混合动力电动汽车技术.docx
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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HybridElectricVehicle.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（AuxiliaryPowerUnit.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SeriesHybridElectricVehicle（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ParallelHybridElectricVehicle（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SplitHybridElectricVehicle（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（Expertsystem）、神经网络控制系统（Neuralnetworks）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THSⅡ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70﹪~80﹪。
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。
综合的重量，成本增加被控制在小的几乎所有的传统起动机，发电机和离合器的制造商，都进行这方面的商品化开发，而且有发表的成果。
如果将来不需要传统的起动机和发电机的话，对于这些制造商来说，或许理所当然就成为生死攸关的问题，大多数人认为，将来这种形式是混合动力的需要。
如果能大量生产成本得以下降的话，可以预计混合动力化的障碍就可以非常小。
3混合动力电动汽车的维修与诊断
维修前的安全防护措施：
在着手维修一辆混合动力轿车之前，你必须知道一些必须加以防范的安全防护措施。
首先，insight，Civic和Pruis这三款混合动力轿车都有一个“怠速停止”模式，可以在轿车临时停车时，比如在遇到红色交通信号灯的时候，关闭轿车的汽油发动机。
在这种模式下，当踩下加速踏板时，最初车辆会在电动马达的的驱动下行驶，就像一辆电动高尔夫推车一样。
经很短的行驶时间之后，车辆便进入正常的行驶状态，汽油发动机会重新启动，并向轿车提供动力。
一辆混合动力轿车被送到维修厂进行维修时，如果把发动机熄火，并且将点火钥匙置于开的位置，那么维修时可能会出现问题。
打算维修这辆轿车的技术人员这时可能会认为，既然发动机已经关闭了，因此可以安全进行维修工作。
但这时如果踩下加速踏板，可能会使电动马达重新启动，从而产生严重的后果。
在本田公司的混合动力轿车上，在发动机转速表左下方有一个汽车驻车指示灯，如果这个灯在闪烁，则表明该辆轿车处于“怠速停止”模式，同时也是在警告你，在维修该车辆之前，一定要把点火开关关掉。
当丰田Pruis混合动力轿车处于怠速停止模式时，在显示板上的挡位指示器上方有一个就绪指示灯。
在对轿车进行维修工作之前，都要确保就绪指示灯是熄灭的。
因此，也应该把点火开关关掉。
当然最为安全稳妥的做法，就是把车钥匙从点火开关上取下来。
当然，在维修混合动力轿车时，最严重的安全顾虑就是它的高压电气系统，其中包括电动马达，蓄电池组，控制系统和电线束。
为保证安全，所有的高压电线接线端都是密封的或隔离的，而且电线束都是洁净的橙黄色。
如果没有戴性能良好的高压防护绝缘手套，就不要轻易触摸这些电线束。
即使这些绝缘手套上只有一个极小的针孔，都可能会导致电流从手套穿过，经人体流向大地，伤害技术员的生命。
你可以用探针穿过电线绝缘层来检查普通汽车上的12v电线的一些性能，但对于混合动力车辆上这些明亮的橙黄色高压线束，可一定是不能这样做的。
跟上面介绍的一情况一样，这些高压线束上一个极小的孔都可能导致高压电流外漏。
不过，每个混合动力轿车的高压电气系统都是很容易地关闭的，以确保有一个安全的维修工作条件。
本田混合动力轿车的智能动力单元包括蓄电池组和控制系统，在智能动力单元上设置了一个关闭开关。
本田Isight的智能动力单元位于后座地板附近，是水平安装的，隐藏于地毯之下。
而本田Civic的智能动力单元是垂直安装的，位于后排乘客座位的后面。
对于本田公司的这两款混合动力轿车，要想拆除轿车上的高压电气系统，需要打开智能动力单元上面的一个小盖子，并且把里面的开关打到off位置。
要想拆除丰田Pruis的高压电气系统，只需要取下位于驾驶员一侧的行李厢后面的维修塞即可。
维修塞的嵌板在后排座位附近的地毯下面。
当你维修高压电气系统的时候，建议你把维修塞放在你的口袋里随身携带，以防其他维修人员在你维修时又把它安上去。
正确的轮胎气压和润滑
正确的选择轮胎并保持适当的轮胎压力，对于本田和丰田混合动力轿车的最佳运行是十分重要的。
轮胎气压不仅会影响该车的燃油经济性，而且当胎压不正确时，制动系统和控制系统也可能会出现问题。
混合动力轿车一般都采用高压轮胎，这样做的目的是为了获得最大的行驶里程数，因为高压轮胎的滚动阻力比较小。
