1、 混合动力汽车原理及发展前景研究 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。本文主要对混合动力汽车的结构和工作原理进行分析，并对 其 发展前景进行深入研究。而且本文分析了混合动力汽车的研究现状，介绍了混合动力汽车的主要结构形式与工作特点，指出了混合动力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： 混合动力；工作原理；发展前景 Principle of Hybrid Vehicles and Development
2、 Prospects of Abstract With the world increasingly stringent environmental protection measures, alternative fuel engine cars more and more programs, such as hydrogen cars, fuel cell vehicles, and hybrid cars and so on. But the most practical method and mode of operation have been commercialized and
3、only hybrid vehicles. In this paper, the structure of hybrid vehicles and working principle of the analysis, and to develop prospects for further study. And this article analyzes the power of a car, with the main form of power structures and working quality, pointed out a move the car is now require
4、d to solve the major issues and adopt the key technology and development made a prediction. Keywords: Hybrid; Working principle; Development prospects 目 录 一、混合动力汽车概念 1 1.1 混合动力汽车的概念 1 1.2 混合动力汽车的分类 1 1.2.1 串联式混合动力 电动汽车 1 1.2.2 并联式混合动力 电动汽车 2 1.2.3 混联式混合动力 电动汽车 3 二、混合动力汽车的工作原理 5 三、混合动力系统控制策略 6 3.1 静态
5、逻辑门限值策略 7 3.2 顺势优化控制策略 8 3.3 全局优化控制策略 9 3.4 模糊逻辑控制策略 10 四、混合动力汽车的发展前景研究 11 4.1 混合动力汽车的市场应用 11 4.2 混合动力汽车的市场推广情况 13 4.3 混合动力汽车面临的问题 14 4.4 混合动力汽车的前景与展望 16 4.4.1 混合动力汽车的市场 16 4.4.2 成熟的混合动力汽车技术 17 4.4.3 混合动力汽车市场推广政 策 18 4.4.4 我国混合动力汽车发展概况 18 结语 19 参考文献 19 致谢 20一、混合动力汽车概念 1.1 混合动力汽车的概念 混合动力汽车（ Hybrid El
6、ectrical Vehicle，简称 HEV）是指同时装备两种动力来 源 热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。 混合动力汽车的燃油经济性能高，而且行驶性能优越，混合动力汽车的发动机要使用燃油，而且在起步、加速时，由于有电动马达的辅助，所以可以降低油耗 。 简单地说，就是与同样大小的汽车相比，燃油费用更低。而 且，辅助发动
7、机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力，因此，车主在享受更强劲的起步、加速的同时，还能实现较高水平的燃油经济性。 1.2 混合动力汽车的分类 混合动力汽车包括串联式混合动力电动汽车（ Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV） 、并联式混合动力电动汽车（ Parallel Hybrid Electric Vehicle， PHEV） 、混联式混合动力电动汽车（ Parallel Series Hybrid Electric Vehicle， PSHEV） 三种。一般所说的混合动力 汽车是 由 电动马达作为发动机的辅助动力驱动汽车 。其结构特点就是在传统 HEV
8、上改装或加装可充电的动力电池，因此，不同类型传统 HEV所具备的特点在相应类型的可外接充电式混合动力汽车（ Plug-in HEV） 上依然具备，所不同的是 Plug-in HEV 用发动机功率比传统 HEV 的小，电机和电池功率比传统 HEV 的大，电池可通过电网进行充电。 1.2.1 串联式混合动力 电动 汽车 串联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、驱动电机和蓄电池组等部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发 电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在
