混合動力汽車課件

混合動力汽車混合動力汽車1一、混合動力汽車的研究目的和意義

隨著世界范圍內(nèi)能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，人們對汽車節(jié)能減排的要求也逐漸提高。如下表1對純電動車、燃料電池和混合動力汽車的比較，得出混合動力汽車勢必成為近些年來全世界各個汽車公司的主要研發(fā)對象。

設(shè)備投入成本續(xù)駛里程經(jīng)濟(jì)效益排放技術(shù)成熟度純電動車高高短差零低燃料電池巨大高長差零低混合動力較低低長較好超低高一、混合動力汽車的研究目的和意義隨著世2二、混合動力汽車研究與發(fā)展現(xiàn)狀2.1國外混合動力汽車的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

美國早在1993年，美國政府與三大汽車公司共同推出了PNGV計劃。1997年，

PNGV計劃確定了輕質(zhì)材料、混合動力、高性能引擎和燃料電池為主要技術(shù)方向。在此基礎(chǔ)上已推出克萊斯勒公司的Esx3、通用公司的Precept和福特公司的Prodigy等具有代表性的混合動力汽車產(chǎn)品。目前，Plug-inHEV（外接充電式混合動力汽車）成為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品之一。如通用公司的ChevyVolt（沃藍(lán)達(dá)）；克萊斯勒公司的DodgeSprinter（凌特）；福特公司的FordEdgeHySeries（銳界）。二、混合動力汽車研究與發(fā)展現(xiàn)狀2.1國外混合動力汽車的研究與3

歐洲早在1982年奔馳公司就開始研制各種類型混合動力汽車。1989年，奧迪公司就開發(fā)了混合動力轎Audi100。1997年，奧迪開發(fā)了A4Avant混合動力汽車。目前，奔馳公司已經(jīng)推出了奔馳S500型PLUG-IN混合動力汽車。歐洲混合動力汽車與日美模式不同，在動力源上更傾向于使用柴油發(fā)動機(jī)或直接采用最新的汽油直噴發(fā)動機(jī)，再配上混合動力系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)的動力性與經(jīng)濟(jì)性都得到明顯改善。歐洲早在1982年奔馳公司就開4奔馳s500奔馳s400寶馬7系寶馬X6奔馳s500奔馳s400寶馬7系寶馬X65自從1997年開始，豐田公司的Prius就開始在日本銷售，2000年起便在北美、歐洲及世界各地公開發(fā)售。在2009年1月12日底特律舉行的北美國際汽車展上，豐田公司又推出了新一代Prius混合動力車，該款新車搭載鋰電池，其節(jié)油性能再次得到提升，每百公里只耗油5.54升。公司計劃在2012年底前向北美市場正式投放該新一代混合動力汽車。豐田普銳斯11豐田凱美瑞自從1997年開始，豐田公司的P6豐田PRIUSPLUG-INHYBRID概念車豐田PRIUSPLUG-INHYBRID概念車7

本田公司在混合動力汽車的開發(fā)上，通過研究新型發(fā)動機(jī)、鎳氫蓄電池等新型產(chǎn)品，以追求動力高效化；通過開發(fā)新型輕質(zhì)鋁車身、樹脂油箱等謀求車輛的輕型，使汽車每公升汽油的行駛里程大幅上升，并且使汽車尾氣排放達(dá)到世界最嚴(yán)格要求的標(biāo)準(zhǔn)。目前主要銷售的兩款品牌是“INSIGHT”和“CIVIC”。本田insight本田思域本田公司在混合動力汽車的開發(fā)上，通8本田PLUG-IN混合動力汽車本田PLUG-IN混合動力汽車92.2國內(nèi)混合動力汽車的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

我國政府已經(jīng)在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)中專門列了包括混合動力汽車在內(nèi)的電動汽車重大專項(xiàng)。目前，我國在新能源汽車的自主創(chuàng)新過程中，堅(jiān)持了政府支持，以核心技術(shù)、關(guān)鍵部件和系統(tǒng)集成為重點(diǎn)的原則，確立了以混合電動汽車、純電動汽車、燃料電池汽車為“三縱”，以整車控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、動力蓄電池/燃料電池為“三橫”的研發(fā)布局，通過生產(chǎn)學(xué)習(xí)和研究的緊密合作，我國混合動力汽車的自主創(chuàng)新取得了重大進(jìn)展。

