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1、毕业论文题目：混合动力汽车的探索与研究目 录一、摘 要2二、关键词2三、前 言3四、正 文：1. 混合动力技术汽车动力的里程碑4 2. 国内外混合动力系统技术发展现状4 3. 混合动力系统的构成及工作特点5 4. 混合动力汽车需要解决的问题和关键技术5 5. 发展前景分析6五、参考文献12六、附 录13摘要：随着世界各国环境保护的措施越来越严格，替代燃油发动机汽车的方案也越来越多，例如氢能源汽车、燃料电池汽车，混合动力汽车等，但目前最有实用性价值并已有商业化运转的模式，只有混合动力汽车。社会对环境和节能的重视也有力地促进了混合动力车辆的发展。本文分析了国内外混合动力汽车的研究现状，介绍了混合动
2、力汽车的主要结构形式与工作特点，指出了混合动汽车目前需要解决的主要问题和采用的关键技术，并对其发展前景进行了预测。关键词：汽车 内燃机 电动机 控制前 言随着全球汽车工业的迅猛发展，石油资源供应的日趋紧张，世界各国积极寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量，大力开发新型节能环保汽车。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。正 文1.混合动力技术汽车动力的里程碑 什么是混合动力技术？ 所谓混合动力，靠的是传统的汽油引擎加上电动机输出动力作配合，利用引擎在工作时对蓄电池的充电，将电动机和引擎产生的动力不断切换和转化，达到双动能推动。这样的配
3、合以电动机驱动为主，引擎驱动为辅，达到预期为减少耗油和废气排放的环保效益。 混合动力汽车的能源来源，目前来说依然主要是汽油和柴油等传统燃料，从燃料来说并不先进，但是混合动力技术在汽车动力领域具有里程碑的意义。混合动力技术可以根据不同的行驶状态，利用现代控制技术合理地采用不同的动力策略驱动汽车，并在减速时回收能量，从提高能量利用率的角度，实现了以节能促减排的效果。这项技术，为汽车动力系统从传统能源向新能源发展奠定可基础平台，而且混合动力技术不仅能够应用于油/电混合系统，而且在未来可以应用于氢/电混合系统等新能源混合系统，将成为汽车的基本动力技术。 2国内外混合动力系统技术发展现状 2.1 国外混
4、合动力系统的发展概况 21世纪后，各国加快了混合动力系统的概念产品化的进程，相继推出了不同形式的混合动力系统产品。丰田的Prius，本田的Insight，通用的Precept，福特的Prodigy，戴姆勒克莱斯勒的ESx3， 日产的Tino等都是具有代表性的车型，其中Prius和Insight己是成熟的产品，截止2008年12月，丰田Prius全球销量已经超过了100万辆。2.2 我国混合动力系统的研发现状 我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，有关工作开始于上个世纪90年代。在“十五”期间，科技部组织北京理工大学、清华大学、东风汽车公司等国内多家企业、高校和科研机构进行联合攻关，确定了
5、以燃料电池汽车(FCEV)、混合动力电动汽车(HEV)纯电动汽车(BEV)车型为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术为“三横”的“三纵三横”的研发布局;之后，节能与新能源汽车的研发又被列入“十一五”863计划重大项目。3.混合动力系统的构成及工作特点混合动力驱动系统联合使用两种动力装置，一种是传统的内燃发动机，另一种是电动机。整个系统由发动机、电动机、动力分配装置、发电机、蓄电池和电流逆变器等部分构成。通常，混合动力系统的动力传递方式有三种:串联式、并联式和混联式。各自的结构形式和特点如下。 3.1 串联式混合动力系统 在串联混合动力驱动(
6、SHEV)系统中，所有发动机机械能都转换为电能以驱动电动机。这种系统使发动机在效率最高的转速范围内工作，因此能最大限度地改善燃油经济性和减少排放。3.2 并联式混合动力系统并联式(PHEV)结构有内燃机和电动机两套驱动系统(见图2)。发动机与电动机并联，两者都可以驱动车轮，电动机还可以作为发电机给电池充电，不再需要额外的发电机。在车辆行驶时，系统以发动机为主要动力源，在车辆起步或加速时则使电动机工作，作为辅助驱动力。当发动机效率低的低负荷工况时，则电动机功能转变为发电机功能，向蓄电池充电。其次，在车辆制动或下坡减速行驶时，则通过制动能量回收系统进行制动能量回收。3.3 混联式混合动力系统 混联
