng)機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置,為滿足整車動(dòng)力性能的需要,對(duì)電動(dòng)機(jī)的具體要求為: 1)瞬時(shí)功率大、功率密度高、過(guò)載能力強(qiáng); 2)效率高; 3)運(yùn)行速度范圍要廣,高、低速綜合效率也要高。電動(dòng)機(jī)在低速區(qū)具有恒轉(zhuǎn)矩特性,在高速區(qū)具有恒功率特性,其轉(zhuǎn)矩和功率控制特性如圖3-1所示; 4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固,耐沖擊、顛簸、運(yùn)行可靠,免維護(hù),低成本等。驅(qū)動(dòng)控制器是將電池的電能轉(zhuǎn)換為適于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的另外一種電能變換控制裝置。通過(guò)這種變換和控制使電動(dòng)機(jī)處于上述要求的運(yùn)行最佳工作狀態(tài),以滿足HEV實(shí)際行駛工況的需要。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本

25、高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,系統(tǒng)可靠性高,成本低等。圖3-1電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率控制特性用于HEV的電機(jī)必須要具有良好的可控性和容錯(cuò)能力以及具有低噪聲、高效率的特點(diǎn),同時(shí)具有對(duì)電壓波動(dòng)不敏感等性能。用于HEV的電機(jī)類型有交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。其中交流感應(yīng)電機(jī)較具有代表性,但這種電機(jī)很難解決其功率和效率之間的矛盾,因此需要能夠適用于HEV的具有更高效率和功率密度的永磁電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的先進(jìn)電機(jī)來(lái)替代目前使用的交流感應(yīng)電機(jī)。同時(shí)對(duì)電機(jī)的控制方法和冷卻系統(tǒng)也應(yīng)有深入的研究。3.3混合動(dòng)力汽車中電力電子技術(shù)的應(yīng)用HEV常用的電力電子技術(shù)裝置:豐田新一代混合動(dòng)力系統(tǒng)Prius THSII的電力電子

26、技術(shù)在HEV中的應(yīng)用如圖3-2所示，該整車電器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用用AtkinSon循環(huán)的高效發(fā)動(dòng)機(jī)、永磁交流同步電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力分配裝置、高性能鎳金屬氫化物(Ni2MH)電池、控制管理單元以及各相關(guān)逆變器和DC2DC變換器等部件組成。要求HEV用電力電子技術(shù)機(jī)裝置應(yīng)具有成本低、體積小、比功率大。易于安裝的特點(diǎn)。此外,以下的技術(shù)細(xì)節(jié)必須得到重點(diǎn)考慮:1) 電力電子裝置密封問(wèn)題:各種車用電力電子裝置必須要進(jìn)行有效的密封,以耐受溫度和振動(dòng)的影響,并能防止各種汽車液體的侵入。2) 電磁兼容/電磁干擾( EMC /EM I)問(wèn)題: HEV是一個(gè)相對(duì)狹小的空間,里面包含有各種控制芯片和弱電回路,因此在進(jìn)

27、行車載電力電子裝置設(shè)計(jì)時(shí),為了消除將來(lái)的事故隱患,必須要很好的研究并解決EMC /EM I問(wèn)題。3) 直流母線電壓利用問(wèn)題: HEV儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓是可變的,電壓的大小取決于汽車實(shí)際負(fù)載的大小、運(yùn)行工況(電動(dòng)還是發(fā)電)以及電機(jī)是否弱磁運(yùn)行等等,典型的母線電壓波動(dòng)范圍是標(biāo)稱值的- 30% + 25%。因此如何在汽車工況頻繁變化的情況下,充分利用直流母線電壓,成為了控制策略設(shè)計(jì)者所需要解決的問(wèn)題。 圖3-2 Prius THE 整車電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4) 電力電子裝置控制問(wèn)題:“高開(kāi)關(guān)頻率”和“高采樣率”目前被普遍應(yīng)用于HEV的電力電子裝置和交流傳動(dòng)系統(tǒng)中,客觀上,“雙高”需要高精度的編碼器和解算器,因此

