1、北京理工大学机械与车辆学院1提高车辆燃油经济性的技术措施孙阳 20090604（ 北京理工大学 北京 ）摘 要：车辆的燃油经济性是车辆的重要指标之一，混合动力电动汽车的结构特点及其良好的控制策略决定了它在提高燃油经济性方面的巨大优势，本文对混合动力电动汽车提高车辆的燃油经济性的技术做一整理与总结。关键字：燃油经济性；混合动力；电动车1 绪论随着石油等不可再生资源的不断消耗导致的油价上涨的因素的影响，车辆燃油经济性越来越成为人们衡量车辆总体性能的一项重要指标。因此对于车辆燃油经济性的研究也成为了热点，而混合动力电动汽车在提高车辆燃油经济性的方面有着明显的优势，因而也是当今对汽车燃油经济性的主要研
2、究方向之一，本文针对混合动力电动汽车提高车辆燃油经济性的技术做一整理与总结。1.1 燃油经济性的评价指标目 前 世 界 上 评 论 汽 车 燃 油 经 济 性 一 般 用 耗 油 量 或 油 行 程 来 表 示 。 耗 油 量 是 指 汽 车 满 载 时 单 位行 驶 里 程 所 需 燃 油 体 积 。 我 国 和 欧 洲 都 用 行 驶 百 公 里 消 耗 的 燃 油 量 (L)来 表 示 ， 即 L 100 km； 油 行 程 是 指 汽 车 满 载 时 ， 单 位 体 积 燃 油 所 能 行 驶 的 里 程 ， 美 国 就 是 用 每 加 仑 燃 油 能 行 驶 的里 程 数 来 表 示
3、 ， 即 mile gal(英 里 加 仑 )。 前 一 种 表 示 法 ， 数 值 越 小 ， 燃 油 经 济 性 越 好 ；后 一 种 表 示 法 ， 数 值 越 大 ， 燃 油 经 济 性 越 好 。 汽 油 的 燃 油 经 济 性 指 标 与 发 动 机 的 特 性 和 汽 车的 自 重 、 车 速 及 各 种 运 动 阻 力 如 空 气 阻 力 、 滚 动 阻 力 和 爬 坡 阻 力 等 大 小 、 传 动 系 的 效 率 及 减 速比 等 都 有 关 系 ， 因 而 在 数 值 上 往 往 与 实 际 情 况 有 差 别 。 11.2 混合动力汽车混合动力汽车是为解决纯电动汽车续驶
4、里程短而提出的一种动力方案。它既有发动机，又有电机。简单地说，就是将传统的发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担，通常也把它归入电动汽车。显然，其动力系统的复杂性增加。但是这种混合动力装置既可发挥发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可发挥电动机无污染、低噪声的好处，两者“并肩战斗”，取长补短。它的优势主要体现在以下几个方面： 2（1）可以改善发动机的工作状况，使发动机工作在万有特性的高效率区，因而具有很高的燃油利用率。当需要大功率进行加速超车而内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，发动机富余的功率可给电池充电。由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车
5、一样。（2）由于可以避免发动机的冷起动，因而大大降低了发动机的排放，在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现局部的“零”排放，其废气排放可降低 30% 左右。北京理工大学机械与车辆学院2（3）有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。可以利用现有的加油站进行加油，不必再为基础设施而投入大量资金。（4）因为有了电池，可以十分方便地回收制动、下坡和怠速时的能量。而且在军事上也有其特殊的地位，电池作为动力源不仅使车辆行进时基本没有噪声，而且它不像内燃机那样散出大量的热，因而可以避开敌人的远红外侦察，而在需要长驱直入时，发动机又可以提供足够的动力。2 混 合 动
6、 力 电 动 汽 车 提 高 燃 油 经 济 性 的 主 要 措 施混合动力电动汽车主要通过以下途径达到提高燃油经济性的目的：限制发动机怠速；制动能量回收；降低发动机排放量；提高发动机效率；提高发动机附件工作效率。 352.1 限 制 发 动 机 怠 速发动机平均有 20%的时间处于怠速状态，当发动局或车辆减速时将其关闭大约能降低 5%8%的燃油消耗。与传统启动电机相比，混合动力汽车采用大功率电机能快速启动发动机，35kW 的电机在0.5s 之内就可以把发动机拖动到正常转速之上，可降低部分油耗，并减少燃料不完全燃烧产生的HC 排放。2.2 回 收 制 动 能 量混合动力汽车采用电机可回收车辆的
7、部分动能，制动能量回收的多少鱼电机的功率与电机的功率储能装置容量有关，回收比例必须与车辆摩擦制动时消耗的能量一致，否者驾驶员进行制动时车速会下降的太快或发生点头。制动能量回收一般在车速 16km/h 以下时不起作用，因为低速时回收制动能量也容易造成车辆点头。2.3 降 低 发 动 机 排 量车辆行驶时并不总是需要发动机提供峰值功率。在混合动力系统中, 电动机能为发动机提供功率辅助, 使在降低发动机的排量时不影响车辆的动力性。在给定的负荷下, 排量小的发动机摩擦损失、热损失和泵气损失都比较小。2.4 提高发动机效率发动机在低负荷时效率很低, 采用混合动力系统可以使发动机尽量工作在高效区, 主要原
