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混合动力电动汽车的设计

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混合动力电动汽车的设计
重庆长安汽车股份有限公司 汪正胜

摘要:本文主要介绍了传统燃油汽车与纯电动汽车的缺陷以及电动汽车的发展趋势,重 点阐述了混合动力电动汽车的分类和特点分析,详细设计了一种混合动力电动汽车的整 车系统及各功能单元。 关键词:
混合动力

汽车

功能

系统

一、

传统燃油汽车与纯电动汽车的缺陷
汽油机一直是上个世纪最主要的汽车动力设备,今天,这世界上生产的汽车几乎都

1.1传统燃油汽车的缺陷

在使用内燃式发动机,但是,这种引擎同时具有很多缺点,如:需使用不可再生产的自 然资源(石油)、空气污染(排放废气)和投资巨大等。而总体上讲我国的石油资源却 很缺乏,据统计,我国2000年原油产量1.6亿吨,进口原油O.73亿吨,用汇250亿美 元,还不包括一些走私燃油,预计到2010年,原油需求3.6亿吨,国内产量2亿吨,进 口1.6亿吨,即意味着45%的要靠进口。 汽车对社会环境造成污染相当严重,除直接污染源(如一氧化碳、碳氢化合物、氮 氧化物、硫化物等)外,还有二氧化碳造成的温室效应。目前世界上很多国家,都已对 单车二氧化碳的排放作出明确的逐年降低排放的标准。同时也有大量的汽车动力设备的 替代方案,如电力、燃料电池和动力组合等相继问世,新的发动机技术在过去的十多年 里也有了很大的发展。 1.2纯电动汽车的缺陷 目前世界上最好的纯电动汽车,一次充电行程也只为150—200公里,其主要的原因 是目前仍没有一种能源,能够提供足够高的比能量和比功率,使纯电动车的性能完全与 燃料汽车相匹配。因此,要进行长距离的旅行,人们不得不选用普通燃油汽车。就成本

而言,纯电动汽车比普通燃油汽车高出1.2倍,如日本的黜w4.EV的零售价为495万
日元/辆,而性能相*的汽车零售价为200万日元/辆,因为这种车电池容量为25.30kWh, 电池成本大约占电动车成本的40%,再加上相应的充电站等配套设施还难以跟上,充电 时间过长等原因,现阶段纯电动汽车在国际上还难以被人们普遍接受。因此,为了克服 上述问题,电动车可以采用多能源系统就被人们所关注。

1.3国内外电动汽车的发展历史和现状 美国能源部和美国的三大汽车公司合作,正在推行一项庞大的PNGV计划——混合 动力汽车计划,政府与三大汽车公司分别签定混合动力汽车开发合同,要在低污染的条 件下制造出每百公里油耗不超过3升的汽车,经过三年论证的结果是采用混合动力技术 是切实可行的。 日本汽车界也已将电动汽车开发重点从纯电动汽车转向混合动力汽车,其中丰田公 司在1997年研制出PRIUS,而本田公司研制了基于ISG的轻度混合动力轿车Insight,于 1998年12月推向市场,并获得了好评;丰田的COASTER客车、日野的混合动力客车 和货车也已经进入商业化阶段;日产也继本田推出的Insight混合动力轿车后推出了 TINO混合动力轿车。 欧洲在混合动力汽车的开发、研制和推广方面作了大量投入。目前,德国已有20 辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。欧洲六大汽车公司联合就混合动力汽车 技术、性能等进行了综合评价,认为其技术成果可望使混合动力汽车成本接*于一辆传 统汽车,使客户买得起、卖家可盈利。其对市场的调查也表明,大多数顾客在燃油汽车、 混合动力汽车和纯电动汽车三者之间更愿意选择混合动力汽车。 我国在“八五”和“九五”期间, 学研制的电动中巴已投入试运行; 有计划地开展了电动汽车的研制工作。清华大