9、零污染状态下行驶。串联式混合动力电动汽车中发动机不直接驱动汽车行驶，而是通过发电机转化为电能，再通过电动机驱动汽车行驶，这使得串联式混合动力电动汽车更加适合城市低转速下频繁起步和低速行走，但缺点是结构比汽油机复杂，占用空间更多，能量耗损比较多。在这种连接方式下，电池就像一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证 车辆的正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。 串联型 Plug-in HEV的特点是：发动机带动发电机发电，电能通过电动机控制器直接输送给电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之
10、间通过电能实现动力传递，因此更像是电传动汽车，其结构原理图，如图 1所示。 图 1 串联型 Plug-in HEV动力系统简图 1.2.2 并联式混合动力 电动 汽车 并联式混合动力电动汽车主要是由发动机、发电 /电动机和蓄电池组等部件组成。并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动机作为动力源，也可以 同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电动驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种方式的优点是动力更猛，结构相对简单，但由于电动机只是辅助驱动系统，因此在节油效果上不如混联式显著。这种系统适用于多种不同的行驶工
11、况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。 并联型 Plug-in HEV 的特点是：并联式布置保留了发动机及其后续传动的机械连接，由电池组 -电动机所提供的动力在原驱动系统的某一处和主动力汇合，或者发动机和 电动机产生的力完全分开用以驱动不同的驱动桥，即汽车可由发动机和电动机共同驱动或者各自单独驱动。发动机和电机是两个相互独立的系统，即可实现纯电动行驶，又可实现内燃机驱动行驶，在功率需求较大时还可以实现全混合动力行驶，在停车状态下可进行外接充电。其结构原理图，如图 2所示。 图 2 并联型 Plug-in HEV动力系统简图 1.2.3 混联式混合动力 电动 汽车 混联式混合动力
12、电动汽车主要由发动机、发电机、电动机、行星齿轮机构和蓄电池组等部件组成。如丰田 PRIUS 所采用的混合驱动方式，是将发动机、发电机和电动机通 过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点，可以在低速下用电池带动汽车工作，在加速时，由两套动力系统一同工作，在驱动汽车行驶的同时又为电池充电，因此非常适合城市走走停停的低速路况。混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行
13、星轮式的结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的 转速关系。另外，汽车在小负荷工作时，电动机 /发电机（作为发电机）给蓄电池充电，使蓄电池得以补充电能；在汽车减速或制动时，汽车驱动电动机 /发电机（作为电动机）为蓄电池充电（回收汽车减速或制动时的部分能量转变为电能储存）。与并联式混合动力系统相比，混联式混合动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。唯一的缺点就是价格高，结构复杂。 基本上混合动力汽车就是以上说的那些，不过现在也有公司在开发非电动的混合动力车，比如通用公司的氢动力车。 混联型 Plug-in HEV 驱动系统是串联式与并联式的 综合，图 3为一种典
14、型的混联型 Plug-in HEV 动力系统结构原理图。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力耦合装置传送给驱动桥。混联型 Plug-in HEV 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；汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主；停车时，通过车载充电器对其进行外接充电。 图 3 混联型 Plug-in HEV动力系统简图 二、混合动力汽车的工作原理 混合 动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入使用阶段。由于构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前
