(完整版)混合动力汽车技术分析毕业论文设计

毕业设计（论文）中文摘要

目录

1引言 (1)

2混合动力汽车的类型和特点 (3)

2.1串联式混合动力汽车 (3)

2.2并联式混合动力汽车 (4)

2.3混联式混合动力汽车 (4)

3混合动力汽车的核心技术研究与发展 (7)

3.1混合动力汽车用电池 (7)

3.1.1混合动力汽车对电池的特殊要求 (7)

3.1.2 混合动力汽车电池的发展 (7)

3.1.3 混合动力汽车电池的管理 (8)

3.2混合动力汽车电机驱动系统 (8)

3.3混合动力汽车中电力电子技术的应用 (9)

4混合动力汽车需要解决的关键技术 (12)

4.1混合动力单元技术 (12)

4.2能量存储技术 (12)

4.3汽车集成电力电子模块技术 (13)

结论 (15)

致谢 (16)

参考文献 (17)

1引言

通常所说的混合动力一般是指油电混合动力，即燃料（汽油，柴油）和电能的混合。混合动力汽车是有电动马达作为发动机的辅助动力驱动汽车。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，燃油费用更小，而且，辅助发动机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力，因此，车主可以享受更强劲的起步、加速。同时，还能实现较高水平的燃油经济性。

混合动力电动汽车（HEV）将内燃机、电动机与一定容量的蓄电池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。所以自从90年代以来，全球刮起了研究混合动力的风暴。日本丰田率先将混合动力车商品化，于1997年推出Prius，随后的时间里，多家日本汽车公司实现了多款混合动力的商品化。在美国，克林顿政府上台不久，为了开发新一代汽车，由美国政府促进，于1993年9月29日发起了新一代汽车伙伴计划即PNGV，目标是开发低油耗的混合动力汽车。然而该计划最终被废止，没有达到预订的2005

年左右推出商品化的混合动力汽车的目标。

随着机动车保有量的持续增长，我国机动车污染物排放总量持续攀升。2003年全国机动车碳氢化合物、一氧化碳和氮氧化物排放量是1995年相应污染物排放总量的2.51、2.05和3.01倍。事实上，汽车所产生的空气污染量比任何其他单一的人类活动产生的空气污染量都多。全球因燃烧矿物燃料而产生的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的排放量，几乎50%来自于汽油机和柴油机。

最近几年，我国对环境保护的投入不断加大。通过政府的努力，我国城市空气质量总体上也有所好转。随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧,电能为动力,节能、环保为特色的电动汽车逐渐成为业界关注的焦点。近10多年来,世界各大汽车产业集团陆续投入巨额资金研发电动汽车技术,目前均已

从实验室开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段,并进一步转向产业化批量生产阶段。但是,由于现阶段电动汽车关键部件之一的电池存在能量密度低,寿命短,价格高等问题,使电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。在这种环境下,融合内燃机汽车和电动汽车各自优点的混合动力电动汽车(HEV)异军突起,在世界范围内成为新型汽车发的热点。

虽然电动汽车具有很多优点，但是它不能取代传统的燃气动力模式，而混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型，其发展方向是真正零排放、无污染，不消耗燃油的燃料电池车辆。现在混合动力汽车在欧美国家及日本已形成产业化，而国内还处于起步阶段，没有形成产业化。

2混合动力汽车的类型和特点

先进的驱动技术是混合动力汽车取得成功并实现其优越性的关键。混合动力汽车是将电力驱动和辅助动力单元（Auxiliary Power Unit,缩写为APU）合用到一辆汽车上。这个辅助动力单元通常采用一台发动机或动力发动机组。一方面，发动机始终在最佳工作点上驱动发动机或直接驱动汽车，排放少、效率高；另一方面，蓄电池又可得到发电机的不断补充充电，从而，在减少蓄电池容量和体积的同时提高了汽车最高速度，加大了续驶里程，延长了蓄电池的使用寿命。根据动力系统的连接方式，目前开发研制的混合动力汽车基本上可分为三类，即串联式、并联式和混联式。

2.1串联式混合动力汽车

这种汽车系统更接近于电动汽车，它由燃油发动机、发电机、电池和电动机等动力装置以串联方式连接组成（如图2-1所示）。在这种系统中，一台小型的燃油发动机直接驱动发电机发电，电能被储存于蓄电池或传给电动机以驱动车轮。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动；负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机；车辆制动或减速时，电动机把驱动轮的动能转化为电能，并通过功率变速器给蓄电池充电。

