混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量管理策略研究

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I 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能量管理策略研究 摘要： 隨著全 世界 石油資源的日益枯竭和 對(duì) 環(huán)境保護(hù)力度的 增加 ，迫使全球 的汽車(chē)工業(yè)開(kāi)發(fā)新 能源的汽車(chē) ， 而把 傳統(tǒng) 的 燃油汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē) 的 優(yōu)點(diǎn) 融入到新型汽車(chē)中成為當(dāng)今熱門(mén) 。 都認(rèn)為只有這樣才是最適合當(dāng)今社會(huì)的混合 能源 汽車(chē) ，混合動(dòng)力汽車(chē)性能 的充分發(fā)揮 與 其 采用的能量管理策略 息息相關(guān) 。 所使用的能源不光要滿(mǎn)足汽車(chē)動(dòng)力性能 ， 還要減少污染物的排放。因此，所使用的 策略應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)的特性 和當(dāng) 時(shí) 實(shí)際 的運(yùn)行工況 來(lái)實(shí)現(xiàn) 發(fā)動(dòng)機(jī) 和 電機(jī)之間 最佳 的轉(zhuǎn)矩分配， 從而達(dá)到最優(yōu) 。 關(guān)鍵詞： 混合動(dòng)力汽車(chē) ； 能量管理系統(tǒng) ； 控制策略 of in to of s is s of of is is to to be on of to so as to 錄 摘要 .................................................................................................................................... I ........................................................................................................................... 錄 ................................................................................................................................. 緒論 ................................................................................................................................ 1 言 ............................................................................................................................. 1 合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展概況 ..................................................................................... 1 文主要內(nèi)容 ............................................................................................................. 2 2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能源分析 ....................................................................................... 4 學(xué)電池 ..................................................................................................................... 4 離子 電池 .............................................................................................................. 4 氫電池 ................................................................................................................ 10 酸電池 ................................................................................................................ 10 理電池 ................................................................................................................... 13 物電池 ................................................................................................................... 14 章小結(jié) ................................................................................................................... 15 3 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù) ..................................................................................... 16 動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù) ........................................................................................ 16 力電池及其管理系統(tǒng) ............................................................................................ 16 車(chē)能量管理控制系統(tǒng) ............................................................................................ 16 進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用 ............................................................................................... 17 4 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)基本結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制策略 ................................................. 19 聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) ...................................................................................... 19 動(dòng)模式 ................................................................................................................. 