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混合动力汽车研发的关键技术分析介绍

导读: 混合动力系统的研发需要解决很多技术问题,比如控制策略的设计、内燃机燃烧系统的优化、蓄电池的改进、传动系统的匹配设计和新材料新工艺的应用等等。

  混合动力系统的研发需要解决很多技术问题,比如控制策略的设计、内燃机燃烧系统的优化、蓄电池的改进、传动系统的匹配设计和新材料新工艺的应用等等。

  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。传统内燃汽车的控制系统包括发动机的空燃比(或喷油量)控制、点火控制和怠速控制,以及变速器的档位变换和换档感觉控制等。混合动力汽车的控制还需要根据转速、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。

  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。

  2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。

  3蓄电池

  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。自上世纪90年代以来,蓄电池的比能量、比功率、循环寿命等方面的问题就一直成为电动汽车发展的主要障碍;对于混合动力电动汽车来说,由于电动比例较高,因此同样面临着蓄电池技术改进的问题: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,若在汽车十几年的生命周期频繁更换蓄电池的话,混合动力汽车的运营成本将大大提高。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。目前,在混合动力电动汽车上使用的蓄电池主要是铅酸电池、镍氢电池(MH-Ni)和锂离子电池,如克莱斯勒ESX2采用铅酸电池,丰田Prius和本田Insight用镍氢电池日产Tino用锂离子电池。

  4其它技术

  电动机技术、转矩合成技术和新材料应用技术对于混合动力汽车系统也都起着举足轻重的作用。比如,电动机技术涉及电机的工作效率和能量回收策略等问题;转矩合成器将发动机转矩和电动机转矩耦合输出,对系统运行平稳性和可靠性有重大影响;材料技术的应用主要指轻质高强度材料的选择这对提高汽车性能极为有利。

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