【正文】 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 1 1 混合動力汽車的發(fā)展背景及興起 汽車發(fā)展的百年，也是人類經(jīng)濟(jì)和文明高速進(jìn)步的百年。黃 岡 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 I 摘要 社會對環(huán)境和節(jié)能的重視有力地促進(jìn)了混合動力車輛的發(fā)展。 本文闡述了混合動力汽車的現(xiàn)狀與發(fā)展探究的研究背景、意義， 分析了國內(nèi)外混合動力汽車的研究現(xiàn)狀，介紹了混合動力汽車的主要結(jié)構(gòu)形式與工作特點 ， 指出了混合動 力 汽車目前需要解決的主 要 問題和采用的關(guān)鍵技術(shù)，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測 。如今，全世界汽車的保有量達(dá)到了近 7億輛，汽車改變了人類社會 的結(jié)構(gòu)，人們的日常生活和生產(chǎn)活動與汽車已經(jīng)密不可分。節(jié)能和環(huán)保自然成為汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 電動汽車的誕生要早于燃油汽車，在 19世紀(jì)末 20世紀(jì)初電動汽車曾有過一段輝煌的歷史，后來由于電池技術(shù)進(jìn)步緩慢，在性能、價格等方面難以與燃油汽車競爭而逐漸被燃油汽車所取代。 1993年 9月美國政府和代表三大汽車公司的汽車研究理事會（ USCAR）聯(lián)合提出了 “ 新一代汽車合作計劃 ” （ PNGV）。經(jīng)過幾年的研究表明 ，能滿足此要求的就是混合動力汽車或燃料電池汽車。輔 助動力可以采用燃燒某種燃料的原動機或動力發(fā)電機組。原動機則可以是內(nèi)燃機，也可以是燃?xì)廨啓C、司特林發(fā)動機等外燃機，或者是以燃料電池為核心的原動機。人們逐漸發(fā)現(xiàn)燃料電池電動汽車是未來解決環(huán)境污染和能源問題的最佳方案之一。燃料電池以其原料來源廣泛、無污染、噪聲低、能量轉(zhuǎn)化效率高、可持續(xù)供電等優(yōu)點引起各大汽車公司的注意， 世界正掀起燃料電池的研究、開發(fā)和應(yīng)用的熱潮。目前中國的空氣污染問題非常嚴(yán)重。將采用新技術(shù)而降低排放的燃油汽車、燃?xì)馄?、電動汽車和混和動力汽車技術(shù)列入國家科技攻關(guān)計劃。可以預(yù)見，節(jié)能環(huán)保汽車的研究開發(fā)將帶來世界汽車業(yè)的飛躍性變化。 1991年大眾汽車公司推出濟(jì)科牌混合動力電動微型汽車，車長 3150mm、 寬1600mm、 高 1480mm，可乘坐 4人，整備質(zhì)量 78kg。min)的三缸汽油機和一臺 6kW/(1280r汽油機和電動機通過兩個自動離合器和一個五檔變速器，驅(qū)動橋驅(qū)動車輛行駛。 混合動力電動汽車 HEV首先在歐洲出現(xiàn)，引起美國各大汽車公司的注意，為了減少對石油進(jìn)口的依賴，改善對大氣環(huán)境的污染，達(dá)到加州的排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。 PNGV提出新開發(fā)的概念車樣車的所達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)為 :在 10年的時間內(nèi)達(dá)到乘坐5～ 6人，整車重 898kg，燃料消耗量 3L,0～ ， 加速時間 12s,行駛里程 612km黃 岡 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 3 的目標(biāo)。 當(dāng)前普遍使用的燃油發(fā)動機汽車存在種種弊病，統(tǒng)計表明在占 80％ 以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了動力潛能的 40％ ，在市區(qū)還會跌至 25％ ，更為嚴(yán)重的是排放廢氣污染環(huán)境。雖然人們普遍認(rèn)為未來 是電動汽車的天下，但是目前的電池技術(shù)問題阻礙了電動汽車的應(yīng)用。 現(xiàn)實迫使工程師們想出了一個兩全其美的辦法，開發(fā)了一種混合動力裝置（縮寫 HEV）的汽車。形象一點說，就是將傳統(tǒng)發(fā)動機盡量做小，讓一部分動力由電池 電動機系統(tǒng)承擔(dān)。 黃 岡 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 4 2 混合動力車概論 什么是 混合動力電動汽車 混合動力電動汽車 (Hybrid Electric Vehicle， 簡稱 HEV)是將電驅(qū)動與輔助動力單元 (Auxiliary Power Unit， 簡稱 APU)合用到一輛車上。燃料可以是汽油、柴 油等汽車的傳統(tǒng)燃料，也可以是甲醇、乙醇、液化石油氣、天然氣、氫氣等代用燃料。 