混合動力汽車/電動汽車

日期：2023-04-24 09:41:50

少的燃油消耗和尾氣排放，從而實現省油和環保的目的。以豐田的混合動力汽車PRIUS為例，該車由燃油發動機和電池兩種動力，在汽車啟動和低于24公里時速行駛時，燃油發動機并不工作，而是由轎車自帶的電池提供動力，只有在汽車行駛速度超過24公里/小時的時候，燃油發動機才開始工作；在汽車突然加速的時候，電池就會幫助燃油發動機一起加速；在汽車高速行駛時，電池會為汽車的空調，音響，前大燈和尾燈等汽車輔助設施提供能量，從而減少燃油發動機的負荷；而在汽車減速和剎車的時候，汽車本身為電池進行充電，實現能量的循環使用，并最大限度地保存和節約能源。1、采用復合動力后可按平均需用的功率來確定內燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優工況下工作。需要大功率內燃機功率不足時，由電池來補充；負荷少時，富余的功率可發電給電池充電，由于內燃機可持續工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。2、因為有了電池，可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。3、在繁華市區，可關停內燃機，由電池單獨驅動，實現"零"排放。6、可讓電池保持在良好的工作狀態，不發生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。復合動力電動汽車有兩種基本的工作方式，即串聯式、并聯式和串并聯（或稱混聯）式。復合動力驅動汽車的缺點是：有兩套動力，再加上兩套動力的管理控制系統，結構復雜，技術較難，價格較高。由于"新一代汽車伙伴合作"（PNGV）計劃的推動美國三大汽車公司對各種單元技術及其不同組織進行成百種方案的篩選、比較，認為采用復合動力是實現中級轎車百公里3升油耗的可行方案因此而受到更大的關注。經過多年研究，混合動力電動汽車已開發出一些成功的例子。日本豐田汽車公司1997年12月宣布將復合動力電動轎車PRIUS投入小批量商業化生產，該車自重1515KG，裝用頂置凸輪軸四缸，1500CC排量汽油機，最大功率42．6KW/4600R/MIN，帶永磁無刷發電機，驅動電機亦為永磁無刷的額定功率30KW，采用氫鎳電池，實現串并聯控制方式，百公里油耗為3．4L，比原汽油車減少了一半，CO2排量也相應減少了一半，CO、HC、NOX僅為現行法規允許值的10%，售價每輛216萬日元（約15000美元）。美國克萊斯勒汽車公司1998年2月在底特律展出第二代道奇無畏ESX2型復合動力電動轎車，該車裝用1500CC排量直噴柴油機帶發電機，采用鉛酸電池，交流感應電機驅動，鋁車架，復合材料車身，自重1022KG，百公里油耗降至3．4L。2000年通用，福特，戴姆勒·克萊斯勒已開發出100公里油耗已達到3升汽油或接近3升汽車的樣車，只是價格仍較貴。2）可以使發動機經常工作在高效低排放區，提高了能量轉換效率，降低了排放；4）在繁華市區，可關停內燃機，由電機單獨驅動，實現“零”排放；5）電機和內燃機聯合驅動提高了車輛動力性，增強了駕駛樂趣；6）利用現有的加油設施，具有與傳統燃油汽車相同的續駛里程。混合動力系統的研發需要解決很多技術問題，比如控制策略的設計、內燃機燃燒系統的優化、蓄電池的改進、傳動系統的匹配設計和新材料新工藝的應用等等。