【正文】 車保有量將達(dá)到 1億 3千萬輛，如果采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，按最保守的估計， 2020 年僅各類汽車每年消耗石油將達(dá) 2 億 5,000 萬噸，這將使我國石油總需求超過 4 億噸，因此，開發(fā)新型能源、節(jié)能、環(huán)保的車輛已關(guān)系到國家的經(jīng)濟(jì)安全和可持續(xù)發(fā)展。人們越來越關(guān)注其它燃料的汽車和電動汽車得開發(fā)，電動汽車成為最主要得選擇之一。電動汽車（ Electric Vehicle, EV）包括純電動汽車（ EV）、混合動力汽車（ Hybrid Electric Vehicle, HEV 或 HV）和燃料電池汽車三種形式。受現(xiàn)在科技條件所限制，純電動汽車和燃料汽車很難實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而融合內(nèi)燃機(jī)汽車和電動汽車優(yōu)點的混合動力汽車，在世界范圍內(nèi)成為新型汽車開發(fā)得熱點?？梢韵嘈牛陔妱悠嚨脙δ懿考?—— 電池沒有根本性突破之前，使用混合動力汽車是解決排污和能源問題最具現(xiàn)實意義得途徑之一。 所謂混合動力汽車（ HEV 或 HV）是在一輛汽車上同時配備電力驅(qū)動系統(tǒng) (Traction Motor)和輔助動力單元（ Auxiliary Power Unit ,APU） ,其中 APU 是燃燒某種燃料的原動機(jī)或由原動機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)組，目前 HEV 所采用的原動機(jī)一般為柴油機(jī)、汽油機(jī)和燃汽輪機(jī)。 混合動力 汽車將內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)與蓄電池通過控制系統(tǒng)相組合，電動機(jī)可補充提供車輛起步、加速所需的轉(zhuǎn)矩，又可以吸收并存儲內(nèi)燃機(jī)富余的功率和車輛制動能量，從而可大幅度降低油耗，減少污染物排放。混合動力汽車雖然沒有實現(xiàn)零排放，但其動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等綜合指標(biāo)均能滿足當(dāng)前各國苛刻的法規(guī)要求，可緩解汽車需求與環(huán)境污染及石油短缺的矛盾 。 混合動力汽車近年來發(fā)展迅速，并已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。混合動力汽車將至少在 30 年內(nèi)都是汽車工業(yè)最切實可行的 解決能源和污染問題的途徑 [1]。 混合動力汽車基本上不改變現(xiàn)有的汽車常見 結(jié)構(gòu)，不改變現(xiàn)有能源（石油燃料）的體系，不改變用戶對汽車的使用習(xí)慣，這也是他能夠迅速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的重要因素。專家預(yù)測，在未來十年內(nèi)將可能有 40%的燃油汽車實現(xiàn)混合動力驅(qū)動。 從上我們可以看出，混合動力汽車的研究和發(fā)展 ,對于解決環(huán)境污染和能源危機(jī)這兩個人類目前面臨的兩大難題能起到相當(dāng)大的作用。 集裝箱運輸以其方便、安全、快捷的特點已成為貨物運輸?shù)陌l(fā)展重點。隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展，自 20xx 年以來，集裝箱運輸每年都以超過 10%的幅度增長，截止 20xx 年1 月 31 日，全球集裝箱船隊總運力已增長到 913 萬標(biāo)準(zhǔn)箱。我國 90%以上的外貿(mào)貨運天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 2 要依靠港口實現(xiàn)，而主要的運輸方式就是集裝箱， 20xx 年 上半年， 我 國主要港口完成集裝箱吞吐量 萬 TEU，同比增長 %， 并 依然保持著較高增長態(tài)勢。 圖1— 1 為我國集裝箱的增長情況統(tǒng)計。 010203040506070801998 年 1999 年 20xx 年 20xx 年 20xx 年 20xx 年 20xx 年 20xx 年單位：百萬 T EU0 . 0 %2 . 0 %4 . 0 %6 . 0 %8 . 0 %1 0 . 0 %1 2 . 0 %1 4 . 0 %1 6 . 0 %1 8 . 0 %2 0 . 0 %中國集裝箱吞吐量 占世界集裝箱吞吐量比 圖 1— 1 199820xx 年我國港口集裝箱吞吐量及占世界比 隨著集裝箱吞吐量的增長，碼頭牽引車的需求也同步增長，與其他汽車相比，碼頭牽引車的運行工況有如下特點： 1) 速度低 碼頭內(nèi)的速度 30km/h, 在碼頭之間運行 40km/h； 2) 不需要爬坡 碼頭內(nèi)部及碼頭之間幾乎沒有坡度； 3）怠速時間長 多輛拖車排隊等候裝貨和卸貨期間怠速運行（基本不停車），怠速時間超過 50%。 