【正文】 車保有量將達到 1億 3千萬輛，如果采用傳統(tǒng)的內燃機技術，按最保守的估計， 2020 年僅各類汽車每年消耗石油將達 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)保的車輛已關系到國家的經(jīng)濟安全和可持續(xù)發(fā)展。人們越來越關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)產業(yè)化，而融合內燃機汽車和電動汽車優(yōu)點的混合動力汽車，在世界范圍內成為新型汽車開發(fā)得熱點?？梢韵嘈?，在電動汽車得儲能部件 —— 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或由原動機驅動的發(fā)電機組，目前 HEV 所采用的原動機一般為柴油機、汽油機和燃汽輪機。 混合動力 汽車將內燃機、電動機與蓄電池通過控制系統(tǒng)相組合，電動機可補充提供車輛起步、加速所需的轉矩，又可以吸收并存儲內燃機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?；旌蟿恿ζ囯m然沒有實現(xiàn)零排放，但其動力性、經(jīng)濟性和排放等綜合指標均能滿足當前各國苛刻的法規(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)了產業(yè)化?；旌蟿恿ζ噷⒅辽僭?30 年內都是汽車工業(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 結構，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慣，這也是他能夠迅速實現(xiàn)產業(yè)化的重要因素。專家預測，在未來十年內將可能有 40%的燃油汽車實現(xiàn)混合動力驅動。 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)境污染和能源危機這兩個人類目前面臨的兩大難題能起到相當大的作用。 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 萬標準箱。我國 90%以上的外貿貨運天津工程師范學院 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 碼頭內的速度 30km/h, 在碼頭之間運行 40km/h； 2) 不需要爬坡 碼頭內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 導致汽車發(fā)動機低效區(qū)，燃油經(jīng)濟性差，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)有的碼頭牽引車進行混合動力設計，減少排放并提高燃油利用率，對于建設節(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)汽車產業(yè)一直陷于“引進、 落后、再引進、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，應多開發(fā)具有自主知識產權的部件和產品，尤其是關鍵部件方面。 混合動力汽車技術關鍵在于動力總成技術、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、安乃達電機有限公司合作，結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)進行研究，重點研究動力系統(tǒng)總成及仿真技術平臺；整車能源管理與協(xié)調控制系統(tǒng)、儲能元件的能量管理系統(tǒng)、牽引電機控制系統(tǒng)；并最天津工程師范學院 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鍵部件的制造能力 ，這不僅需要 控制算法 和關鍵技術的 重要突破，而且也應在算法的綜合運用 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，對于建設高水平、高質量 、具有自主知識產權的混合動力卡車系統(tǒng) 具有重要的實際應用價值， 也是我國實現(xiàn)從“中國制造”走向“中國創(chuàng)造”的唯一途徑 。 天津工程師范學院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 4 2 混合動力汽車的結構分析 混合動力汽車的主要組成 1．發(fā)動機 混合動力汽車可以廣泛地采用四沖程內燃機（包括汽油機 和柴油機）、二沖程內燃機（包括汽油機和柴油機）、轉子發(fā)動機、燃氣輪機和斯特林發(fā)動機等。一般轉子發(fā)動機和燃氣輪機的燃燒效率比較高，排放也比較潔凈，采用不同的發(fā)動機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、交流感應電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機等。隨著混合動力汽車的發(fā)展，直流電動機已經(jīng)很少采用，多數(shù)采用感應電動機和永磁電動機，開關磁阻電動機應用也得到重視，還可以采用特種電動機為混合動力汽車的驅動電機，采用不同的電動機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啟動發(fā)動機或電動機輔助驅動時才使用。 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構形式，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，各自的結構形式和特點如下 [3]。 1．串聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng) 串聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)的輔助單元 (APU)由原動機和發(fā)電機組組成，通常將兩個部件集成為一體。原動機帶動發(fā)電機發(fā)電，其電 能通過控制器直接輸送到電動機，由電動機產生驅動力矩驅動汽車。