毕业论文
题目：混和动力汽车结构、原理及发展前景研究
学院：郑州华信学院机电工程学院
专业：汽车运用技术
班级： 11级汽车班
学生姓名：薛海锋
指导老师：梁俊峰
完成日期： 2014年5月10日
混和动力汽车结构、原理及发展前景研究
摘要
当前，全球能源和环境问题日益突出，有关资料表明，目前已探明的石油储量，如果按照现在的开采速度，仅够人类使用50-60年，近年来油价不断攀升，世界进入一个高油价时期。作为不可再生资源的石油随着汽车业的发展显得捉襟见肘，而传统内燃机汽车排放的废气对自然环境的污染也日益困扰着地球人。为此，各国政府和汽车公司纷纷开展新型高效节能汽车的研究与开发，对此设计有很多方案，例如氢能源汽车、燃料电池汽车、太阳能汽车、混合动力汽车等。但以目前的条件和实用性来看，具备商业化运作条件的只有混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle,简称HEV）。混合动力汽车（亦称复合动力汽车，英文为Hybrid Power Automobile）是指车上装有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。混合动力汽车的问世给人类生活带来了诸多好处，不仅石油耗减少了，环境也得以改善。下面就来对混合动力汽车做一些详细分析介绍。
关键词：新能源汽车 HEV 结构原理发展前景
Mixed electric vehicle structure, the principle and the development
foreground research
Abstract
Nonce,Global energy and environment problem increasingly,Relevant data show that, At present its proven oil reserves,If according to the present mining speed,Only enough humans use 50-60 years.In recent years rising oil prices,The world into a period of high oil prices.As a nonrenewable resources with the development of the auto industry oil appears to their knees.While the traditional internal combustion engine air pollution from cars to the natural environment pollution is also increasingly beset the earth person.For this,Governments and car companies have high efficiency and energy saving for a new car research and development,This design has many schemes .For example,Hydrogen energy vehicles,Fuel cell vehicles,Solar car,Hybrid Electric Vehicle.But with the current conditions and practical and see,Have the commercialized operation conditions of the only a Hybrid Electric Vehicle(HEV).HEV are equipped with refers to two or more power supply:battery,Fuel cells,Solar cells,Internal combustion engines generator sets.The current composite power car general is to point to internal-combustion engine car generator,Plus the battery cars.HEV to the introduction of the human life brought many benefits, not only reduce the oil consumption, the environment also can be improved.Here is the hybrid electric vehicle do some detailed analysis is introduced.
Key words: New energy vehicles HEV Structure Principle Development prospect
目录
前言 (1)
一题混合动力汽车的定义与分类 (2)
1.1混合动力汽车的定义 (2)
1.2混合动力汽车的分类 (2)
二混合动力车的结构和原理 (7)
2.1串联式混合动力汽车（S H E V） (7)
2.2并联式混合动力电动汽车（P H E V） (8)
2.3混联式混合动力电动汽车（P S H E V） (10)
三混合动力汽车的策略 (11)
3.1混合动力系统控制策略 (11)
3.2混合动力能量管理策略 (15)
四混合动力汽车优缺点分析 (16)
4.1混合动力汽车的优点分析 (16)
4.2混合动力汽车的缺点分析 (17)
五混合动力汽车的发展前景 (18)
5.1混合动力汽车在国内外的发展 (18)
5.2混合动力汽车的前景 (23)
5.2.1混合动力汽车的技术 (23)
5.2.2混合动力汽车面临的问题 (25)
5.2.3混合动力汽车的市场推广 (26)
结语 (29)
参考文献 (29)
致谢 (30)
前言
地球上的石油资源总有一天会枯竭，若没有信能源或代替能源，到那时汽车将寸步难行，为此，人类一直在寻求新能源或试图找到新的方法以减少对石油资源的依赖。目前新能源汽车有纯电动汽车、燃料电池汽车、燃气汽车和混合动力汽车等。纯电动汽车可以实现零排放，动力性、经济性、安全性和可靠性可以达到或接近普通内燃机汽车，能满足一定续驶里程的要求，但作为动力源的蓄电池成本高，寿命短，体积和比重大，充电时间长，所以，目前还没有哪一种蓄电池能完全满足电动汽车的要求；燃料电池电动汽车的工作原理是使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中与大气中的氧发生化学反应从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车，燃料电池电动汽车可以减少二氧化碳的排放，有利于人类居住，还可以减少人类对石油资源的依赖，虽然燃料电池电动汽车有诸多有点，但还是有许多不完善之处，例如：制造、储存、运输、灌装比较困难，氢气价格过高、建立“加氢站”投资过大等；燃气汽车可以降低排放、减低噪音、提高汽车的动力性和经济性，但是气体液化技术将提高成本，一次充气续驶里程短，燃用天然气或液化气石油气将使发动机功率下降；混合动力电动汽车（HEV）是指汽车使用汽油和电力两种驱动方式，优点在于车辆启动停止时只靠发电机带动，不达到一定速度发动机就不工作，因此便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好、排放低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。采用混合动力后可以按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。因为有了电池，可以十分方便地回收制动、下坡、怠速时的能
量。在繁华市区，可以关停内燃机，由多次单独驱动，实现“零”排放。有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。可以利用现有的加油站加油，不必再投资。可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。比较而言，混合动力汽车更适合现阶段的生活需求。
一题混合动力汽车的定义与分类
1.1混合动力汽车的定义
混合动力汽车（Hybrid Electrical 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
（一）根据混合动力驱动模式，混合动力系统主要分为以下三类：
