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1、桂 林 航 天 工 业 院浅析混联式混合动力电动汽车控制策略摘 要文章以汽车对社会环境、能源利用等相关问题影响为前提，首先通过对混联式混合动力电动汽车的研究与国内外发展现状的简单阐述，然后介绍了混联式混合动力电动汽车结构原理与控制策略，指出控制策略的技术研究是混联式混合动力电动汽车技术开发的核心之一，也是目前混联式混合动力电动汽车设计与研究的关键所在，最后得出混联式混合动力电动汽车在汽车市场巨大发展前景以及它在市场上的广泛应用。关键词 混联式；混合动力；电动汽车；控制策略目 录目 录21 绪论31.1本课题的研究意义31.2国内外研究现状41.2.1 我国混合动力电动汽车研究概况51.2.2
2、国外混合动力电动汽车研究概况62 混联式混合动力电动汽车的概述82.1 混联式混合动力动力电动汽车概念82.2 混联式混合动力电动汽车的特点82.3 混联式混合动力系统的节能潜力92.4 混联式混合动力电动汽车的排放问题92.5 混联式混合动力电动汽车分类103 混联式混合动力电动汽车结构与工作原理113.1 串联式混合动力电动汽车结构及工作原理113.2 并联式混合动力电动汽车结构及工作原理113.3 混联式混合动力电动汽车结构及工作原理124 混联式混合动力电动汽车控制策略概述144.1 混联式混合动力电动汽车的控制策略144.2 混联式混合动力电动汽车的工作模式及控制系统155 混联式混
3、合动力电动汽车的主要部件及其应用165.1 控制方式165.2 电动机165.2.1 混联式混合动力电动汽车之电动机的发展概况165.2.2 混联式混合动力电动汽车对电动机的基本要求175.2.3 混联式混合动力电动汽车所用电动机的选择策略18 5.2.4 双凸极永磁电动机的简介185.3 混联式混合动力电动汽车车用镍氢动力电池195.3.1混联式混合动力电动汽车对动力电池的要求195.3.2车用动力电池的主要指标195.3.3镍氢动力电池的特点205.4国外主要的镍氢动力电池生产企业及国内现状215.4.1国外主要镍氢动力电池生产企业215.4.2国内镍氢动力电池研发现状22结 语23参考文
4、献24致 谢251 绪论1.1本课题的研究意义 随着全球经济以及汽车工业的发展，汽车保有量也在逐年急剧增加，但汽车数量的增加却是城市大气污染的主要来源，因此世界各国纷纷制定一系列十分严格的排放法规，强制要求生产低油耗小排放的汽车。但是，尽管目前内燃机电控技术和三元催化等排气净化技术广泛应用，能够大幅度的降低汽车的排放以及耗油量，可是能源紧张和排放带来的环境污染问题还是没有从根本上得到解决。为此，全球的汽车制造商都寻找新的解决办法，把主要精力放在研究开发新型节能于污染的绿色汽车。 氢燃料电池动力汽车(Fuel Cell Electric Vehicle,简称FCEV),燃料电池是一种将氢和氧的化
5、学能通过电极反应直接转换电能的装置，其最大特点是反应过程不涉及燃烧和热机做功。氢燃料电池动力系统不仅高效、低噪音，而且无污 染、无二氧化碳排放，是一种新型的环保动力源，另外，由于氢在地球中的蕴藏十分丰富，氢气来源极其广泛，可以说是取之不尽，用之不竭的能源。提取氢的方法非常方便，一是可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行；二是可通过电解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。但是其缺点主要是成本高昂，可靠性和运行寿命较低，以及氢燃料基础设施缺乏等因素，所以无法在短期内取代传统动力汽车。在这种情况下，混合动力电动汽车异军突起，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辆。混合动力电动汽车将两种或