由于各種混合動力電動汽車結構上的差異，因而需要不同的控制策略來調節和控制功率流在不同元件間的流動，其目的是為了達到以下四個主要目標：(2)優化發動機的工作曲線：如果發動機需要發出不同的功率，相應的最優工作點就構成了發動機的最優工作曲線;(3)優化發動機的工作區：在轉矩/轉速特性曲線上，發動機有一個首選的工作區，在此工作區內，燃油效率最高;(4)最小的發動機動態波動：應控制發動機的工作轉速以避免波動，從而使發動機的動態波動達到最小;(5)限制發動機最低轉速：當發動機低速運行時，燃油效率很低，因而當發動機轉速低于某一下限值時，應關閉發動機;(7)合適的蓄電池荷電狀態：蓄電池的容量須保持在適當的水平，以便在汽車加速時提供足夠的功率，在汽車制動或下坡時能回收能量。若蓄電池的容量過高，應關閉發動機或使之怠速運轉;(8)安全的蓄電池電壓：在放電、發電機充電或制動回收充電時，蓄電池的電壓揮發生很大變化，應避免蓄電池電壓過低或過高，否則蓄電池會產生永久性破損，因而蓄電池管理很關鍵;(10)在某些城市或地區混合動力電動汽車以純電動模式工作效率最高，這種轉變可以通過手動或自動來實現。經過100多年的發展，車用內燃機在動力性、經濟性及排放控制方面獲得了很大改善。近年來電控燃油噴射、排氣再循環、增壓中冷、可變進氣渦輪、高壓共軌和催化后處理等技術的應用，更使汽車的性能飛速提高，因此，作為一種成熟的動力設備，內燃機在混合動力電動汽車上的應用難度不大。由于可移動性能好、比功率大、熱效率也較高，因此，內燃機仍然是影響整車效率和性能的關鍵設備。蓄電池是混合動力電動汽車發展的關鍵技術，也是提高整車性能和降低成本的重要發展方向。自上世紀90年代以來，蓄電池的比能量、比功率、循環壽命等方面的問題就一直成為電動汽車發展的主要障礙;對于混合動力電動汽車來說，由于電動比例較高，因此同樣面臨著蓄電池技術改進的問題：第一，比能量相對不足，因而成本較高，比能量值越高，汽車經濟性越好;第二，蓄電池的壽命相對較短，蓄電池壽命一般為充放電1000次左右，比整車壽命低得多，若在汽車十幾年的生命周期頻繁更換蓄電池的話，混合動力汽車的運營成本將大大提高。另外，蓄電池的應用還涉及到充電時間較長、電池荷電狀態(SOC)判別等問題這些都不同程度影響整車性能。目前，在混合動力電動汽車上使用的蓄電池主要是鉛酸電池、鎳氫電池(MH-NI)和鋰離子電池，如克萊斯勒ESX2采用鉛酸電池，豐田PRIUS和本田INSIGHT用鎳氫電池日產TINO用鋰離子電池。其基本結構是由電動機、發動機、發電機、HV蓄電池、變壓器組成。由一個小輸出功率的發動機進行準穩恒性運轉來帶動發電機，直接向電動機供應電力，或一邊給HV蓄電池充電一邊行駛。由于內燃發動機的動力是以串聯的方式供應到電動機，所以稱為“串聯式混合動力系統”。并聯式混合動力系統使用電動機和發動機兩種動力來驅動車輪用發動機來給HV蓄電池充電，其基本結構是由電動機、發動機、HV蓄電池、變壓器和變速器組成。并聯式混合動力系統中利用HV蓄電池的電力來驅動電動機。因電動機兼用為發電機，所以不能一邊發電一邊用來行駛。動力的流向為并聯，所以稱為“并聯式混合動力力系統”。混聯式混合動力利用電動機和發動機來驅動車輪，并可用發電機來發電及自行充電。混聯式混合動力利用電動機和發動機這兩個動力來驅動車輪，同時電動機在行駛當中還可以發電。根據行駛條件的不同，可以僅靠電動機驅動力來行駛，或者利用發動機和電動機驅動行駛。另外還安裝有發電機，所以可以一邊行駛，一邊給HV蓄電池充電。