图2-1串联式HEV

串联式HEV动力传动系的组成，燃油发动机、发电机、电动机、功率变速器以及蓄电池。这种类型车能以超低排放模式工作。由于串联式HEV动力传动系中的发电机与汽车驱动轮之间无机械连接具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，适用于市内常见的频繁起步、加速和低速运行工况，可使发动机稳定于高效区或低排放区附近工作。但串联式HEV动力传动系的综合效率较低，这是因为发动机输出的机械能由发电机转化为电能，再由电动机将电能转化为机械能用以驱动汽车，途经二次能量转换，中间必然会伴随着能量的损失。

2.2并联式混合动力汽车

汽车并联式HEV动力传动系的组成，包括发动机、耦合器、变速器、电动机、功率变速器以及蓄电池（如图2-2）。这种系统更接近于传统意义上的燃油汽车，该系统的发动机和电动机是并列连接到驱动桥上的。汽车行驶时，发动机与电动机可以分别独立或共同向汽车驱动轮提供动力。并联式混合动力汽车主要由燃油发动机提供动力，动力性较好。其驱动系统控制较复杂，电池总容量仅是串联式的三分之一，能量传递损失小。但由于发动机与汽车驱动轮间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响，很难在最佳工作区工作，燃油经济性和排放性能均较串联式差。

图2-2并联式HEV

综上所述，并联式HEV布置方案由于在传动系组成及控制方面更接近于传统汽车传动系，并且所需的电机功率较小，电池组数量小，整车的价位也较低。更可贵的是，并联式HEV可采用传统车用发动机，从而可把传统车用发动机的最新研究成果应用到混合动力汽车上，节省了研发资金，目前这种结构的传动系应用比较广泛。

2.3混联式混合动力汽车

典型的混联式HEV动力传动系是由电动机、发电机、电动机、离合器以及蓄电池组成，具备了串、并联结构各自的特点（如图2-3）。这种系统包括两条能量传递路线：一是机械能传递路线，发动机输出的机械能可通过机械装置直接驱动车轮；二是电能传递路线，发动机输出的机械能通过发电机转化成电能由电动机驱动车轮。同时，电池连接到发电机和电动机之间，可接受充电或提供辅助动力。

图2-3混联式HEV

混联式HEV布置方案综合了串、并联两种布置方案的优缺点，是一种相对比较完善的动力系统，其电池的体积较小、重量较轻、成本较低；发动机总是在最高效率下工作，具有很好的燃油经济性和较低的排放，加速性和平稳性也很好。因此，可以说在许多方面，混联式混合动力车综合了串联式和并联式混合动力汽车的优点。混联式HEV控制系统和机械结构最为复杂，技术难度最大，增加了开发和生产成本，不过，随着控制技术和制造技术的发展，现代混合动力汽车更倾向于选择这种结构。

在以上三种方式中，串联式混合动力汽车的污染最小，但是能量在传递过程中损失较大，且对电池的要求较高。并联式混合动力汽车动力系统的集成度相对较低，主要依赖于发动机提供动力，发动机的运转受工况的影响，因而燃

料的经济性较差、排放污染情况相对较差、噪声较大，这不符合混合动力车高效率、低能耗、低污染的基本目标，但由于其具有较好的动力性，曾一度得到各大汽车公司的青睐。混联式混合动力汽车同样具有良好的动力性而且污染与油耗大大降低，因此，世界各大汽车公司纷纷开始把注意力投向混联式混合动力汽车的研究与开发。这三种方式具体的分类比较，见表2-4

表2-4 串联、并联、混联三种方式的比较

3混合动力汽车的核心技术的应用

汽车的混合动力技术发展与机械、电气、内燃机、能源、计算机、汽车、信息等技术息息相关。HEV作为多种高薪技术的集成,是典型的高薪技术产品,集智能化、数字化、轻量化和实用化于一体。其研制和开发的核心技术主要是电池、电动机、电动机控制、电力电子技术、能量管理技术以及车身和底盘设计等,其中前4项是混合动力汽车的发展瓶颈。

3.1混合动力汽车用电池

HEV的成败关键在于电池,电池也是一直制约混合动力汽车发展的关键因素。HEV在匀速行驶时,由发动机提供能量,电池组基本上处于不充不放的状态;汽车行驶需要大功率时(如加速、爬坡、高速等) ,电池组放电,释放能量;汽车行驶需要小功率时(如低速、停车等) ,电池组充电,积蓄能量。