19 缺點(diǎn) .................................................................................................................... 19 制策略 ................................................................................................................ 20 聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) ........................................................................................ 21 結(jié)構(gòu) ......................................................................................................................... 21 動(dòng)模式 ................................................................................................................. 21 缺點(diǎn) ..................................................................................................................... 21 制策略 ................................................................................................................ 22 聯(lián)式 的 電動(dòng)汽車(chē) .................................................................................................... 22 構(gòu) ....................................................................................................................... 23 制策略 ................................................................................................................. 23 5 總結(jié)和展望 .................................................................................................................. 25 參 考 文 獻(xiàn) .............................................................................................................. 26 致 謝 .............................................................................................................................. 27 1 1 緒論 言 隨著全球資源的減少和環(huán)保努力的發(fā)展，低排放，低功耗的新型車(chē)輛電力系統(tǒng)是全球汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)不斷發(fā)展壯大的同時(shí)還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決。怎樣能夠更加有效利用電池的能源、延長(zhǎng)電池的使用壽命和能源回收等問(wèn)題成為電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的阻力。而將傳統(tǒng)燃料車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)融合在一起的混合動(dòng)力汽車(chē)則成為未來(lái)發(fā)展的方向。作為一種新的多能源汽車(chē)，怎樣有效的利用汽車(chē)能源管理系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)進(jìn)行能源管理是其發(fā)展的首要問(wèn)題。混合動(dòng)力汽車(chē)的性能與能源管理戰(zhàn)略息息相關(guān)。因此，研究混合動(dòng)力汽車(chē)的能源管理體系和控制策略是非常重要的。 電動(dòng)汽車(chē)近些年來(lái)解決了能源危機(jī)和車(chē)輛的排放量的問(wèn)題，并且開(kāi)發(fā)了新型的清潔能源汽車(chē)。雖然目前電動(dòng)汽車(chē)有兩個(gè)或者更多的能源來(lái)源，通過(guò)能源管理戰(zhàn)略來(lái)協(xié)調(diào)相互之間的運(yùn)行，更多部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)，電機(jī)）和一種或多種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)（如燃料，電池，飛輪）為一體，根據(jù)駕駛條件的不同來(lái)切換不同的運(yùn)行模式，充分發(fā)揮內(nèi)燃機(jī)車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)從而實(shí)現(xiàn)低排放，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，但同時(shí)還要考慮到汽車(chē)的駕駛舒適性和車(chē)輛動(dòng)力性能。作為車(chē)輛的關(guān)鍵性能，多能源管理戰(zhàn)略已成為全球汽車(chē)行業(yè)的研發(fā)重點(diǎn) [1]。 合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展概況 混合動(dòng)力汽車(chē)是兩種或更多能源的汽車(chē) [2]。具有比能量（單位質(zhì)量燃料能量）和比功率（單位質(zhì)量燃料功率）的優(yōu)點(diǎn)，顯著提高了常規(guī)內(nèi)燃機(jī)排放和燃油經(jīng)濟(jì)性能，使電動(dòng)車(chē)輛行駛范圍大大增加 。 20 世紀(jì) 90 年代，世界汽車(chē)業(yè)巨頭 專(zhuān)注 于 純 電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展，以掌握未來(lái)汽車(chē)的主動(dòng)性 。 日本豐田汽車(chē)公司 首先 在 1997 年 12月將混合型汽車(chē)市場(chǎng) 在 日本 建立 ， 隨后在 2000年初開(kāi)始 開(kāi)拓 北美市場(chǎng)， 而 月產(chǎn)量從 剛開(kāi)始的 1000 輛到 2000 輛 ， 到后來(lái)的 三年銷(xiāo)售量達(dá) 臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)巨大突破到最后甚至出現(xiàn)了 產(chǎn)品供不應(yīng)求的情況， 各大 汽車(chē)廠(chǎng)商 為之 震驚。 然而 豐田，本田，日產(chǎn)等大公司都不甘心 落后 其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手 ，分別開(kāi)發(fā)了自己的混合動(dòng)力汽車(chē)， 并且 取得了顯 著 成效。1999年底，本田開(kāi)始銷(xiāo)售“ 2 合摩托車(chē)）混合動(dòng)力系統(tǒng)和無(wú)級(jí)變速器，是一款全新的跑車(chē)， 被 美國(guó)環(huán)保局 排 為2001年美國(guó)十大節(jié)能汽車(chē)排名第一，第二 則 是豐田汽車(chē)公司 研發(fā)的 普銳斯。 在歐洲， 許多 汽車(chē)制造商紛紛推出 了具有自己專(zhuān)利技術(shù)的 混合動(dòng)力汽車(chē)。 其中法國(guó) 是 代表之一， 它的 價(jià)格可以與燃油車(chē) 進(jìn)行 競(jìng)爭(zhēng) 達(dá)到 國(guó)際先進(jìn)水平。