混合动力汽车结构、原理及发展前景研究

混合动力汽车结构、原理及发展前景研究

混合动力汽车

混合动力汽车浅析汽车系 汽车电子技术班 090345142 林宇摘要：全球能源及环境问题日益突出：一方面石油资源作为不可再生能源日益紧 摘要 缺；另一方面传统的燃油发动机车辆废气排放对空气造成严重污染。为此替代燃 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已有商业化运转模式的只有混合动力汽车。混合 动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle)是指同时装备热动力源（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。在此简单的介绍一下 混合汽车。 关键词：结构 关键词 原理 发展前景 一：混合动力汽车的定义和分类 1.定义 1.定义 混合动力车是汽车使用两个或两个以上不同的动力源来推进车辆行驶的车 辆，混合动力汽车的英文缩写是 HEV。HEV 的基本结构是在电动汽车（EV）和燃 料电池电动车（FCEV）的基础上增加一套辅助动力系统--动力发电机组或某种原 动机。原动机可以是内燃机、燃气轮机等热机。 2.分类 2.分类 1、根据混合动力驱动模式，混合动力系统主要分为以下三类： 一是串联式混合动力系统。 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。 二是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。 三是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。 Prius 采用的是混联式联结方式。 2、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： 一是微混合动力系统。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。 二是轻混合动力系统。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：（1）在减速和制动工况下，对部分能量进行 吸收；（2）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。 三是中混合动力系统。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。 四是完全混合动力系统。该系统采用了 272-650v 的高压启动电机，混合程 度更高。与中混合动力系统相比，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工作原理 1.串联式混合动力汽车（SHEV） 1.串联式混合动力汽车（SHEV） 串联式混合动力汽车 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 。 SHEV 的结构 蓄电池 逆变器 发电机 电动机 发动机 驱动轴 图1 串联式简图 图2 串联式混合动力汽车传动系统 SHEV 的结构如上图所示。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。 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.并联式混合动力电动汽车（PHEV） 2.并联式混合动力电动汽车（PHEV） 并联式混合动力电动汽车 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。 PSHEV 的结构 蓄电池 逆变器 电动机 发动机 耦合器 驱动轴 图3 并联式简图 图4 并联式混合动力汽车传动系统 并联式混合动力汽车的组成 1、发动机 2、电动机/发动机 3、机械传动系统 4、驱动电动机 5、逆变器 6、 蓄电池组 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。如上图 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。 PSHEV 的工作原理 上图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： 以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮； 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。

3.混联式混合动力电动汽车（PSHEV） 3.混联式混合动力电动汽车（PSHEV） 混联式混合动力电动汽车 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。 PSHEV 的结构 发动机 行星齿 轮机构 电动机 驱动轴 发电机 逆变器 蓄电池 图5 混联式简图 图6 混联式混合动力汽车 混联式混合动力汽车传动系统 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。 PSHEV 的工作原理 上图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： 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； 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:发展与未来 1.混合动力汽车在国内外的发展 1.混合动力汽车在国内外的发展 1.国外混合动力汽车的发展 自 1995 年起，世界各大汽车生产厂商已将研究的重点转向了混合动力汽车 的研究开发。日本丰田汽车公司开发了 Prius 牌混合动力轿车，本田公司开发了 Insight 牌混合动力轿车。美国三大汽车公司均开发了包括轿车、面包车、货车 在内的混合动力汽车，如通用汽