2.2國內(nèi)混合動力汽車的研究與發(fā)展現(xiàn)狀10清華大學(xué)多能源動力總成控制系統(tǒng)性能優(yōu)化北京理工大學(xué)鎳氫動力電池組及管理模塊北京交通大學(xué)動力總成控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)中紡機(jī)電研究所車用電機(jī)及其控制系統(tǒng)東風(fēng)汽車公司混合動力電動汽車的整車集成、控制系統(tǒng)集成等西北工業(yè)大學(xué)混合電動汽車用永磁無刷直流電機(jī)的電動和發(fā)電復(fù)合控制中國船舶重工集團(tuán)公司電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)及其控制華中科技大學(xué)混合動力城市公交車用電機(jī)及其控制系統(tǒng)和混合動力客車多能源動力總成控制系統(tǒng)一汽集團(tuán)發(fā)動機(jī)、機(jī)電一體化變速器、整車控制網(wǎng)絡(luò)、整車控制系統(tǒng)的研發(fā)武漢力興電源股份有限公司鋰離子動力電池表2國內(nèi)混合動力汽車研究進(jìn)展清華大學(xué)多能源動力總成控制系統(tǒng)性能優(yōu)化北京理工大學(xué)鎳氫動力電11東風(fēng)EQ7200HEV榮威750奔騰B70東風(fēng)EQ7200HEV榮威750奔騰B7012比亞迪F3DM奔騰B50PHEV雪鐵龍Metropolis概念車比亞迪F3DM奔騰B50PHEV雪鐵龍Metropolis概13三、混合動力汽車結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1混合動力汽車分類混合動力汽車是采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)作為動力源，通過混合使用熱能和電力兩套系統(tǒng)驅(qū)動汽車，達(dá)到節(jié)省燃料和降低排氣污染的目的。使用的內(nèi)燃機(jī)既有柴油機(jī)又有汽油機(jī)，但共同的特點(diǎn)是排量小、重量輕、速度高、排放好。目前，混合動力汽車分為串聯(lián)式混合動力汽車、并聯(lián)式混合動力汽車、混聯(lián)式（串、并聯(lián)式）混合動力汽車三大類。三、混合動力汽車結(jié)構(gòu)及工作原理3.1混合動力汽車分類143.2串聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)串聯(lián)式混合動力電動汽車最簡單，發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能首先通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化后的電能一部分用來給蓄電池充電，另一部分經(jīng)由電動機(jī)和動力傳動裝置驅(qū)動車輪。3.2串聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)串聯(lián)式混15優(yōu)點(diǎn)：①發(fā)動機(jī)總是在最佳工況下驅(qū)動發(fā)電機(jī)，因此效率高，有一定節(jié)能效果，排放亦低，減少了污染;②安裝了發(fā)動機(jī)一發(fā)電機(jī)組，可以不斷地將電能輸送給牽引電機(jī)，與電動汽車相比行駛里程有顯著的增加;③控制系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)比較簡單，特別是發(fā)電機(jī)運(yùn)行的控制只需根據(jù)蓄電池充放電狀態(tài)決定發(fā)電或停止發(fā)電。缺點(diǎn)：①由于能量傳遞需要兩個轉(zhuǎn)換(機(jī)械能一電能一機(jī)械育韻，增加了中間環(huán)節(jié)，所以其總體效率較低;②多一臺發(fā)電機(jī)，使得動力系統(tǒng)的總體質(zhì)量較大。優(yōu)點(diǎn)：163.3并聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)并聯(lián)式混合動力電動汽車采用發(fā)動機(jī)和電動機(jī)兩套獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)。并聯(lián)式混合動力電動汽車發(fā)展迅速,它的一般原理結(jié)構(gòu)如圖2所示,動力復(fù)合裝置采用行星輪系。目前也有將發(fā)動機(jī)和電機(jī)直接同軸串聯(lián)的新結(jié)構(gòu)出現(xiàn),它通過磁場疊加原理完成動力復(fù)合,省略了機(jī)械動力復(fù)合裝置。3.3并聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)并聯(lián)式混17優(yōu)點(diǎn)：①發(fā)動機(jī)可以單獨(dú)驅(qū)動車輪，所以效率高，能量損失降低，燃油消耗較低；②在較大功率要求的場合，兩套系統(tǒng)可以同時驅(qū)動汽車，由電動機(jī)提供額外功率，發(fā)動機(jī)工作于理想工況區(qū)域;③采用電動/發(fā)電機(jī)可以空載發(fā)電，及時補(bǔ)充蓄電池部分電能，延長蓄電池續(xù)行里程;④兩套系統(tǒng)都可以單獨(dú)工作，因而系統(tǒng)整體可靠性較高。缺點(diǎn)：①由于安裝兩套動力系統(tǒng)，整個傳動系統(tǒng)的質(zhì)量較大;②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對控制單元要求高，因而成本昂貴。優(yōu)點(diǎn)：183.4混聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合,可以根據(jù)不同的驅(qū)動條件來選擇更具優(yōu)勢的驅(qū)動方式。能使發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)等部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配,從而在結(jié)構(gòu)上保證了在更復(fù)雜的工況下使系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài),因此更容易實(shí)現(xiàn)排放和燃油消耗的控制目標(biāo)。但是這種布置方式會增加更多的零部件，導(dǎo)致整車的尺寸增大和復(fù)雜程度增加。3.4混聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)19四、混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)4.1混合動力汽車需要解決的問題目前，混合動力汽車所需要解決的問題包括以下幾個方面:第一，進(jìn)行動力分配裝置和能量管理系統(tǒng)的研究。第二，開發(fā)具備高比能量和高比功率經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電池。第三，混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，維修比較困難，售價相對較高。第四，建立更先進(jìn)的驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(包括靜態(tài)和動態(tài)的)，進(jìn)行計算機(jī)仿真分析。四、混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)4.1混合動力汽車需要解決的問題204.2混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)混合動力單元技術(shù)A：發(fā)動機(jī)B：電動機(jī)C：發(fā)電機(jī)控制策略技術(shù)A：功率分配裝置與變速器一體化設(shè)計B：混合動力驅(qū)動系統(tǒng)制定和最優(yōu)化控制C：整車控制技術(shù)D：發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)能量存儲技術(shù)A：研究電池內(nèi)部連接、檢測與監(jiān)控B：電池設(shè)計與制造方面的改進(jìn)，降低制造成本，改善電池的性能和提高壽命。C：電池的熱能管理及剩余電量管理。再生制動能量回收技術(shù)A:再生制動控制策略4.2混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)混合動力單元技術(shù)A：發(fā)動機(jī)B：電211.混合動力單元技術(shù)混合動力汽車的動力可以同時來自熱力發(fā)動機(jī)和電動機(jī)。在混合動力汽車上，熱力發(fā)動機(jī)又被稱為混合動力單元，與傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)相比，其作用發(fā)生了變化。在串聯(lián)混合動力汽車上，混合動力單元驅(qū)動1臺發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，由于汽車的行駛與發(fā)動機(jī)沒有直接的聯(lián)系，因此混合動力單元也能夠采用小型高效的發(fā)動機(jī)，且其運(yùn)行工況可以固定于較小的高功率區(qū);在并聯(lián)混合動力汽車上，混合動力單元通過傳動軸驅(qū)動車輪，同時電動機(jī)也承擔(dān)一部分動的功能，因而使得混合動力單元能夠采用尺寸更小、效率更高的熱力發(fā)動機(jī)。1.混合動力單元技術(shù)222.并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略并聯(lián)式混合動力汽車包含了機(jī)械、電子電器、化學(xué)和熱力學(xué)等多個子系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)，怎樣控制好這些子系統(tǒng)及其相互間的能量流動，并且對于不同的工況和駕駛習(xí)慣，在不損失整車性能的前提下，實(shí)現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性、最小排放和較低成本是并聯(lián)式混合動力汽車控制策略設(shè)計的根本任務(wù)。因此，并聯(lián)式混合動力汽車控制策略的設(shè)計必須滿足如下要求：1.盡可能保持發(fā)動機(jī)和電機(jī)在高效區(qū)工作；2.避免發(fā)動機(jī)頻繁啟動與關(guān)閉；3.合理選擇電池，并控制其SOC值在允許的范圍內(nèi)；4.優(yōu)化功率分配和車載能源，保證能量高效流動；5.良好的動態(tài)性能，具備較好的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。2.并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略并聯(lián)23并聯(lián)式混合動力汽車應(yīng)用的控制策略：電力輔助控制策略(平均功率和動態(tài)功率)全局最優(yōu)控制策略（用最優(yōu)化方法和最優(yōu)控制理論已達(dá)到最佳燃油經(jīng)濟(jì)性和排放）模糊邏輯控制策略（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略和遺傳算法控制策略結(jié)合起來）實(shí)時控制策略（根據(jù)發(fā)動機(jī)燃油消耗和排放將整車所需轉(zhuǎn)矩合理分配給發(fā)動機(jī)和電動機(jī)）以整車成本和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的控制策略（小功率的電動機(jī)和小容量的蓄電池組）并聯(lián)式混合動力汽車應(yīng)用的控制策略：24A.電力輔助控制策略