德國(guó) 的幾個(gè) 知名零部件公司也 都 與大型汽車(chē)公司 開(kāi)始 合作開(kāi)發(fā)。 90 年 代 來(lái)，美國(guó)政府 加強(qiáng) 與企業(yè)之間的技術(shù)合作，重點(diǎn)關(guān)注 了 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，由能源部 、 交通運(yùn)輸部和國(guó)防部在內(nèi)的大量投 資 公司及有關(guān)部門(mén) 熱衷于 開(kāi)展混合動(dòng)力汽車(chē) 的 研究工作。 1993 年 美國(guó)總統(tǒng) 和 三 家 汽車(chē)公司總裁聯(lián)合 推 出了“新一代汽車(chē)合作伙伴計(jì)劃”， 目的是 開(kāi)發(fā)新 型的 節(jié)能汽車(chē)。 如今 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出 的 各種形式的混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)在 集成 電源模塊等技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著成績(jī)。 隨著電池和電機(jī)技術(shù)的 不斷 成熟 、 電子控制元件的發(fā)展和成本的降低以及能源使用 效率 和 對(duì) 環(huán)境 的 影響等因素， 比 將進(jìn)一步減少 ， 使用循環(huán)平均成本有可能低于汽油車(chē)。 我國(guó)政府也很重視 “技術(shù)研究”是國(guó)家科委“八五”科技 的重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。 關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)研究在 1996 年 這個(gè) 項(xiàng)目通過(guò) 了 國(guó)家計(jì)委，教育委員會(huì)和機(jī)械部 的 驗(yàn)收 ; 在關(guān)鍵技術(shù)，特別是 在對(duì) 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) 研究中 ，許多科研單位也 對(duì) 了混合模式和控制策略 進(jìn)行了 研究， 還對(duì) 參數(shù)匹配和性能預(yù)測(cè)研究 開(kāi)展了準(zhǔn)備工作?！熬盼濉逼陂g中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)三大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域（電池，電機(jī)，電子控制系統(tǒng)） 都已經(jīng) 實(shí)現(xiàn)突破?？萍疾繉⑵?chē)工業(yè)列為“ 十 五”國(guó)家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目 。在 “十五”期間，國(guó)家投資 巨大來(lái) 支持電動(dòng)汽車(chē)的前瞻性研究。國(guó)家科技“十五”計(jì)劃制定 的 目標(biāo) 是 ：發(fā)展 能源管理系統(tǒng) 和 驅(qū)動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)， 努力趕上 世界的 先進(jìn)水平 ， 展 是 國(guó)家高科技研發(fā)計(jì)劃（ 863 計(jì)劃）的 主要 研究課題之一。專(zhuān)家認(rèn)為，中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展應(yīng) 將 傳統(tǒng)汽車(chē) 和 電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)型為混合動(dòng)力汽車(chē)的歷史機(jī)遇為目前中國(guó)汽車(chē)發(fā)展的重點(diǎn)，首先要完成批量生產(chǎn) 再 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)突破。 1998 年，清華大學(xué)和廈門(mén)金龍公司開(kāi)發(fā)了混合動(dòng)力電動(dòng)公交車(chē)。廣華大學(xué)和廣州電動(dòng)公司 合作 開(kāi)發(fā)了混合動(dòng)力公交車(chē)和公交車(chē)測(cè)試車(chē)輛 是串聯(lián)結(jié)構(gòu)， 仍處于初級(jí)轉(zhuǎn)換階段 ;東風(fēng)汽車(chē)公司承接“ 863”混合動(dòng)力開(kāi)發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)完成，并已推出混合動(dòng)力電動(dòng)公交車(chē) ， 車(chē)輛性能良好 ;得到 了 國(guó)家有關(guān)部門(mén)的支持。 文主要內(nèi)容 3 本文針對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的能源和管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出不同模式下的管理策略進(jìn)行分析。 具體研究的內(nèi)容： 1） 介紹了電動(dòng)汽車(chē)的能源類(lèi)型，對(duì)其進(jìn)行分析。 2） 對(duì)電動(dòng)汽車(chē)幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行講解 3）對(duì)電動(dòng)汽車(chē)幾種動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的管理策略進(jìn)行研究。 4 2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能源分析 電池一般分為化學(xué)電池，物理電池和生物電池三大類(lèi)，其中化學(xué)電池和物理電池已經(jīng) 開(kāi)始廣泛使用 ，生物電池 則 被視為未來(lái)車(chē)載電池重要發(fā)展方向。 學(xué)電池 化學(xué)電池是指電化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)能的正，負(fù)活性物質(zhì) 的能量轉(zhuǎn)化的 一類(lèi)能量裝置。 化學(xué)電池是電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中最廣泛使用的，如鎳氫電池，鋰離子電池，鋰 離子電池，燃料電池等 都 屬于這一類(lèi)。從結(jié)構(gòu) 上 來(lái)看，它可以 再次 分為 蓄 電池和燃料電池兩大類(lèi)，我們目前看到絕大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)都用 的是 驅(qū)動(dòng)電池技術(shù) 。 離子 電池 “鋰電池”是 以 鋰金屬或鋰合金作為陽(yáng)極材料，采用電解液的 電池 。鋰金屬電池最早由 . 出并研究。 20世紀(jì) 70年代時(shí)， M. S. 因?yàn)?鋰金屬的 十分 活潑， 所以在使用時(shí)要特別小心 。因此，鋰電池長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有被 廣泛 應(yīng)用。隨著科技的發(fā)展，鋰電池已成為主流 [3]。 鋰離子電池一般采用鋰金屬 或其 氧化物作為陰極材料，石墨為陽(yáng)極材料，采用非水電解質(zhì)電池 。 鋰離子電池 是 21 世紀(jì)發(fā)展的理想能源 。 a） 工作原理 ： 負(fù)極的主要材料為碳材料，正極的主要材料是含鋰化合物。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正，負(fù)向之間往復(fù)嵌入脫嵌，被稱(chēng)為“搖椅電池” 。 充電時(shí)，有很多 生通過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而具有層狀結(jié)構(gòu)的 碳為負(fù)極，嵌入碳層的孔中的離子越多充電能力越高。同樣，當(dāng)電池放電時(shí)，嵌入負(fù)極碳層中的鋰離子出來(lái)，并返回正極。鋰離子越高，放電量越高。 鋰離子電池由正，負(fù)和電解質(zhì)三部分組成。 電極材料是可嵌入（插入） /去嵌入（去插拔）的鋰離子。 