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混合动力汽车关键技术
电动汽车概论课程报告
----混合动力汽车关键技术
摘要
混合动力电动汽车(HEV)的核心是混合动力驱动系统。
HEV系统具有高度的复杂性,混合动力系统设计的关键是系统结构的选择、整车能量管理策略的开发和系统参数的确定。
功率分配是系统能量管理策略研究的关键,随着研究的深人,自适应控制、模糊逻辑控制、神经元网络控制等方法也得到了有效的运用。
文中对子系统的关键技术及整车试验方法和评价体系的建立等方面进行了讨论.
关键词:
混合电动汽车电池管理驱动系统逆变器
ABSTRACT
Hybridelectricvehicle(HEV)isthecoreofthehybriddrivesystem.HEVsystemwithhighcomplexity,hybridsystemdesignisthekeytothechoiceofthestructureofthesystem,thevehicleenergymanagementstrategyofdevelopmentandthesystemofparameters.Powerallocationsystemenergymanagementstrategyisthekey.Withthedeepresearch,adaptivecontrol,fuzzylogiccontrol,neuralnetworkcontrolmethodisalsoeffectivelyused.Inthispaper,thetechnologyandsubsidiarysystemvehicletestmethodandevaluationsystemoftheestablishmentarediscussedinthepaper.
Keywords:
Hybridelectricvehiclebatterymanagementdrivesysteminverter
1.2.3混联式混合动力电动汽车(PSHEV)................................1
1.2.4外接充电式混合动力汽车(PHEV)................................1
1.4本文研究概要......................................................2
1.绪论
1.1课题研究背景
当前,全球汽车工业正面临着资源短缺、能源紧张与环境污染等诸多问题的巨大挑战。
发展新能源汽车,实现汽车动力系统的新能源化,推动传统汽车产业的战略转型,在国际上已经形成广泛共识。
在这种形势下,美国、日本、欧洲等发达国家和地区,不约而同地将新能源为代表的低碳产业作为国家战略选择,都希望通过新能源产业与传统汽车产业的结合,破解汽车工业能源环境制约,培育新型战略性产业,提升产业核心竞争力,发展低碳经济,实现新一轮经济增长。
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。
1.2混合动力汽车分类及技术特点
目前,混合动力汽车分为串联式混合动力汽车、并联式混合动力电动汽车、混联式(串、并联式)混合动力汽车和外接充电式(Plug-In)混合动力汽车四大类。
1.2.1串联式混合动力汽车(SHEV)
是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成,发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成驱动系统。
串联式混合动力汽车用发动机-发电机组均衡发电,电能供应驱动电动机或动力电池组,使串联式混合动力汽车的行驶里程得到延长。
1.2.2并联式混合动力电动汽车(PHEV)
是由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成,发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成驱动系统。
并联式混合动力电动汽车的驱动力组合有发动机轴动力组合式、动力组合器动力组合式和驱动轮动力组合式三种不同的组合模式。
1.2.3混联式混合动力电动汽车(PSHEV)
是上述两种混合动力汽车的结构特点组成的,是由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。
并联式混合动力电动汽车的驱动力组合有动力组合器动力组合式和驱动轮动力组合式两种组合模式。
混联式混合动力电动汽车兼有串联式混合动力汽车和并联式混合动力电动汽车的优点,可以组合成更多种形式的混合驱动的驱动模式。
1.2.4外接充电式混合动力汽车(PHEV)
是最新的一代混合动力汽车类型,即在混合动力汽车上增加了纯电动行驶工况,并且加大了动力电池容量,使PHEV采用纯电动工况可行驶一定里程,超过该里程就启动内燃机,采用混合驱动模式。
