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混合动力汽车的发展与应用论文

混合动力汽车的发展与应用论文

甘肃畜牧工程职业技术学院

毕业论文

混合动力汽车的进展与应用

系别：

车辆工程系

专业：

汽车制造与装配____

班级:

_____

学生姓名:

_____

指导教师：

______

完成时刻：

_

摘要1

abstaract2

引言3

第一章混合动力汽车的概述4

1.1混合动力汽车的概述4

1.2进展混合动力汽车的必要性5

1.3混合动力系统6

第二章混合动力汽车分类及各类型的工作原理8

2.1串联式混合动力汽车的结构与工作原理8

2.2并联式混合动力汽车的结构特点8

2.3混联式混合动力汽车〔PSHEV〕的结构特点9

第三章混合动力汽车的要紧部件10

3.1操纵方式10

3.2电动机10

3.3混合动力汽车车用镍氢动力电池13

3.4国外要紧的镍氢动力电池生产企业及国内现状15

第四章混合动力汽车的进展现状及趋势18

4.1混合动力汽车的进展现状18

4.2进展混合动力汽车面临的问题19

4.3混合动力汽车进展的趋势21

结语24

参考文献25

致谢26

摘要：

目前世界汽车工业可连续进展所面临的两大难题是环境污染和石油资源匮乏,环保和节能是21世纪汽车技术的一个重要进展方向,同时各国的排放法规也日趋严格。

混合动力汽车（HEV）正是具有低污染和低油耗特点的新一代清洁汽车。

混合动力汽车是传统内燃机车辆与电动车辆的有效组合。

混合动力汽车以其独有的特点得以在这一时期成为专门有前途的产品。

关键词：

混合动力；汽车；进展；应用

Abstaract:

Sustainabledevelopmentoftheworldautomobileindustryfacestwomajorchallengesisthelackofenvironmentalpollutionandoilresources,environmentalprotectionandenergyconservationinthe21stcenturyautomotivetechnologyisanimportantdirectionofdevelopment,whilethecountriesarebecomingincreasinglystringentemissionsregulations.Hybridelectricvehicle（HEV）isalow-pollutionandlowfuelconsumptioncharacteristicsofanewgenerationofcleanvehicles.Hybridelectricvehicleisatraditionalinternalcombustionenginevehiclesandelectricvehiclesaneffectivecombination.Hybridelectricvehiclewithitsuniquefeaturesinthisperiodcanbeaverypromisingproduct.

Keywords:

HybridElectricVehicle；car；develop；application

引言

目前世界汽车工业可连续进展所面临的两大难题是环境污染和石油资源匮乏,环保和节能是21世纪汽车技术的一个重要进展方向,同时各国的排放法规也日趋严格。

混合动力汽车（HEV）正是具有低污染和低油耗特点的新一代清洁汽车。

混合动力汽车是传统内燃机车辆与电动车辆的有效组合。

混合动力电动汽车以其独有的特点得以在这一时期成为专门有前途的产品。

当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计说明在占80％以上的道路条件下，一辆一般轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严峻的是排放废气污染环境。

尽管人们普遍认为以后是电动汽车的天下，然而目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。

由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，因此混合动力汽车应用而生。

第一章混合动力汽车的概述

1.1混合动力汽车的概述

1.1.1混合动力汽车的定义

混合动力汽车是指车内装有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车，车载动力源有多种：

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样是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。

其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。

1.1.2混合动力汽车的优点

混合动力汽车的优点是：

1、采纳混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，现在处于油耗低、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，由于内燃机可连续工作，电池又能够不断得到充电，故其行程和一般汽车一样。

2、因为有了电池，能够十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。

3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现"零"排放。

4、有了内燃机能够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。

5、能够利用现有的加油站加油，不必再投资。

6、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。

混合动力汽车有三种差不多的工作方式，即串联式、并联式和串并联〔或称混联〕式。

1.1.3混合动力汽车的缺点

混合动力技术的先进性和实现的现实性，节能、环保成效明显，采纳混合动力汽车是现时期解决环保和能源问题最为切实可行的方案。

然而，由于混合动力汽车是在牺牲了部分环保利益的基础上，能够满足目前人们对汽车环保的差不多要求，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内，不仅加大了汽车本身的重量，也提高了对整体工艺及操纵等方面的要求。

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旧是石油，这决定了混合动力不是电动汽车进展的最终形式。

然而，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，尽管不是长远之计，但据估量，仍有50年以上的较长市场周期。