電力輔助控制策略是將整車所需功率分為發(fā)動機(jī)提供的平均功率和電機(jī)提供的動態(tài)功率，一般行駛工況下，普通汽車平均所需功率不到發(fā)動機(jī)最大功率的20%，也就是說一般工況下發(fā)動機(jī)都是處于低效工作區(qū)，假設(shè)整車所需的平均功率由發(fā)動機(jī)單獨(dú)提供，而電機(jī)在車輛加速或爬坡時提供動態(tài)功率，那么就可以極大地提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。此控制策略已應(yīng)用到產(chǎn)品中，例如雪鐵龍XSARA與本田Insight。

優(yōu)點(diǎn)：策略簡單易行，又包含了車輛的所有工作模式；將發(fā)動機(jī)限制在高效工作區(qū)，燃油經(jīng)濟(jì)性好；充電扭矩隨電池SOC值變化，因此一般工況下，車輛所需功率小，發(fā)動機(jī)可以提供較大的功率驅(qū)動電機(jī)給電池充電。

缺點(diǎn)：發(fā)動機(jī)優(yōu)化區(qū)域過大；控制電池SOC值作為控制目標(biāo)之一，使發(fā)動機(jī)受限于電池SOC而無法保證一直處于最佳工作區(qū)而顯得對優(yōu)化目標(biāo)的控制不夠精確；排放較差。A.電力輔助控制策略25B.全局最優(yōu)控制策略此控制策略利用最優(yōu)化方法和最優(yōu)控制理論建立全局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以燃油經(jīng)濟(jì)性和排放為目標(biāo)，控制系統(tǒng)變量，通過計算得到最佳的驅(qū)動力分配，并且電池電量也被限定在一定范圍內(nèi)，又將燃油消耗計算得更精確，因而經(jīng)濟(jì)性較好，也比電力輔助控制策略更好。但是全局最優(yōu)控制策略也還不成熟，需要大量計算，不能進(jìn)行實(shí)時控制，實(shí)際意義不大。因此，必須對其進(jìn)行改進(jìn)，將全局優(yōu)化目標(biāo)分化為局部優(yōu)化目標(biāo)。B.全局最優(yōu)控制策略26C.模糊邏輯控制策略此控制策略是同時對發(fā)動機(jī)、電機(jī)和電池進(jìn)行優(yōu)化控制的，對于裝有自動變速器的并聯(lián)式混合動力汽車，如果要提高燃油經(jīng)濟(jì)性，就必須使發(fā)動機(jī)處于高效工作區(qū)。因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的工作點(diǎn)是高度非線性的，要得到其最優(yōu)工作點(diǎn)，可以采取把發(fā)動機(jī)扭矩和電池SOC值作為兩個變量，用模糊邏輯控制加以優(yōu)化，這樣既可以提高燃油經(jīng)濟(jì)性，又可以減少排放，而且有利于延長電池使用壽命，因此模糊邏輯控制策略是相對較好的一種控制策略，具有無需建模和對時變系統(tǒng)適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于汽車系統(tǒng)控制中。混合動力汽車模糊控制也有其缺點(diǎn)，電機(jī)的工作狀態(tài)也是非線性的，若對其使用此策略，則就會出現(xiàn)偏差，所以應(yīng)對發(fā)動機(jī)使用模糊邏輯控制策略，同時對電機(jī)使用電力輔助控制策略。C.模糊邏輯控制策略27D.實(shí)時控制策略發(fā)動機(jī)燃油消耗和排放同時作為考慮因素，將車輛所需扭矩合理地分配給發(fā)動機(jī)和電機(jī)，優(yōu)化發(fā)動機(jī)燃油消耗和排放。但是這就要求發(fā)動機(jī)在很小的一個工作區(qū)域運(yùn)行，在現(xiàn)實(shí)行駛工況中是不可能的。大量的運(yùn)算和精確的能量回收預(yù)測模型的實(shí)現(xiàn)也比較困難。D.實(shí)時控制策略28E.以整車成本和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的控制策略采用此策略的混合動力汽車裝備小功率的電動機(jī)和小容量的蓄電池組，這樣整車的成本和質(zhì)量便可以大為減小。一般工況下，一個小排量的發(fā)動機(jī)單獨(dú)工作驅(qū)動車輛，并依據(jù)電池SOC值，實(shí)時為電池組充電，這樣發(fā)動機(jī)便處于高效工作區(qū)。只有在車輛急加速時電機(jī)才啟動，與發(fā)動機(jī)同時驅(qū)動車輛。這種控制策略的缺點(diǎn)是發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷時排放不佳。E.以整車成本和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的控制策略293.能量存儲技術(shù)