7、式混合动力驱动系统(PSHEV)是串联式与并联式的综合，其结构如图3所示。混联式驱动系统的控制策略是:在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。4混合动力汽车需要解决的问题和关键技术目前，混合动力汽车所需要解决的问题包括以下几个方面:其一，进行动力分配装置和能量管理系统的研究。其二，开发具备高比能量和高比功率经济实用的电池。其三，混合动力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。其四，建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态和动态的)，进行计算机仿真分析。具体来讲要进行下面几项关键技术的研究: 4.1 混合动力单元技术 在混合动力汽车上
8、，热力发动机又被称为混合动力单元。为提高燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多的要求，例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭等。目前对混合动力单元的研究主要集中于:一是燃烧系统的优化;二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统;三是代用燃料的研究。4.2 控制策略技术 混合动力系统产品开发中最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化其控制策略，国外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。控制系统的开发首先是根据采集到的速度和负荷等数据，计算出对应的要求输出功率:计算出以最高效率为基点的分配到内燃机与电动机上的功率值，即实现内燃机与电动机的最优功率分配比;然后，根据功率分配比，求
9、出驱动电动机的功率值和其它有关数据，给出内燃机的控制参数和电动机的控制参数。同时，驱动执行器完成这两个层次的工作控制。在执行器设计中，功率分配装置的设计及其与变速器的一体化设计是关键的部件设计工作。因为它要根据控制器的指令，正确地进行内燃机功率向驱动车辆功率和驱动发电机功率的分解。 4.3 能量存储技术 在电动汽车上，蓄电池的开发和充放电特性的研究是关键。现在，镍氢电池和锂离子电池己可达到混合动力汽车的使用要求，但仍有价格高或寿命不长等缺陷。从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面:一是研究电池内部的连接、检测、监控。二是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命
10、。适用于混合动力汽车的电池需要有较高的比功率，要达到的目标是，功率与能量比值大于20W/wh;使用寿命达到10年;至少循环使用12万次。三是电池的热能管理及剩余电量管理。此外，电池的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。5发展前景分析5.1国外混合动力技术发展现状及趋势随着人们对可持续发展的认识程度越来越高, 各国政府也将可持续发展战略列入首选课题。上世纪90 年代以来,国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了包括现代电子、精密机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术,使不少样车的主要
11、动力性指标达到了燃油汽车的水平。进入21 世纪后, 各国加快了HEV 的概念产品化的进程,相继推出了不同型式的HEV 产品, Toyata 的Prius、Honda 的Insight Ford 的Prodigy、Daimler Chrysler 的ESX3、GM 的Precept 、Nissan 的Tino 等都是具有代表性的车型, 其中Prius 和Insight 已是成熟的产品, 并将继续扩大生产规模,其它车型也将在23 年内推向市场。很多车型都显示出了优良的环保与节能性能。这标志着HEV 市场的逐渐成熟。随着各国环境立法的日趋严厉, 电动汽车、混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降
12、低,混合动力汽车的市场份额逐渐增大,已成为重点发展的新型汽车。5.1.1日本混合动力型汽车发展状况1997 年12 月在日本京都召开的防止地球温暖化会议, 具体确定了发达国家温室效应气体排放的削减目标,进一步加快了日本有关各界对于环保措施制定和实施的步伐,特别是汽车产业投入前所未有的力量致力于低燃料费、低污染汽车的研制开发。目前的低燃料费、低污染汽车主要是以直喷式发动机为主,另外还有电动汽车、燃料电池汽车、甲醇汽车、天然气汽车、混合动力型汽车等,这些采用不同动力燃料的汽车均具有各自的优点和不足。例如: 直喷式发动机是在高技术的支撑下诞生的,使其进一步提高性能存在相当大的难度;电动汽车充电一次行
