混合动力电动汽车技术

混合动力电动汽车技术混合动力电动汽车技术混合动力电动汽车技术引言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巳有商业化运转的模式，只有混合动力汽车。 混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。 混合动力汽车英文缩写为 HEV,即 Hybrid Electric Vehicle.根据国际电工委员会电动汽车技术委员会的建议,对混合动力汽车的定义为:有多于一种的能量转换器能提供驱动动力的混合型电动汽车.简而言之就是混合型电动汽车,即使用蓄电池和副能量单元(Auxiliary Power Unit.简称 APU)的电动汽车.这个辅助动力单元实际上是一部燃烧某种燃料的原动机或动力发电机组.燃料可以是汽油,柴油,也可以是甲醇,酒精,液化石油气,天然气等代用燃料.选用的原动机可以是内燃机.也可以是燃气轮机,斯特林发动机等其它热机.它主要包括内燃机,电动机,发电机,蓄电池以及控制系统等,根据汽车运行工况的要求,内燃机与电动机进行优化耦合,以实现汽车的良好的动力性,燃油经济性,排放性能,可靠性,安全性和适用性等指标.HEV 是传统内燃机车辆与电动车辆产生的混血儿,它继承了电动汽车低排放的优点,又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处,显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性,增加了电动汽车的续驶里程,在由内燃机汽车向电动汽车的转变过程中扮演着承上启下,继往开来的角色。1 混合动力电动汽车技术概况1.1 主要分类和基本结构 1串联式混合动力汽车 Series Hybrid Electric Vehicle (SHEV)串联式混合动力系统用电动机驱动车轮，电动机的电力来自发动机。串联式混合动力系统利用发动机动力发电，从而带动电动机驱动车轮。其基本结构是由电动机、发动机、发电机、HV 蓄电池、变压器组成。由一个小输出功率的发动机进行准稳恒性运转来带动发电机，直接向电动机供应电力，或一边给 HV 蓄电池充电一边行驶。由于内燃发动机的动力是以串联的方式供应到电动机，所以称为“串联式混合动力系统” 。如下图：2. 并联式混合动力电动汽车 Parallel Hybrid Electric Vehicle (PHEV)并联式混合动力系统使用电动机和发动机两种电力来驱动车轮用发动机来给 HV 蓄电池充电，其基本结构是由电动机、发动机、HV 蓄电池、变压器和变速器组成。并联式混合动力系统中利用 HV 蓄电池的电力来驱动电动机。因电动机兼用为发电机，所以不能一边发电一边用来行驶。动力的流向为并联，所以称为“并联式混合动力力系统” 。如下图：3 混联式（串、并联式）混合动力电动汽车 Split Hybrid Electric Vehicle (PSHEV)混联式混合动力利用电动机和发动机来驱动车轮，并可用发电机来发电及自行充电。混联式混合动力利用电动机和发动机这两个动力来驱动车轮，同时电动机在行驶当中还可以发电。根据行驶条件的不同，可以仅靠电动机驱动力来行驶，或者利用发动机和电动机驱动行驶。另外还安装有发电机，所以可以一边行驶，一边给 HV 蓄电池充电。基本结构由电动机、发动机、HV 蓄电池、发电机、动力分离装置、电子控制单元(变压器、转换器)组成。利用动力分离装置将发动机的动力分成两份，一部分用来直接驱动车轮，另一部分用来发电，给电动机供应电力和 HV 蓄电池充电。电动机擅长从低速带开始发挥威力，而发动机则在高速带大显身手。本系统通过理想地控制二者，可在所有条件下提供高效率的行驶。如下图：混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。 