正極反應(yīng)：放電 入，充電 離。 充電時(shí)： + 放電時(shí)： + 極材料：多采用石墨。最新研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。 負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子分解，充電時(shí)鋰離子進(jìn)入。 充電時(shí)： 6C → 5 放電時(shí)： 6C b） 循環(huán)壽命 ： 壽命周期，其實(shí)目前的電池的實(shí)際可用容量是因?yàn)槠涔S(chǎng)額定容量，呈下降形勢(shì)。 影響鋰離子電池循環(huán)壽命的因素有很多，但其內(nèi)在根本原因或能量轉(zhuǎn)移中鋰離子的數(shù)量正在減少 [5]。應(yīng)該注意的是，電池中鋰的總量不會(huì)減少，但是“活化”的鋰離子較少，它們被監(jiān)禁在其他地方或在通道的活動(dòng)被阻塞，不能自由地參與電荷循環(huán)和放電過(guò)程。 所以，只要我們明白這些應(yīng)該參與鋰離子的氧化還原反應(yīng)，去找出容量下降的機(jī)制，針對(duì)性地采取措施來(lái)延緩鋰電池容量的下降，延長(zhǎng)鋰離子電池的循環(huán)壽命。 （ 1） 金屬鋰的沉 積 金屬鋰的沉積，一般發(fā)生在負(fù)極表面。由于 一些 原因，鋰離子在到負(fù)極表面 過(guò)程中 ，部分 的 鋰離子沒(méi)有進(jìn)入負(fù)極 與 活性物質(zhì)形成穩(wěn)定的化合物，而是得 到 電子后沉在負(fù)極 的 表面 形成 金屬鋰， 而它 并不參與 之后的 的循環(huán)過(guò)程， 無(wú)法 導(dǎo)致容量下降。 像 這種，一般有幾種原因：截止電壓充電 ; 放大倍率 和 負(fù) 極 材料短缺。當(dāng)過(guò)充或負(fù) 極的 材料不足時(shí) ， 負(fù)極 無(wú)法接受 從正極遷移的鋰離子，導(dǎo)致的沉積。放大倍率大 是 由于鋰離子在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到負(fù)數(shù)過(guò)多 從而 造成堵塞和沉積。 金屬鋰沉積不僅會(huì)導(dǎo)致 壽命 的下降，嚴(yán)重 得話(huà) 會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極短路，造成嚴(yán)重的安全隱患。要 想 解決這個(gè)問(wèn)題， 不僅 需要合理的正負(fù)材料比例，同時(shí) 還要 限制鋰電池使用條件的使用，避免超出使用限制的情況。當(dāng)然，從放大性能出發(fā)，也可以提高循環(huán)壽命。 （ 2） 正極材料的分解 鋰金屬氧化物作為陰極材料，雖然具有足夠的穩(wěn)定性，但在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中， 還 會(huì) 有 分解， 產(chǎn)生了 一些電化學(xué)惰性物質(zhì)（如 ）和一些易燃?xì)怏w ， 破壞 了 電極之間的電容平衡，造成不可逆轉(zhuǎn)的容量損失。 這種情況在過(guò)度充電的情況下特別明顯，有時(shí)甚至 會(huì)有 劇烈的分解和氣體釋放，不僅影響電池的容量，而且還會(huì)造成嚴(yán)重的安全隱患。 6 除嚴(yán)格限制電池充電截止電壓外，提高陰極材料的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了循環(huán)壽命的 可 行方法。 （ 3） 電極表面的 如 之 前所 描述的那樣 ， 把 碳為負(fù)極的鋰離子電池， 在 電解液在 剛開(kāi)始循環(huán) 的時(shí)候會(huì) 在電極 的 表面形成一層固體 的 電解質(zhì)膜，不同的陽(yáng)極材料 所形成的膜 將 會(huì) 不同。 電解質(zhì) 膜的形成消耗 了 電池中的鋰離子，膜 也變得不 穩(wěn)定，并且在循環(huán) 過(guò)程中 將繼續(xù)破裂，暴露 在外的 新的碳表面與電解質(zhì)反應(yīng)以形成新的膜。這樣將會(huì) 繼續(xù)造成鋰離子和電解質(zhì)的持續(xù)損失， 最后 導(dǎo)致電池容量降低。電解質(zhì) 膜具有一定的厚度 ， 雖然鋰離子可以滲透，但 電解質(zhì) 膜會(huì)引起部分?jǐn)U散通道阻塞的負(fù)面不利于鋰離子在陽(yáng)極材料中的擴(kuò)散，這將導(dǎo)致電池 的能力下降。 圖 （ 4） 電解質(zhì)的影響 電解液中含有 許多具有 活性 的 金屬離子雜質(zhì)。 這些 雜質(zhì)的電位低于電池的正電位，容易在 表面進(jìn)行 氧化 還原反應(yīng) ，活性物質(zhì) 被不斷地消耗從而引起自放電 反應(yīng) 。 電解液中 存在 一定量的水分，水會(huì)與電解液中的 生 反應(yīng)，生成 破壞 電解質(zhì) 膜，產(chǎn)生更多的 致 積，持續(xù)消耗活性鋰離子， 最終會(huì) 導(dǎo)致電池壽命周期 的 下降。 7 從上述分析 得出 ，電解液對(duì)鋰離子電池的循環(huán)壽命有非常重要的影響，選擇適當(dāng)?shù)碾娊庖?，將能夠顯著提高電池的循環(huán)壽命。 （ 5） 隔離膜阻塞或損壞 隔離膜的 作用 是將電池 的 正極 和負(fù)極 分開(kāi) 來(lái)以 防止短路。電池循環(huán) 時(shí) ，性能下降的 主要 原因 是膜漸漸干燥失去作用 。 這主要是由于隔膜本身的電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能的缺乏，以及隔離膜上的電解液在重復(fù)充電過(guò)程中滲透引起的劣化 ， 由于隔離膜干燥，電池歐姆電阻增大，導(dǎo)致充放電通道堵塞，充放電不完全 ， 電池容量不能恢復(fù)到初始狀態(tài)，大大降低了電池容量和使用壽命。 （ 6） 鋰離子電池有合理的使用條件和范圍，如充放電截止電壓，充放電倍率，工作溫度范圍，存儲(chǔ)溫度范圍等。但是在實(shí)際使用當(dāng)中，超出允許范圍的濫用情況非常普遍，長(zhǎng)期的不合理使用，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)，造成電池機(jī)理的破壞，加速電池的老化，造成循環(huán)壽命的迅速下降，嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)造成安全事故。 c） 鋰離子電池安全問(wèn)題 ：其內(nèi)部原因電池內(nèi)部熱量失控，蓄熱，導(dǎo)致電池溫度持續(xù)上升，外部性能正在燃燒，爆炸等強(qiáng)烈的能量釋放現(xiàn)象 。 電池 是具有 高密度能量 的 ，存在不安全因素，能量密度越高，其能量釋放 產(chǎn)生 的影響越大，安全問(wèn)題越明顯。汽油，天然氣，乙炔等高能承運(yùn)人也有同樣的問(wèn)題，年度安全事故無(wú)數(shù)。 不同的電化學(xué)系統(tǒng) 和 使用環(huán)境 對(duì) 鋰離子電池的安全程度有較大的影響。 作為蓄電池的儲(chǔ)能，在能量釋放過(guò)程中，當(dāng)電池的發(fā)熱量和蓄熱速率大于冷卻速率時(shí)，電池的內(nèi)部溫度會(huì)持續(xù)上升。鋰離子電池由高活性 的 陰極材料和有機(jī)電解質(zhì)組成，在熱條件下很容易發(fā)生 劇烈 的化學(xué) 反應(yīng) ， 產(chǎn)生對(duì)安全產(chǎn)生威脅 的副作用， 這種反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，甚至 可能會(huì) 導(dǎo)致“熱失控” 。 這是 電池引起的風(fēng)險(xiǎn)事故的主要原因 。 關(guān)于鋰離子電池的循環(huán)壽命 1） 分解，電解液放熱副反應(yīng) 8 固體電解質(zhì)膜在鋰離子電池的初始循環(huán)中真正形成，我們不希望 也 不希望完全不存在。 因?yàn)? 的 合理存在，可以保護(hù)負(fù)極活性物質(zhì)，不與電解液反應(yīng)。 可是當(dāng)電池內(nèi)部溫度達(dá)到 130℃左右時(shí)， 就會(huì)分解，導(dǎo)致負(fù)極完全裸露，電解液在電極表面大量分解放熱，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度迅速升高。這是鋰 離子 電池內(nèi)部 產(chǎn)生的 第一個(gè)放熱副反應(yīng)，也是 引起 一連串熱失控問(wèn)題的 原因 。 