能够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进展。

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。

混合动力驱动汽车的缺点是：

有两套动力，再加上两套动力的治理操纵系统，结构复杂，价格较高。

现代汽车伙伴合作打算推动美国三大汽车公司对各种单元技术及其不同组织进行成百种方案的选择、比较，认为采纳混合动力是实现中级轿车百公里3升油耗的可行方案因此而受到更大的关注。

通过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的例子。

日本丰田汽车公司在1997年12月宣布将混合动力电动轿车Prius投入小批量商业化生产，该车自重1515kg，装用顶置凸轮轴四缸，1500cc排量汽油机，最大功率42.6kW/4600r/min，带永磁无刷发电机，驱动电机亦为永磁无刷的额定功率30kW，采纳氢镍电池，实现串并联操纵方式，百公里油耗为3.4L，比原汽油车减少了一半，CO2排量也相应减少了一半，CO、HC、NOX仅为现行法规承诺值的10％，售价每辆216万日元〔约15000美元〕。

美国克莱斯勒汽车公司1998年2月在底特律展出第二代道奇无畏ESX2型混合动力电动轿车，该车装用1500cc排量直喷柴油机带发电机，采纳铅酸电池，交流感应电机驱动，铝车架，复合材料车身，自重1022kg，百公里油耗降至3.4L。

2000年通用，福特，戴姆勒·克莱斯勒已开发出100公里油耗已达到3升汽油或接近3升汽车的样车，只是价格仍较贵。

1.2进展混合动力汽车的必要性

当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计说明在占80％以上的道路条件下，一辆一般轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严峻的是排放废气污染环境。

20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。

尽管人们普遍认为以后是电动汽车的天下，然而目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。

由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估量在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车〔除非燃料电池技术有重大突破〕。

现实迫使工程师们想出了一个两全其美的方法，开发了一种混合动力装置〔Hybrid-ElectricVehicel，缩写HEV〕的汽车。

所谓混合动力装置确实是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车内做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。

形象一点说，确实是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。

这种混合动力装置既发挥了发动机连续工作时刻长，动力性好的优点，又能够发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者〝并肩斗争〞，取长补短。

如此使汽车的热效率可提高10％以上，废气排放可改善30％以上。

混合动力源电动车按照能量合成的的形式要紧分为串联式（SHEV〕和并联式〔PHEV〕两种。

混合动力汽车在发达国家差不多日益成熟，有些差不多进入有用时期。

由于其构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。

1.3混合动力系统

1.3.1混合动力的概念

HEV〔Hybrid-ElectricVehicel〕—混合动力装置。

混合动力确实是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，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正确工况状态，动力性好，排放量专门低，而且电能的来源差不多上发动机，只需燃油即可。

混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直截了当关系到混合动力汽车整车性能。

通过十多年的进展，混合动力系统总成已从原先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进展，即集成化混合动力总成系统。

混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。

1.3.2串联式

串联式动力：

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，它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，电能通过操纵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，那么由电池组驱动电动机，当电池组缺电时那么由发动机-发电机组向电池组充电例如福特〝新能级2020〞SHEV，其电池采纳燃料电池，在都市市区行驶时全部由燃料电池驱动电动机，电动机通过减速器〔变速器〕和驱动桥驱动车轮，达到了〝零排放〞要求。

当高速及爬坡时，那么由发动机-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。

串联式结构适用于都市内频繁起步和低速运行工况，能够将发动机调整在最正确工况点邻近稳固运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。

使发动机幸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。

然而它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。

1.3.3并联式

并联式动力：

并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，能够分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既能够共同驱动又能够单独驱动。

当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度汽车将仅仅依靠发动机坚持该速度。

电动机既能够作电动机又能够作发电机使用，又称为电动－发电机组。

由于没有单独的发电机，发动机能够直截了当通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与一般汽车差不多，因此得到比较广泛的应用。

例如大众汽车公司的高尔夫PHEV，发动机通过离合器１带动电动－发电机，输出扭力再通过另一边离合器２驱动车辆行驶。

静止启动时，电池向电动－发电机供电，现在电动－发电机确实是发动机的起动机。

发动机启动后，发动机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮，另一方面又带动电动－发电机发电向电池充电，现在与传统汽车一样。

在市区行驶时，发动机关闭，离合器１脱开，离合器２接合，电池做为唯独能源向电动机供电，由电动机取代发动机驱动车轮。

当电动车需要高速或高负荷时，发动机启动离合器１闭合，发动机与电动－发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。

1.3.4混联式

混联式动力：

混联式装置包含了串联式和并联式的特点。

动力系统包括发动机、发电机和电动机，依照助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。

以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。

该结构的优点是操纵方便，缺点是结构比较复杂。

丰田的Prius属于以电机为主的形式。

第二章混合动力汽车分类及各类型的工作原理

2.1串联式混合动力汽车的结构与工作原理

串联混合动力电动汽车SHEV是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采纳〝串联〞的方式组成驱动系统。