由于行駛路況的特殊性，現(xiàn)有碼頭牽引車在工作過程中存在如下問題： 1) 運行速度低 導(dǎo)致汽車發(fā)動機(jī)低效區(qū)，燃油經(jīng)濟(jì)性差，排放高； 2) 頻繁起 /停 增加了牽引車的排放； 3) 長時間怠速 燃油利用率低。 因此，針對現(xiàn)有的碼頭牽引車進(jìn)行混合動力設(shè)計，減少排放并提高燃油利用率，對于建設(shè)節(jié)約型港口，乃至建立節(jié)約型社會都具有重要意義 [2]。 我國的傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)一直陷于“引進(jìn)、 落后、再引進(jìn)、再落后”的怪圈之中。在開發(fā)混合動力電動汽車的問題上，我們不能重蹈覆轍，應(yīng)多開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的部件和產(chǎn)品，尤其是關(guān)鍵部件方面。 混合動力汽車技術(shù)關(guān)鍵在于動力總成技術(shù)、能量分配和管理以及整車控制。本課題通過與中國集裝箱集團(tuán)、安乃達(dá)電機(jī)有限公司合作，結(jié)合碼頭牽引車輛的實際行駛特點，對碼頭牽引混合動力系統(tǒng)進(jìn)行研究，重點研究動力系統(tǒng)總成及仿真技術(shù)平臺；整車能源管理與協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、儲能元件的能量管理系統(tǒng)、牽引電機(jī)控制系統(tǒng)；并最天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 3 終實現(xiàn)整車混合動力系統(tǒng)的工程化和產(chǎn)業(yè)化。 實現(xiàn)上述研究目的，將大幅度提高 我國 混合動力卡車集成研究水平 ，從根本上 提高 我國混合動力整車及關(guān)鍵部件的制造能力 ，這不僅需要 控制算法 和關(guān)鍵技術(shù)的 重要突破，而且也應(yīng)在算法的綜合運用 與部件 集成優(yōu)化等方面有更多的創(chuàng)新。本課題的研究成果和所取得的經(jīng)驗，對于建設(shè)高水平、高質(zhì)量 、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的混合動力卡車系統(tǒng) 具有重要的實際應(yīng)用價值， 也是我國實現(xiàn)從“中國制造”走向“中國創(chuàng)造”的唯一途徑 。 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 4 2 混合動力汽車的結(jié)構(gòu)分析 混合動力汽車的主要組成 1．發(fā)動機(jī) 混合動力汽車可以廣泛地采用四沖程內(nèi)燃機(jī)（包括汽油機(jī) 和柴油機(jī)）、二沖程內(nèi)燃機(jī)（包括汽油機(jī)和柴油機(jī)）、轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和斯特林發(fā)動機(jī)等。一般轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒效率比較高，排放也比較潔凈，采用不同的發(fā)動機(jī)就可以組成不同的混合動力汽車。 混合動力汽車可以采用直流電動機(jī)、交流感應(yīng)電動機(jī)、永磁電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)等。隨著混合動力汽車的發(fā)展，直流電動機(jī)已經(jīng)很少采用，多數(shù)采用感應(yīng)電動機(jī)和永磁電動機(jī)，開關(guān)磁阻電動機(jī)應(yīng)用也得到重視，還可以采用特種電動機(jī)為混合動力汽車的驅(qū)動電機(jī)，采用不同的電動機(jī)還可以組成不同的混合動力汽車。 3．電池 混合動力汽車還可 以采用不同的蓄電池、燃料電池、儲能電池和超級電容器等作為“電池”，一般電池作為混合動力汽車的輔助能源，只有在混合動力汽車用電動機(jī)啟動發(fā)動機(jī)或電動機(jī)輔助驅(qū)動時才使用。 混合動力汽車的分類 目前世界各國研究開發(fā)的混合動力汽車有不同的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)其動力傳動系統(tǒng)的配置和組合方式不同，分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式 3種組合方式，各自的結(jié)構(gòu)形式和特點如下 [3]。 1．串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng) 串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的輔助單元 (APU)由原動機(jī)和發(fā)電機(jī)組組成，通常將兩個部件集成為一體。原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，其電 能通過控制器直接輸送到電動機(jī)，由電動機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動力矩驅(qū)動汽車。