2） 電解質(zhì)的熱分解 由于電解液在負(fù)極側(cè)的反應(yīng)熱，電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升，這導(dǎo)致電解液 溶劑進(jìn)一步熱分解。 這個(gè)副反應(yīng) 釋放的熱量使得電池的溫度達(dá)到 大致在 130℃ ~250℃ 范圍之間， 并且 伴隨著大量的熱 的 產(chǎn)生，進(jìn)一步 升高了 電池內(nèi)部的溫度。 3） 正極材料的熱分解 隨著電池內(nèi)部溫度 的 進(jìn)一步 上升，電池內(nèi)部發(fā)生 分解 反應(yīng)并且 伴隨 有大量的熱 量 和氧 氣產(chǎn)生 。 不同的正極材料，由熱量產(chǎn)生的活性物質(zhì)的分解不同，氧含量的釋放也不同。 磷酸鐵鋰正極材料由于分解產(chǎn)生的熱量較少，因此在所有陰極材料中，熱穩(wěn)定性最突出。鎳鈷錳材料分解會(huì) 有 更多的熱量 產(chǎn)生 ， 并且 伴隨有 大量的氧氣釋放， 非常 容易發(fā)生燃燒或爆炸 這類(lèi)事件 ， 因此 安全性相對(duì)較低。 4） 粘結(jié)劑與負(fù)極高活性物質(zhì)的反應(yīng) 負(fù)極 的 活性材料 合劑的反應(yīng) 發(fā)生 溫度 應(yīng)該 從 240℃開(kāi)始，峰值 則會(huì) 出現(xiàn)在 290℃ 左右 ，反應(yīng)放熱 可以達(dá)到 達(dá)到 1500J / g。 從上面的分析可以 得出 ，鋰離子電池的熱 反應(yīng)的 失控，不是 一 瞬間完成，而是一個(gè) 循序 漸進(jìn)的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程一般是通過(guò)充電，放大倍數(shù)放大，短路，短路，振動(dòng)，碰撞，跌落，沖擊等原因，導(dǎo)致電池內(nèi)短時(shí)間產(chǎn)生大量的熱量 ， 并繼續(xù)積累 ， 促進(jìn)電池溫升。 9 一旦溫度上升到內(nèi)部鏈反應(yīng)（約 130℃）的閾值溫度，鋰離子電池將自發(fā)地產(chǎn)生一系列放熱副反應(yīng)，并進(jìn)一步加劇電池內(nèi)的熱積聚和溫度升高 。當(dāng)溫度到內(nèi)部溶劑和可燃性氣體的燃點(diǎn)時(shí)， 容易發(fā)生 燃燒和爆炸等事故。 在使用鋰離子電池的過(guò)程中，沒(méi)有絕對(duì)的安全性，只有相對(duì)的安全性。我們應(yīng)該盡量避免濫用情況，降低危害事件發(fā)生的可能性。也可以從正負(fù)材料，電解質(zhì)，隔離膜等主要成分入手，選擇化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性材料，具有良好的阻燃性能，在內(nèi)外熱失控激勵(lì)下，減少內(nèi)部副作用的熱量，或具有較高的點(diǎn)火溫度，以避免發(fā)生熱失控現(xiàn)象。在電池結(jié)構(gòu)和外殼設(shè)計(jì)上面，要充分考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，達(dá)到足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能承受外部應(yīng)力，確保不會(huì)發(fā)生內(nèi)部變形。另外，冷卻性能也需要集中考慮，如果能及時(shí)分配熱量，內(nèi)部溫度不會(huì)持續(xù)上升，不會(huì)發(fā)生熱失控。 圖 控反應(yīng) 我的鋰離子電池安全設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單地將陰極材料的分解熱量來(lái)衡量鋰離子電池的安全性并不全面。從系統(tǒng)的角度講，磷酸鐵鋰電池不見(jiàn)得一定比三元材料的電池更安全，因?yàn)樽罱K影響熱失控的因素很多，正極材料分解所產(chǎn)生的熱量?jī)H僅是其中的一個(gè)因素。 鋰離子電池技術(shù)的先進(jìn)性和在新興關(guān)鍵市場(chǎng)（電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域）的應(yīng)用，已激發(fā)全球范圍內(nèi)的研發(fā)熱潮，因此鋰離子電池勢(shì)必將在電動(dòng)汽車(chē)和新能源領(lǐng)域占據(jù)重要位置。目前在電動(dòng)汽車(chē)中，應(yīng)用更多的鋰離子電池是磷酸鐵鋰電池，其熱穩(wěn)定性和安全性更好，而價(jià)格相對(duì)便宜。 這些因素使磷酸鐵鋰電池成為小型電動(dòng)車(chē)和 0 動(dòng)力電池的首選。 但是，在鋰離子電池中，磷酸鋰電池的比能量，比功率等相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，鋰鈷氧化物和鋰錳電池在大型的純電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。 氫電池 鎳氫電池 是 目前除了鋰電池 以 外主流的另一種電動(dòng)汽車(chē)電池，在上世紀(jì) 90 年代 開(kāi)始 逐漸發(fā)展 。 工作原理： 電解質(zhì) 主要以 解質(zhì)為 7 5g/L 充電時(shí) 陽(yáng)極反應(yīng)： H)2 + 極 反應(yīng)： M + 反 應(yīng)： M + H)2 → 電時(shí) 正極： H)2 + 極： M + 反應(yīng)： M + H)2 在上式中， 常用的儲(chǔ)氫合金是 而鋰 離子 電池，鎳氫電池也需要電池管理系統(tǒng)，但其更 加 側(cè)重于電池充放電管理。 存在這種區(qū)別 主要 因?yàn)?鎳氫電池具有“記憶效應(yīng)”，就是電池在充放電過(guò)程中容量會(huì)出現(xiàn)衰減，過(guò)充或放電，可能會(huì)增加電池容量損失 。 因此，對(duì)于 制造 商來(lái)說(shuō)，鎳氫電池控制系統(tǒng)將主動(dòng)避免過(guò)度充放電 。 鎳氫電池陰極采用金屬氫氧化鎳，陽(yáng)極采用錫氫合金。鎳氫電池 相比于其他電池 具有許多無(wú)污染，比能量高，功率大，充放電快，耐久性等諸多優(yōu)點(diǎn)。 而 與鉛酸電池相比鎳氫電池 比能量更高。 和鎳鎘電池 相比 其比能量為鎳鎘電池的兩倍。另一大優(yōu)點(diǎn)是鎳氫電池不含鎘，鉛等有毒金屬，其中一 部分還 具有較高的 回收價(jià)值 ，可稱(chēng) 志 為綠色能源。 酸電池 11 鉛酸電池 的 電極 是 鉛及其氧化物，電解液 是 硫酸溶液 。 鉛酸蓄電池放電狀態(tài) 時(shí)電池正極 的主要成分是 二氧化 鉛，鉛 是負(fù)極主要成分 。 在 充電狀態(tài) 時(shí) 主要成分正負(fù)極都 是硫酸鉛 [8]。 a） 鉛酸電池結(jié)構(gòu) 表 表 極中的電化學(xué)反應(yīng) 件 材料 作用 正極 正極為鉛 鈣合金欄板，內(nèi)含 氧化鉛 為活性物質(zhì) 保證足夠的容量 長(zhǎng)時(shí)間使用中保持蓄電池容量，減小自放電 負(fù)極 負(fù)極為鉛 鈣合金欄板，內(nèi)含海綿狀纖維活性物質(zhì) 保證足夠的容量 長(zhǎng)時(shí)間使用中保持蓄電池容量，減小自放電 隔板 先進(jìn)的多微孔 板保持電解液，防止正極與負(fù)極短路。 防止正負(fù)極短路 保持電解液 防止活性物質(zhì)從電極表面脫落 電解液 在電池的電化學(xué)反應(yīng)中，硫酸作為 電解液 傳導(dǎo)離子 使電子能在電池正負(fù)極活性物質(zhì)間轉(zhuǎn)移 外殼和蓋子 在沒(méi)有特別說(shuō)明下，外殼和蓋子為 脂 提供電池正負(fù)極組合欄板放置的空間 安全閥 材質(zhì)為具有優(yōu)質(zhì)耐酸和抗老化的合成橡膠。 電池內(nèi)壓高于正常壓力時(shí)釋放氣體，保持壓力正常 阻止 氧氣 進(jìn)入 12 端子 根據(jù)電池的不同，正負(fù)極端子可為連接片、棒狀、螺柱或引出線(xiàn)。 密封端子有助于大電流放電和長(zhǎng)的使用壽命 充電是連接到電池的外部直流電源充電，使能量可以轉(zhuǎn)化為化學(xué) 能 儲(chǔ)存。放電是從電池釋放以驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的電源。 當(dāng)鉛酸電池充電到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)，充電電流僅用于分解水中的電解液，此時(shí)，電池正極氧 氣 ，負(fù)氫氣，電池氣體溢出，導(dǎo)致電解液減少。 