混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵技術(shù)分析.doc

混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵技術(shù)分析 文湖北宋健 經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展要兼顧環(huán)境的保護(hù)，為此，有著較好燃油經(jīng)濟(jì)及排放性的混合動(dòng)力汽車進(jìn)入了人們的視野。它成為了調(diào)節(jié)交通和環(huán)境污染以及石油短缺的一劑良方，也被認(rèn)為是當(dāng)下汽車工業(yè)的一個(gè)主要發(fā)展方向。于是，對(duì)混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵技術(shù)的分析也成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。 現(xiàn)在的新能源汽車主要有純電動(dòng)汽車(EV)、混合動(dòng)力汽車(PHEV)和燃料電池汽車(FCV)，它們各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖1所示。如果一輛車的驅(qū)動(dòng)系由兩個(gè)或兩個(gè)以上可以同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系聯(lián)合組成，那么該車輛就被稱為混合動(dòng)力汽車。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠保障車輛的行駛狀態(tài)，同時(shí)可以決定車輛的行駛功率?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)能源是兩種或多種儲(chǔ)能器以及能源或者轉(zhuǎn)換器，同時(shí)其中種能夠提供電能，本文所說的混合動(dòng)力汽車是指混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。 一、混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 混合動(dòng)力汽車是將傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)以及純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)式結(jié)合，將電力驅(qū)動(dòng)和輔助動(dòng)力單元組合到同一輛車上。輔助動(dòng)力單元一般都會(huì)使用發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，由此，發(fā)動(dòng)機(jī)一直處于最佳工作點(diǎn)，這使得汽車減少排放并提高能源效率。同時(shí)，蓄電池可以得到發(fā)電機(jī)的持續(xù)充電，進(jìn)一步減小了蓄電池的容量，從而提高車速，加大續(xù)駛里程，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。根據(jù)混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力源配置及組合方式的不同，可以將混合動(dòng)力汽車分為串、并聯(lián)以及混聯(lián)式（圖2）。 豐田汽車在混合動(dòng)力方面是頗具代表性的。它合理利用動(dòng)力分配裝置和能源管理技術(shù)，兼顧了串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的節(jié)能效果和并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的加速優(yōu)勢(shì)，從而鑄就了其他車輛系統(tǒng)無法比擬的混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)。在汽車啟動(dòng)時(shí)，它的驅(qū)動(dòng)依靠于蓄電池供電的電動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)并不參與驅(qū)動(dòng)；在低速行駛的時(shí)候由蓄電池驅(qū)動(dòng)；在中速行駛過程中，使用發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力源，一部分動(dòng)力作用于車輪，還有一部分動(dòng)力分配給發(fā)電機(jī)，由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。油電混合的雙動(dòng)力系統(tǒng)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)以最小的損耗驅(qū)動(dòng)汽車行駛。全速行駛時(shí)則由蓄電池將電力供給到電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行輔助動(dòng)力的提供，這使得車輛的動(dòng)力性能更好。 二、混合動(dòng)力汽車所面臨的問題 混合動(dòng)力汽車技術(shù)隨著科技工藝的進(jìn)步不斷發(fā)展完善。雖說已經(jīng)達(dá)到一定高度，卻仍有一些迫切需要解決的問題。例如：動(dòng)力分配裝置以及能量管理系統(tǒng)的完善；電池的高比能量及功率方面的研究；如何使混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單；如何使車輛制造成本得以降低；如何使車輛更加易于維修和使用。另外，針對(duì)混合動(dòng)力汽車我們還需要建立一個(gè)更加先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)整個(gè)車輛系統(tǒng)進(jìn)行全面的計(jì)算機(jī)仿真分析。 三、混合動(dòng)力汽車關(guān)鍵技術(shù) 混合動(dòng)力汽車不是一個(gè)單一個(gè)體，它是汽車、電力拖動(dòng)以及自動(dòng)控制和化學(xué)電源的集合，所以對(duì)于其關(guān)鍵技術(shù)的分析往往需要涉及到電池管理、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)。 1電池管理系統(tǒng) 混合動(dòng)力汽車的電池在汽車工作時(shí)一直處于非周期性充放電的循環(huán)中，因此對(duì)電池的要求相對(duì)較高。一般要求電池具有較高的能量密度和較高的功率密度，從而使其滿足加速時(shí)所需的較大的峰值功率。電池的充放電以及其工作溫度對(duì)其壽命有著直接的影響，使用不當(dāng)會(huì)使其壽命有所減短甚至直接造成損壞情況。研究開發(fā)高性能、低成本且長(zhǎng)壽命的電池仍然是目前混合動(dòng)力汽車發(fā)展中的研究重點(diǎn)。 2電機(jī)以及電機(jī)控制系統(tǒng) 電機(jī)是混合動(dòng)力汽車的重要組成部分之一，性能質(zhì)量、尺寸效率都是影響其使用效果的主要因素。因此在選擇車輛所配備的電機(jī)時(shí)一般會(huì)選擇性能比較穩(wěn)定、質(zhì)量較輕、體積較小的，較小的質(zhì)量和體積可以減小汽車形狀和車速的受限度。其次，還要求電機(jī)具有較寬范圍的轉(zhuǎn)速和較高的效率以及小量的電池輻射。