13、走距离短,而且需要配置充电设备;天然气汽车虽然能够减少二氧化碳排放但也具有一定的限度;燃料电池汽车则存在燃料氢的存储问题等。但是,由于混合动力型汽车与汽油燃料汽车相比, 不仅燃料费用减少一半,而且二氧化碳的排放量可降低至普通车的1/ 2 , 排放的有害气体也可削减到规定值的1/ 10 ,具有低燃料费和低污染双重优势。因此, 日本的汽车制造业普遍认为混合动力型汽车是目前最具有开发前景的车种。日产汽车制造公司1997 年5 月16 日该公司开发出了可以使连续行驶距离增加一倍的串联式混合动力型微型轿车(排气量1300CC、搭载汽油发动机)。同年9 月30 日日产又开发出使燃料费降低一半,并且可以批量
14、生产的并联式混合动力型汽车系统。日产开发混合型汽车其动力传送系统的主要设计思想与丰田公司基本相同,大致可概括为: 将动力源分为汽油发动机和A、B 两个电动机,根据不同的行驶状况,使之达到最佳利用状态。即起动和低速行驶时(约30 公里/ 小时以内) ,仅利用A电动机驱动; 中速行驶时利用发动机驱动(但急加速时A 电动机也进行辅助动力传送) ;减速时则将电动机作为发电机使用,进行能量回收。B 电动机一方面是作为起动发动机,另一方面在电池的充电量低于一定电平时回收发动机的动能作为发电机使用。从减少排放的角度看,日产和丰田两家开发的混合动力型汽车基本达到了同一指标。但与丰田公司最大的不同是日产公司于1
15、997 年9 月开发出的世界第一台排气量2000CC 级、搭载皮带式无级变速机的混合动力型汽车可使燃料效率进一步提高20%。由于变速装置完全是电子式控制,因此可根据不同的行驶状态,理想平稳地控制发动机的输出功率和转矩,提高传动效率。另外, 电池是使用了日产电子研究所和索尼公司共同研制的锂离子电池。关于锂离子电池的实用化问题,尽管在技术方面还有提出疑问的可能性, 但通过电动汽车搭载考核已经证明并不存在实际应用问题,目前已经进入了可使用自如的实用阶段。虽然锂离子电池的成本要比镍氢电池高,但由于把钴电极置换成锰电极的研究正在取得进展,如果能够实用化则可使成本降低。开发的串联式混合动力型汽车的电池重量
16、仅是电动汽车电池重量的1/ 3 ,并联式还可比串联式轻1/ 3 ,这样为混合动力型汽车的小型化和轻型化奠定了基础。日产公司计划在今年下半年或年底之前将混合动力型汽车投放市场,并且把开发所有车种的混合动力型汽车作为今后的研究方向。本田汽车公司本田公司的混合动力汽车采用内燃机带电动机助力（I M A ）系统。由1 .0 L V E T C 汽油机、60 m m 厚的环状D C 无刷汝铁硼永磁电机、镍氢电池、动力控制单元集成，装于本田Insight 两座轿车上，采用手动或自动变速器，每升汽油行驶里程分别为35km 或32km。已经在美国、日本销售，2001 年销量4726辆。在美国售价2 2.2 万
17、美元,由于成本很高,不能盈利，实际销量小于预计。最近本田宣布将在美国销售中等尺寸的Accord 混合动力轿车,采用的是V 6 汽油机电动混合动力技术。变气缸管理(VCM, variable cylindermanagement)技术是在某些条件下，例如公路行驶以提高燃料经济性，将使6 个气缸中的3 个气缸休眠，混合动力Accord 将比只用汽油机提高性能。本田Insight 混合动力汽车采用了转矩复合的方式，其手动变速车创造了3L 汽油行驶105km 的好成绩（日本法规10 15 工况），而装备了CVT 的车型也创下了3L 汽油行驶了96km 的好成绩。在这种混合动力系统中，以汽油发动机为主要
18、动力，电动机为辅助动力，动力分配比为9：1。根据阿贡国家实验室的试验结果，本田Insight 的燃油消耗比相当的传统轿车减少55，CO 的排放量是传统汽油机轿车的0 20，HC的排放量是传统汽油机轿车的50。丰田汽车公司丰田公司的Pruise1997 年开始投产，1998 年成为世界第一个小规模成批生产的汽油电动混合动力车。例如丰田Prius1.5L 汽油机采用Atkinson 高效率、高膨胀比工作循环，行星齿轮功率分配器、电子控制变速器、镍氢电池、逆变器、电动/发电机集成为一体。Pruise 混合动力电动轿车是单轴驱动并联式混合电动车辆,以行星齿轮作为动力连接装置。发动机通过单向离合器将动力
19、输出到行星架,行星架按固定比例将扭矩分配到中心轮连接的发电机,电动机通过齿轮减速机构进行动力输出。电动机采用小型永磁同步交流电动机，发电机采用永磁同步交流发电机，可以工作于电动机状态。另外车辆功率分配装置，借助于控制发电机的发电量来调节发电机转速,用来调节动力分配比例。传动系统起到类似无级变速器的作用。采用电动机助力驱动的运行状态，利用永磁同步电动机低速恒转矩的特性。在车辆启动或加速运行时，使得电动机的优异转矩特性发挥得淋漓尽致Pruise 自1997 年上市至2000 年9 月底已经累计生产了7 万辆。2000年8 月根据美国市场需求，对Pruise 做了重新设计。其改进后的2001 年型车