b）原理 將鉛酸電池（ 陰極（ 入電解液（稀硫酸）中，基于鉛酸電池的原理兩者之間將 會(huì) 產(chǎn)生 2壓 ，通過(guò)充放電，陽(yáng)極和電解液將發(fā)生 如下 變化： 2 2 合價(jià)降低，負(fù)電荷 在電解液中 流動(dòng) ;合 價(jià) 上升 ，正電荷流動(dòng)。 2 2 一硫酸鉛鉛 的化合價(jià)上升 ，被氧化，正電荷為正 。 第二鉛酸 中 鉛 化合價(jià) 較低，負(fù)電荷減少為負(fù)值。 1當(dāng) 電池 外部電路放電時(shí)，稀硫酸與陽(yáng)極 接觸并開(kāi)始 反應(yīng)，生成化合物硫酸鉛。通過(guò)釋放硫酸從電解液中釋放出來(lái)，放電時(shí)間越長(zhǎng)，硫酸濃度越濃。消耗的組成和排放比例，只要測(cè)量電解質(zhì)中的硫酸濃度，測(cè)量其比重，就可以知道放電或剩余電量。 硫酸鉛生產(chǎn)的陰極板在充電時(shí)會(huì)分解成硫酸，鉛和二氧化鉛，電池電解液濃度逐漸升高 。 意思是 電解液的比重上升并 開(kāi)始逐漸回到排出前的濃度。該變化表示電池中的活性物質(zhì)已被切換到能夠重新通電的狀態(tài)。當(dāng)硫酸鉛轉(zhuǎn)化為原來(lái)的活性物質(zhì)時(shí)電荷結(jié)束，陰極板 上發(fā)生反應(yīng) 產(chǎn)生氫，陽(yáng)極板 產(chǎn)生 氧氣，充電到 了 最后階段 ， 電流幾乎 全都是 用于水電解，因此電解液會(huì)減少 很多 ，此時(shí)應(yīng) 往電解液中 加入純水。 c）使用壽命 （ 1）放電深度 13 放電深度是放電由始到終的程度。 100％深度指全部容量。設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)是使用深，淺或浮沖使用。當(dāng)用于淺循環(huán)的電池用于深循環(huán)使用時(shí)，鉛酸電池即將失效。 （ 2）過(guò)充電程度 在過(guò)充電時(shí)大量的氣體析出，正極板的活性物質(zhì)受到氣動(dòng)沖擊，導(dǎo)致活性物質(zhì)脫 落。 另外，正極柵格合金受到嚴(yán)重的陽(yáng)極氧化和腐蝕，使電池縮短了使用期限。 （ 3）溫度的影響 鉛酸蓄電池的使用壽命隨溫度的上升而提高，每次升高 1℃，約多 5? 6個(gè)循環(huán)；35℃ ? 45℃，每升 1℃可延長(zhǎng)壽命 25 個(gè) ; 高于 50℃，由于負(fù)極固化能力 下降。使得壽命縮短。 在一定范圍內(nèi)的電池壽命隨溫度升高而延長(zhǎng)，因?yàn)槿萘繒?huì)隨著溫度的升高而加大。如果放電的容量不變，如果放電深度的升溫降低，固體壽命將會(huì)延長(zhǎng) . （ 4）硫酸濃度的影響 酸性密度的增加，雖然對(duì)正極板的容量有利，但同時(shí)電池自放電量也會(huì)增加，板柵腐蝕也會(huì)加快促進(jìn)了二氧化鉛的釋放。所以說(shuō)電池中使用酸密度增加，循環(huán)壽命將會(huì)下降。 （ 5）放電電流密度的影響 放電電流密度越大，電池的壽命越少。而在高電流密度和高酸濃度條件下使得二氧化鉛脫落壽命逐漸降低。 燃料電池不是真正意義的“電池”，而是一個(gè)大型發(fā)電系統(tǒng)。由于其具有轉(zhuǎn)換效率高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)被認(rèn)為未來(lái)能源的重要發(fā)展方向。簡(jiǎn)而言之，燃料電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，能源主要取決于燃料和氧化劑的不斷供應(yīng)。 在理論上，燃料電池可以使用大量的燃料類(lèi)型，甚至可以使用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)燃料，但是真正可以發(fā)揮電化學(xué)反應(yīng)，只有一種氫氣和氧化劑在氧氣中，因此，氫燃料電池是目前燃料電池研究的核心。 理電池 物理電池是依靠物理變化來(lái)提供電池蓄電，超級(jí)電容器，飛輪電池等屬于物理電池 。 14 物理電池特性： 1） 用物理方式儲(chǔ)存。 2） 可無(wú)限次充電且充電快速。以智慧型手機(jī)為例，其充電時(shí)間約 78秒。 3） 放電（使用）過(guò)程為物理現(xiàn)象不會(huì)產(chǎn)生熱。 4） 5小的晶片可儲(chǔ)存 10而質(zhì)量只有 5） 電壓范圍（ 00V）。 6） 充電電壓越高電力儲(chǔ)存量越高 E=1/2） 沒(méi)有記憶性的問(wèn)題。 8） 沒(méi)有揮發(fā)性，不會(huì)漏電。 9） 使用壽命：可無(wú)限次數(shù)深度 (電和充電。 超級(jí)電容功率密度高但電池容量小 超級(jí)電容器是傳統(tǒng)電容器和電池組件之間的電源，主要依靠雙電層和氧化還原電容充電來(lái)存儲(chǔ)電力，在此期間沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，被歸類(lèi)為物理電池類(lèi)別。 與以前介紹的化學(xué)電池相比，超級(jí)電容器有三個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，首先，其重復(fù)充放電幾十萬(wàn)（傳統(tǒng)化學(xué)電池只有幾百到幾千次），使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化學(xué)電池 ;二，超級(jí)電容器的充放電功率密度極高，瞬間可以釋放大量電力，滿(mǎn)足車(chē)輛更廣泛 的電力需求 ;三，工作環(huán)境更好適應(yīng)性，一般戶(hù)外溫度在 可穩(wěn)定正常工作（傳統(tǒng)電池一般為 ? 60℃）。當(dāng)然有優(yōu)勢(shì)還不足夠， 能量密度低 是限制超級(jí)電容器發(fā)展的主要瓶頸 。 所以現(xiàn)在主要應(yīng)用于汽車(chē)起動(dòng)系統(tǒng)，軍用和少量公共交通工具，至于是否使用的家用電源， 還需繼續(xù)研究 。 飛輪電池是 20世紀(jì) 90年代提出的 一種新的電池 。 簡(jiǎn)而言之， 飛輪是類(lèi)似于能量產(chǎn)生的原理，旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自己的充放電。 2010年 在 首次使用飛輪電池技術(shù)。這兩種型號(hào)的飛輪電池僅 作為 輔助能源使用 。 我們相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和 生產(chǎn)成本的進(jìn)一步下降，飛輪電池的應(yīng)用前景 十分光明。 物電池 生物電池是將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能。生物能量代謝與氧化還原反應(yīng) 息息相關(guān) 。這些氧化還原反應(yīng)相互影響，相互依存，形成網(wǎng)絡(luò)， 從而進(jìn)行 生物能量 的 代謝。 特點(diǎn)：與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比 較 ，生物電池具有操作 和功能優(yōu)勢(shì)。 1）將底物直接轉(zhuǎn)換成電能，確保高能量轉(zhuǎn)換效率。 15 2）與現(xiàn)有的生物能源處理不同，生物電池可以在常溫常壓或甚至低溫環(huán)境條件下正常運(yùn)行，并具有電池維護(hù)成本低，安全性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 3）生物燃料電池產(chǎn)生的廢氣的主要成分是二氧化碳所以不需要處理。 4）具有生物相容性，可以直接植入人體內(nèi)。 5）在全國(guó)缺乏電力基礎(chǔ)設(shè)施的許多地區(qū)，生物燃料電池有更大的潛力需要被開(kāi)發(fā)。 在今天化石燃料日益緊張，環(huán)境日益惡化，而生物燃料電池表現(xiàn)良好，為我們帶來(lái)光明的未來(lái)?，F(xiàn)實(shí)情況由于技術(shù)方面限制，生物電池的研究和使用仍處于初始階段。 為生物電池能夠更快地得到廣泛應(yīng)用，科學(xué)家們正在不斷努力 。 其前景非?？捎^，對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展具有推動(dòng)作用，對(duì)解決環(huán)境和能源問(wèn)題具有重要意義。 章小結(jié) 本章主要分析了 電動(dòng)汽車(chē)的能源類(lèi)型，對(duì)其中化學(xué)電池中的鋰離子電池，鉛酸電池，鎳氫電池的原理，使用壽命和影響因素進(jìn)行仔細(xì)分析并對(duì)使用前景進(jìn)行暢想。 