关键词:混合动力 汽车 内燃机 电动机 控制
0 引言
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。
1 国内外HEV技术发展现状
1.1 国外HEV的发展概况 21世纪后,各国加快了HEV的概念产品化的进程,相继推出了不同形式的HEV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。
1.2 我国HEV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,确定了以燃料电池汽车、混合动力电动汽车纯电动汽车车型为“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。
2 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。
2.1 串联式混合动力系统 如图1所示,在串联混合动力驱动系统中,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。
2.2 并联式混合动力系统 并联式结构有内燃机和电动机两套驱动系统。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。
2.3 混联式混合动力系统 混联式混合动力驱动系统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。
3 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,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:
3.1 混合动力单元技术 在混合动力汽车上,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。
3.2 控制策略技术 HEV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。
3.3 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。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20北京:化学工业出版社.2008.
过学迅,张杰山,胡朝峰. 日美混合动力汽车发展的比较研究.上海汽车2006.3:7-10.
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