15、，混合动力型汽车只是一种过渡产品。 HEV 既要使用发动机作为动力来保证 HEV 正常行驶时所需要的基本动力，又要对发动机的节能和环保做出种种限制，使发动机的燃料消耗降低到最低，使发动机的有害气体的排放达到“超低污染”标准的要求。而采用控制发动机转速范围、降低发动机的最高转速、保持发动机稳定均衡地运转、并采取“开 关”的控制方式，使发动机避开启动、怠速和转速突然变化时，燃料燃烧不完全而引起的燃料经济性降低和增加有害 废气的排放，从而控制发动机始终处于最佳状态下运转。另外， HEV 还可以广泛地采用转子发动机（ Wankel Engine、 Rotary Engine） 、燃气轮机 (Gas T
16、urbine)和斯特林发动机（ Stirling Engine） 作为 HEV 的发动机。 HEV 上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻 HEV 的总质量。因此，一般电动 /发电机只是在 HEV 发动机启动，车辆启动、加速或爬坡时起作用。电动 /发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率作用。电动 /发电机 还起发电机的作用，将发动机的动能转化为电能，储存到电池组中去。在 HEV 下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。因此， HEV 有了电动机的辅助作用，就可以使用 HEV 达到节能和“超低污染”的要求。 HEV
17、汽车在起步、行车、加速和停车时，由其控制系统自动判断和控制使用何种动力，使汽车的能源消耗和排放指标控制在最佳范围。汽车起步时因发动机的效率低，由电动机提供动力，在信号等待时，发动机会自动停止运行，避免怠速空转的燃油消耗。汽车在正常行驶中控制发动机在最佳区域运行，一部分动力用于克服道路阻力，另一部 分动力用于为电池充电。 当车辆起步加速或爬坡时，除机组所产生的电能，通过控制设备，输往驱动车轮的电动机，此外，蓄电池组也同时供电给驱动车轮的电动机，以保证车辆具有足够的牵引能力。当车辆在平坦道路上作等速运行时，只需发电机组（或蓄电池组）单独提供电能驱动车辆即可。当车辆减速时，发电机组产生的电能，通过控
18、制设备，向蓄电池组充电；在车辆制动过程中，驱动车轮的电动机，将转变为发电机，并通过控制设备向蓄电池充电。此种能将车辆的动能转变为电能并加以回收的制动方式，被称为“再生制动”。 混合动力汽车通过将发动机、充电电池 和电动机的最佳组合，既可以提高发动机工作效率，节省能源，又可以清洁排放，减少环境污染。这种车除发动机可对电池充电外，在减速时动力回收再生，制动器可以将机械能转换成电能，避免了能量的浪费。装用了混合动力系统的汽车燃料经济性比普通汽车可提高 1 倍，同时使能引起地球变暖的 CO2 排放量减少一半。 混合动力驱动车辆在运行中，能向蓄电池组补充电能，因此，没有必要像电动车（电瓶车）那样，必须停
19、歇在车库（或充电站点）内花很长时间充电。混合动力驱动的车辆具有节能、低排放、低噪音等优点，并且保持了传统的由内燃机驱动的汽车续驶里程 长的固有特点，混合动力驱动的车辆不论在小轿车或是大型车辆（如：公共汽车）领域中，均将有巨大的发展潜力和看好的市场前景。 混合动力汽车 (HEV)不加重 环境污染 ,其动力系统包括内燃机和电池组，兼备了内燃机汽车和电动汽车的优点，它将内燃机、电动机与一定容量的储能器件通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但 其 动力性、经济性和
20、排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污 染及石油短缺的矛盾。与传统内燃机汽车相比，其主要优点是采用了高功率的能量储存装置（飞轮、超级电容器或蓄电池）向汽车提供瞬时能量，可以提高效率、节省能源、降低排放，因此经济性和排放性明显改善，技术经济可行性较强。较之纯电动汽车，其主要优点是：续驶里程和动力性可达到内燃机汽车的水平；空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，借助原动机动力，无需消耗电池组有限电能，从而保证了乘坐的舒适性；而且混合动力汽车技术难度相对较小，成本也相对较低。混合动力汽车介于传统汽车和纯电动汽车、燃料电池汽车之间，是一种承前启后的，在经 济和技术方面都趋于成熟的电动
21、汽车产品。 三、混合动力系统控制策略 因混合动力汽车各个组成部件、布置方式及控制策略的不同，形成了各式各样的结构形式。根据发动机和电机的功率比的混合动力汽车将发动机、电动机和能量储存装置（蓄电池）按某种方式组合在一起，有串联式、并联式和混联式三种布置形式。串联式混合动力汽车的控制策略的主要目标是使发动机在最佳效率区和排放区工作，其主要控制策略有恒温器模式、发动机跟踪器控制模式及基于规则型策略（前两者综合）。并联控制策略主要包括：静态逻辑门限值策略、瞬时优化控制策略、全局优化控制策 略和模糊逻辑控制策略。其中后三个策略也适用于混联式的控制策略，另外混联式还有两种特有的控制策略：发动机恒定工作点策略和发动机最优工作曲线策略。下面主要对并联式和混联式混合动力汽车典型的控制策略进行分析。 3.1 静态逻辑门限值策略 该策略主要通过设置车速、动力电池的电池荷电状态（ SOC）上下限及发动机工作转矩等一组门限参数，限定动力系统各部件的工作区域，并根据车辆实时参数及预先设定的规则调整动力系统各部件的工作状态，以提高车辆整体性能。这种策略的主要依据是工程经验，根据部件的稳态效率 MAP 图来确定如何进行