28、這就意味著電機(jī)中出現(xiàn)寬的溫度梯度和飽和狀態(tài)時(shí),如何降低參數(shù)敏感度,以滿足控制要求。5) 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在HEV中的應(yīng)用:目前, HEV普遍采用PWM控制的電壓源型逆變器。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái),正弦波逆變器主要的工作模式是SPWM或SVPWM,在這種工作模式下,逆變器開(kāi)關(guān)管工作在“硬開(kāi)關(guān)”狀態(tài)。它存在開(kāi)、關(guān)損耗大、過(guò)高的的dv /dt和di /dt帶來(lái)傳導(dǎo)和輻射電磁干擾等問(wèn)題,這些問(wèn)題已經(jīng)引起人們的充分重視,做了大量的研究,研究的重心就是如何實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)器件的“軟開(kāi)關(guān)”?，F(xiàn)階段,研究較為活躍的有電感換向SPWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、電感換能式三相軟開(kāi)關(guān)技術(shù)新型半橋電流源串聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等等。6) HEV用逆變器的通態(tài)

29、損耗分析:目前,逆變器中的主流器件仍是IGBT和快恢復(fù)二極管,這些器件在運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生損耗,主要由通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗組成。隨著器件開(kāi)關(guān)特性的優(yōu)化,通態(tài)損耗占變換器損耗的比重越來(lái)越大,特別是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用使得開(kāi)關(guān)損耗大大減小,通態(tài)損耗從而成為主要的功率損耗源。因此,通態(tài)損耗的精確計(jì)算是HEV 用逆變器系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。4混合動(dòng)力汽車需解決的關(guān)鍵技術(shù) 混合動(dòng)力汽車要進(jìn)入實(shí)用化，需要具備高比能量和高比功率的能量存儲(chǔ)裝置，低成本、高效率的功率電子設(shè)備和燃料經(jīng)濟(jì)性好、排放低的高效發(fā)動(dòng)機(jī)。所要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面。4.1混合動(dòng)力單元技術(shù) 混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力可以同時(shí)來(lái)自熱力發(fā)動(dòng)機(jī)

30、和電動(dòng)機(jī)。在混合動(dòng)力汽車上，發(fā)動(dòng)機(jī)又被稱為混合動(dòng)力單元，與傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其作用發(fā)生了變化。在并聯(lián)混合動(dòng)力汽車上，混合動(dòng)力單元通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)車輪，同時(shí)電動(dòng)機(jī)也承擔(dān)一部分動(dòng)力的功能，因而使得混合動(dòng)力單元能夠采用尺寸更小、效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)；在串聯(lián)混合動(dòng)力汽車上，混合動(dòng)力單元驅(qū)動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，由于汽車的行駛與發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有直接聯(lián)系，因此混合動(dòng)力單元也能夠采用小型高效的發(fā)動(dòng)機(jī)，且其運(yùn)行工況可以固定于較小的高功率和低排放區(qū)?；旌蟿?dòng)力汽車的主要目標(biāo)就是降低排放，所以，控制混合動(dòng)力單元的排放將是今后研究的重點(diǎn)。目前對(duì)混合動(dòng)力單元的研究主要集中在三個(gè)方面；一是燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化，通過(guò)研究燃料與空氣混合物的點(diǎn)