3.1.1混合动力汽车对电池的特殊要求

与EV不同, HEV电池连续工作时间短,对电池容量要求不高,而对功率要求较高。另外HEV电池SOC工作范围在50%左右,波动一般不超过20%。这是因为HEV要求电池留有足够的余量,以保证车辆制动时可以充分吸收能量,并不致使电池过充后降低寿命,甚至破坏电池。HEV和EV用电池的主要性能指标有质量比能量、体积比能量、质量比功率、价格和循环寿命等。为了确保HEV合理的行驶性能,对其能源系统有如下要求:高比能量(确保HEV达到合理的行驶里程) ;高比功率(确保加速和爬坡性能) ;寿命长、免维护、充电快、效率高(提高车辆的使用效率和接受制动回输功率的能力) ;尺寸小;安全性高。

3.1.2 混合动力汽车电池的发展

至今为止,电动汽车用电池经历了三代的发展,已取得了突破的进展。第一代是铅酸电池,主要是阀控铅酸电池(VRLA) ,由于其比能量高、价格低和放电倍

率高,成为目前唯一大批量生产的电动汽车用电池。第二代是碱性电池,只要有Ni2Cd, Ni2MH, Na S,L i2ion和Zn Air等多种电池,其比能量和比功率都比铅酸电池高,大大提高了电动汽车的电动能力和续驶里程,但是价格比铅酸电池要高。第三代是以燃料电池为主的电池,燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能,具有能量转换效率高、比能量高、比功率高、控制反应过程可控、能量转化过程可连续的特点,因此是理想的汽车用电池,现正处于研制阶段,一些关键技术

还有待突破。从目前车用电池的发展来看,镍氢电池可能是HEV动力能源的首选电池,它已经规模化生产,性能稳定,其质量比、体积比率、电池寿命和重复充放电次数方面已经达到美国先进电池联合会(USABC)性能指标另外,一种叫质子交换膜的燃料电池( PEMFC)的能量转换效率是普通内燃机热效率的2～3倍;同时它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性,使得PEMFC非常适合用作交通工具的动力源,有关专家预言: 21世纪燃料电池电动汽车可能成为汽车的主体。其他尚在试验阶段的电池如飞轮电池、太阳能电池,有着寿命长、环保等优点,在未来的车用电池中也必将占有一席之地。

3.1.3 混合动力汽车电池的管理

在电池管理方面,目前着力于多个电池串、并联使用,为管理此更新的电池类型,需要采用嵌入式控制器来监视电池组的工作情况。大型HEV电池组可能包含200个甚至更多的独立电池,因此对所有电池进行单独监控是不现实的,而嵌

入式处理器的可根据电池技术的多重特性、不同电池组之间的电压以及流入或流出电池组的电流来估计电池的电量状态。当铿电池或镍氢(Ni2MH)电池的电量耗尽到低于闭值时,镍氢电池和铿电池将很快损坏,不过嵌入式处理器可测定电量状态,并在电池组或单个电池的电压低于闭值前关断系统。但也不可对铿电池和氢电池进行过充电,以尽量延长电池组的使用寿命。

3.2混合动力汽车电机驱动系统

电机驱动系统是电动汽车的原动机,是心脏,是HEV的关键核心技术之一。电机驱动系统是由电动机和驱动控制器两部分组成。电动机是一种将电能转化为机械能的装置,为满足整车动力性能的需要,对电动机的具体要求为: 1)瞬时功率大、功率密度高、过载能力强; 2)效率高; 3)运行速度范围要广,高、低速综合效率也要高。电动机在低速区具有恒转矩特性,在高速区具有恒功率特性,其

转矩和功率控制特性如图3-1所示; 4)结构简单牢固,耐冲击、颠簸、运行可靠,免维护,低成本等。驱动控制器是将电池的电能转换为适于电动机运行的另外一种电能变换控制装置。通过这种变换和控制使电动机处于上述要求的运行最佳工作状态,以满足HEV实际行驶工况的需要。驱动控制系统结构简单,成本高，动态响应好,系统可靠性高,成本低等。

图3-1电动机转矩和功率控制特性

用于HEV的电机必须要具有良好的可控性和容错能力以及具有低噪声、高效率的特点,同时具有对电压波动不敏感等性能。用于HEV的电机类型有交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机。其中交流感应电机较具有代表性,但这种电机很难解决其功率和效率之间的矛盾,因此需要能够适用于HEV的具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机的先进电机来替代目前使用的交流感应电机。同时对电机的控制方法和冷却系统也应有深入的研究。