1.3混合动力汽车的特点
混合动力汽车具有油、电发动机的互补工作模式,具有省油、节能的优势。
同时,混合动力系统在同等条件下相对于汽油车和柴油车来说,汽车尾气排放少,从而减少对空气的污染。
因此,混合动力汽车具有环保、污染小的优点。
1.4本文研究概要
混合动力电动汽车的核心是混合动力驱动系统。
本文以混合动力驱动系统为重点就系统集成技术、整车能量管理技术、子系统的关键技术及整车试验方法和评价体系的建立等方面讨论目前研究和开发中的关键技术。
2.混合动力汽车国外发展现状
从1995年起,包括日本丰田与美国三大汽车公司在内的世界各大汽车生产厂商陆续投入混合动力汽车的研究开发。
经过多年发展,混合动力汽车在商用化、产业化进程上的发展已经较为迅速。
特别是2004年全球各大汽车制造商继续加大环保车型的开发力度,混合动力车型成为各大公司的战略重点,逐渐突破了小型车的限制越来越多的应用在中大型车上,技术竞争愈演愈烈。
2009年世界汽车市场混合动力汽车销量估计已经超过70万辆,据预测,2010年将达100万辆,2015年将在世界汽车市场占15%,2020年占25%。
2.1日本
2.1.1概况
1997年,日本丰田推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车,其后又在2001年相继推出了混合动力面包车和皇冠轿车,运用了先进的混合动力系统(THS)电子控制装置与电动四轮驱动及四轮驱动力/制动力综合控制系统,在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面处于世界前沿。
以丰田为代表的日系企业,正是在10多年前的精确判断,才最终以混合动力这种过度的新能源技术傲力如今的世界汽车市场。
2.1.2日本混合动力汽车市场
日本丰田、本田、三菱、马自达等多家企业均抓紧开拓混合动力汽车市场。
目前市场上正热销的两款车型分别为丰田Prius和本田Insight。
其中Prius标准型每升汽油可行驶35.5公里,售价205万—327万日元之间。
Insight每升汽油可行驶30公里,售价189万日元。
丰田公司1997年第一代Prius开始销售以来,累计销量已突破100万辆。
丰田普锐斯轿车2009年的销量达20.89万辆,同比增长达290%,成为包含微型车在内的新车销量排行榜榜首。
08年丰田汽车全球混合动力汽车销量43万辆,计划2011年代早期实现年销量100万辆。
为此,丰田和松下各出资60%和40%成立注册资本130亿日元的PanasonicEVEnergy株式会社,生产混合动力车用电池。
目前混合动力车用电池年产量可供70万辆车使用,2011年扩大至110万辆。
2.1.3本田Insight混合动力汽车
图2-1本田Insight
本田Insight从乘员舱开始的后半部分则按照混合动力车的需求重新设计,放弃了新飞度将油箱前置的设计改为后置,从而有利于有效降低车高保证车身的空气动力特性,因此本田Insight的车身高度也仅为1430毫米。
另外,由于采用小型车平台,因此本田Insight混合动力车在增加电动机和电池之后的车重也依然保持在1240公斤左右,相比其它竞争对手的混合动力车型具有不错的轻量优势。
2.1.4本田CR-Z混合动力汽车
图2-2本田C-RZ
本田C-RZ车型于2010年2月份在日本市场上市,是定位于紧凑运动型的混合动力跑车,搭载一款1.5L四缸i-VTEC汽油发动机,配备本田独有的MotorAssist混合动力技术和IMA辅助混合动力系统。
2.1.5丰田普锐斯(Pirus)混合动力车
图2-3丰田Pirus
普锐斯因其开创了混合动力协调驱动这一先进理念,并在这一理念基础之上采用了THS-Ⅱ(新一代TOYOTA油电混合动力系统),使其燃油消耗只有传统汽油发动机的一半,仅为4.7L/100km。
其通过新开发的可变电压系统,提高了马达与发电机电源系统的电压,实现了世界最高水准的35.5km/L低燃耗。
此外,还组合配置了动力分离装置和系统控制系统。
动力分离装置对发动机、马达和发电机的机械动力进行分配、集中和传输;系统控制则精确、迅捷地指挥这些组件进行高效协同工作。
2.2美国
2.2.1概况
美国三大汽车公司通用、福特和戴姆勒-克莱斯勒在2004年就组建了生产混合动力汽车和燃料电池汽车所用电池联合开发公司——USABC,投资460万美元开发新一代环保型双动力汽车所需要的高性能锂聚合物电池。
2005年9月,通用汽车、戴姆勒·克莱斯勒集团与宝马集团签署了关于构建全球合作联盟,以共同开发混合动力推进系统的合作备忘录,共享各自在混合动力推进系统方面领先的技术能力及丰富的科技资源,并把发展“双模”完全混合动力系统作为首要目标。
2009年美国混合动力汽车销量达到29.03万辆,占美国汽车市场份额达2.8%,虽然份额还较小,但却从2005年的1.2%开始呈逐年上升之势。
预计美国混和动力汽车的销量2013年将达到87.2万辆,市场占有率将达到5%。
2.2.2福特Fusion混合动力车