20、，被美国汽车工程杂志评选为世界最佳设计车。2 0 0 3 年重新设计了第二代Pruise 并在SAE2004 年年会上被选为2004 年的最佳设计车。2004 年Pruise已经由紧凑型发展成为中等尺寸型。它比以前的车型具有更强的动力性、更好的燃料经济性以及更低的排放。新型车的加速性从0 97km/h 达到10s;它的燃料经济性，按美国环保署EPA 公路/城市里程为23.21Km/L(55mpg)，前一代为20.26Km/L(48mpg)。Pruise 被认证为超低排放车（S U L E V ），以及先进技术部分零排放车（A T P Z E V）。该车的排放与传统的汽油车辆相比C O 2 下降
21、50 ，H C 、CO 和NOX 排放可以降低90左右，燃油节省一半。5.1.2美国在混合动力车开发生产中的表现早在1997 年，美国PNGV 就根据当时的进展情况，筛选出压燃直喷(CIDI)发动机，混合动力电驱动系统,燃料电池(含储能电池)和轻质材料4 项新技术,组织和号召大家重点突破，混合动力技术是重点之一，鉴于直喷柴油机也是一项重点，为了容易达到PNGV80MPG(33.78Km/L)的目标，美国三大汽车公司都发展了柴油机电动机混合动力，而且都按计划于1999 年制造出柴油机混合动力轿车。如戴- 克公司Dodge ESX3,适度混合动力系统（mildhybrid），福特公司Prodigy
22、，低储能需求(LSR)混合电驱动系统，通用汽车公司Precept，双轴混合电驱动系统等。虽然三家公司都完成了与政府的合作计划,并获得了PNGV 的资金补助.但是都没有考虑商业化问题。现在为了实现商业化不得不重新开发市场需要的产品，并安排制造计划，这就比日本公司落后了大约5 年。2000 年以来，三大汽车公司总结了低批量生产电动汽车的经验教训，决定实施战略转变，将其混合动力系统装于高耗能和高价格的SU V 和轻型载货车上.轻型载货车和SUV 这类汽车在美国销售数量极大，所以改善这些车辆的燃料经济性,将对降低总体燃料消耗和CO2 的产生更有意义。已知的一些车型有: 戴-克公司PowerBox hy
23、bridSUV( 用一台CNG2.7L V6 发动机),Combatt C2Hybrid(5.9L 6 缸增压柴油机);福特(Escapehybrid SUV),通用Paradi GM SUV(采用V6 或I4 发动机)。从90 年代开始, 美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合, 并以混合动力电动汽车为重点对象,由能源部牵头,包括运输部和国防部, 斥巨资组织各汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。1993 年9 月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国“新一代汽车合作伙伴计划” (简称PNGV 计划) , 旨在开发新一代高效节能汽车。混合动力
24、电动汽车计划是1997 年底美国重新确定的PN GV 计划4 个重点领域之一。此外美国先进项目局(ARPA) 于1993 年订立电动汽车( EV)和混合动力电动汽车( HEV)项目, 出资2 500 万美元, 与各州、地方和私人投资以不低于1 1 的资金比例研究EV 和HEV 技术。1994 年ARPA 项目投资已增加到4 600万美元。1993 年和1996 年,美国能源部分别与通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司签定了总额达3161 亿美元的混合动力电动汽车系统开发子合同,并许下诺言: “至2000 年, 一定要使混合动力汽车成为美国公路上司空见惯的车辆”。随着PN GV 计划的实
25、施,美国三大汽车公司进行了一系列的整车技术开发和研制工作。通用汽车公司同时致力于串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力的研制。在1998 年1月的底特律北美国际汽车展上, 通用汽车公司推出了EV1 型4座混合动力电动汽车。福特汽车公司已开发出福特P2000 型5 座并联式混合动力电动汽车,预计2000 年可投放市场; 福特新开发出的“优异2010”概念车实验平台的性能已达到了PN GV 计划的部分目标:每加仑汽油行驶80 英里。1998年1 月, 克莱斯勒汽车公司宣布开发出道奇无畏ESX2 串联式混合动力电动汽车,预计2003 年可投放市场。1997 年由美国宇航局(NASA) Lewis 中