a.串联式混合动力电动汽车（Series Hybrid Electric Vehicle，
SHEV）;
b.并联式混合动力电动汽车（Parallel Hybrid Electric Vehicle，
PHEV）;
c.混联式混合动力电动汽车（Parallel Series Hybrid Electric
Vehicle，PSHEV）。
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）串联式混合动力系统
串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，他们之间用串联方式组成SHEV动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。
串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，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。
图 1-1 串联型Plug-in HEV动力系统简图
如图1-1所示，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间通过电能实现动力传递，因此更像是电传动汽车。
（2）并联式混合动力系统
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机驱动系统。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。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。
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。其结构原理如图1-2所示。
图 1-2 并联型Plug-in HEV动力系统简图
（3）混联式混合动力系统
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，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式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。此联结方式系统复杂，成本高。丰田Prius采用的是混联式联结方式。
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1-3为一种典型的混联型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 1-3 混联型Plug-in HEV动力系统简图
（二）根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类：
（1）微混合动力系统
这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装
了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternator Starter Generator, 简称BSG系统）。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合动
力系统。
（2）轻混合动力系统
代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的Integrated Starter Generator，简称ISG系统）。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：
a.在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；
b.在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的
驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20％以下。
（3）中混合动力系统
该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而
补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30％左右，目前技术已经成熟，应用广泛。
（4）完全混合动力系统
完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50％。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。
二混合动力车的结构和原理
2.1串联式混合动力汽车（SHEV）
串联式混合动力（SHEV）模式由发动机、发电机和驱动电动机三大动力组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成SHEV的驱动系统。
（一）串联式混合动力（SHEV）的结构
串联式混合动力（SHEV）的结构如下图所示。它由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。
图2-1 串联式简图
（二）串联式混合动力（SHEV）的工作原理
在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为
交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。
2.2并联式混合动力电动汽车（PHEV）
并联式混合动力（PHEV）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PHEV的驱动系统。
（一）并联式混合动力（PHEV）的结构
并联式混合动力（PHEV）是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。如图2-2所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可以：
（1）在发动机输出轴处进行组合；
（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；
（3）在驱动桥处进行组合。
图2-2 并联式简图
(并联式混合动力汽车的组成:发动机、电动机/发动机、机械传动系统、驱动电动机、逆变器、蓄电池组)
(二）并联式混合动力（PHEV）的工作原理
图2-2所示，是一种电动机的动力在驱动轮处进行组合的驱动轮动力组合式PHEV，其驱动模式为：
（1）以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；
（2）驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；
在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四驱动模式。
2.3混联式混合动力电动汽车（PSHEV）
混联式混合动力电动汽车综合SHEV和PHEV结构特点，由发动机、电动-发电机和驱动电动机三大动力总成组成。
（一）混联式混合动力电动汽车（PSHEV）的结构
PSHEV是综合SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。如图2-3所示。
图2-3 混联式简图
混联式混合动力汽车的机构组成：1、发动机 2、电动机/发动机 3、变速器或减速器 4、驱动桥 5、逆变器 6、驱动电动机 7、蓄电池组
PSHEV是综合SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。
（二）混联式混合动力电动汽车（PSHEV）的工作原理
图2-3所示的是一种发动机的动力与驱动电动机的动力在驱动轮处进行组合的方式，其驱动模式为：
（1）以发动机驱动为基本驱动模式，带动电动机/发动机，并独立驱动后驱动轮；
（2）以驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；
在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电动机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四轮驱动模式。
三混合动力汽车的策略