据美国媒体autoevolution报道,汽车业权威评测机构环球质量调研系统(TheGlobalQualityResearchSystem,简称为GQRS)的2011年报告评出了美国混合动力三厢轿车的质量排名前三甲,其中福特Fusion混合动力车综合质量得分夺冠,而丰田凯美瑞与日产阿蒂玛的混合动力版本分别紧随其后。
图2-4福特Fusion
数据显示,福特Fusion混合动力车是美国燃油效率最高的混合动力轿车,更是获得了91%的综合质量得分,而丰田凯美瑞与日产阿蒂玛的混合动力版本分别获得80%、71%的综合质量得分。
福特Fusion混合动力出租车在过去十年里的行驶里程已经达到了8000万英里,超越了丰田普锐斯的记录。
2.2.3克莱斯勒300混合动力
图2-5克莱斯勒300
目前,克莱斯勒汽车正在计划推出全新克莱斯勒300的首款油电混合动力车型,这款车型将会搭载八前速自动变速箱,并有望在2013年上市销售。
据悉,全新克莱斯勒300插入式混合动力系统将不会采用原先在道奇Durango和克莱斯勒Aspen上所使用的5.7升排量HemiV8发动机混合动力系统,取而代之的是装备全新克莱斯勒Pentastar3.6升V6发动机的混合动力系统。
根据克莱斯勒汽车的规划,到2013年至少将有三款混合动力的量产车型上市销售。
2.3其他国家混合动力汽车车型
2.3.1奔驰S级400HYBRID
德国豪华汽车生产商梅赛德斯-奔驰推出的首款混合动力轿车,也是世界首款量产的锂离电池混合动力豪华车----梅赛德斯-奔驰S400HYBRID。
奔驰在技术上的创新从来都不会中止,无论从安全、舒适、动力,还是环保与节能上,都成绩斐然,随着S400HYBRID的出现这为全球汽车工业重新树立环保豪华的新标杆。
图2-6奔驰S400HYBRID
奔驰S400HYBRID系统在3.5L的发动机和7挡自动变速器之间连接了一台15KW的电动机(e-motor),还有用于能量储存的锂离子电池组,以及用于电能变换的电子系统以及一些辅助装置。
同时,为了提高混合动的动耗比,这套混合动力系统还提供了Start/Stop自动启停功能以及制动能量回收和电传控制等功能。
3.5L的汽油发动机可以输出279马力的最大功率和350牛米的最大扭矩。
电动机可以输出20马力(15KW)的最大功率和160牛米的最大扭矩,因此总的最大输出功率可以达到299马力,最大扭矩达到385牛米,综合油耗达到8.0L/100km,二氧化碳排放量达到了同一级别最低的188g/km。
2.3.2宝马ActiveHybridX6
宝马ActiveHybrid技术为驾驶者提供了依靠纯电力行驶、依靠发动机动力行驶及在两种动力结合的模式下行驶。
在车速低于60公里/时的电动模式下行驶时,可实现零排放。
宝马ActiveHybridX6的动力系统由一台输出功率为300千瓦的双涡轮增压V8发动机及两台输出功率分别为67千瓦和63千瓦的电机组成。
该系统最大输出功率为357千瓦,峰值扭矩为780牛米。
这使BMWActiveHybridX6成为世界上最强劲的混合动力车辆。
图2-7宝马ActiveHybridX6
宝马ActiveHybridX6在双模变速箱中集成了两台电机,提供两种工作模式。
一种用于动态起步和低速行驶,另一种用于高速行驶,使其在各种负荷状况及车速下均能实现最大效率。
同时,由两台电机、三个行星齿轮组及四个多片式离合器组成的7挡自动变速箱保证了车辆的舒适性及平稳性。
制动或松开油门时产生的动能,可转变为电能存储到高性能蓄电池中。
该系统的能量回收效率和输出功率比普通宝马车型所采用的制动能量回收系统高25倍。
舒适性方面,在电动模式与发动机驱动模式下的驾驶体验基本一致。
xDrive全轮驱动技术带前后全时可变动力分配功能,从而提高车辆的行驶能力。
2.4国外各国未来发展前景
2.4.1混合动力汽车产业发展计划
近年来,美、日、德等汽车工业强国先后发布了关于推动包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业发展的国家计划。
美国奥巴马政府实施绿色新政,计划到2015年普及100万辆插电式混合动力电动汽车(PHEV)。
日本把发展新能源汽车作为“低碳革命”的核心内容,并计划到2020年普及包括混合动力汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆,为完成这一目标,日本到2020年计划开发出至少38款混合动力车、17款纯电动汽车。
德国政府在08年11月提出未来10年普及100万辆插电式混合动力汽车和纯电动汽车,并宣称该计划的实施,标志德国将进入新能源汽车时代。
2.4.2动力电池发展计划
动力电池成为各国政府在电动汽车领域支持的重中之重。
美国总统奥巴马09年8月宣布安排24亿美元支持PHEV的研发与产业化,其中20亿美元用来支持先进动力电池的研发和产业化。