3.3混合动力汽车中电力电子技术的应用

HEV常用的电力电子技术装置:丰田新一代混合动力系统Prius THSII的电力电子技术在HEV中的应用如图3-2所示，该整车电器驱动系统主要采用用AtkinSon循环的高效发动机、永磁交流同步电动机、发电机、动力分配装置、高性能镍金属氢化物(Ni2MH)电池、控制管理单元以及各相关逆变器和DC2DC变换器等部件组成。要求HEV用电力电子技术机装置应具有成本低、体积小、比功率大。易于安装的特点。此外,以下的技术细节必须得到重点考虑:

1) 电力电子装置密封问题:各种车用电力电子装置必须要进行有效的密封,以耐受温度和振动的影响,并能防止各种汽车液体的侵入。

2) 电磁兼容电磁干扰( EMC EM I)问题: HEV是一个相对狭小的空间,里面包含

有各种控制芯片和弱电回路,因此在进行车载电力电子装置设计时,为了消除将来的事故隐患,必须要很好的研究并解决EMC EM I问题。

3) 直流母线电压利用问题: HEV储能系统的电压是可变的,电压的大小取决于汽车实际负载的大小、运行工况(电动还是发电)以及电机是否弱磁运行等等,典型的母线电压波动范围是标称值的- 30% ～ + 25%。因此如何在汽车工况频繁变化的情况下,充分利用直流母线电压,成为了控制策略设计者所需要解决的问题。

图3-2 Prius THE 整车电气系统结构

4) 电力电子装置控制问题:“高开关频率”和“高采样率”目前被普遍应用于HEV的电力电子装置和交流传动系统中,客观上,“双高”需要高精度的编码器和解算器,因此这就意味着电机中出现宽的温度梯度和饱和状态时,如何降低参数敏感度,以满足控制要求。

5) 软开关技术在HEV中的应用:目前, HEV普遍采用PWM控制的电压源型逆变器。长时间以来,正弦波逆变器主要的工作模式是SPWM或SVPWM,在这种工作模式下,逆变器开关管工作在“硬开关”状态。它存在开、关损耗大、过高的的d v d t 和d i d t带来传导和辐射电磁干扰等问题,这些问题已经引起人们的充分重视,做了大量的研究,研究的重心就是如何实现功率开关器件的“软开关”。现阶段,研究较为活跃的有电感换向SPWM软开关技术、电感换能式三相软开关技术新型半桥电流源串联谐振软开关技术等等。

6) HEV用逆变器的通态损耗分析:目前,逆变器中的主流器件仍是IGBT和快恢复二极管,这些器件在运行时都会产生损耗,主要由通态损耗和开关损耗组成。随着器件开关特性的优化,通态损耗占变换器损耗的比重越来越大,特别是软开关技术的应用使得开关损耗大大减小,通态损耗从而成为主要的功率损耗源。因此,通态损耗的精确计算是HEV 用逆变器系统热设计的一个重要的环节。

4混合动力汽车需解决的关键技术

混合动力汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性好、排放低的高效发动机。所要解决的关键技术问题主要有以下几个方面。

4.1混合动力单元技术

混合动力汽车的动力可以同时来自热力发动机和电动机。在混合动力汽车上，发动机又被称为混合动力单元，与传统汽车发动机相比，其作用发生了变化。在并联混合动力汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部分动力的功能，因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的发动机；在串联混合动力汽车上，混合动力单元驱动一台发电机产生电能，由于汽车的行驶与发动机没有直接联系，因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动机，且其运行工况可以固定于较小的高功率和低排放区。

混合动力汽车的主要目标就是降低排放，所以，控制混合动力单元的排放将是今后研究的重点。目前对混合动力单元的研究主要集中在三个方面；一是燃烧系统的优化，通过研究燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程，探究HC、CO以及氮氧化物和微粒的形成机理，从而改进燃烧系统；二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统和过滤系统；三是代用燃料的研究。

从目前的研究表明，直喷式柴油机将是首选的混合动力单元。柴油发动机已日趋小型化，同时，采用先进的共轨式喷油系统，降低了微粒（PM）和氮氧化物排放、改善了热效率和低温排放污染等，在性能上已经有了很大的提高。