基本結構由電動機、發動機、HV蓄電池、發電機、動力分離裝置、電子控制單元(變壓器、轉換器)組成。利用動力分離裝置將發動機的動力分成兩份，一部分用來直接驅動車輪，另一部分用來發電，給電動機供應電力和HV蓄電池充電。電動機擅長從低速帶開始發揮威力，而發動機則在高速帶大顯身手。本系統通過理想地控制二者，可在所有條件下提供高效率的行駛。在HEV上普遍采用以計算機為核心的現代計算機技術和自動控制技術，各種智能控制系統，包括自適應控制技術（MRAC）、模糊控制技術（FUZZY）、專家控制系統（EXPERTSYSTEM）、神經網絡控制系統(NEURALNETWORKS)等也逐漸應用到EV、FCEV和HEV上，使HEV更加安全、節能、環保和舒適。HV蓄電池組包括HV蓄電池模塊，蓄電池計算機，系統主繼電器及維修插座，這些部件匯總裝在一個殼體內，設置在后座位之后。為了保證在加速等場合下放電，在減速時利用制動器回收充電的反復進行，HV蓄電池將一直向HV蓄電池計算機輸出充電狀態信號，HV蓄電池計算機利用充放電電流的累計值，將充電狀態值始終控制在目標范圍之內。HV蓄電池的充放電將引起自身的發熱，為確保蓄電池性能，對冷卻風扇的工作方式進行控制。指在利用內部充電器充電的過程中，監視蓄電池狀態，保證適當充電所進行的控制。通過HV控制計算機，根據空調的要求來改變冷卻風扇的工作方式。監視蓄電池的溫度及電壓等，當檢測出有異常時，通過限制或停止充放電以保護蓄電池。此外，按要求使報警燈亮，輸出與記憶診斷代碼。當蓄電池的溫度升高時，冷卻風扇將按照蓄電池計算機的指令調節風量。此外，還可根據空調的要求，改變空調的工作方式。SMR按照HV控制計算機的指令，接通與切斷高壓電路電源。加上控制正負兩極用的在內，SMR共配置了3個繼電器，保證了動作的可靠。在接通高壓系統時，首先是接通SMR1與SMR3，接著接通SMR2，斷開SMR1，由于一開始就使控制電流通過附加電阻，所以防止高壓的大電流突然加到電路上。斷開電路時，依次斷開SMR2與SMR3，HV控制計算機將分別確認它們是否已可靠的斷開。在維修插頭與逆變器罩蓋上設有連鎖機構，連鎖機構用來檢測高壓部分的防護狀態并自動地斷開系統主繼電器。當連鎖機構動作時，儀表板上的主報警燈亮，以通知駕乘人員。在連鎖機構動作后，每兩次之中有1次使系統主繼電器動作，以便恢復高壓電路。在檢查與維修時，應取下維修插頭，在HV蓄電池的中間位置處斷開高壓，從而確保安全操作。制動能量回收，就如同剎車，如果四輪同時進行就比較理想，因此就有必要將發電機和四個車輪同時連接，這對于4輪驅動車來說，需要在前后都備有電動機/發電機裝置，并且能前后分別控制轉矩。但是，這樣的4輪驅動車的價格是十分昂貴的，對于通常的行駛，就不需要反映雜餓裝置，因此是不可能實現的。一般來說，前輪驅動或者后輪驅動的2輪驅動車占大多數。因為汽車的重心比地面高，而且基本上都是前進行駛，所以當剎車制動時，前輪的載荷增加，后輪的載荷減小。在前輪驅動的情況下，因為發動機，變速箱前置，所以前輪的載荷原本就比較大，而且在制動時由于又增加了載荷，所以必要的制動力就增加，配置在前輪的發電機的制動能量回收相對來說是比較大的。相反，在后輪驅動的情況下，通過后輪進行能量回收的效果就不大顯著。后輪的制動力過大，在輪胎和路面之間超過摩擦極限后，會使車輪打滑，這時就使汽車不穩定，偏離路面而碰到障礙物或者是橫向翻滾。為了避免此類事情的發生，通常，乘用車的制動力分配給前輪70﹪~80﹪。