6、更多能量转换技术和一种或更多的能量存储技术集合为一体，使得混合动力电动汽车能够明显减少汽车排放和降低油耗，难能可贵的是可以达到与传统汽车同样的行驶里程，另外混合动力电动汽车燃料补充便利，节能、环保也是混合动力电动汽车的主要特点，表1.1是四种车型的比较。类型燃油消耗续驶里程排放电池寿命加油站 改造成本传统汽车100100100100EV030-500100300-400FCV5HEV40-6010040-60300-10000130-160表1.1 四种车型的比较 注：表中数据表示比例关系从表1.1可以看出，EV和FCV都具有零排放的优点，但是燃料电池的比能以及技术发展仍然是制约其市场化的一大
7、瓶颈，所以不能满足市场要求；HEV的燃油消耗和排放都比传统汽车低，而且HEV对电池的要求不高，并能满足日益严格的汽车尾气排放标准，当前，HEV已经是汽车技术领域的一个重要的发展方向。但是，世界范围内更加严格的尾气排放标准的出台使得现有的混合动力电动汽车不能适应新形势的需要，其中大部分都存在着退市的危险，目前我国大部分汽车厂商对这种情况的处理方法基本上都停留在改进现有发动机的基础上，很少把发动机、排气系统和控制策略等因素进行综合考虑，已达到符合国III标准的目的，所以系统的研究新型混合动力电动汽车就显得尤为重要。1.2国内外研究现状 混合动力电动汽车的研究始于上世界90年代。其中，较早地提出采用
8、大速比变化范围的混合动力电动汽车传动系统设计的研究论文始见于1994年在英国召开的 nternational Gearing Conference。近几年，随着混合动力电动汽车(HEV)技术发展，使得混合动力电动汽车有效地克服了传统汽车与纯电动汽车(EV)的缺点并兼顾了两者的优点，在世界范围内已成为新型车辆开发的热点，并且在降低汽车有害排放和燃油消耗方面的潜力已经得到广泛认可。自从1973年爆发了全球性石油危机之后，各国都开始重视节约能源的重要意义，制定混合动力电动汽车燃油经济性法规和加强替代燃料发动机的研究。其中，混合动力电动汽车就是最杰出的代表成果之一。混合动力电动汽车采用了发动机驱动系统
9、和电机系统通过机械传动装置耦合在一起来驱动车辆行驶，使得车辆降低燃料消耗量，同时通过整车控制策略控制发动机、电池和电机在不同工况条件下，处于不同的工作模式，从而尽可能多的工作在各自的高效率区域，甚至还可以控制发动机的起停来取消发动机怠速运转，达到明显节能的目的。 据统计，在占80% 以上的道路条件下，一辆普通汽车仅利用了动力潜能的40%，在走走停停的繁华市区甚至还会降到25%。而混合动力电动汽车既可以发挥内燃机持续工作时间长, 动力性能好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声、能够回收动力的优点，取长补短，使汽车的热效率可提高40%以上，尾气排放可减少30%以上。另一方面，混合动力电动汽车在降
10、低汽车有害排放方面的贡献是显而易见的，然而随着人们对环境保护力度的加大，更严格的汽车尾气排放标准也应运而生。 发达国家混合动力电动汽车技术比较成熟，同时它们还是加快尾气排放标准的制定与颁布。比如在欧洲，根据欧洲议会2006年底表决通过的欧盟委员会的一项规定，从2009年9月1日起，欧盟销售和行驶的民用车辆包括以柴油为燃料的汽车, 都要执行欧洲5号尾气排放标准。此前出厂的载重、工程和农用柴油车，如在欧 盟成员国境内使用，也需加装特殊的尾气过滤装置，以符合欧洲5号排放标准，不过实施日期可延缓一年。此外，从2009至2014年，欧洲汽车尾气排放控制将逐渐过渡到更加严格的欧洲6号标准。我国也在近期出台
