混合动力汽车及关键技术综述
作者：程艳
来源：《硅谷》2010年第01期
[摘要]随着能源和污染问题的日益严峻,对混合动力汽车的需求逐渐显现。
因此,通过对混合动力汽车的概念及含义、混合动力汽车的优点、混合动力汽车类型等方面的介绍,论述混合动力汽车的关键技术。
[关键词]混合动力汽车辅助动力单元关键技术控制策略
中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2010)0110164-01
面临环境污染和能源枯竭的双重威胁,包括美国、日本和欧洲在内的世界各大汽车生产国己相继制定出日益严格的环境法规。
传统汽车受到发动机自身技术发展的限制难以满足日益苛刻的法规要求,混合动力汽车的特性决定其在汽车发展过程中起着承上启下角色,是汽车近、中期发展的重点。
1 混合动力汽车概念
混合动力汽车是传统汽车向电动汽车转变的过渡产品。
国际电工委员会(IEC)电动汽车技术委员会将混合动力汽车(HEV:Hybrid Electric Vehicle)定义为:有一种以上能量转换器提供驱动动力的混合型电动汽车,也可简单定义为将电力驱动和辅助动力单元(Auxiliary Power Unit,
APU)合用到一辆车上。
2 混合动力汽车的优点
混合动力汽车较电动汽车和传统内燃机汽车有以下优点:①电池的容量减小,电动汽车自重过大的矛盾有所减缓;②辅助动力单元(APU)的选用,使混合动力汽车的续驶里程和动力性能可以达到当前内燃机的水平;③虽然辅助动力单元中的原动机会有一定的废气排放产生,但由于原动机主要工作在最佳工况点附近,比传统内燃机汽车在低速、怠速、加速及最高速时内燃机变工况时的废气排放相比可达到超低排放水平;④制动能量回收系统可节省能量,同时提高制动系统的可靠性和延长制动器的使用寿命;⑤利用原动机输出的动力直接带动车内空调、暖风、制动空压机(或真空泵)、动力转向系统等,无需消耗电池组内有限的电能,保证了乘员的舒适性和驾驶的轻便性;⑥在某些对汽车废气排放严格限制的地区(如商业中心、旅游区、居民小区等),混合动力汽车可以关闭APU,由纯电力驱动,成为零排放的电动汽车。
3 混合动力汽车的类型
因为混合动力汽车各个组成部件、布置方式及控制策略的不同,形成各式各样的结构型式。
混合动力汽车的分类方法很多,根据动力源数量及动力传递方式的不同,可分为串联型、并联型和混联型。
除按照动力系统的布置方式进行分类之外,按照混合(degree of hybridization)分类在混合动力汽车研究领域也被广泛地采用,可将混合动力汽车分为弱混合(Micro HEV)、中度混合(Mild HEV)和完全混合(Full HEV)。
4 混合动力汽车关键技术
混合动力系统的研发需要解决很多技术问题,其主要的关键技术如下:
(1)控制系统。
这里的控制系统是指汽车动力总成集中控制系统,它是整车正常行驶的核心单元。
混合动力汽车的控制需要根据转速、负荷及车速等信息和相关设备的状态确定发动机与电动机的功率分配策略,即当汽车的负荷给定后,首先要确定发动机与电动机输出功率的比例,以保证满足汽车动力性、经济性、排放性等性能指标的要求。
为了满足混合动力汽车的包括驾驶性等的要求,需要设计与混合动力系统相适应的控制系统和控制策略。
(2)混合动力汽车控制策略。
由于各种混合动力电动汽车结构上的差异,因而需要不同的控制策略来调节和控制功率流在不同元件间的流动,其目的是为了达到以下四个主要目标:最佳的燃油经济性;最低的排放;最低的系统成本;最好的驱动性能。
混合动力电动汽车控制策略的设计主要考虑以下几点:①优化发动机的工作点:基于最佳燃油经济性、最低排放或者二者选其一,根据发动机的转矩/转速特性曲线确定最优工作点;②优化发动机的工作曲线:如果发动机需要发出不同的功率,相应的最优工作点就构成了发动机的最优工作曲线;③优化发动机的工作区:在转矩/转速特性曲线上,发动机有一个首选的工作区,在此工作区内,燃油效率最高;④最小的发动机动态波动:应控制发动机的工作转速以避免波动,从而使发动机的动态波动达到最小;⑤限制发动机最低转速:当发动机低速运行时,燃油效率很低,因而当发动机转速低于某一下限值时,应关闭发动机;⑥减少发动机的开/关次数:频繁地开/关发动机,引起油耗和排放增加;⑦合适的蓄电池荷电状态:蓄电池的容量须保持在适当的水平,以便在汽车加速时提供足够的功率,在汽车制动或下坡时能回收能量。
若蓄电池的容量过高,应关闭发动机或使之怠速运转;⑧安全的蓄电池电压:在放电、发电机充电或制动回收充电时,蓄电池的电压挥发生很大变化,应避免蓄电池电压过低或过高,否则蓄电池会产生永久性破损,因而蓄电池管理很关键;⑨分工适当:在驱动循环中,发动机和蓄电池应合理分担汽车所需功率;⑩在某些城市或地区混合动力电动汽车以纯电动模式工作效率最高,这种转变可以通过手动或自动来实现。
(3)内燃机。
经过100多年的发展,车用内燃机在动力性、经济性及排放控制方面获得了很大改善。
近年来电控燃油喷射、排气再循环、增压中冷、可变进气涡轮、高压共轨和催化后处理等技术的应用,更使汽车的性能飞速提高,因此,作为一种成熟的动力设备,内燃机在混合动力电动汽车上的应用难度不大。
由于可移动性能好、比功率大、热效率也较高,因此,内燃机仍然是影响整车效率和性能的关键设备。
(4)混合动力电动汽车用电池的开发研制及充电特性和电池管理系统的研究。
蓄电池是混合动力电动汽车发展的关键技术,也是提高整车性能和降低成本的重要发展方向。
蓄电池技术存在的问题:第一,比能量相对不足,因而成本较高,比能量值越高,汽车经济性越好;第二,蓄电池的寿命相对较短,蓄电池寿命一般为充放电1000次左右,比整车寿命低得多。
另外,蓄电池的应用还涉及到充电时间较长、电池荷电状态(SOC)判别等问题这些都不同程度影响整车性能。
(5)高效低成本辅助动力单元(APU)的研制。
适用与混合动力系统的原动机小型,高速直喷式汽油机,高速燃气轮机,斯特林发动机等优化设计,发电机,燃料电池的性能改进等,都是今后混合动力汽车辅助动力单元实用化的重要组成部分。
5 结束语
随着能源和环境问题的凸显,混合动力汽车越来越成为未来汽车发展的必然趋势。
混合动力汽车兼顾了纯电动汽车和传统汽车的优越性,是汽车动力系统过渡和转型战略的关键环节。
混合动力汽车作为新兴的技术,还有很多问题需要解决,但是在全世界汽车技术工作者的共同努力下,相信混合动力汽车的春天必将到来。
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作者简介:
程艳(1984-),女,大学本科,就职于湖南永州职业技术学院。