目前運(yùn)用于混合動力汽車上的能量儲存裝置主要還是高能蓄電池—鎳氫電池和鋰電池。其中鎳氫電池容量大，可以循環(huán)使用，主要缺陷是成本高，效率低，同時還需要控制氫的損失。鋰離子電池電壓高，能量密度大，有更高的功率，且充電時間短。從發(fā)展看，能量儲存裝置的研究包括以下幾個方面:a:研究電池內(nèi)部連接、檢測與監(jiān)控;b:電池設(shè)計與制造方面的改進(jìn)，降低制造成本，改善電池的性能和提高壽命;c:電池的熱能管理及剩余電量管理。3.能量存儲技術(shù)304.再生制動能量回收技術(shù)在汽車制動過程中，汽車行駛的慣性能量由車輪通過傳動系統(tǒng)傳遞給電機(jī)，此時電機(jī)以發(fā)電的形式工作，為動力電池充電，實(shí)現(xiàn)制動能量的回收。而在此過程中發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電制動力矩又可以對驅(qū)動車輪施加制動，產(chǎn)生制動力，既再生制動。再生制動控制策略的要求：

①制動過程的穩(wěn)定性

②制動能量回收的充分性

③制動過程的平順性

4.再生制動能量回收技術(shù)31混合動力汽車混合動力汽車32一、混合動力汽車的研究目的和意義

隨著世界范圍內(nèi)能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，人們對汽車節(jié)能減排的要求也逐漸提高。如下表1對純電動車、燃料電池和混合動力汽車的比較，得出混合動力汽車勢必成為近些年來全世界各個汽車公司的主要研發(fā)對象。

設(shè)備投入成本續(xù)駛里程經(jīng)濟(jì)效益排放技術(shù)成熟度純電動車高高短差零低燃料電池巨大高長差零低混合動力較低低長較好超低高一、混合動力汽車的研究目的和意義隨著世33二、混合動力汽車研究與發(fā)展現(xiàn)狀2.1國外混合動力汽車的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

美國早在1993年，美國政府與三大汽車公司共同推出了PNGV計劃。1997年，

PNGV計劃確定了輕質(zhì)材料、混合動力、高性能引擎和燃料電池為主要技術(shù)方向。在此基礎(chǔ)上已推出克萊斯勒公司的Esx3、通用公司的Precept和福特公司的Prodigy等具有代表性的混合動力汽車產(chǎn)品。目前，Plug-inHEV（外接充電式混合動力汽車）成為重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)品之一。如通用公司的ChevyVolt（沃藍(lán)達(dá)）；克萊斯勒公司的DodgeSprinter（凌特）；福特公司的FordEdgeHySeries（銳界）。二、混合動力汽車研究與發(fā)展現(xiàn)狀2.1國外混合動力汽車的研究與34

歐洲早在1982年奔馳公司就開始研制各種類型混合動力汽車。1989年，奧迪公司就開發(fā)了混合動力轎Audi100。1997年，奧迪開發(fā)了A4Avant混合動力汽車。目前，奔馳公司已經(jīng)推出了奔馳S500型PLUG-IN混合動力汽車。歐洲混合動力汽車與日美模式不同，在動力源上更傾向于使用柴油發(fā)動機(jī)或直接采用最新的汽油直噴發(fā)動機(jī)，再配上混合動力系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)的動力性與經(jīng)濟(jì)性都得到明顯改善。歐洲早在1982年奔馳公司就開35奔馳s500奔馳s400寶馬7系寶馬X6奔馳s500奔馳s400寶馬7系寶馬X636自從1997年開始，豐田公司的Prius就開始在日本銷售，2000年起便在北美、歐洲及世界各地公開發(fā)售。在2009年1月12日底特律舉行的北美國際汽車展上，豐田公司又推出了新一代Prius混合動力車，該款新車搭載鋰電池，其節(jié)油性能再次得到提升，每百公里只耗油5.54升。公司計劃在2012年底前向北美市場正式投放該新一代混合動力汽車。豐田普銳斯11豐田凱美瑞自從1997年開始，豐田公司的P37豐田PRIUSPLUG-INHYBRID概念車豐田PRIUSPLUG-INHYBRID概念車38