混合動力驅(qū)動車 HEV的特點 由于 混合動力驅(qū)動車 HEV是在車輛上裝有一套內(nèi)燃機 發(fā)電機組以及一套蓄電池組。這一較小功率的內(nèi)燃機，系在最佳工況 (熱效率最高、尾氣排放污染最小 )的條件下作等速運轉(zhuǎn)。汽車起步時因發(fā)動機的效率低，由電動機提供動力，在信號等待時，發(fā)動機會自動停止運行，避免了怠速空轉(zhuǎn)的燃油消耗。 當(dāng)車輛起步加速或爬坡時，除機組所產(chǎn)生的電能，通過控制設(shè)備，輸往驅(qū)動車輪的電動機，此外，蓄電池組也同時供電給驅(qū)動車輪的電動機，以保證車輛具有足夠的牽引能力。當(dāng)車輛減速時，發(fā)電機組產(chǎn)生的電 能，通過控制設(shè)備，向蓄電池組充電；在車輛制動過程中，驅(qū)動車輪的電動機，將轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機，并通過控制設(shè)備向蓄電池充電。 HEV既要使用發(fā)動機作為動力，又要對發(fā)動機的節(jié)能和環(huán)保作出種種限制，使發(fā)動機的燃料消耗降低到最低，使發(fā)動機的有害氣體的排放達(dá)到 “ 超低污染 ” 標(biāo)準(zhǔn)的要求。采用控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍、降低發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速、保持發(fā)動機穩(wěn)定均衡地運轉(zhuǎn)、并采取 “ 開 關(guān) ” 的控制方式，使發(fā)動機避開啟動、怠 速和轉(zhuǎn)速突然變化時，燃料燃燒不完全面引起的燃料經(jīng)濟(jì)性降低和增加有害廢氣的排放，從而控制發(fā)動機始終處于最佳狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。 混合動力汽車通過將發(fā)動機、充電電池和電動機的最佳組合，既可以提高發(fā)動機工作效率，節(jié)省能源，又可以清潔排放，減少環(huán)境污染。裝用了混合動力系統(tǒng)的汽車燃料經(jīng)濟(jì)性比普通汽車可提高 1倍，同時使能引起地球變暖的 CO2排放量減 少一半?；旌蟿恿︱?qū)動的車輛具有節(jié)能、低排放、低噪音等優(yōu)點，并且保持了傳統(tǒng)的由內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車?yán)m(xù)駛里程長的固有特點，混合動力驅(qū)動的車輛不論在小轎車或大型車輛 (如 :公共汽車 )領(lǐng)域中，均將有巨大的發(fā)展?jié)摿涂春玫氖袌銮熬?。在這種聯(lián)結(jié)方式下，電池就象一個水庫，只是調(diào)節(jié)的對象不是水量，而黃 岡 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 6 是電能。這種動力系統(tǒng)在城市公交上的應(yīng)用比較多，轎車上很少使用。串聯(lián)式 混合動力系統(tǒng)利用發(fā)動機動力發(fā)電，從而帶動電動機驅(qū)動車輪。負(fù)荷大時，發(fā)動機 /發(fā)電機 /電動機一起驅(qū)動。滑行時，進(jìn)行充電。 典型車輛：適合各型車輛。兩個系統(tǒng)既可以同時協(xié)調(diào)工作，也可以各自單獨工作驅(qū)動汽車。 基本 結(jié)構(gòu)：由電動機、發(fā)動機、 HV蓄電池、變壓器和變速器組成。因電動機兼用為發(fā)電機，所以不能一邊發(fā)電一邊用來行駛。其電動機動力接入可有三種位置。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、電機比功率大、己形成系列產(chǎn)品和采用中間離合器可以減少回收能量損失。 2）變速箱差速器處。缺點是變速箱改動大，不適合現(xiàn)有改裝車輛 。優(yōu)點是不改動發(fā)動機總成、最適合單一的無怠速系統(tǒng)、可以使用常規(guī)的 12V電源。 特點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低。 （ 3） 混聯(lián)式 （串、并聯(lián)式）混合動力電動汽車 Split Hybrid Electric Vehicle (PSHEV) 工作原理：混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的特點在于內(nèi)燃機系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)各有一黃 岡 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 7 套機械變速機構(gòu)，兩套機構(gòu)或通過齒輪系，或采用行星輪式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，從而綜合調(diào)節(jié)內(nèi)燃機與電動機之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。