中国远望(集团)公司和北京理工大学、国防科技 其他如广东等地区也在

大学及河北长安胜利等单位也联合开发出了电动大客车样车;

进行电动汽车的研制。在此基础上我国混合动力汽车的研制也取得了一定的进展。1998 年,清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车样车;同年,江苏理工大学承担

了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目——混合动力公交轻型客车的研制;其他许
多院校及科研机构也都开始了混合动力汽车的研究和研制工作。

二、混合动力汽车的分类及特点分析
2.1混合动力汽车的分类 而混合动力的实现形式趋于多样化,传统的分类方法按照混合动力汽车传动系统采 用什么样的机械连接结构进行分类,最主要的分类依据是判断内燃机是否与驱动轮有机 械连接,因此出现了所谓的串联式混合动力汽车和并联式混合动力汽车,如图2.1所示, 但随着丰田混合动力系统的出现,已经无法将其归入串联式或并联式的分类中。只能称 之为混联式混合动力汽车,这种以机械连接方式对发动机进行分类的方法未能抓住混合 动力系统的实质,有较大的局限性,现在更具逻辑的分类方法是基于任务的分类方法,

即由于混合动力系统完成的功能不同导致实现的方法也不同,将混合方式分成了三类, 即轻度混合型,功率混合型和能量混合型
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图2.1串联或并联式混合动力汽车 A、轻度混合:选用较小功率的驱动电机,主要依靠内燃机运行,电动机辅助动力 的范围有限,因此所需要的电池的能量也较低,在所有的混合动力汽车中轻度混合方式 是廉价的,成本增加的最小,当然也只能适当的提高燃油经济性和改善排放。如图2.1A 所示

图2.1A轻度混合动力汽车 B、功率混合:采用的驱动电机的功率比轻度混合方式要大,虽然电池的能量仍然 较低,但电池组提供的电功率却较高(20-40kw),相对的成本也要比轻度混合方式要 高得多,功率混合方式能提高80%的燃油经济性,与轻度混合方式相比在改善排放上的 潜力更大。

C、能量混合:其混合程度是三种混合方式中最高的,不仅要求车载电池能有较大 的功率,而且要有较高的能量,而轻度混合型和功率混合型中电池的能量都是较低的。 能量混合型中的驱动电机是主要的原动力,因此要求车载电池能量能够提供足够的电能 (最高达70kW)独立驱动汽车行驶大约70英里,这一点与电动汽车非常相象。 2.2轻度混合动力轿车主要功能分析 轻度混合动力汽车若采用起动机/发电机一体化技术,ISG电机大部分只起发电机作 用,将内燃机的机械能转化为电能向电池充电或者回收汽车减速以及制动时的能量,只 有在启动和动力辅助时才能作为电动机使用。它可以实现自动起停功能、功率补偿功能、 以及高效大功率电能输出功能o A、自动起停功能 所谓的自动起停功能的实现过程如下:如果汽车长时间处于零负荷状态,例如在路 12I红灯时,内燃机一直处于怠速,控制系统回自动切断内燃机的供油系统,令内燃机停 止运行,同时电机也停止工作,需要起步时,电机在O.4s的短时间内完成起动任务。城 市工况下汽车不停的起步和停车以及内燃机的怠速的情况是非常多的,自动起停系统利 用电动机快速起动的特点避开了内燃机起动和长时间怠速过程,提高了燃油经济性和排 放性能。 B、功率补偿功能 内燃机的低速大负荷时的燃油经济性和排放性能均不佳,通常情况下内燃机在此工 况下的转矩输出受到限制,如果需要内燃机在低速大负荷时的能够提供较大的功率就必 须选用更大排量的内燃机,虽然满足了动力性的要求,但牺牲了燃油经济性。电机可以 在内燃机低速大负荷时恢复在电动机状态,提供一部分辅助功率,提高低速时内燃机的 动力性。 C、高效大功率电能输出 电机用作发电机时可以提供6—10kw功率输出,全转速范围内的效率在80%以上。 而现在的车用发电机通过皮带由内燃机曲轴驱动,最大输出功率仅为1.5-2.5kw(最顶级 的皮带驱动的发电机也仅能发出3.5kw的最大功率),发电机的最大效率为70%,而高 速时仅为30%,这就无法满足现代汽车电子产品的功率要求的。