本田公司在混合動力汽車的開發(fā)上，通過研究新型發(fā)動機(jī)、鎳氫蓄電池等新型產(chǎn)品，以追求動力高效化；通過開發(fā)新型輕質(zhì)鋁車身、樹脂油箱等謀求車輛的輕型，使汽車每公升汽油的行駛里程大幅上升，并且使汽車尾氣排放達(dá)到世界最嚴(yán)格要求的標(biāo)準(zhǔn)。目前主要銷售的兩款品牌是“INSIGHT”和“CIVIC”。本田insight本田思域本田公司在混合動力汽車的開發(fā)上，通39本田PLUG-IN混合動力汽車本田PLUG-IN混合動力汽車402.2國內(nèi)混合動力汽車的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

我國政府已經(jīng)在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)中專門列了包括混合動力汽車在內(nèi)的電動汽車重大專項(xiàng)。目前，我國在新能源汽車的自主創(chuàng)新過程中，堅(jiān)持了政府支持，以核心技術(shù)、關(guān)鍵部件和系統(tǒng)集成為重點(diǎn)的原則，確立了以混合電動汽車、純電動汽車、燃料電池汽車為“三縱”，以整車控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、動力蓄電池/燃料電池為“三橫”的研發(fā)布局，通過生產(chǎn)學(xué)習(xí)和研究的緊密合作，我國混合動力汽車的自主創(chuàng)新取得了重大進(jìn)展。