11、国III标准，未达到国III标准的新车均不能在市场上销售, 也就是说有部分车型正面临着退出汽车市场。从目前的情况看，国外各大汽车生产厂商可能会从混合动力电动汽车发动机、排气系统和控制策略等综合因素进行考虑，从而达到更加严格的排放标准，最终实现汽车产业的升级；国内汽车厂商由于技术和设备等原因，最可能会对原有车用发动机进行改造，已让整车满足国III标准，或者是更新换代，推出下一代汽车。1.2.1我国混合动力电动汽车研究概况我国是石油资源十分紧缺的国家，我国的石油仅占世界石油资源的2%，从 1993年开始就己成为石油进口国。为应对能源紧缺问题问题，实现社会可持续性发展，我国政府很早就开始重视清洁高效
12、汽车技术的开发。我国在“八五” 和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制。我国自主开发的HEV要求节油率达到30%以上，已在几个城市投入示范线路。长安汽车(集团)有限责任公司在科技部、重庆市科委、中国兵器装备集团公司的大力支持下，联合重庆大学承担了ISG(Integrated Starter / Generator)型混合动力长安轿车整车匹配项目，并己通过国家级验收。研制的混ISG型混合动力轿车SC7130(玲羊)轿车的平台上开发，最高时速可达160Km/h,加速性能与同档次的传统汽车相当，续驶里程大于500Km,最大爬坡度25%，节油30%。但是由于我国混合动力电动汽车
13、的研究工作起步比较晚，所以和国外的先进技术水平相比还有很大差距。我国的混合动力电动汽车只是在原油汽车上简单地加载发动机和发电机组，由于缺乏高度自动化的控制系统和能源管理系统，其结果 造成两种动力源只是简单结合，缺乏统一协调。加上国III标准的出台，目前可以知道的是10万元以内的车型里有11个车型未达到国III标准，并且退市车型以6 万元以下的车型为主；10万元以上车型里共有5个车型未达到国III标准；MPV 多功能旅行车、SUV车型里共有48个车型未达到国III标准，并且退市车型以10 万元以下的经济型SUV为主。国III标准实施后，上述车型将暂时推出市场，但是其中只有小部分车型会停产，大部分
14、车型还是会经过厂家对发动机的升级后重新回到市场。综上，生产厂商对发动机进行改进势必要增加生产的成本，而厂家会把这些成本加到车价上去，车价的提升必定会带来价格的提升，所以对发动机的升级不是满足国III标准的最终出路。这种情况造成国内大部分汽车厂商的尴尬局面，所以研究在排放标准的前提下，对混合动力电动汽车进行系统的研究使其具有良好的动力以及燃油经济性能己经到了迫在眉睫的时候了。1.2.2 国外混合动力电动汽车研究概况上世纪九十年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力电动汽车。美国政府于1997年与克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车公司 合作，实施新型汽车合作计划(PNGV)，该计划
15、制定的混合动力电动汽车开发的目标是：2002年进行试验性推广，2004年达到全面商业化生产。福特公司开发的“优异2000”概念车试验平台的性能己达到PNCV计划的部分目标：每加仑汽油行驶80英里。在1999年末，本田公司在日本、美国等国陆续开始销售的小型混合动力轿车Insight就被美国环保总署评为2001年美国十大节能汽车的第一名，实现了 35km / L的低油耗和80g / km的低CO2排放量。第二名是丰田公司的Prius混合动 力汽车。欧洲，最具代表的HEV是法国的Berlinge,在性价比上能与一般汽车相抗衡， 代表了国际实用先进水平。另外，瑞典沃尔沃公司也开发出了混合动力电动汽 车，时速可达90km。德国公司生产的并联式混合动力电动车Duo己小批量生产, 因为德国实施了新的汽车排放标准，所以人们把目光更多的寄托在混合动力电动汽车身上。德国汽车工业也己实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里的油耗超过5升的轿车上路，这也将促使人们更多地把希望寄托在混合动力电 动汽车上。虽然，国外混