1.2 混合动力汽车的控制系统在 HEV 上普遍采用以计算机为核心的现代计算机技术和自动控制技术，各种智能控制系统，包括自适应控制技术（MRAC） 、模糊控制技术（Fuzzy） 、专家控制系统（Expert system） 、神经网络控制系统（Neural networks）等也逐渐应用到 EV、FCEV 和 HEV 上，使HEV 更加安全、节能、环保和舒适。能量管理系统采取层级式控制：最上层为整车能量管理系统，统一协调和控制各个低端控制器；中间一层包括五个低端控制器，即发动机控制器、发电机控制器、电动机控制器、离合器及制动器控制器和电池能量管理系统（BMS）等；最下层为各个执行器，即发动机、电机、离合器等部件。如下图：HV 蓄电池组丰田 THS采用大功率，高密度，轻量，寿命长的新开发的 HV 蓄电池。它是在旧型号 THS 采用的小型高性能镍氢蓄电池基础上，改进了电极材料与各单体蓄电池之间的连接结构，所以降低了蓄电池的内阻，提高了许可证电池的输出密度。由于在 THS2 上采取了行车中保持一定充电状态的控制，所以，不需要利用外部充电。HV 蓄电池组包括 HV 蓄电池模块，蓄电池计算机，系统主继电器及维修插座，这些部件汇总装在一个壳体内，设置在后座位之后。蓄电池组的电池部分由 28 个模块串联而成，每个模块是由 6 个1。2 伏的单体蓄电池串联而成，总共是 168 个单体蓄电池，由此可得到 201。6v 的高电压。蓄电池计算机在保持充电状态为适当值的同时，还将完成下列控制：1*4 充电状态的管理为了保证在加速等场合下放电，在减速时利用制动器回收充电的反复进行，HV 蓄电池将一直向 HV 蓄电池计算机输出充电状态信号，HV 蓄电池计算机利用充放电电流的累计值，将充电状态值始终控制在目标范围之内。1*5 冷却风扇的控制HV 蓄电池的充放电将引起自身的发热，为确保蓄电池性能，对冷却风扇的工作方式进行控制。1*6 外部充电器的控制指在利用内部充电器充电的过程中，监视蓄电池状态，保证适当充电所进行的控制。1*7 与空调之间的通讯通过 HV 控制计算机，根据空调的要求来改变冷却风扇的工作方式。1*8 蓄电池状态的监控监视蓄电池的温度及电压等，当检测出有异常时，通过限制或停止充放电以保护蓄电池。此外，按要求使报警灯亮，输出与记忆诊断代码。1*9 冷却风扇当蓄电池的温度升高时，冷却风扇将按照蓄电池计算机的指令调节风量。此外，还可根据空调的要求，改变空调的工作方式。冷却风扇的进风口设在座椅的右侧。利用风机将从车厢内吸进的空气引入到蓄电池组的右上方，使其由上而下地吹过蓄电池模块之间，对其进行冷却。冷却后完成热交换的空气，从蓄电池组的右下方，经过后货舱右侧的排气管，排至后货舱与车外。1*10 系统主继电器（SMR）SMR 按照 HV 控制计算机的指令，接通与切断高压电路电源。加上控制正负两极用的在内，SMR 共配置了 3 个继电器，保证了动作的可靠。在接通高压系统时，首先是接通 SMR1 与 SMR3，接着接通SMR2，断开 SMR1，由于一开始就使控制电流通过附加电阻，所以防止高压的大电流突然加到电路上。断开电路时，依次断开 SMR2 与SMR3，HV 控制计算机将分别确认它们是否已可靠的断开。在维修插头与逆变器罩盖上设有连锁机构，连锁机构用来检测高压部分的防护状态并自动地断开系统主继电器。当连锁机构动作时，仪表板上的主报警灯亮，以通知驾乘人员。在连锁机构动作后，每两次之中有 1 次使系统主继电器动作，以便恢复高压电路。1*11 维修插头在检查与维修时，应取下维修插头，在 HV 蓄电池的中间位置处断开高压，从而确保安全操作。 2 混合动力电动汽车技术上的问题2.1 制动能量的回收作为和纯电动汽车共通的混合动力电动方式的特点，制动能量是有可能回收的。在日本，美国，欧洲任何市内行驶工况下，从先驱号的例子来看，制动能量回馈对燃油经济性提高的贡献超过了 20，这样就可以明白，和没有制动能量回收的其它驱动系统汽车的差别是显然的，因此可以说，为了提高燃油经济性，混合动力方式是必要的条件。