日本政府提出“谁控制了电池,谁就控制了电动汽车”,并组织实施国家专项计划,在2011年以前将投入400多亿日元用于先进动力电池技术研究,2010年左右新型锂电池将规模应用于下一代新能源汽车。
德国从今年起启动了一项4.2亿欧元的车用锂电池开发计划,几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。
国家的大量投入,充分调动了企业的积极性,目前国际主要汽车制造商不断加强与电池企业的合作,以动力电池突破为核心目标的强强联合与产业联盟不断涌现,动力电池技术研发和产业化进程明显加快。
2.4.3政府政策支持
各国政府加大了政策支持力度,全力推进包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业化。
美国对PHEV实施税收优惠,减税额度在2500美元和15000美元之间,同时美国政府对电动汽车生产予以贷款资助。
09年6月23日,福特、日产北美公司和Tesla汽车公司获得80亿美元的贷款,主要用于混合动力和纯电动汽车的生产。
日本从09年4月1日起实施新的“绿色税制”,对包括混合动力车、纯电动汽车等低排放且燃油消耗量低的车辆给予税赋优惠,一年的减税规模约为2100亿日元,是现行优惠办法减税额的10倍。
法国对购买低排放汽车的消费者给予最高5000欧元的奖励,对高排放汽车进行最高2600欧元的惩罚。
此外,欧盟计划在2009年上半年发放70亿欧元贷款,支持汽车制造商发展新能源汽车;此外,美国新的汽车燃油经济性法规和欧盟新车平均二氧化碳排放法规,对汽车的技术要求大幅提高,如果不发展新能源汽车技术,汽车制造商将很难达到新法规的要求。
3.混合动力汽车国内发展现状
3.1我国发展混合动力汽车的必要性
当前能源问题得到重视,环境污染严重,社会环保意识加强等众多社会问题,紧逼汽车产业向节约能源的绿色汽车业转型。
我国已有10个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中,而机动车污染排放是城市空气污染的主要来源之一。
再加上油价不断攀升,道路拥堵问题严重,因此,我国迫切地寻求发展耗油低、污染少的混合动力汽车。
3.2市场概况
目前,多家主流整车企业,包括长安集团、上海大众、上汽集团、奇瑞汽车和上海华普等多家国内汽车企业均公布了自己的混合动力计划,混合动力成为目前国内车市新的热点。
但从近几年的整车销售来看,尽管市场对混合动力等新能源汽车的呼声很高,但从市场表现来看,混合动力汽车仍然是市场上的配角。
混合动力汽车还需多方扶持。
3.3我国混合动力汽车技术发展现状
目前,我国在新能源汽车的自主创新过程中,坚持了政府支持,以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则,确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”,以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局,通过产学研紧密合作,我国混合动力汽车的自主创新取得了重大进展。
形成了具有完全自主知识产权的动力系统技术平台,建立了混合动力汽车技术开发体系。
混合动力汽车的核心是电池(包括电池管理系统)技术。
除此之外,还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等,发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。
从目前情况来看,我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系,取得了一系列突破性成果,为整车开发奠定了坚实的基础。
截止到2009年1月31日,在混合动力车辆技术领域,我国知识产权局受理并公开的中国专利申请为1116件。
在1116件专利申请中,发明为782件(授权为107件)、实用新型为334件。
掌握了关键零部件核心技术,自主开发出系列化产品,关键零部件产业化全面跟进。
在混合动力汽车的核心——电池技术研发方面,我国已自主研制出容量为6Ah-100Ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品,能量密度和功率密度接近国际水平,同时突破了安全技术瓶颈,在世界上首次规模应用于城市公交大客车;自主开发的200kW以下永磁无刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机,电机重量比功率超过1300w/kg,电机系统最高效率达到93%;自主开发的燃料电池发动机技术先进,效率超过50%,成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级燃料电池发动机研发、制造以及测试技术的国家之一。
与此同时,混合动力汽车关键零部件的产业化全面跟进,生产配套能力显著增强。