三、混合动力整车系统及其功能
3.1混合动力整车系统的功能单元
混合动力整车的功能可以用功能结构图来说明。该结构图从不同的层次反映了项目

研究开发所必须完成的工作和应达到的水*。整车功能结构图由整车总体功能和相关的 子功能组成,其最底层是可以实施开发设计的功能单元。 整车的总体功能:是项目研究的总体目标,其要求反映了总体目标实现的水*。整 车的总体功能是:高效、低耗。对该总体功能的要求是: 3.1.1子功能 整车总体功能的实现,需要一定的子功能的支持,这些子功能是: 1)能量供给;2)动力供给;3)能量回收;4)信息传递;5)信息反馈 上述五项子功能与整车总体功能的关系,如图3.1.1所示,这五项子功能的综合作 用,实现了整车的总体功能。
整车总体功能。高效、低耗行驶










J I

J L

能重供给

动力供给

能量回收

信息传递

信息反渍

图3.1.1子功能与总体功能关系

a.3.1.2功能单元 功能单元是整车功能结构图的底层,用于支持子功能的实现,其特点是可以据此开 展设计工作。涉及到的功能单元有: 1)燃油储存; 2)电能储存及其管理; 5)电动动力供给; 8)扭矩变换控制; 11)信息通道; 14)信息传递管理; 3)燃油动力供给; 6)电动动力供给控制; 9)回收能量转换; 12)信息接收; 15)信息显示;

4)燃油动力供给控制; 7)扭矩变换; lo)回收能量储存; 13)信息发送;

功能单元与子功能的关系,如图3.1.2所示。 对于子功能和功能单元的要求,可以根据图3.1.2和整车总体功能要求分解得到。 能量供给子功能中的燃油供给,和普通内燃机汽车的功能及要求一致,在这里不做解释。 电能储存及其管理,其物理实现是电池组及其管理系统。为实现电能的储存及其管理, 在原理上有多种实现方式,设计开发所有做的工作是选择最适合的电能储存介质并对电 能的储存做管理。燃油动力供给、燃油动力供给控制在整车系统中由发动机子系统体现 出来,由发动机、发动机控制单元组成。电动动力供给、电动动力供给控制通过整车系 统中的电机及其控制器实现,构成了电机子系统。变速器实现了扭矩变换及扭矩变换控 制,构成传动子系统。能量回收,则是通过图3.2中的电机子系统、电源变换子系统和

电池组子系统来实现。图3.1.2中构成信息传递子功能的功能单元信息传递管理、信息 通道、信息接受和信息发送由CAN总线协议及相关硬件实现,构成了通讯管理子系统。 同样,图3.2中的信息显示子系统,由图3.1.2中的信息传递管理、信息通道、信息接受 和信息显示功能单元组成。 为实现控制的目的,实现高效、低耗行驶的功能及其要求,在进一步理解的基础上 可以得到整车系统控制过程中的信息流,该信息流说明了对轻度混合动力电动汽车实施 控制所必须的信号,是完成控制算发的基础,是满足整车要求的保证。

图3.1.2功能单兀与子功能的关系

b.3.2混合动力整车系统 为实现轻度混合动力的目的,需要对轻度混合动力电动汽车整车系统给予定义,说 明其组成和构成轻度混合动力电动汽车的关键部件之间的关系,并进而说明其功能和要 求。车身、行时系统、悬架系统、制动系统等和普通内燃机汽车相比较没有部分根本变 化的内容这里不做阐述。 以起动/发电机一体化技术为核心的轻度混合动力电动汽车。整车系统是以电机为中 心,由发动机子系统、电机子系统、传动子系统、电池组子系统、电源变换系统、12V 用电系统、多能源管理子系统和通讯管理、信息显示系统构成,如图3.2整车系统构成
所示。