2.2國內(nèi)混合動力汽車的研究與發(fā)展現(xiàn)狀41清華大學(xué)多能源動力總成控制系統(tǒng)性能優(yōu)化北京理工大學(xué)鎳氫動力電池組及管理模塊北京交通大學(xué)動力總成控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)中紡機(jī)電研究所車用電機(jī)及其控制系統(tǒng)東風(fēng)汽車公司混合動力電動汽車的整車集成、控制系統(tǒng)集成等西北工業(yè)大學(xué)混合電動汽車用永磁無刷直流電機(jī)的電動和發(fā)電復(fù)合控制中國船舶重工集團(tuán)公司電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)及其控制華中科技大學(xué)混合動力城市公交車用電機(jī)及其控制系統(tǒng)和混合動力客車多能源動力總成控制系統(tǒng)一汽集團(tuán)發(fā)動機(jī)、機(jī)電一體化變速器、整車控制網(wǎng)絡(luò)、整車控制系統(tǒng)的研發(fā)武漢力興電源股份有限公司鋰離子動力電池表2國內(nèi)混合動力汽車研究進(jìn)展清華大學(xué)多能源動力總成控制系統(tǒng)性能優(yōu)化北京理工大學(xué)鎳氫動力電42東風(fēng)EQ7200HEV榮威750奔騰B70東風(fēng)EQ7200HEV榮威750奔騰B7043比亞迪F3DM奔騰B50PHEV雪鐵龍Metropolis概念車比亞迪F3DM奔騰B50PHEV雪鐵龍Metropolis概44三、混合動力汽車結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1混合動力汽車分類混合動力汽車是采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)作為動力源，通過混合使用熱能和電力兩套系統(tǒng)驅(qū)動汽車，達(dá)到節(jié)省燃料和降低排氣污染的目的。使用的內(nèi)燃機(jī)既有柴油機(jī)又有汽油機(jī)，但共同的特點(diǎn)是排量小、重量輕、速度高、排放好。目前，混合動力汽車分為串聯(lián)式混合動力汽車、并聯(lián)式混合動力汽車、混聯(lián)式（串、并聯(lián)式）混合動力汽車三大類。三、混合動力汽車結(jié)構(gòu)及工作原理3.1混合動力汽車分類453.2串聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)串聯(lián)式混合動力電動汽車最簡單，發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能首先通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化后的電能一部分用來給蓄電池充電，另一部分經(jīng)由電動機(jī)和動力傳動裝置驅(qū)動車輪。3.2串聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)串聯(lián)式混46優(yōu)點(diǎn)：①發(fā)動機(jī)總是在最佳工況下驅(qū)動發(fā)電機(jī)，因此效率高，有一定節(jié)能效果，排放亦低，減少了污染;②安裝了發(fā)動機(jī)一發(fā)電機(jī)組，可以不斷地將電能輸送給牽引電機(jī)，與電動汽車相比行駛里程有顯著的增加;③控制系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)比較簡單，特別是發(fā)電機(jī)運(yùn)行的控制只需根據(jù)蓄電池充放電狀態(tài)決定發(fā)電或停止發(fā)電。缺點(diǎn)：①由于能量傳遞需要兩個轉(zhuǎn)換(機(jī)械能一電能一機(jī)械育韻，增加了中間環(huán)節(jié)，所以其總體效率較低;②多一臺發(fā)電機(jī)，使得動力系統(tǒng)的總體質(zhì)量較大。優(yōu)點(diǎn)：473.3并聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)并聯(lián)式混合動力電動汽車采用發(fā)動機(jī)和電動機(jī)兩套獨(dú)立驅(qū)動系統(tǒng)。并聯(lián)式混合動力電動汽車發(fā)展迅速,它的一般原理結(jié)構(gòu)如圖2所示,動力復(fù)合裝置采用行星輪系。目前也有將發(fā)動機(jī)和電機(jī)直接同軸串聯(lián)的新結(jié)構(gòu)出現(xiàn),它通過磁場疊加原理完成動力復(fù)合,省略了機(jī)械動力復(fù)合裝置。3.3并聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)并聯(lián)式混48優(yōu)點(diǎn)：①發(fā)動機(jī)可以單獨(dú)驅(qū)動車輪，所以效率高，能量損失降低，燃油消耗較低；②在較大功率要求的場合，兩套系統(tǒng)可以同時驅(qū)動汽車，由電動機(jī)提供額外功率，發(fā)動機(jī)工作于理想工況區(qū)域;③采用電動/發(fā)電機(jī)可以空載發(fā)電，及時補(bǔ)充蓄電池部分電能，延長蓄電池續(xù)行里程;④兩套系統(tǒng)都可以單獨(dú)工作，因而系統(tǒng)整體可靠性較高。缺點(diǎn)：①由于安裝兩套動力系統(tǒng)，整個傳動系統(tǒng)的質(zhì)量較大;②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對控制單元要求高，因而成本昂貴。優(yōu)點(diǎn)：493.4混聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合,可以根據(jù)不同的驅(qū)動條件來選擇更具優(yōu)勢的驅(qū)動方式。