所有这三款混合动力轿车都配备有专门设计的轮胎，这些轮胎有较高的充气压力，从而保证轮胎具有较低的滚动阻力。
在这三款轿车中的某一辆被送到你的维修厂进行修理时，你要确保该车的轮胎压力与在轮胎侧面，车门边缘或用户手册上标记的规定胎压相一致。
请使用原装设备制造商推荐的润滑油，这对于让混合动力轿车获得最佳的性能表现，以及满足保修的技术要求等，都是非常重要的。
本田Insight和Civic混合动力轿车的发动机都采用本田公司专用的0W-20SJ机油和机油滤清器。
对于五挡手动变速器，你可以使用标准的本田手动变速器用润滑油；但是对于无级变速器，需要使用本田ATF-Z1润滑油。
丰田Pruis混合动力轿车的发动机则采用5W-30SJ机油，变速器采用型号为T-IV的自动变速器油。
混合动力车辆的故障指示灯：
本田和丰田混合动力轿车的仪表板上都有故障指示灯，当混合动力轿车的电气系统无法正常工作时，故障指示灯将会给出警告指示信号。
本田的混合动力轿车上有一个集成化电动机助力系统故障指示灯，它能够闪烁出符号IMA，表示该车需要维修。
丰田Pruis混合动力轿车利用仪表板上一个小海龟标志。
来表明混合动力系统出现了故障。
当出现了海龟标志以后，轿车只能在后备模式下工作，也就是说，仅仅使用汽油发动机作为动力源。
海龟标志的出现是在提醒驾驶员，要缓慢驾驶车辆，不能进行快速加速。
4丰田Pruis介绍
4.1Prius混合动力系统的构成
Prius是一辆以汽油化学能和电能为驱动力的混合动力汽车，因此它内部拥有一台独立的汽油发动机和一台电动机。
既然有电能的介入，那必不可少的就是电池，Prius的电池系统采用的是丰田和松下联合研制和生产的镍氢电池，选择镍氢电池的原因是它有比能量和比功率高、循环寿命长、放电过程控制简单、无污染等优点。
此外，在丰田和松下的共同努力下，镍氢电池的记忆效应大大降低。
而整个动力系统的变速仅仅靠一套行星齿轮组，没有传统的机械变速器和离合器。
4.2Pruis在各工况下的工作原理
丰田Prius以电机为主，混合动力总成包括两个动力源，发动机与电动机。
还有包含了发电机、电动机、内置动力分离装置的混合动力专用变速器、镍氢电池组和动力控制总成。
丰田Pruis混合动力系统有一个特点，就是采用行星齿轮变速结构，变速器内置动力分离装置，行星齿轮机构巧妙地将减速器、发电机和电动机等动力部件偶合在一起，同时行星齿轮又起到无级变速器的功能，结构十分紧凑，形成一个集成化混合动力总成系统（图1）。
图一
图二
启动以及中速以下行驶，此时发动机效率低下，因此Prius的发动机关闭，仅由大功率电动机驱动车辆（图2，箭头A）。
在常规行驶时，发动机作主动力源，由动力分离装置将动力分成两路，一路驱动发电机进行发电，产生的电力驱动电动机运转（图3，箭头B），另一路则直接驱动车轮（图3，箭头A），系统会自动对两条路径的动力进行最佳分配，以达到效率的最大化。
图三
图四
当要加速时，电池组会加进来为电动机供电，增强电动机输出功率（图4）。
当减速或制动时，则由车轮的惯性力驱动电动机。
这时电动机变成了发电机，车辆制动能量转换成了电能（图5，箭头D）。
图五
图六
电池组电量保持在一个恒定水平。
当系统发现电池组电量下降会启动发动机驱动发电机发电，向电池组充电（图6，箭头E）。
4.3丰田Pruis的运行原理和特点
Prius的仪表板上有一个多功能资料显示屏，显示屏是7英寸轻触式彩屏，可以显示各项车上的使用资料，例如动力状况、耗油量、电池充放电量、档位、音响、空调状况等，并可手触彩屏调节冷气及音响系统。
Prius的变档拨杆安装在中控板位置上，巧小玲珑，杆头标志着档位位置。
Prius的运行模式∶
①起动。
插入钥匙，踩住刹车踏板及按下起动按钮（POWER），直至液晶仪表上的“READY”信号灯亮起，挂上D档前进。
②当发动机效率偏低，例如在低速行驶，转换器及高压电子系统将电池输出的直流电转换为交流电，并升压至500伏特给予马达（电动机）使用。
马达会启动与发动机并肩工作。
③电脑分析汽车负荷、加速踏板压力及电池状态，决定以马达、或者马达与发电机并用，提供最有效率的动力分配及组合。
经常使用马达会导致电池电量下降，当降到一定限值时，发动机会自行起动带动发电机向电池充电。
④当高速行驶时，混合动力系统会即时启动发动机及马达输送驱动力。
⑤当减速和刹车时，在制动力作用下混合动力系统会将马达转为发电机，将动能转化为电能，向电池充电。
⑥当Prius停止时，发动机会自动熄机，以减少不必要的燃油消耗及废气排放。
Prius的环保空调系统全以电力驱动，因此关闭发动机空调也一样可以运行。
结论
在学习了混合动力电动汽车和当今热销车型的技术应用情况，以及对混合动力汽车技术有了一定的了解的基础上，加上通过网络搜集的相关资料，本人完成了上述的文章，虽然其技术含量不高，但是能解释清楚当今混合动力电动汽车技术的部分应用及知识，并学以致用。
本文着重讨论了混合动力电动汽车的基本构造，工作原理和诊断与维修等，还有混合动力电动汽车技术的发展现状，不管从国家还是社会和个人来说，只要能清楚地认识到混合动力电动汽车的应用现状和发展趋势，只要我们共同努力，相信中国的汽车产业会有飞跃式的发展，中国的环境和能源问题也会得到一定的解决。
为了祖国美好的明天，让我们一起努力。
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