利用電動機和發(fā)動機來驅(qū)動車輪，并可用發(fā)電機來發(fā)電及自行充電。利用動力分離裝置將發(fā)動機的動力分成兩份，一部分用來直接驅(qū)動車輪，另一部分用來發(fā)電，給電動機供應(yīng)電力和 HV蓄電池充電。 特點：聯(lián)結(jié)方式系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。 典型車輛：豐田 Prius。這種混合動力系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機上的起動電機（一般為 12V）上加裝了皮帶驅(qū)動起動電機（也就是常說的 Beltalternator Starter Generator, 簡稱 BSG系統(tǒng)）。從嚴(yán)格意義上來講，這種微混合動力系統(tǒng)的汽車不屬于真正的混合動力汽車，因為它的電機并沒有為汽車行駛提供持續(xù)的動力。其中 42v主要用于柴油混合動力系統(tǒng)。該混合動力系統(tǒng)采用了集成起動電機（也就是常說的 Integrated Starter Generator， 簡稱 ISG系統(tǒng)）。輕混合動力系黃 岡 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 8 統(tǒng)的混合度一般在 20％ 以下。該混合動力系統(tǒng)同樣采用了 ISG系統(tǒng)。另外，中混合動力系統(tǒng)還增加了一個功能，在汽車處于加速或者大負(fù)荷工況時，電動機能夠輔助驅(qū)動車輪，從而補充發(fā)動機 本身動力輸出的不足，從而更好的提高整車的性能。 （ 4） 完全混合動力系統(tǒng) 代表車型是豐田的 Prius 和 未來的 Estima。與中混合動力系統(tǒng)相比，完全混合動力系統(tǒng)的混合度可以達(dá)到甚至超過 50％ 。 混合動力電動汽車的優(yōu)點 混合動力電動汽車可以解決電動汽車發(fā)展中 “ 零排放 ” 的優(yōu)點，但續(xù)駛里程短、動力性能差的 矛盾。 輔助動力單元 (APU)的選用，使混合動力電動汽車的續(xù)駛里程與動力性能可以達(dá)到當(dāng)前內(nèi)燃機汽車的水平。一般排量 L 的綜合工況油耗可達(dá) 47L／ 100k m 。 混合動力不僅在燃油消耗上具備優(yōu)勢，在動力性也同樣具有一定的優(yōu)勢。這樣完全可以媲美高排量車的動力性。 制動能量回收系統(tǒng)可節(jié)省能量，同時提高制動系統(tǒng)的可靠性和延長制動器的使用壽命。保證了乘員的舒適性和駕駛的輕便性?？梢詽M足最嚴(yán)格的排放法規(guī)。而在電動汽車時代到來之前，混合動力也必將演繹著它重要的角色。 正因為以上優(yōu)點，世界各國政府、各大汽車公司都投入巨大力量開發(fā)混合動力電動汽車。在混合動力電動汽車上要求電池不但要具備較高的能量密度，而且要求較高的功率密度及充放電效率。經(jīng)無數(shù)次不同電流的充放電循環(huán)后，電池的 SOC如何定義和判斷至今仍有待于研究。 動力分配裝置是以機械的方式將混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的電機、內(nèi)燃機以及發(fā)電機結(jié)合在一起，實現(xiàn)不同驅(qū)動方式的組合及分離。 (3)能量管理系統(tǒng)的研制 能量管理系統(tǒng)就是根據(jù)駕駛員的指令，電池的荷電狀態(tài) (SOC)、充放電效率，內(nèi)燃機 (或燃料電池 )的最佳工況，電機及發(fā)電機的效率等信息，以決定在不同行駛工況下自動實現(xiàn)不同驅(qū)動方式及控制策略，使汽車永遠(yuǎn)運行在最佳工況。 混合動力電動汽車將是今后相當(dāng)長時間內(nèi)汽車的主要結(jié)構(gòu)方式。 推廣應(yīng)用中的最大障礙 目前電動汽車推廣應(yīng)用中的最大障礙是受電池性能的制約 。最新研究表明，使用燃料電池的電動汽車，為了更好的發(fā)揮燃料電池的作用，采用混合動力系統(tǒng)是最佳的選擇 。 根據(jù)國際電工委員會電動汽車技術(shù)委員會的建議，對混合動力汽車的定義為 “ 有多于一種的能量轉(zhuǎn)換器能提供驅(qū)動動力的混合型電動汽車 ” 。 從世界范圍來看，美國、法國、日本、德國、英國、意大利、瑞士等國家均已跨入電動汽車產(chǎn)業(yè)化、商品化行列。日本在 1989年由日野 (HINO)公司開發(fā)了全球首例串聯(lián)式柴一電混合驅(qū)動系統(tǒng) HIMR。 1999年，豐田公司的 “ PRIUS” 混合動力轎車在日本銷售達(dá) 3萬多輛，至 2020年，該款混合動力轎車在全世界的累計銷量以達(dá)到 12萬輛。歐洲沃爾沃客車公司早于 1995年就開始了 “ 環(huán)保概念客車 ” 的研究，開發(fā)了以乙醇為燃