電池實際上起平衡原動機輸出功率和電動機輸出功率的作用：當發(fā)電機的發(fā)電功率大于電動機所需的功率時（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)電機向電池充電；當發(fā)電機發(fā)出的功率低于電動機所需的功率時 （如汽車起步、加速、高速行駛、爬坡等工況），電池則向電動機提供額外的電能。 串聯(lián)式結構可使發(fā)動機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閉原動機，只利用電池進行功率輸出，使汽車達到零排放的要求。串聯(lián)結構的不足是：發(fā)動機的輸出需全部轉化天津工程師范學院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 5 為電能再變?yōu)轵寗悠嚨臋C械能，由于機電能量轉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)電機和電動機共同驅動或各自單獨驅動。當電動機只是作為輔助驅動系統(tǒng)時，功率可以比較小。與串聯(lián)式結構相比，發(fā)動機通過機械傳動機構直接驅動汽車，其能量的利用率相對較高，這使得并聯(lián)式燃油經(jīng)濟性比串聯(lián)式的高。并聯(lián)式驅動系統(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)式驅動系統(tǒng)的發(fā)動機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合裝置，傳動機構較為復雜。 3．混聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng) 混聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)（ PSHEV）是串聯(lián)式和并聯(lián)式的綜合，發(fā)動機發(fā)出的功率一部分通過機械傳動輸出給驅動橋，另一部分則驅動發(fā)動機發(fā)電。發(fā)電機發(fā)出的電能輸送給電動機或電池，電動機產生的驅動力矩通過動力復合裝置傳送給驅動橋?；炻?lián)式驅動系統(tǒng)的控制策略是：在汽車高速行駛時，驅動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當汽車高速 行駛時，則以并聯(lián)工作方式為主。 典型混合動力卡車結構 近年來，能源危機、環(huán)境污染和溫室效應以關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，混合電動汽車通過多能源之間的優(yōu)化組合（一般為發(fā)動機和電機），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)有汽車產業(yè)結構，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成為新型汽車開發(fā)的熱點，混合電動汽車的研究和產業(yè)化已經(jīng)成為當前電動汽車發(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，是兩者的完美結合，其實質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（混合驅動模式、發(fā)動機單獨驅動模式、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)調工作，達到效率、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)動機工作在低效區(qū)，導致燃油利用率低，排放高等問題。因此，天津工程師范學院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 6 針對現(xiàn)有的牽引車進行混合動力設計，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 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行研究，并已取得了一些重大成 果和進展，混合動力技術在汽車工業(yè)發(fā)達的國家已日趨成熟，有些已經(jīng)進入實用階段。在混合動力卡車領域，如 Volve、三菱及日產等多家汽車公司先后推出相關產品。 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、起動器、驅動電機兼發(fā)電機，以及電控單元構成（如圖 21 所示）。車輛加速過程由電動機實現(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，可以相對減小發(fā)動機尺寸，這樣進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。柴油 機保持在高效率狀態(tài)下平穩(wěn)運轉，帶動發(fā)電機發(fā)電，向鎳 — 氫動力電池組 充電。 在正常行駛狀態(tài)下該車以電機驅動起步加速，然后切換到柴油機驅動模式；當需求轉矩較大時，電動機和發(fā)動機同時工作，整車工作在混合驅動模式；在遇到紅燈或者裝卸貨物 等怠速情況下，發(fā)動機自動熄火。 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 內冷式渦輪增壓柴油 機，同時裝有三菱重工生產額定功率為 35kW 的永磁電機及逆變器，其最大輸出扭矩可達 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)動機和電機之間，電源由日立車輛能源生產的 48 個鋰離子電池單元組成（如圖 2 23 所示）。 天津工程師范學院 20xx 屆本科畢業(yè)生論文 7 Canter Eco Hybrid 通過加裝電機使發(fā)動機尺寸相應減小，同時可以實現(xiàn) 啟動與怠速時電動驅動，而達到省油效果 ，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的排放，達到 日本 最新排放法規(guī) 的要求。 圖 21 發(fā)動機與馬達之間配置離合器 圖 2 2 Canter Eco 混合動力系統(tǒng) 日產小型卡車 ATLAS20 日產汽車在小型卡車“ ATLAS20”中追加了混合動力款，并于 20xx 年 5