16 3 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)關(guān)鍵技術(shù) 動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù) 電動(dòng)機(jī)的 研發(fā)主要集中在交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。 在 高速均勻的行駛條件下，采用感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)常起動(dòng) ， 停機(jī)，低速運(yùn)行的城市條件下，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)效率 高 ，控制技術(shù)包括大功率電子設(shè)備，轉(zhuǎn)換器，微處理器和電機(jī)控制算法。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件，直接影響到車(chē)輛的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要包括直流電機(jī)和交流電機(jī)。目前，電動(dòng)汽車(chē)廣泛 使用的是 交流電動(dòng)機(jī) 。 電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)如下： （ 1）電機(jī)體的永久磁化：具有高轉(zhuǎn)矩 、 高功率密度，高可靠性等特性的永磁電動(dòng)機(jī)。中國(guó) 是 世界上稀土資源最豐富的國(guó)家，所以高性能永磁電機(jī)是中國(guó)汽車(chē)電機(jī)發(fā)展的重要方向。 （ 2）電機(jī)數(shù)字控制：出現(xiàn)專(zhuān)用芯片和數(shù)字信號(hào)處理器，促進(jìn)電機(jī)的數(shù)字控制，提高電機(jī)系統(tǒng)的控制精度，有效降低系統(tǒng)尺寸。 （ 3）電機(jī)系統(tǒng)集成：通過(guò) 對(duì) 機(jī)電一體化和控制器 的 集成 可以減少占地面積，使用起來(lái)也更加方便相應(yīng)的成本也降低了。 力電池及其管理系統(tǒng) 混合動(dòng)力汽車(chē) 電池的 性能直接影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能 。 它用于激勵(lì)電動(dòng)機(jī)并向動(dòng)力系輸出峰值功率，另一個(gè)是吸收制動(dòng)器的再生能量并將其儲(chǔ)存。再生 能量 對(duì)于提高混合動(dòng)力汽車(chē)的整體效率非常重要 [11]。 車(chē)能量管理控制系統(tǒng) 17 圖 主要功能是進(jìn)行整車(chē)功率控制和工作模式的切換控制 [12]。 根據(jù)駕駛員的操作，確定駕駛員的意圖，以滿(mǎn)足司機(jī)的需要 的前提之下，合理分配 電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)，電池的等功率組件的功率輸出，利用最佳管理，使有限燃料發(fā)揮最大的作用。車(chē)輛在最大恢復(fù)制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能如何能夠確保安全的制動(dòng)距離和車(chē)輛穩(wěn)定性，這是再生制動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)中難以解決的難題之一。 而 制動(dòng)恢復(fù)系統(tǒng)和防抱死系統(tǒng)的 相互配合 可以完美的 解決這個(gè)問(wèn)題。 進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用 隨著電子科技的發(fā)展和電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代，越來(lái)越多的電子產(chǎn)品應(yīng)用到了汽車(chē)上音樂(lè)，車(chē)載電視的應(yīng)用使得人們可以在旅途之余可以放松身心，為旅途帶來(lái)許多歡樂(lè)。還有電子導(dǎo)航等等設(shè)備的安裝提升了汽車(chē)的各種性能會(huì)為帶來(lái)更多便利。新舊 控制技術(shù)的結(jié)合將使未來(lái)的 汽車(chē)的性能更加優(yōu)越 。 18 19 4 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)基本結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制策略 國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì) (稱(chēng)混合動(dòng)力車(chē)輛的定義：“在特定的工作條件下，可以從兩種或兩種以上的能量存儲(chǔ)器、能量源或能量轉(zhuǎn)化器中獲取驅(qū)動(dòng) 汽車(chē)的能量 。其中至少有一種存儲(chǔ)器或轉(zhuǎn)化器要安裝在汽車(chē)上?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)至少有一種能量存儲(chǔ)器、能量源或能量轉(zhuǎn)化器可以傳遞電能。串聯(lián)式只有一種能量轉(zhuǎn)化器可以提供驅(qū)動(dòng)力，并聯(lián)式則不止一種能量轉(zhuǎn)化器提供驅(qū)動(dòng)力 ”。 現(xiàn)在，大部分 是在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)中添加高性能動(dòng)力電池作為蓄電裝置，通過(guò)電 網(wǎng) 發(fā)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。根據(jù) 連接關(guān)系， 聯(lián)和混合 三種基本類(lèi)型 。 聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) 發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)，電池組，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器 是構(gòu)成串聯(lián)式的主要部件。 發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于發(fā)電，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力供給電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī) 則 被集成到作為輔助動(dòng)力單元的系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)輸送的動(dòng)力超過(guò)車(chē)輛所需時(shí)，該系統(tǒng)能夠擴(kuò)展車(chē)輛的里程。 除此之外， 電池也可以 作為 單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)來(lái)提供電力來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，使汽車(chē)處于零污染狀態(tài)。 動(dòng)模式 把 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力和輸出功率， 全部 輸出到電機(jī) 中來(lái) 驅(qū)動(dòng) 行駛。電機(jī)是唯一的驅(qū)動(dòng)模式。只有電機(jī)直接連接到驅(qū)動(dòng)軸（與純電動(dòng)車(chē)相同），并且發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接到發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電能來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或?yàn)殡姵爻潆?。?chē)輛運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)輸出，電動(dòng)機(jī)將存儲(chǔ)在電池中的電能轉(zhuǎn)換成 驅(qū)動(dòng) 車(chē)輪 轉(zhuǎn)動(dòng) 的機(jī)械能。