能使發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)等部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配,從而在結(jié)構(gòu)上保證了在更復(fù)雜的工況下使系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài),因此更容易實(shí)現(xiàn)排放和燃油消耗的控制目標(biāo)。但是這種布置方式會增加更多的零部件，導(dǎo)致整車的尺寸增大和復(fù)雜程度增加。3.4混聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)50四、混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)4.1混合動力汽車需要解決的問題目前，混合動力汽車所需要解決的問題包括以下幾個方面:第一，進(jìn)行動力分配裝置和能量管理系統(tǒng)的研究。第二，開發(fā)具備高比能量和高比功率經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電池。第三，混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，維修比較困難，售價相對較高。第四，建立更先進(jìn)的驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(包括靜態(tài)和動態(tài)的)，進(jìn)行計算機(jī)仿真分析。四、混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)4.1混合動力汽車需要解決的問題514.2混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)混合動力單元技術(shù)A：發(fā)動機(jī)B：電動機(jī)C：發(fā)電機(jī)控制策略技術(shù)A：功率分配裝置與變速器一體化設(shè)計B：混合動力驅(qū)動系統(tǒng)制定和最優(yōu)化控制C：整車控制技術(shù)D：發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)能量存儲技術(shù)A：研究電池內(nèi)部連接、檢測與監(jiān)控B：電池設(shè)計與制造方面的改進(jìn)，降低制造成本，改善電池的性能和提高壽命。C：電池的熱能管理及剩余電量管理。再生制動能量回收技術(shù)A:再生制動控制策略4.2混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)混合動力單元技術(shù)A：發(fā)動機(jī)B：電521.混合動力單元技術(shù)混合動力汽車的動力可以同時來自熱力發(fā)動機(jī)和電動機(jī)。在混合動力汽車上，熱力發(fā)動機(jī)又被稱為混合動力單元，與傳統(tǒng)汽車發(fā)動機(jī)相比，其作用發(fā)生了變化。在串聯(lián)混合動力汽車上，混合動力單元驅(qū)動1臺發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，由于汽車的行駛與發(fā)動機(jī)沒有直接的聯(lián)系，因此混合動力單元也能夠采用小型高效的發(fā)動機(jī)，且其運(yùn)行工況可以固定于較小的高功率區(qū);在并聯(lián)混合動力汽車上，混合動力單元通過傳動軸驅(qū)動車輪，同時電動機(jī)也承擔(dān)一部分動的功能，因而使得混合動力單元能夠采用尺寸更小、效率更高的熱力發(fā)動機(jī)。1.混合動力單元技術(shù)532.并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略并聯(lián)式混合動力汽車包含了機(jī)械、電子電器、化學(xué)和熱力學(xué)等多個子系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)，怎樣控制好這些子系統(tǒng)及其相互間的能量流動，并且對于不同的工況和駕駛習(xí)慣，在不損失整車性能的前提下，實(shí)現(xiàn)最佳燃油經(jīng)濟(jì)性、最小排放和較低成本是并聯(lián)式混合動力汽車控制策略設(shè)計的根本任務(wù)。因此，并聯(lián)式混合動力汽車控制策略的設(shè)計必須滿足如下要求：1.盡可能保持發(fā)動機(jī)和電機(jī)在高效區(qū)工作；2.避免發(fā)動機(jī)頻繁啟動與關(guān)閉；3.合理選擇電池，并控制其SOC值在允許的范圍內(nèi)；4.優(yōu)化功率分配和車載能源，保證能量高效流動；5.良好的動態(tài)性能，具備較好的自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力。2.并聯(lián)式混合動力汽車的控制策略并聯(lián)54并聯(lián)式混合動力汽車應(yīng)用的控制策略：電力輔助控制策略(平均功率和動態(tài)功率)全局最優(yōu)控制策略（用最優(yōu)化方法和最優(yōu)控制理論已達(dá)到最佳燃油經(jīng)濟(jì)性和排放）模糊邏輯控制策略（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略和遺傳算法控制策略結(jié)合起來）實(shí)時控制策略（根據(jù)發(fā)動機(jī)燃油消耗和排放將整車所需轉(zhuǎn)矩合理分配給發(fā)動機(jī)和電動機(jī)）以整車成本和燃油經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的控制策略（小功率的電動機(jī)和小容量的蓄電池組）并聯(lián)式混合動力汽車應(yīng)用的控制策略：55A.電力輔助控制策略