31、燃和燃燒的過(guò)程，探究HC、CO以及氮氧化物和微粒的形成機(jī)理，從而改進(jìn)燃燒系統(tǒng)；二是尾氣處理技術(shù)，主要研究高效的尾氣催化系統(tǒng)和過(guò)濾系統(tǒng)；三是代用燃料的研究。從目前的研究表明，直噴式柴油機(jī)將是首選的混合動(dòng)力單元。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)已日趨小型化，同時(shí)，采用先進(jìn)的共軌式噴油系統(tǒng)，降低了微粒（PM）和氮氧化物排放、改善了熱效率和低溫排放污染等，在性能上已經(jīng)有了很大的提高。4.2能量存儲(chǔ)技術(shù)目前運(yùn)用于混合動(dòng)力汽車上的能量?jī)?chǔ)存裝置主要還是高能蓄電池。除此之外，雖然超級(jí)電容器、飛輪電池等新型能量?jī)?chǔ)存裝置也在研究開(kāi)發(fā)，但是近期最有希望進(jìn)入實(shí)用化的還是高能蓄電池。目前，鎳氫電池和鋰離子電池技術(shù)較成熟，已達(dá)到混合動(dòng)力汽車的

32、使用要求。從發(fā)展看，能量?jī)?chǔ)存裝置的研究應(yīng)該包括以下內(nèi)容：一是研究電池內(nèi)部的連接、檢測(cè)、監(jiān)控以及便于將整個(gè)電池子系統(tǒng)安裝在汽車上的支撐機(jī)構(gòu)；二是電池設(shè)計(jì)和制造方面的改進(jìn)，降低制造成本，改善電池的性能和提高使用壽命；三是電池的熱能管理及剩余電量管理。由于電池的工作溫度不可能覆蓋汽車運(yùn)行的工作溫度范圍，為了保證電池系統(tǒng)的統(tǒng)一，減少各電池單元之間的不平衡，所以需要一個(gè)有效的熱能管理系統(tǒng)。此外，電池的剩余電量直接影響混合動(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性的排放，因此需要有效的測(cè)試方法和控制裝置。在混合動(dòng)力汽車中，能量存儲(chǔ)裝置的作用已發(fā)生了質(zhì)的變化，有時(shí)也稱之為載荷調(diào)節(jié)裝置，這就是它的真正作用所在。在混合動(dòng)力汽車中，提供整

33、車行駛所需的動(dòng)力最終依然來(lái)源于使用高能量密度化學(xué)燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池，載荷調(diào)節(jié)裝置引進(jìn)的目的是通過(guò)它的調(diào)節(jié)作用來(lái)達(dá)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放的目的。由于混合動(dòng)力汽車的最終能量來(lái)源依然是化學(xué)燃料，所以它不再像純電動(dòng)汽車那樣假如普及就需要建設(shè)大規(guī)模的配套基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)有的加油站系統(tǒng)無(wú)須作任何的改進(jìn)即可適應(yīng)。4.3汽車集成電力電子模塊技術(shù)混合動(dòng)力系統(tǒng)的精確運(yùn)轉(zhuǎn)依賴于優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是混合動(dòng)力系統(tǒng)的最關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新。控制系統(tǒng)要能夠根據(jù)采集到的速度和負(fù)荷等數(shù)據(jù)，計(jì)算出以最高效率為基點(diǎn)的分配到發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)上的功率值，即實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)耦合功率分配比。為了滿足汽車高速開(kāi)關(guān)控制的要求，

34、混合動(dòng)力汽車還需要設(shè)有一些分立裝置，例如，專用的集成電路、模擬和數(shù)字集成電路以及其他功率電子裝置?；旌蟿?dòng)力汽車對(duì)智能化的要求導(dǎo)致其控制的復(fù)雜性，因此要求控制裝置采用高速運(yùn)行的半導(dǎo)體芯片，其功率密度高，散熱性能也較好。在混合動(dòng)力汽車進(jìn)入實(shí)用化的過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵性的部件是汽車集成電力模塊。它采用現(xiàn)代電子集成技術(shù)，將復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)集成在一個(gè)單一封裝內(nèi)，能夠供給汽車大約100KW的功率，其功率范圍為10100KW。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整車的控制，例如，控制電動(dòng)機(jī)功率的輸入和輸出、發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的離合，同時(shí)還能控制再生制動(dòng)能量的回收與釋放，確定電池的充電狀態(tài)、判斷是否對(duì)電池充電，以及優(yōu)化控制發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)以減少排放?；旌蟿?dòng)力汽車