因此，前輪驅動車的制動能量回收和后輪驅動車的制動能量回收相比較的話，為70/30的程度，后輪驅動車的制動能量回收率最多也只有前輪驅動的一半。通常的汽車，在減速，制動的情況下，使用了發動機剎車。通過這個，因為在一定程度上進行了制動能量回收，因此如果不使用發動機剎車，全部由發電機來吸收制動能量是比較好的。CIVIC混合動力車為了降低發動機剎車的能量吸收在制動時，將四缸中的三缸停止運行。高爾夫混合動力在發動機和電機之間設置了離合器，清除了發動機剎車的影響。但是，這又帶來了離合器的重量，空軍和成本的問題。在堵車時，反復停車啟動緩慢行駛的情況下，對于通常的發動機車，由于剛要切斷發動機時接著又要啟動發動機，比較麻煩，所以就直接將發動機怠速運行，這樣就對排放和燃油消耗都不利。為了解決這個問題，對于通常的汽車，對在一定時間以上的停車情況，將發動機自動停止，然后在下一次啟動時，直接通過加速踏板就能將發動機啟動來驅動車輛。在此情況下，設定停車到將發動機關掉的時間是比較困難的，而且也有發動機啟動時的振動和噪音問題。為此，混合動力車在停車時，直接將發動機關掉，車輛啟動時通過電機將車輛驅動到一定的車速，這樣就可以完成平順的駕駛。這樣，即使車輛啟動頻繁也具有抑制尾氣排放的優點。發動機車的停止，啟動的思想雖然以前就有，但沒有普及的原因可以認為是反映了實現這樣的驅動系統的困難程度。以大眾高爾夫為起點，在日野的重型車，本田的混合動力車等上使用了起動機/發電機或者電機/發電機，幾乎不需要變更尺寸，就可以安裝在原來的發動機的飛輪位置。綜合的重量，成本增加被控制在小的幾乎所有的傳統起動機，發電機和離合器的制造商，都進行這方面的商品化開發，而且有發表的成果。如果將來不需要傳統的起動機和發電機的話，對于這些制造商來說，或許理所當然就成為生死攸關的問題，大多數人認為，將來這種形式是混合動力的需要。如果能大量生產成本得以下降的話，可以預計混合動力化的障礙就可以非常小。一輛混合動力轎車被送到維修廠進行維修時，如果把發動機熄火，并且將點火鑰匙置于開的位置，那么維修時可能會出現問題。打算維修這輛轎車的技術人員這時可能會認為，既然發動機已經關閉了，因此可以安全進行維修工作。但這時如果踩下加速踏板，可能會使電動馬達重新啟動，從而產生嚴重的后果。在本田公司的混合動力轎車上，在發動機轉速表左下方有一個汽車駐車指示燈，如果這個燈在閃爍，則表明該輛轎車處于“怠速停止”模式，同時也是在警告你，在維修該車輛之前，一定要把點火開關關掉。當然，在維修混合動力轎車時，最嚴重的安全顧慮就是它的高壓電氣系統，其中包括電動馬達，蓄電池組，控制系統和電線束。為保證安全，所有的高壓電線接線端都是密封的或隔離的，而且電線束都是潔凈的橙黃色。如果沒有戴性能良好的高壓防護絕緣手套，就不要輕易觸摸這些電線束。即使這些絕緣手套上只有一個極小的針孔，都可能會導致電流從手套穿過，經人體流向大地，傷害技術員的生命。對于本田公司的這兩款混合動力轎車，要想拆除轎車上的高壓電氣系統，需要打開智能動力單元上面的一個小蓋子，并且把里面的開關打到OFF位置。要想拆除豐田PRUIS的高壓電氣系統，只需要取下位于駕駛員一側的行李廂后面的維修塞即可。維修塞的嵌板在后排座位附近的地毯下面。當你維修高壓電氣系統的時候，建議你把維修塞放在你的口袋里隨身攜帶，以防其他維修人員在你維修時又把它安上去。請使用原裝設備制造商推薦的潤滑油，這對于讓混合動力轎車獲得最佳的性能表現，以及滿足保修的技術要求等，都是非常重要的。