在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出能够满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经操纵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操纵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固的工况，使其排放得到改善。

2.2并联式混合动力汽车的结构特点 

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。

如以下图所示，它们采纳〝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，可分为：

〔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。

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：

1〕以发动机驱动为差不多驱动模式，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；3〕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混联式混合动力汽车〔PSHEV〕的结构特点

混联式混合动力汽车的组成

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、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，能够在变速器〔包括驱动桥〕处进行组合，也能够在驱动轮处进行组合。

第三章混合动力汽车的要紧部件

3.1操纵方式

目前市面上混合动力汽车最常见的两种动力源是内燃机和电动机。

一样情形下，内燃机是前轮的驱动源，而电动机是两个后轮的驱动源。

车内的电脑会依照不断变化着的交通条件所需的动力情形，随时作出反应，不需驾车人预先指令，即自动地选择最为理想的驱动模式；或是由两台电动机进行后轮驱动；或是由一台内燃机进行前轮驱动；或是内燃机和电动机同时驱动。

当从静止状态起步时，车内的电脑会第一选择电动驱动模式，这是因为内燃机在汽车起步后的第一公里期间内，所用燃料的80％都被作为废气排掉了，既白费燃料又污染环境。

当车速到每小时40公里时，电脑会自动选择内燃机驱动模式，同时内燃机在工作时也对蓄电池组进行充电。

假如驾驶员突然实施紧急加速，电脑那么会启动电动机来协助内燃机进行联合驱动。

而当低速行驶时，或者电脑判定蓄电池组的能量不足时，也会启动内燃机工作。

当汽车减速时，电脑会对内燃机起到制动作用，判定利用其制动能量对蓄电池组充电。

此外电脑还操纵着例如制动装置、防车轮抱死和方向操纵等其他功能。

在前后轮之间，内燃机和电动机或是交替的、或是相继的、或是同时的，不断变化着的驱动方式，使得汽车始终保持其动力潜能的最大发挥，大大减少了燃料消耗和废气排放。

3.2电动机

在HEV上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻HEV的总质量。

因此，一样电动－发电机只是在HEV发动机启动，车辆启动、加速或爬坡时起作用。

电动－发电机又是发动机的飞轮，起调剂发动机输出功率的作用。

电动－发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。

在HEV下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。

因此，HEV有了电动机的辅助作用，就能够使HEV达到节能和〝超低污染〞的要求。

电动机的种类专门多，用途广泛，功率的覆盖面专门大。

但HEV所采纳的电动机种类少，功率覆盖面也较小。

目前要紧采纳的交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机，不管是电机本身依旧它们的操纵装置，成本都比较高，但随着电动机的电子运算机操纵和机电一体化的加速进展，专门多新技术正逐步运用到混合动力汽车〔HEV〕的电动机上，一旦形成大规模批量生产，所用电机乃至整车的成本都会得到大大降低。

3.2.1混合动力汽车之电动机的进展概况

蒸汽机启动了18世纪第一次产业革命以后，19世纪末到20世纪上半叶电机又引起了第二次产业革命，使人类进入了电气化时代。

20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命，是生产和消费从工业化向自动化，智能化时代转变；推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与进展。

21世纪伊始，世界汽车工业又站在了革命的门槛上。

尽管，汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力，然而，汽车工业的进展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。

明显，加剧使用传统内燃机技术进展汽车工业，将会使这两大全球问题连续恶化。

因此，电动车〔包括纯电动车，混合动力汽车，燃料电池电动车〕概念的提出，将会是以后世界汽车工业进展的新方向，只是就当今世界科技水平来说，混合动力汽车的研究与开发相比其它两种形式更具有现实意义，应该作为这一新方向的第一步。

20世纪80年代前，几乎所有的电动车驱动电机均为直流电机，但随着电动车〔混合动力汽车〕性能的提高，其在高负载下转速的限制，体积大等缺点逐步暴露，取而代之的是交流异步电机，永磁电机，开关磁阻电机以及新型的双凸极永磁电机，而上述电机在用于混合动力汽车内所表现出来的性能也是一个比一个优越。