制动能量回收，就如同刹车，如果四轮同时进行就比较理想，因此就有必要将发电机和四个车轮同时连接，这对于 4 轮驱动车来说，需要在前后都备有电动机/发电机装置，并且能前后分别控制转矩。但是，这样的 4 轮驱动车的价格是十分昂贵的，对于通常的行驶，就不需要反映杂饿装置，因此是不可能实现的。一般来说，前轮驱动或者后轮驱动的 2 轮驱动车占大多数。因为汽车的重心比地面高，而且基本上都是前进行驶，所以当刹车制动时，前轮的载荷增加，后轮的载荷减小。在前轮驱动的情况下，因为发动机，变速箱前置，所以前轮的载荷原本就比较大，而且在制动时由于又增加了载荷，所以必要的制动力就增加，配置在前轮的发电机的制动能量回收相对来说是比较大的。相反，在后轮驱动的情况下，通过后轮进行能量回收的效果就不大显著。后轮的制动力过大，在轮胎和路面之间超过摩擦极限后，会使车轮打滑，这时就使汽车不稳定，偏离路面而碰到障碍物或者是横向翻滚。为了避免此类事情的发生，通常，乘用车的制动力分配给前轮7080。因此，前轮驱动车的制动能量回收和后轮驱动车的制动能量回收相比较的话，为 70/30 的程度，后轮驱动车的制动能量回收率最多也只有前轮驱动的一半。通常的汽车，在减速，制动的情况下，使用了发动机刹车。通过这个，因为在一定程度上进行了制动能量回收，因此如果不使用发动机刹车，全部由发电机来吸收制动能量是比较好的。Civic 混合动力车为了降低发动机刹车的能量吸收在制动时，将四缸中的三缸停止运行。高尔夫混合动力在发动机和电机之间设置了离合器，清除了发动机刹车的影响。但是，这又带来了离合器的重量，空军和成本的问题。2.2 堵车时的停止和启动在堵车时，反复停车启动缓慢行驶的情况下，对于通常的发动机车，由于刚要切断发动机时接着又要启动发动机，比较麻烦，所以就直接将发动机怠速运行，这样就对排放和燃油消耗都不利。为了解决这个问题，对于通常的汽车，对在一定时间以上的停车情况，将发动机自动停止，然后在下一次启动时，直接通过加速踏板就能将发动机启动来驱动车辆。在此情况下，设定停车到将发动机关掉的时间是比较困难的，而且也有发动机启动时的振动和噪音问题。为此，混合动力车在停车时，直接将发动机关掉，车辆启动时通过电机将车辆驱动到一定的车速，这样就可以完成平顺的驾驶。这样，即使车辆启动频繁也具有抑制尾气排放的优点。发动机车的停止，启动的思想虽然以前就有，但没有普及的原因可以认为是反映了实现这样的驱动系统的困难程度。2.3 储能装置即使发电机能够产生大量的电能，如果没有这些电能的储藏设备，发电机的发电也是没有意义的。因为电流不可能一次进行大量电能的充放电，所以为了能够进行大量的能量回收，就必须增加电池的重量，空间和成本。为了解决这个问题，人们考虑使用超级电容，飞轮装置或者蓄压装置等，虽然有一部分已经实用化但也不能说已经达到完善的 程度。但是，日产柴油在 2002 年 6 月开始装备了具有划时代意义的新型超级电容的卡车，现在上市的本田燃料电池电动汽车上，也采用了新型的超级电容，因此可以说在这方面已经开始了一个新的时代。另外，和电动汽车为了提高续驶里程而 重视电池的储能密度不同，混合动力车用的储能装置在储能密度比较小的情况下，要求调整，制造成输入输出能量，即功率密度比较大的储能装置。通过采用混合动力方式，提高了燃油经济性，但有重量，搭载空间和成本增加的缺点，所以虽然和电动汽车的缺点相比还是比较小的，但电池在一定重量下对应的性能，价格和寿命成为成功与否的关键因素。铅酸电池无法满足这种性能要求，丰田采用新近开发的重量轻，体积小的镍氢电池，开始有了突破口。对于寿命的评价，需要有时间，因此今后想进一步关注这方面的发展。从 2003 年左右开始，在美国和欧洲出现性能优良的锂离子电池，锂聚合物电池等。2.4 起动机/发电机以大众高尔夫为起点，在日野的重型车，本田的混合动力车等上使用了起动机/发电机或者电机/发电机，几乎不需要变更尺寸，就可以安装在原来的发动机的飞轮位置。