4.2能量存储技术

目前运用于混合动力汽车上的能量储存装置主要还是高能蓄电池。除此之外，虽然超级电容器、飞轮电池等新型能量储存装置也在研究开发，但是近期

最有希望进入实用化的还是高能蓄电池。

目前，镍氢电池和锂离子电池技术较成熟，已达到混合动力汽车的使用要求。从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下内容：一是研究电池内部的连接、检测、监控以及便于将整个电池子系统安装在汽车上的支撑机构；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使用寿命；三是电池的热能管理及剩余电量管理。由于电池的工作温度不可能覆盖汽车运行的工作温度范围，为了保证电池系统的统一，减少各电池单元之间的不平衡，所以需要一个有效的热能管理系统。此外，电池的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性的排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。

在混合动力汽车中，能量存储装置的作用已发生了质的变化，有时也称之为载荷调节装置，这就是它的真正作用所在。在混合动力汽车中，提供整车行驶所需的动力最终依然来源于使用高能量密度化学燃料的发动机或燃料电池，载荷调节装置引进的目的是通过它的调节作用来达到提高燃油经济性和减少排放的目的。由于混合动力汽车的最终能量来源依然是化学燃料，所以它不再像纯电动汽车那样假如普及就需要建设大规模的配套基础设施，现有的加油站系统无须作任何的改进即可适应。

4.3汽车集成电力电子模块技术

混合动力系统的精确运转依赖于优化控制的实现，控制系统的开发是混合动力系统的最关键的技术创新。控制系统要能够根据采集到的速度和负荷等数据，计算出以最高效率为基点的分配到发动机与电动机上的功率值，即实现发动机与电动机的最优耦合功率分配比。为了满足汽车高速开关控制的要求，混合动力汽车还需要设有一些分立装置，例如，专用的集成电路、模拟和数字集成电路以及其他功率电子装置。混合动力汽车对智能化的要求导致其控制的复杂性，因此要求控制装置采用高速运行的半导体芯片，其功率密度高，散热性能也较好。

在混合动力汽车进入实用化的过程中，一个关键性的部件是汽车集成电力模块。它采用现代电子集成技术，将复杂的电力电子系统集成在一个单一封装内，能够供给汽车大约100KW的功率，其功率范围为10－100KW。该模块能够实现对整车的控制，例如，控制电动机功率的输入和输出、发动机的输出功率

和能量储存系统的离合，同时还能控制再生制动能量的回收与释放，确定电池的充电状态、判断是否对电池充电，以及优化控制发动机的起动以减少排放。

混合动力汽车在现有技术的基础上达到了提高燃油经济性和减少排放的

目的，因而极具发展前景。在美、日和欧洲各国下一代汽车开发计划中，混合动力汽车处于战略发展的位置。混合动力汽车使人们看到了在短期内大幅度提高燃油经济性和减少排放的可能性。

混合动力汽车正在改变着汽车产品的结构和构成，逐渐走向实用化。据《Auto Mfg ＆Production》（汽车制造与生产）期刊报导，预计2010年，世界汽车市场上，混合动力车辆将达100万辆；2015年将在世界汽车市场占15%；2020年将占25%，这是相当大的混合动力汽车数量的比例。总之，混合动力汽车在本世纪相当长一段时间内前景广阔，并受市场欢迎。我国汽车工业应该抓住机遇，争取早日推出国产混合动力汽车新产品。

结论

混合动力技术的先进性和实现的现实性，节能、环保效果明显，采用混合动力汽车是现阶段解决环保和能源问题最为切实可行的方案。但是，由于混合动力汽车是在牺牲了部分环保利益的基础上，可以满足目前人们对汽车环保的基本要求，在结构上两套系统电池电机和内燃机同时安装于本来只装一套系统的汽车上，不仅加大了汽车本身的重量，也提高了对整体工艺及控制等方面的要求。除了和纯电动汽车（BEV）一样受目前蓄电池技术的限制之外，混合动力的能量来源仍然是石油，这决定了混合动力不是电动汽车发展的最终形式。美国PNGV计划的废止和FreedomCAR计划的重点是发展燃料电池汽车正说明了这一点。

但是，目前日本的几大公司的混合动力汽车的热销说明，混合动力汽车是传统汽车时代向氢燃料电池汽车时代的过渡车型技术，虽然不是长远之计，但据估计，仍有20年以上的较长市场周期。可以充分利用现有内燃汽车生产能力，推动传统汽车工业的改造发展。

总之，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汽车产品。

参考文献

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