本田和豐田混合動力轎車的儀表板上都有故障指示燈，當混合動力轎車的電氣系統無法正常工作時，故障指示燈將會給出警告指示信號。本田的混合動力轎車上有一個集成化電動機助力系統故障指示燈，它能夠閃爍出符號IMA，表示該車需要維修。4.2PRUIS在各工況下的工作原理當減速或制動時，則由車輪的慣性力驅動電動機。這時電動機變成了發電機，車輛制動能量轉換成了電能。電池組電量保持在一個恒定水平。當系統發現電池組電量下降會啟動發動機驅動發電機發電，向電池組充電。PRIUS的儀表板上有一個多功能資料顯示屏，顯示屏是7英寸輕觸式彩屏，可以顯示各項車上的使用資料，例如動力狀況、耗油量、電池充放電量、檔位、音響、空調狀況等，并可手觸彩屏調節冷氣及音響系統。PRIUS的變檔撥桿安裝在中控板位置上，巧小玲瓏，桿頭標志著檔位位置。①起動。插入鑰匙，踩住剎車踏板及按下起動按鈕（POWER），直至液晶儀表上的“READY”信號燈亮起，掛上D檔前進。③電腦分析汽車負荷、加速踏板壓力及電池狀態，決定以馬達、或者馬達與發電機并用，提供最有效率的動力分配及組合。經常使用馬達會導致電池電量下降，當降到一定限值時，發動機會自行起動帶動發電機向電池充電。⑤當減速和剎車時，在制動力作用下混合動力系統會將馬達轉為發電機，將動能轉化為電能，向電池充電。⑥當PRIUS停止時，發動機會自動熄機，以減少不必要的燃油消耗及廢氣排放。PRIUS的環保空調系統全以電力驅動，因此關閉發動機空調也一樣可以運行。3．電池：HEV可以采用各種不同的蓄電池、燃料電池、儲能器和超級電容器等作為"電池"，一般電池是作為HEV的輔助能源，只有在HEV永電動機起動發動機或電動機輔助驅動時才使用。這樣做的好處是：可以較大程度減少發動機的排量如過去用3升機，現在用1.6升就可以；由于有電動機作輔助驅動，可以實現能量回收，提高了燃料經濟性；可以將發動機轉速平穩的調整到最佳轉速狀態，排放污染大大減少；和普通的汽車一樣，不用設置新加油站。但它也有缺點，主要是增加了動力源，配置復雜，增加了占用空間和重量等，但算起來還是合算的，利多弊少，所以發展很快。在高性能電池方面，深圳雷天綠色電動源公司開發的鋰離子電池續駛能力達到三百公里，最高時速可達一百二十公里，可充電次數一千次以上，單臺車電池成本四萬元左右；深圳中星汽車制造公司研制的超級納米碳纖素電池容量是一般鉛酸電池的十一倍，能量比功率可達每千克一千瓦時，充電僅需十分鐘就可以完成，壽命可達十年以上，價格為鋰電池的一半，體積為鋰電池的三分之一，均展示出明顯的商業化前景。他說，中國在電動汽車關鍵技術研究方面，與世界先進水平的差距只有八年左右，在有些領域還處于世界領先地位，趕上甚至超過發達國家的機會和可能性很大。蓄電池雖然廉價、安全可靠，但能量低、自重大、體積大、續行里程短，還需要建設地面充電檢測等設施，難于為地方政府、企業、用戶所接受。由于技術的原因，電動汽車的性能還比不上普通汽車，如雪鐵龍公司的SAXON電動小轎車的最大功率為20千瓦，最長行程是95公里，最高時速為95公里，所以電動汽車不能作為長途旅行的交通工具。當然，電動汽車成本高，所以市場價格會比原型汽車高。但是控制每輛電動汽車的成本，使之不超過原型車的30%，這樣價格就不是問題了。因為從電動車的性能上看，對電動車的一次性投資比對傳統車的長遠投資要劃算得多。世界上最好的電動汽車，即日本的PRIUS2003款混合動力電動汽車售價是兩萬美元，其性價比很高。這樣看來，到2008年，混合動力電動汽車有可能進入普通家庭，成為一種大眾消費。”