车公司推出的 Precept，福特汽车公司的 Escape 和 Prodigy，戴-克汽车公司的 Citadel、ESX3 等。目前，混合动力汽车技术及 市场均看好。日本国内拥有的混合动力电动汽车己超过 7 万辆，预计在 2010 年 将达到 210 万辆。日本丰田汽车公司计划到 2005 年生产 30 万辆混合动力汽车。 2003 年初，美国《Finance Times》曾报道，一旦发生石油危机，美国通用公司 计划将在 5 年内销售 100 万辆混合动力汽车， 并已决定在 2003 年销售 12 种混合 动力汽车。 目前，日本丰田汽车公司是走在混合动力汽车研发最前沿的汽车公司，开发 的混合动力汽车已达到实用化水平。1997 年，丰田推出了世界上第一款批量生 产的混合动力汽车 Prius，其后又在 2001 年相继推出了"ESTIMA"混合动力面包 车和 "皇冠(CROWN)"轿车。到 2002 年底，丰田汽车公司生产的混合动力汽车在 日本国内和海外的累计销量均突破了 10 万辆， 现在已经在全世界 20 多个国家上 市销售。著名的 Prius 为 4 门 5 座 3 厢式串联式混合动力轿车，采用了横向直列 4 缸 16 气门双顶置凸轮轴电喷汽油机(1.5 升、最大功率 53 千瓦)、驱动用镍氢 电池和电动无级变速系统，标准配置有双安全气囊、电动门窗、中置数字液显仪 表板、行驶电脑显示屏、自动空调、音响等。丰田 Prius 混合动力系统(THS)电 子控制装置的特点是，可分别利用电能、汽油或两者组合同时工作。根据车速和 负荷情况，THS 可以控制每种能源所提供的功率比例，以保证汽车按最有效的模 式运行。在车辆的行驶过程中，乘客对 THS 的转换是感觉不到的。THS 系统的关 键部分是功率分流装置。 该装置利用一套行星齿轮组将发动机功率直接传递到车 的前轮和发电机上。电控式变速器将汽油机、发电机和电动机的功率输出加以混 合， 从而达到汽车加速和减速的需要。2002 年，丰田 ESTIMA 混合动力面包车 投产，其混合动力系统采用了世界首次批量生产的电动 4 轮驱动及 4 轮驱动力/ 制动力综合控制系统，它给混合动力汽车的行驶性能带来了革命性的改进。所有 这些都表明丰田公司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 已经走在了世界同业前列。丰田汽车公司计划 20l2 年在其全部汽车产品上采用 汽油电力混合动力发动机，以提高燃油经济性和降低排放污染。 美国 1993 年 9 月启动新一代汽车伙伴计划，其时间表为：1997 年完成技术 选择，2000 年推出概念车，2004 年推出能用于投产的式样车。当年，美国能源 部与三大汽车公司签订了混合动力汽车开发合同，其中通用汽车公司投入 1.48 亿美元，福特投入 1.38 亿美元，克莱斯勒投入 8480 万美元，进行为期 6 年的研 制开发工作。 1997 年，PNGV 计划已完成了新一代汽车的技术选择，经过充分酝 酿，认真筛选，确定了轻质材料、混合动力、高性能引擎(四冲程直燃式引擎) 和燃料电池(PEM 燃料电池)为 PNGV 的技术主要方向。在美国 47 个州的 21 个联 邦实验室，51 所大学中，有 1200 多个 PNGV 的研究专案正在进行中，PNGV 计划 已使美国全国形成了一个汽车技术创新的国家行动。经过多年努力，三大公司于 1998 年北美国际汽车展上分别展出了样车。在此基础上，现已按期推出三款混 合动力轿车--通用 Precept、福特 Prodigy、克莱斯勒 Dodge ESX3，三款车均接 近或实现了 3 升/百公里的目标。其中，通用汽车 Precept 是目前唯一达到新一 代汽车协作伙伴关系(PNGV)油耗要求的车型。这是一辆四门、五人座轿车，其驱 动系统系由一台 3 缸 1.3 升直喷柴油引擎与两台电动机(包括驱动前轮的电动机 和驱动后轮的柴油-电动机组)及一台手动自动变速箱组成， 而电动机可吸收刹车 过程中的制动能量，并给以上的电池组充电。据统计，美国市场上售出混合动力 汽车接近 7 万辆，2002 年美国的混合动力汽车市场规模达到 35000 辆。美国已 有近 20 个城市在试用混合动力公共汽车，欧洲各大汽车厂商也纷纷推出了混合 动力汽车。法国 BE 集团先后推出了贝灵格型和萨拉型混合动力汽车。萨拉型混 合动力汽车以雪铁龙的 Estate 加长型轿车为原型， 配备一个 55kWDE 的汽油内燃 机发动机和一个 25kW 的电动机，排放量较同类普通汽车降低 35%，一次行程可 高达 1000km。 2.国内混合动力汽车开发情况 随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧， 电动车这种以电能为动力 的交通工具凭借其节能、环保的优点日渐成为业界关注的焦点。