在未来2-3年内,预计将形成20亿Ah以上的动力电池和全系列驱动电机生产能力,能够满足100万辆混合动力及电动汽车的配套要求。
掌握了电动汽车整车开发关键技术,形成了各类电动汽车的开发能力。
我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著,不同技术方案可实现节油10%-40%。
同时,各汽车企业对混合动力汽车的研发和产业化投入显著增强,产业化步伐不断加快。
目前,国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视,一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力,混合动力车型已完成样车开发,并有部分车型已经实现小批量上市。
3.4我国混合动力汽车重点车型介绍
3.4.1比亚迪F3DM
图3-1比亚迪F3DM
F3DM双模电动车搭载了BYD371QA全铝发动机,配合75KW的电机,输出功率达到125KW。
在纯电动的模式下,F3DM双模电动车实现了目前世界上最长的续航里程100km,最高时速可达150公里/小时。
不到15万元的售价是F3DM最大的资本,这几乎就是一辆普通的合资品牌同级车价格。
F3DM的上市将预示着一个未来产业化的开始。
3.4.2雷克萨斯RX450H
图3-2雷克萨斯RX450H
RX450h采用了EVCT电子无级变速系统和最新人工智能换挡技术,百公里综合油耗只有6.8升,排放达到欧IV标准,是目前国内最环保的SUV车。
3.4.3奇瑞A5混合动力车型
与其它混合动力车型相比,奇瑞A5属于“入门级”混合动力车型,但是它却以较简单的设计和低廉的成本实现了节油和减少二氧化碳排放的目的。
尽管它看上去还比较粗糙,但在北京路面上行驶的混动版A5出租车足以说明这一车型的现实意义。
图3-3奇瑞A5
奇瑞A5属于弱混合动力,采用的BSG是一种具备怠速停机和启动功能的混合动力技术,其采用皮带传动方式进行动力混合。
系统通过BSG系统快速地启动发动机,也就消除了发动机在怠速工作时的油耗、排放与噪声。
BSG技术通过消除怠速运行状态下的燃油消耗和尾气排放,相当于降低汽车排量0.2-0.3L,等于每周少开一天车,可以节油10%左右。
3.4.4广汽丰田凯美瑞混合动力版
图3-4广汽丰田凯美瑞
目前国内最成熟的新能源轿车非凯美瑞混合动力版车莫属。
凯美瑞混合动力外观独特,银色水箱格栅质感十足,炯炯有神的前大灯透着淡淡的蓝光,让凯美瑞前脸呈现一种贵族气息。
凯美瑞的尾灯同样独特,尖锐的线条和中间的缝隙都体现了丰田公司在细节方面下的功夫。
内饰方面继承了丰田内饰的优良传统,车厢空间宽敞。
内饰舒适美观。
中控台设有能量检测器,能够清晰的显示行驶时的能源情况以及电池的变化。
用瞬时油耗表取代了转速表,使显示更加人性化。
动力方面,凯美瑞混合动力版配备丰田特有的直列四缸VVT-i3AZ-FXE发动机以及同步交流永磁式电动机。
最大功率为110kW,最大扭矩187Nm/4400rpm,综合工况油耗6.0L/100Km;电动机最大功率为105kW,最大扭矩为270Nm。
如果处于油电混合动力系统,最大功率将达到140kW,最大扭矩达270Nm。
百公里加速时间为9.5s。
凯美瑞无论从动力还是内饰都很优秀,外形设计新颖,新能源方面技术成熟,功率较高,油耗较低,加之丰田汽车优秀的品牌,凯美瑞是当今国内朋友购买混合动力轿车很好的选择。
但由于凯美瑞的无插电式设计,不能享受国家新能源补贴,造成凯美瑞价格较高。
不过总体来说,低油耗和环保不但切合当今社会的主题,也是无数车主迫切需要的。
3.5全球混合动力汽车未来发展前景
08年全球混合动力汽车需求量48万辆,JP摩根证券预测,2020年将增至1128万辆,相当于08年23倍,占汽车总销量13.3%。
按地区分布看,北美349万辆,欧洲346万辆,中国197万辆,日本70万辆。
混合动力汽车增长将会带动电池等相关产业。
08年全球汽车电池市场规模约800亿日元,2020年将增至1万零540亿日元。
再加上其他零部件及发动机等主要部件,预计每年混合动力汽车相关产业市场规模约2万多亿日元。
混合动力汽车增长还将带来一场新的产业技术革命。
随着车体轻量化,以钢铁为主材料的车身可能会被碳素纤维所取代,传统的锻轧和焊接工艺可能向一次成型和粘合方向转化。
4.混合动力电动汽车关键技术
4.1HEV的结构及特点
目前国内外研究的HEV有多种结构,按动力系统布置可分为串联式混合动力汽车(SHEV)、并联式混合动力汽车(PHEV)、混联式混合动力汽车(PSHEV)和复合式混合动力汽车(CHEV)。
4.1.1串联式混合动力汽车(SHEV)
SHEV的动力系统结构是HEV中最简单的一种(图1)。
发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能,该电能可通过功率转换器为蓄电池充电,或经由电
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