发动机子系统主要包括发动机、发动机控制单元二个主要部分。从理论上讲,发动 机控制单元应该控制发动机和油门开度,使发动机工作在最佳排放或最佳燃油经济性的 区域。针对混合动力电动汽车特殊运行模式的要求,对发动机的进、排气系统进行改进 设计,同时在其运行区域内进行发动机电喷系统的参数匹配、优化及标定,开发电喷系 统的软硬件单元。

图3.2整车系统构成

电机(ISG)子系统由电机及控制器二部分组成。顾名思义,电机能够同时担负启 动电机和发电机的任务,同时也因为其功率大于一般的启动,发电机,所以在需要时,还 可以作为电动机起到助力的作用o ISG控制器通过CAN总线,接受多能源动力总成管 理控制器的指令。作为电动机使用时,ISG使用电池组作为其能源,可以带动发动机启 动,也可以助力。作为发电机工作时,以发动机为动力源,向电池组提供充电电流,向 12V用电系统提供电能,此外,当汽车制动时,也可以被拖动发电,实现制动能量回收。 传动子系统由变速器等组成。传动子系统完成扭矩变换的任务,正因为此,发动机 才能在较宽的汽车行驶速度内工作。开发适合于混合动力需求的动力传动系统;完成动 力传动系统的性能优化,完成动力传动系统控制策略的优化匹配,以提高系统效率,减 少燃油消耗。 电池组子系统,主要由电池组和电池管理系统组成。电池组用于向电机和12V用电 系统提供能量,电池组管理系统用于检测电池组的工作状态以及检测向电池充电的充电 状态。电池管理系统通过CAN总线和多能源动力总成管理控制器进行信息交流并接受 多能源动力总成管理控制器的指令。 电源变换子系统由AC/DC和DC/DC变换器组成。AC/DC变换器用于将ISG发出 的交流电转换为直流电,向电池充电并通过DC/DC向12V用电系统供电。DC/DC是将 电池组的高压直流电变换为12V的低压直流电,以便12V用电系统的使用。 12V用电子系统,主要是指汽车的低压电器零部件。 通讯管理子系统,该子系统主要以软件和硬件的形式体现,即CAN总线通讯协议, 该协议规范了整车各子系统之间的通讯,是整车通讯网络的基础。在软件的基础上,开 发相关的硬件,用于动态管理各子系统之间的通讯。

信息显示子系统,该子系统主要显示行车信息和行车过程中系统内各子系统的工作 状态信息。通常情况下,该子系统通过CAN总线获得相关显示信息。 多能源动力总成管理子系统,该子系统是轻度混合动力电动汽车中的上位控制单 元,通过CAN总线与其它子系统联系并发布控制指令。多能源动力总成管理子系统的 存在,是汽车整车电控系统分层控制思想的体现,这一思想,已应用于大量的商品车中。 采用这一思想的控制系统,层次分明,功能明确,无论对于研究开发,还是对于实际应 用,已经被证明是一种高效的控制系统。多能源动力总成管理子系统获取各子系统和传 感器表达的汽车行驶信息、其它子系统的工作状态信息,进行综合信息处理,在此基础 上对其它各子系统发出控制指令。保证汽车高效、清洁行驶,是多能源动力管理总成子 系统的核心任务。

四、结论
混合动力电动汽车特别是轻度混合动力汽车,混合程度小,,电机功率低,比较容易 在现有的传统内燃机汽车上实现,同时气体排放可达欧Ⅲ,油耗却降低了25%一30%,而 且可以利用现有的加油站加油,其行驶距离也和常用汽车一样,尤其重要的是,其成本 比纯电动车低得多,在大规模生产条件下,整车在成本上基本接*纯内燃机汽车。如果

采用较高的车载电池供电电压,电动机就可以扩大辅助动力的范围,进一步提高燃油经
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