電池實際上起平衡原動機(jī)輸出功率和電動機(jī)輸出功率的作用：當(dāng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率大于電動機(jī)所需的功率時（如汽車減速滑行、低速行駛和短時停車等工況），控制器 控制發(fā)電機(jī)向電池充電；當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的功率低于電動機(jī)所需的功率時 （如汽車起步、加速、高速行駛、爬坡等工況），電池則向電動機(jī)提供額外的電能。 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)可使發(fā)動機(jī)不受汽車行駛工況的影響，始終在其最佳的工作區(qū)穩(wěn)定運行，因此，可使汽車的油耗和排污降低。串聯(lián)式混合動力汽車特別適合于在市內(nèi)低速運行的工況。在繁華的市區(qū) ，汽車起步和低速時還可以關(guān)閉原動機(jī)，只利用電池進(jìn)行功率輸出，使汽車達(dá)到零排放的要求。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的不足是：發(fā)動機(jī)的輸出需全部轉(zhuǎn)化天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 5 為電能再變?yōu)轵?qū)動汽車的機(jī)械能，由于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和電池充放電的效率較低，使得燃油能量的利用率比較低。 2．并聯(lián)式混合動力系統(tǒng) 并聯(lián)式混合動力汽車可有發(fā)電機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動或各自單獨驅(qū)動。當(dāng)電動機(jī)只是作為輔助驅(qū)動系統(tǒng)時，功率可以比較小。與串聯(lián)式結(jié)構(gòu)相比，發(fā)動機(jī)通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動汽車，其能量的利用率相對較高，這使得并聯(lián)式燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)式的高。并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)最適合于汽車在城市間公路和高 速公路上穩(wěn)定式的工況。由于并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)工況要受汽車行駛工況的影響，因此不適合汽車行駛工況變化較多、較大的路況；相比串聯(lián)式，需要變速裝置和動力復(fù)合裝置，傳動機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。 3．混聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng) 混聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)（ PSHEV）是串聯(lián)式和并聯(lián)式的綜合，發(fā)動機(jī)發(fā)出的功率一部分通過機(jī)械傳動輸出給驅(qū)動橋，另一部分則驅(qū)動發(fā)動機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能輸送給電動機(jī)或電池，電動機(jī)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?；炻?lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略是：在汽車高速行駛時，驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當(dāng)汽車高速 行駛時，則以并聯(lián)工作方式為主。 典型混合動力卡車結(jié)構(gòu) 近年來，能源危機(jī)、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)以關(guān)系到國家安全和可持續(xù)發(fā)展 ， 為了從根本上解決這些問題，各國家紛紛著手研究新能源和可替代能源汽車。作為一項嶄新的技術(shù)，混合電動汽車通過多能源之間的優(yōu)化組合（一般為發(fā)動機(jī)和電機(jī)），以及制動能量再生利用，可以在保證汽車性能及行駛里程的前提下，降低排放，節(jié)約能源，又不改變現(xiàn)有汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，因此，在零排放汽車實用化以前（根據(jù)美國、加拿大及亞洲一些國家的情況，預(yù)測在 2030 年 以前），混合電動汽車最有希望取代傳統(tǒng)汽車。