當(dāng)電池的充電狀態(tài)（ 低到預(yù)定值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始對(duì)電池充電。發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不以將發(fā)動(dòng)機(jī)所經(jīng)受的車(chē)輛的瞬態(tài)響應(yīng)最小化的方式機(jī)械連接在一起。瞬態(tài)響應(yīng)的減少允許發(fā)動(dòng)機(jī) 在 最佳燃料噴射和點(diǎn)火控制 時(shí)執(zhí)行 ，以在最佳工作點(diǎn)附近 進(jìn)行工作 。 缺點(diǎn) 串聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)： (1)發(fā)動(dòng)機(jī) 可以可根據(jù)運(yùn)行工況長(zhǎng)時(shí)間保持 在 一個(gè)相對(duì) 穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。 20 （ 2） 從整體結(jié)構(gòu)上看，只有發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)的電力系統(tǒng)，其特點(diǎn)更加趨近于電動(dòng)汽車(chē)。 缺點(diǎn) ： （ 1）其各自功率的組裝大，形狀較大，質(zhì)量也較大，在中小型電動(dòng)車(chē)布局上有一些困難 。 （ 2）在發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失較大。 所以 ，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量輸出低于內(nèi)燃機(jī)的能量輸出。 串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)更適用于大型客車(chē)，布局更 加適合在 復(fù)雜的道路和山路 條件下 運(yùn)行。在城市高環(huán)境要求下，汽車(chē)起動(dòng)和低速，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉到純電狀態(tài)，使汽車(chē)滿(mǎn)足零排放要求。隨著電池技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)能源性能不斷提高，串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量越來(lái)越少，最終達(dá)到純電動(dòng)汽車(chē)的目標(biāo)。 圖 制策略 由于串聯(lián)混合動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)與車(chē)輛的行駛狀況沒(méi)有直接的關(guān)系 。 因此能源管理策略的主要目標(biāo)是使發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率和排放面積最大 [13]。 除 此 之 外，為了優(yōu)化能量分配的總體效率，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)共同考慮。串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)一般采用恒溫策略，電力跟蹤策略，能源管理策略三大基本策略的基本規(guī)律。恒溫策略具有發(fā)動(dòng)機(jī)效率高，排放低的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn) ： 由于 頻繁 的進(jìn)行充放電， 使得 發(fā)動(dòng)機(jī) 產(chǎn)生 動(dòng)態(tài)損耗 ， 造成 轉(zhuǎn)換效率 變 低。在整個(gè)車(chē)輛的功率要求下，發(fā)動(dòng)機(jī)跟 據(jù) 功率跟蹤策略 。 發(fā)動(dòng)機(jī) 負(fù)載再不斷上升過(guò)程中 ，發(fā)動(dòng)機(jī)排放減少 但效率 21 也降低了 。 不僅 結(jié)合了 兩種 策略的優(yōu)勢(shì)。 又 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性圖，設(shè)定 了 高效率工作區(qū)域 。 動(dòng)力電池 應(yīng)當(dāng) 根據(jù)動(dòng)力電池的充放電特性進(jìn)行設(shè)定狀態(tài)范圍并設(shè)定一套合理的 控制 策略 。 根據(jù)電力和 分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池的高效率區(qū)域，實(shí)現(xiàn)最高的整體效率。 聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) 構(gòu) 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)，電池組，電機(jī)控制器等組成 ， 串聯(lián)混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)是不同的，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)以機(jī)械能疊加的方式驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，可以結(jié)合成不同的動(dòng)力學(xué)模型。因此，采用低功率發(fā)動(dòng)機(jī)和電 /發(fā)電機(jī)，使得整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的組裝尺寸，質(zhì)量都較小，成本較低，行駛時(shí)間也可以比串聯(lián)混合動(dòng)力車(chē)更長(zhǎng)，但布局結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜 ，形式的實(shí)現(xiàn)也是多樣化的，其特點(diǎn)更接近于內(nèi)燃機(jī)車(chē)。并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)通常用于小型混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)輛。 圖 動(dòng)模式 在并聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)通過(guò)扭矩耦合裝置直接連接到驅(qū)動(dòng)軸上。 電動(dòng) 機(jī)可用于平衡發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，使其能夠在高效率區(qū)域工作，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)通常為滿(mǎn)載（中等速度），燃油經(jīng)濟(jì)性最好。當(dāng)車(chē)輛在較小的道路負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，常規(guī)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料效率相對(duì)較差，并且現(xiàn)在可以關(guān)閉并聯(lián)混合動(dòng)力車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)，并且僅使用電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛或增加負(fù)載 的發(fā)動(dòng)機(jī)使電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，將電池充電以供以后使用（即在駕駛汽車(chē)的同時(shí)進(jìn)行充電）。由于平 衡條件下 發(fā)動(dòng)機(jī)下穩(wěn)定的高速駕駛具有較高的效率，因此在高速公路上駕駛具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。 缺點(diǎn) 22 優(yōu)點(diǎn)：（ 1）提高了能量的利用率。（ 2）由于電機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率參數(shù)選擇可適當(dāng)減少。