電力輔助控制策略是將整車所需功率分為發(fā)動機(jī)提供的平均功率和電機(jī)提供的動態(tài)功率，一般行駛工況下，普通汽車平均所需功率不到發(fā)動機(jī)最大功率的20%，也就是說一般工況下發(fā)動機(jī)都是處于低效工作區(qū)，假設(shè)整車所需的平均功率由發(fā)動機(jī)單獨(dú)提供，而電機(jī)在車輛加速或爬坡時提供動態(tài)功率，那么就可以極大地提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性。此控制策略已應(yīng)用到產(chǎn)品中，例如雪鐵龍XSARA與本田Insight。

優(yōu)點(diǎn)：策略簡單易行，又包含了車輛的所有工作模式；將發(fā)動機(jī)限制在高效工作區(qū)，燃油經(jīng)濟(jì)性好；充電扭矩隨電池SOC值變化，因此一般工況下，車輛所需功率小，發(fā)動機(jī)可以提供較大的功率驅(qū)動電機(jī)給電池充電。

缺點(diǎn)：發(fā)動機(jī)優(yōu)化區(qū)域過大；控制電池SOC值作為控制目標(biāo)之一，使發(fā)動機(jī)受限于電池SOC而無法保證一直處于最佳工作區(qū)而顯得對優(yōu)化目標(biāo)的控制不夠精確；排放較差。A.電力輔助控制策略56B.全局最優(yōu)控制策略此控制策略利用最優(yōu)化方法和最優(yōu)控制理論建立全局優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以燃油經(jīng)濟(jì)性和排放為目標(biāo)，控制系統(tǒng)變量，通過計算得到