8、因是：电机能在低速和低负荷时提供助力, 使发动机在停车、怠速等工作效率较低的情况下关闭, 减少油耗和降低排放；车辆在高速行驶时, 由于电机的高转矩特性使发动机在转速较低、效率较高时仍能维持足够的加速度, 电机助力也可减少发动机的瞬态工况；电机和变速器的优化匹配使发动机可以运行于高效的工况区域；电机的助力便于在进行发动机设计时采用一些革新技术。2.5 提高发动机附件的工作效率采用电机驱动发动机附件可以使其相对于发动机独立地工作。传统车辆的电器附件最高电压只有14V, 电路系统的损耗较大, 导线的成本也较高。而混合动力系统则采用高压电, 可以减少能量损失, 提高车辆的燃油经济性。北京理工大学机械与
9、车辆学院33.混合动力汽车提高燃油经济性的主要策略按动力耦合方式的不同，可将混合动力汽车分为串联、并联和混联 3 种形式。串联式混合动力汽车（SHEV）使用发动机驱动发电机发电，发出的电能通过电动机来驱动车辆，串联式混合动力汽车的最大特点是不管在什么情况下，最终都要由电动机来驱动车辆。并联式混合动力汽车（PHEV）使用发动机和电动机直接驱动车辆。发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系统提供转矩。在不同路面上既可以共同驱动，又可以单独驱动。实际上无论哪种形式的混合动力汽车都能在充分发挥每种动力各自功效的同时，使两种动力互为补充，取长补短。这样，车辆可以针对行驶状况作出动态的快速反
10、应，以及显著降低燃油消耗量和排放污染。从目前的研究来看，混合动力汽车是实现环境、经济和技术三方面指标优化的主要途径。混合动力汽车与纯电动汽车和燃料电池电动汽车相比在动力性能、续行里程、使用方便性等方面都有优势。3.1 混联式动力汽车的控制策略混联式动力汽车的控制策略的基本思路通常有两种：一是直接法, 即直接将优化目标表示为系统状态变量、控制变量等的函数；二是间接法, 即最小损失法, 从计算当前驱动条件下各个部件的效率入手, 得到整个系统的能量（功率）损失。损失最小的状态变量就是当前驱动条件下应该选择的状态变量, 驱动条件常用驱动轴的转矩和转速来表示。下面对由这两种基本思路出发得到的发动机恒定工
11、作点模式做简要的介绍和分析。这种策略采用发动机作为主要动力源。电机和电池通过提供附加转矩的形式进行功率调峰, 使系统获得足够的瞬时功率。由于采用了行星齿轮机构使发动机转速可以不随车速变化, 使发动机工作在最优的工作点, 提供恒定的转矩输出, 而剩余的转矩则由电机提供。由电动机负责动态部分,以避免发动机动态调节带来的损失, 而且与发动机相比, 电机的控制也更为灵敏, 容易实现发动机最优工作曲线模式。这种策略从静态条件下的发动机万有特性出发, 经过动态校正后, 跟踪由驱动条件决定的发动机最优工作曲线, 从而实现对发动机及整车的控制。在这种策略下, 让发动机工作在万有特性最佳油耗线上, 发动机在高于
12、某个转矩或功率限值后才会打开。发动机关闭后, 离合器可以脱开（避免损失）或接合（工况变化复杂时, 发动机起动更为容易） 。只有当发电机电流需求超出电池的接受能力或者当电机驱动电流需要超出电机或电池的允许限值时, 才调整发动机的工作点。从车辆结构特点和控制策略上分析, 混合动力电动汽车充分利用了传统汽车和纯电动汽车的技术成果, 虽然增加了车辆的复杂度, 如果匹配设计合理, 可以有效地降低油耗，是传统内燃机汽车向零排放低能耗车辆过渡的实用方案之一。 63 总 结混 合 动 力 电 动 车 辆 在 提 高 车 辆 燃 油 经 济 性 方 面 有 着 巨 大 的 优 势 ， 是 在 研 究 新 能 源
13、 车 辆 道 路 的 基石 。 尽 管 在 目 前 的 研 究 过 程 中 还 存 在 着 一 些 困 难 ， 但 随 着 节 能 减 排 理 念 的 不 断 普 及 ， 以 及 混合 动 力 电 动 汽 车 兼 有 内 燃 机 汽 车 与 电 动 汽 车 优 点 于 一 体 的 特 性 ， 其 势 必 在 未 来 汽 车 的 发 展 中占 有 一 席 之 地 。北京理工大学机械与车辆学院4参 考 文 献 ：1余志生.汽车理论(第三版)M.北京：机械工业出版社，2000:1-562刘 海 峰 .不 同 种 类 电 动 汽 车 发 展 现 状 J.2008(1):22-243刘 明 辉 ,赵 子 亮 ,李 骏 .混 合 动 力 汽 车 节 油 机 理 研 究 J.2005(3):11-134吴 克 刚 .混 合 动 力 汽 车 燃 油 经 济 性 研 究 J.车 用 发 动 机 .2004(6):19-235李 建 如 ,陈 潼 .混 合 动 力 技 术 现 状 J.上 海 汽 车 .2005(4):38-426张 晓 辉 ,张 辉 ,于 红 秀 .混 合 动 力 电 动 汽 车 提 高 燃 油 经 济 性 特 点 分 析 J.专 用 汽 车 .2007(08):13-15