目前，双凸极永磁电机的机理和设计操纵理论还有待于进一步的研究与完善，只是它作为混合动力汽车的电动机有着潜在的庞大优势。

3.2.2混合动力汽车对电动机的差不多要求

1.从日本汽车公司开发电动汽车的研究和实践认为，在采纳大功率的电动机来驱动HEV时，与采纳小功率的电动机比较，具有电阻小，效率高，比能耗低，动力性能好等优点。

但在目前的条件下，各种电池的比能量较小，理所因此地采纳小功率的电动机，因而显现电阻大，效率低，比能耗高，动力性能差等问题。

2.混合动力汽车的电动机应具有较大范畴内的调速性能，能够依照驾驶员对加速踏板和对制动踏板的操纵，由中央操纵器操纵电动机与发动机之间动力的和谐。

以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，使它们达到与内燃机汽车加速踏板同样的操纵成效。

3.混合动力汽车应具有最优化的能量利用，电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时实现能量回收并反馈回蓄电池，这点在内燃机汽车内是不能实现的。

4.电动机的质量，各种操纵装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小，因此，大功率的高速电动机具有高性能，质量小等优点，在混合动力汽车得到了广泛地应用。

另外，还要求电动机及操纵装置在运转时的噪声要低。

5.各种电动机的电压，能够达到120～500V，对电气系统安全性和操纵系统的安全性，都必须符合国家〔或国际〕有关车辆电气操纵的安全性能的标准和规定，装置高压爱护设备。

除此之外，还要求电动机可靠性好，耐温顺耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单，适合大批量生产，运行时噪声低，使用修理方便，价格廉价等。

3.2.3混合动力汽车所用电动机的选择策略

在确定混合动力汽车所采纳的电动机时，第一应采纳技术成熟，性能可靠，操纵方便和价格廉价的现成的电动机。

一样情形下，电动机性能必须充分满足单独用电力驱动模式行驶工况时的要求。

电动机在低速时应具有大的转矩和超载能力。

在高速运转时，应具有大的功率和有较宽敞的恒功率范畴。

有足够的动力性能来克服整车的各种阻力，保证具有良好的起动，加速性能和行驶速度及实现制动时的能量回收。

现在混合动力汽车内，要紧采纳能够实现变频、调速的高转速电动机，高速电机的转速能够达到10000～12000万r/min，在高速运转时，有更大的功率和有较宽敞的恒功率范畴，体积较小和质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质来制作，并要保证高效率的冷却。

3.2.4双凸极永磁电动机的简介

传统的开关磁阻电机〔SRM〕尽管可靠性较高，结构简单，单位体积功率与异步电动机相当或略高一些，而且在宽广的调速范畴内都具有相当高的效率，然而，从能量转换的观点看，SR电机在定子绕组的一个开关周期中，最多只有半个周期得到利用，电机实际运行时，为幸免在电感下降区产生制动力矩，绕组电流的关断角不得不较多地提早于最大电感位置，半个周期都未能得到充分利用。

因此，SR电机仅获得〝一半的利用率〞，由此产生了换流问题和相对材料利用率低问题。

能够预见，假如能利用定子绕组整个开关周期，在电感下降区也能产生正向转矩，SR电机的单位体积功率必将大大提高，但传统结构的SR电机是难以实现的。

假如在SR电机中用永磁材料预先建立一个磁场，通过操纵定子绕组的电流方向，使永磁体产生的磁场和绕组电流产生的磁场相互作用，就能实现在电感下降区产生正向转矩的设想。

我国稀土材料的储存量为世界第一，钕铁硼等高性能稀土永磁材料在电机领域中已得到广泛应用，大大提高了电机性能，但在SR电机上的实践才刚刚开始。

双凸极永磁电动机（Doublysalientpermanentmagnetmotor,简称DSPM），是随着功率电子学和微电子学的飞速进展在90年代刚刚显现的一种新型的机电一体化可控交流调速系统。

该系统由双凸极永磁电机、功率变换器、位置传感器和操纵器四部分组成。

电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似,呈双凸极结构,但它在转子（或定子）上放有永磁体,从而使运行原理和操纵策略与开关磁阻电机有本质区别。

DSPM系统的要紧优点是结构简单、操纵灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大,可实现各种专门要求的转矩/转速特性,功率因数接近于1、效率高，是电工学科近年来继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向。

DSPM电机作为一种应用前景看好的交流调速系统,是由美国闻名电机专家T.A.Lipo等人于1992年第一提出的,并进行了初步的理论和实验研究,此后欧美一些国家也相继开展了对DSPM电机及其操纵系统的研制工作,目前国际上对DSPM电机的研究仅停留在初步理论和样机实验时期。

关于DSPM电机仍有大量的基础理论问题,包括电机参数运算、模型建立、分析方法、操纵策略等有待深入探讨。

3.3混合动力汽车车用镍氢动力电池

随着人类环保意识的不断增