目前混合動(dòng)力汽車上使用的多為直流永磁型、開關(guān)磁阻以及交流異步和永磁無刷同步的電機(jī)。當(dāng)車輛下坡行駛或者減速時(shí)，電機(jī)能夠工作并將制動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，而后儲(chǔ)存在蓄電池里，以滿足汽車工作的動(dòng)力需求。 3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制 串聯(lián)混合動(dòng)力汽車的電力驅(qū)動(dòng)為唯一驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制比較簡(jiǎn)單，只需要根據(jù)蓄電池的充電放電情況進(jìn)行發(fā)電或停止的控制。并聯(lián)混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)則需要各個(gè)部分的配合，同時(shí)需要具體情況具體分析，根據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的模式轉(zhuǎn)換。要維持混合動(dòng)力系統(tǒng)總的動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的平穩(wěn)和連續(xù)就需要對(duì)動(dòng)力源和動(dòng)力輸出進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略是能夠具體分析車輛的行駛情況、發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和電池情況，從而決定其工作模式，確定發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的合理工況點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)這方面的研究還不夠深入，因此對(duì)這方面的探究還有待發(fā)展。 4動(dòng)力總成關(guān)鍵零部件技術(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速器以及動(dòng)力耦合裝置等都屬于混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力總成。它們各自的性能以及配合程度對(duì)汽車的總使用情況都有一定的影響。 就發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其工況可以控制在一定范圍內(nèi)，所以可以對(duì)其進(jìn)行一定程度優(yōu)化，主要是可以改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)和熱機(jī)的型號(hào)選擇使用情況，而變速器是不可忽略的車輛傳動(dòng)系統(tǒng)，目前可用的混合動(dòng)力系統(tǒng)變速器主要為手動(dòng)變速器、機(jī)械式自動(dòng)變速器、行星齒輪自動(dòng)變速器、電子式無極變速器、液力式自動(dòng)變速器、帶傳動(dòng)的無極變速器等。比較之下，機(jī)械變速器傳動(dòng)效率較好，無極變速的優(yōu)勢(shì)則為自動(dòng)換擋操作簡(jiǎn)單，易于控制。傳統(tǒng)液力式自動(dòng)變速器易控制，卻受限于傳動(dòng)效率低。 動(dòng)力耦合裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，同時(shí)也影響整車控制策略，是混合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)的一大難點(diǎn)，目前常采用轉(zhuǎn)矩結(jié)合、轉(zhuǎn)速結(jié)合和驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式。 5.測(cè)試和優(yōu)化 測(cè)試對(duì)汽車的安全性保證來說是必要的，對(duì)汽車的測(cè)試需要做到全面細(xì)致。同時(shí)，混合動(dòng)力汽車整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)技術(shù)較為繁雜，其性能及使用情況都受到頗多因素的制約，因此需要對(duì)其進(jìn)行合理優(yōu)化。在優(yōu)化時(shí)需要結(jié)合各個(gè)方面，權(quán)衡利弊，進(jìn)行動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性的最優(yōu)組合。同時(shí)需要利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行合理仿真計(jì)算與參數(shù)優(yōu)化，避免不必要的人財(cái)物力損耗，同時(shí)保證設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性和可行性。 四、混合動(dòng)力汽車的發(fā)展前景 在科技發(fā)展迅猛的時(shí)代，汽車行業(yè)的發(fā)展并沒有脫離時(shí)代的步伐。混合動(dòng)力汽車在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上已經(jīng)很大力度地提高了燃料的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也減小了排放量?；诳萍嫉倪M(jìn)步、人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)、自然資源的匱乏以及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展等情況，混合動(dòng)力汽車將有較好的發(fā)展前景。汽車向電力型發(fā)展必然需要由機(jī)電混合型過渡而實(shí)現(xiàn)，因此混合動(dòng)力作為一個(gè)不可忽視的技術(shù)，或許會(huì)引導(dǎo)燃料電池和內(nèi)燃機(jī)的相互轉(zhuǎn)換，這將帶動(dòng)混合動(dòng)力汽車成為以后汽車工業(yè)的一大主流發(fā)展方向。對(duì)此，就需要集中一定的專業(yè)科研人才，進(jìn)行相關(guān)的研究，從而保證其相關(guān)技術(shù)得以發(fā)展完善。 就國(guó)外混合動(dòng)力汽車的研發(fā)現(xiàn)狀而言，從20世紀(jì)90年代開始，日本、美國(guó)等國(guó)家就開始著手于混合動(dòng)力汽車的研發(fā)，現(xiàn)已將其作為研發(fā)重點(diǎn)。目前世界上混合動(dòng)力汽車已經(jīng)超過了一百萬輛。 較于國(guó)外我們國(guó)內(nèi)的研發(fā)也不甘落后。我國(guó)“863”計(jì)劃中就專門列出了包括混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的電動(dòng)汽車專項(xiàng)。我們已確定了以混合電動(dòng)汽車、純電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力蓄電池燃料電池為“三橫”的研發(fā)布局，可以說我國(guó)的混合動(dòng)力汽車在自主創(chuàng)新方面的成就也是值得贊嘆的。 目前，在面對(duì)可持續(xù)發(fā)展的要求時(shí)，純