26、心、俄亥俄州政府和工业界、大学等9 个单位合作, 开发出串联式电动- 喷气涡轮混合动力大客车, 预计2000 年投放市场。5.2 国内混合动力发技术展现状及趋势我国目前也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发, 一些单位的起步研究工作正在展开,国家科技部已将其作为“十五”863 重大专项的内容。我国有关电动汽车的研制开始于上世纪90 年代。广东省研究开发电动汽车的院校和企业分布于广州、深圳、珠海、南海、顺德和江门等城市, 从1996 年开始,广东省科委统一协调组织研制电动汽车, 并取得了可喜的进展。清华大学研制了电动中型客车; 中国远望(集团)总公司与北京理工大学、国防科技大学和河北胜利客车厂等
27、单位联合, 于1996 年3 月研制成功了51 座YW6120 型电动大客车。在此基础上,金龙公司合作研制了混合动力客车; 同年,江苏理工大学承担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目ZJ K 6700HEV 串联式混合动力公交轻型客车的研制, 目前样车的研制工作已结束。长春第一汽车制造厂在2001 年4 月19日闭幕的第3 届北京国际清洁车展上推出一款混合动力轿车红旗CA7180AE ,这是长春第一汽车制造厂汽研所、美国电动车亚洲7 公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作的成果。这款串联式的混合动力轿车属中高档,发动机为13kW 汽油机,电机为直流15 kW, 144 V (105 A
28、h) 铅酸电池, 4 2 前驱动型式, 最高车速可达135km/ h。清华大学与沈阳金杯客车制造有限公司在2001 年3 月签订了“SY6480 混合动力客车的研制与开发”合作项目的合同。清华大学通过参加国家“八五”、“九五”电动汽车的科技攻关课题, 在HEV 方面积累了一定的技术基础。深圳明华环保汽车有限公司于2001 年4 月推出了混合电动环保汽车MH6720 , 引起社会各界关注。该车采用的是并联式混合动力系统,发动机为87kW。电机为312V , 充电次数大于500 次, 异步交流电机平均功率为36 kW,满载最高车速90 km/ h , 最大爬坡度33% , 续驶程长可达1 080
29、km ,纯电机驱动时为100km ,百公里等速油耗7169 dm3 , 乘客数22 人。其尾气排放达欧洲标准,噪声指标也大大低于国产普通中巴车。东风汽车公司承接“863”混合动力汽车研制项目现已完成,并已于最近推出混合动力客车样车。汽车公司研制的混合动力轿车,天津清源公司开发的混合动力轿车和混合动力大客车,北京理工大学研制的混和动力大客车,还有深圳五洲龙汽车有限公司研制的混合动力大客车都有进展。一汽已经与丰田达成协议,2005 年在中国生产销售混合动力Pruise,上海汽车集团也与通用汽车公司研究了发展混合动力汽车生产问题。5.3 混合动力汽车前景展望及发展趋势在能源和环保的压力下，世界各大汽
30、车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此日本、美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，世界主要地区汽车销售量及混合动力汽车销售量预测。预测表明到2010 年全球混合动力汽车年产可达294 万辆。从目前市场来看，由于经济的持续快速增长，城市规模不断扩大，各大城市政府已纷将推广使用清洁燃料汽车作为净化空气、改善环境的一项重要措施，特别是北京申办2008 年奥运会成功，更为洁净型城市汽车提
31、供了极佳的市场机遇。随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，电动汽车及混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府已经在国家高技术研究发展计划(863 计划)中专门有电动汽车重大专项( 包括燃料电池整车、混合动力整车和纯电动车)，北京申报成功2008 年奥运会后，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将与国际汽车排放的要求同步，上海、广州也将一步和国际接轨。在我国大中城市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源之一，因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通(如出租车)和城市之间的混合动力汽车在我国有着得独厚的发展条件和广阔的应用前景。参考文献1 张金柱.混合动力汽车结构、原理与维修M.北京:化学工业出版社.2008.2 过学迅，张杰山，胡朝峰. 日美混合动力汽车发展的比较研究J.上海汽车2006.3:7-10.3 边际文; 混合动力汽车 J;交通与运输; 2007 年03 期;4 杨妙梁; 混合动力汽车发展趋势 J;汽车与配件; 2002 年16 期 5 陈汉鸣,梁志锋; 混合动力汽车的研究与发展 J;机电工程技术; 2001 年05 期附 录图 1 图 2 图 3- 15 -