20 世纪 80 年代 以来, 许多发达国家纷纷投入巨资研发电动汽车， 我国的“863 计划”也已明确 将电动汽车作为重点攻关项目。目前，我国电动汽车的研发水平与发达国家基本 上处在同一起跑线上，在某些方面甚至超过国外。1999 年，清华大学与厦门金 龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客车。2001 年 底，国家"863"电动汽车科技攻关项目正式启动，第一批项目中主要是混合动力 汽车，目前正在进行当中。一汽和东风汽车集团联合所在地高校和研究所，在各 自客车底盘上，研发混合驱动公共汽车和大型客车。此外，东风电动汽车公司还 承担了混合动力轿车的研究开发。"十五"目标是攻克关键技术，推出新产品，主 要研究内容包括：发动机、电动机、蓄电池等各种单元技术；各系统的电子控制 技术和整车的动力系统优化与控制技术，应节省燃料 50%，排放下降 80%；制动 能量回收技术， 应能回收 30%制动能量。 目前， 混合动力汽车主要研发成果如下： 东风电动车辆股份有限公司开发出混合动力汽车。其中，EQ7200HEV 型混合 动力轿车以风神蓝鸟轿车为平台，以满足未来城市公务、出租用车需求为目标， 最大限度利用东风公司现有产品平台及社会资源开发而成，实现产品系列化、通 用化、标准化设计。主要技术参数：最高车速 160km/h；锂离子电池。EQ6110HEV 型混合动力城市公交车采用混联方案， 专为 2008 年北京奥运会公交用车而开发。 主要性能参数： 采用东风汽车公司生产的康明斯 6BTA 型柴油机(最大转矩 488Nm， 额定转速 2200rpm)、中科院电工所研制的交流电机，纯电池电动运行最高车速 31km/h，最大功率 27kW，最大电流 119A；发动机和电机混合驱动；最高车速 72km/h。 天津清源电动车辆有限公司开发出混合动力中型客车。 其主要技术特点： 使 用燃油和电力双能源，同时兼顾了传统汽车的方便性和电动汽车的环保性能；排 放达到欧 III 标准， 燃油经济性提高 15%以上； 适于城市和城际之间的公共交通。 主要技术指标： 尺寸参数 7210×2110×2670(mm)； 总重量 7t ；座位数 22 ＋10 ；发动机类型 CY4105Q 型柴油机 ；发动机最大功率 72kW； 变速器 5 档 机械变速 ；电机类型 交流异步(矢量控制)； 电机功率 10 kW ；电池类型 免 维护铅酸电池 ； 电池容量 100Ah ； 最高车速 时速 110km 以上； 最大爬坡度 20% 以上；制动距离 小于 10m(时速 30 公里)。 深圳明华环保汽车有限公司开发出混合动力电动轻型客车。其技术特点：采 用并联式混合动力系统，内燃机采用达到欧洲二号尾气排放标准的柴油机；电动 机采用国际先进的异步交流电机， 具有变频调速的矢量控制系统； 自身反充功能： 内燃机做动力源驱动车辆行驶中可同时通过电动机/发电机功能互换将发动机用 作发电机为车载蓄电池组充电以补充能量，提高电驱动续驶里程。 北京嘉捷博大电动车有限公司和常州客车厂合作开发了我国第一辆以燃气 涡轮机作为动力机的混合动力电动大客车。该车长 11.5 m，宽 2.48 m，高 3.6 m， 46 座，排放指标低于 2008 年将在欧洲开始执行的欧Ⅴ标准，是当前理想的城市 环保型公交车和旅游车。 第一汽车集团公司、美国电动车(亚洲)公司、汕头国家电动汽车试验示范区 三方共同合作推出一款混合动力轿车--红旗 CA7180AE。该款串联式的混合动力 轿车属中高档， 13kW 汽油机， 15kW 直流电机，144v(105Ah)铅酸电池，4×2 前驱动形式，最高车速可达 135km/h。 2.混合动力汽车的前景 2.混合动力汽车的前景就目前的形势来看， 混合动力电动车拥有的特点是混合动力电动汽车具备了 良好的动力性能、良好的燃油经济性、清洁环保、经济实用，但为了达到提高车 辆的动力性、 经济性和环保性, 就需要采用当代最先进的内燃机技术深入分析低 油耗特性； 选择比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的电机, 研究它的 低速大转矩、 效率和再生制动能量回馈性能； 经过周密分析和试验研究特性, 最 佳选择各自高性能区段的组合与叠加。 另一方面， 混合动力汽车成本过高绝对是目前混合动力电动汽车推广应用的主要 难点, 这是因为混合动力汽车除了以往的动力装置外, 至少还必须安装电池, 其成本不可能降至普通汽车的水准。 因此, 混合动力汽车技术发展的首要难题是 降低成本, 这也是今后有待解决的最大课题, 特别是必须降低动力电池、 电机驱 动系统、电子控制系统等的成本。还有，要

提高汽车行驶过程中的能量再生利用 效率，.就得从汽车制造阶段着手, 设计改进汽车动力系统, 满足汽车再生制动 回收要求， 加强混合动力电动汽车的可靠性, 解决动力电池的使用寿命和可靠性 问题, 是混合动力电动汽车推广应用的前提。 但是在国际能源紧缺，混合动力可以很好的节省汽车行进过程中减速、下坡 过程的能量消耗，同时其排量低、污染小，也是未来汽车发展的必然趋势。 参考文献 1、混合电动车辆基础 陈清泉 北京理工大学出版社 3、现代电动混合动力和燃料电池汽车基础理论 4、《混合动力汽车结构与维修》 作者：杨庆彪主编 5、《混合电动车辆基础》 作者:陈清泉主编

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