在這種 情況下，融合了傳統(tǒng)汽車和電動汽車優(yōu)點的混合電動汽車在世界范圍內(nèi)成為新型汽車開發(fā)的熱點，混合電動汽車的研究和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)成為當(dāng)前電動汽車發(fā)展的必然趨勢。 混合動力汽車兼有傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車的優(yōu)點，是兩者的完美結(jié)合，其實質(zhì)是通過部件工況的改善和效率的提高來實現(xiàn)整個系統(tǒng)性能的優(yōu)化，而結(jié)合的紐帶就是混合動力汽車的整車控制系統(tǒng)?；旌蟿恿ο到y(tǒng)有兩個能量源，同時具有多種運行模式（混合驅(qū)動模式、發(fā)動機(jī)單獨驅(qū)動模式、行駛發(fā)電模式、再生制動模式等）。整車控制系統(tǒng)的主要功能是使整車在不同的運行模式下切換，對不同能量源輸出功率 進(jìn)行能量管理，以及不同能量源的控制，實現(xiàn)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，達(dá)到效率、排放和動力性的最優(yōu)。 與其他汽車相比，牽引車在集裝箱碼頭的運行中由于速度低，不需要爬坡及怠速時間長等特點，汽車發(fā)動機(jī)工作在低效區(qū)，導(dǎo)致燃油利用率低，排放高等問題。因此，天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 6 針對現(xiàn)有的牽引車進(jìn)行混合動力設(shè)計，減少排放并提高燃油利用率，對于建立環(huán)保節(jié)約型港口，乃至建立環(huán)保節(jié)約型社會都具有重要意義。 上世紀(jì) 90 年代以來，混合電動汽車的開發(fā)得到了歐美及日本等許多發(fā)達(dá)國家的高度重視，在轎車及卡車等方面都托人了大量的人力財力進(jìn)行研究，并已取得了一些重大成 果和進(jìn)展，混合動力技術(shù)在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國家已日趨成熟，有些已經(jīng)進(jìn)入實用階段。在混合動力卡車領(lǐng)域，如 Volve、三菱及日產(chǎn)等多家汽車公司先后推出相關(guān)產(chǎn)品。 Volvo 重型卡車 20xx 年初， VOLVO 正式推出一套重車專用混合動力系統(tǒng)“ ISAM”，應(yīng)用該系統(tǒng)可減少油耗 35%。沃爾沃公司估計，該車首批將于 20xx 年交貨，預(yù)計歐洲和北美市場的潛在銷量為 23 萬輛 /年。 該混合動力系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、起動器、驅(qū)動電機(jī)兼發(fā)電機(jī)，以及電控單元構(gòu)成（如圖 21 所示）。車輛加速過程由電動機(jī)實現(xiàn)助力加速，因此能夠降低油 耗和噪音；另外，由于配備了電動機(jī)，可以相對減小發(fā)動機(jī)尺寸，這樣進(jìn)一步降低了整車排放。 圖 2— 1 Volvo 采用的混合動力傳動系統(tǒng)模型 該車采用一臺渦輪增壓直噴式柴油機(jī)。柴油 機(jī)保持在高效率狀態(tài)下平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，向鎳 — 氫動力電池組 充電。 在正常行駛狀態(tài)下該車以電機(jī)驅(qū)動起步加速，然后切換到柴油機(jī)驅(qū)動模式；當(dāng)需求轉(zhuǎn)矩較大時，電動機(jī)和發(fā)動機(jī)同時工作，整車工作在混合驅(qū)動模式；在遇到紅燈或者裝卸貨物 等怠速情況下，發(fā)動機(jī)自動熄火。 三菱 Canter Eco 輕型卡車 三菱扶?？蛙嚬镜男⌒突旌蟿恿ㄜ?“Canter Eco Hybrid” 于 20xx 年 7月 5日正式上市，動力方面該車采用 升 DOHC 內(nèi)冷式渦輪增壓柴油 機(jī)，同時裝有三菱重工生產(chǎn)額定功率為 35kW 的永磁電機(jī)及逆變器，其最大輸出扭矩可達(dá) 200N m，這樣就可彌補低速扭矩的不足，傳動系統(tǒng)采用 AMT 變速器（手自一體變速器），離合器布置在發(fā)動機(jī)和電機(jī)之間，電源由日立車輛能源生產(chǎn)的 48 個鋰離子電池單元組成（如圖 2 23 所示）。 天津工程師范學(xué)院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 7 Canter Eco Hybrid 通過加裝電機(jī)使發(fā)動機(jī)尺寸相應(yīng)減小，同時可以實現(xiàn) 啟動與怠速時電動驅(qū)動，而達(dá)到省油效果 ，與原型車相比， 最高可 使 燃油 消耗降低 20%； 在排放 方面， Canter Eco Hybrid 可顯著降低有害氣體及微粒物質(zhì)的排放，達(dá)到 日本 最新排放法規(guī) 的要求。 圖 21 發(fā)動機(jī)與馬達(dá)之間配置離合器 圖 2 2 Canter Eco 混合動力系統(tǒng) 日產(chǎn)小型卡車 ATLAS20 日產(chǎn)汽車在小型卡車“ ATLAS20”中追加了混合動力款，并于 20xx 年 5