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混合动力汽车原理与维修特点
申请吉林交通职业技术学院论文
混合动力汽车原理与维修特点
学生：
韩清亮
学号：
28
专业：
汽车检验与维修
导师:
姜玉波
吉林交通职业技术学院
二Ｏ一Ｏ年十月
摘要
混合动力汽车将内燃机、电动机与蓄电池通过控制系统相组合，电动机可以补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以吸收并存储内燃机富裕的功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。
虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标均能够满足当前各国苛刻的法规要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。
混合动力汽车与传统的汽油机或柴油机汽车有很大不同，如丰田普锐斯的动力系统采用500V的高压电路，为常规的变速器或自动变速器，没有怠速工况、采用电驱动空调压缩机、电动水泵等。
这些新技术、新结构给用户带来全新的感觉，也给维修和销售人员带来新的挑战。
另外，混合动力汽车进入我国仅有一两年，保有量很少，很多人对混合动力汽车不甚了解。
随着传统燃油汽车排放所造成的空气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮乏，开发低排放、低油耗的新能源汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务。
由此人们越来越关注其他燃料的汽车和电动汽车的开发，例如燃料电池汽车（FuelCellVehicle简称FCV）、纯电动汽车（ElectricVehicle简称EV）和混合动力汽车（HybridElectricVehicle简称HEV）。
FCV是利用氢、氧在常温下通过电化学反应产生电能来驱动汽车，可以实现零排放。
但是FCV目前存在着成本、技术和氢能源基础设施建设等问题，离产业化至少需要十至十五年的时间。
EV虽然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动力电池技术上并未取得突破性的进展，而且电动汽车依然存在在续驶里程短和充电时间长等问题。
HEV虽然不能实现零排放，但针对以上FCV、EV所存在的问题，HEV在目前环境更具有更强大的优势，在世界范围内将成为新型汽车开发的热点。
目录
前言………………………………………………………………1
第一章概述
1.1混合动力汽车的主要组成……………………………5
1.2混合动力汽车的分类…………………………………6
1.3混合动力控制系统……………………………………9
第二章混合动力汽车的结构与原理
2.1典型的混合动力汽车结构…………………………………10
2.1.1串联式混合动力汽车…………………………10
2.1.2并联式混合动力汽车…………………………12
2.1.3混联式混合动力汽车…………………………9
2.2混合动力汽车的发动机一项开发技术……………19
2.3混合动力汽车的电动机………………………………20
2.3.1混合动力汽车电动机系统特点…………………20
2.3.2混合动力汽车驱动电动机种类…………………21
2.4混合动力汽车的蓄电池………………………………21
2.5丰田Prius混合动力原理解析…………………………22
第三章混合动力汽车的维修特点
3.1混合动力控制系统维修特点…………………………26
3.2发电机控制系统维修特点…………………………26
3.3混合动力电池系统维修特点…………………………27
3.4保养维修费用…………………………………………28
第四章发展前景展望………………………………………29
参考文献……………………………………………………31
第一章
概述
1.1混合动力汽车的主要组成
（1）发电机
混合动力汽车可以广泛地采用四冲程发发动机、二冲程发动机、转子发动机等。
一般转子发动机和气轮机的燃烧效率比较高，排放也比较洁净。
（2）电动机
混合动力汽车可以采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机。
随着混合动力汽车的发展，直流电动机已经很少采用，多数采用感应电动机和永磁电动机，开关磁阻电动机应用也得到重视，
（2）电池
混合动力汽车可以采用不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等作为电池。
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。
混合动力汽车蓄电池系统的主要作用是通过蓄电池ECU的使用监控HV蓄电池总成的状态，并将此信息传送给HV控制ECU，而且该系统控制蓄电池鼓风机电动机控制器，以此保持HV的适当温度。
1.2混合动力汽车的分类
（1）按动力传动系统布置分类
①串联式
串联式混合动力汽车动力流向如图1所示：
图1串联式简图
图2串联式混合动力汽车传动系统
由图1可以看出，串联式混合动力汽车动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成的动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。
小负荷时仅由电池驱动电动机驱动车轮，实现零排放；大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。
当车辆处启动、加速、爬坡工况时，发动机—电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机—发
电机组向电池组充电。
串联式混合动力汽车传动系统布局如图2所示。
串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。
使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。
但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。
②并联式
并联式混合动力汽车动力流向如图3所示：
图3并联式简图
图4并联式混合动力汽车传动系统
并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，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扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。
当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。
电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。
由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的
应用。
并联式混合动力汽车传动系统布局如图4所示。
③混联式
混联式混合动力汽车动力流向如图5所示：
图5混联式简图
图6混联式混合动力汽车传动系统
混联式装置包含了串联式和并联式的特点。
动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。
以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。
该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。
并联式混合动力汽车传动系统布局如图6所示。
（2）按使用用途分类
①续驶里程延长型混合动力汽车
②功能辅助型混合动力汽车
1.3混合动力汽车控制系统
⑴控制系统的功能
①使混合动力汽车的动力性能能够达到或接近现在内燃机汽车的水平。
②最大限度的发挥电动机驱动的辅助作用，使混合动力汽车的燃油消耗量尽量降低，实现发动机的节能化。
③实现多能源控制，混合动力汽车关键的控制技术，是对内燃机驱动系统和对电动机驱动系统实现双重控制。
发动机与电动机系统的动力系统应进行最有效的组合和实现最佳的匹配。
④在环保方面，达到“超低污染”的环保标准。
⑤在操作装置和操纵方法上继承或沿用内燃机汽车主要操作装置和操纵方法。
⑵混合动力汽车控制系统的基本组成
①控制系统，由操纵装置、中央控制器和各种控制模块共用组成。
②发动机和驱动系统，发动机和发电机驱动系统的控制系统。
③电动机和驱动系统，电动机和电动机驱动系统的控制系统。
④信号反馈及检测装置
第二章
混合动力汽车的结构与原理
2.1典型的混合动力汽车结构
2.1.1串联式混合动力汽车（SHEV）
⑴SHEV的基本特点
这种车的电能可以有电池提供，也可以有发动机驱动发电机来提供。
发动机输出的机械能首先通过发电机转换为电能该电能可通过功率转换器为电池充电，或经由电动机和传动装置驱动汽车。
SHWV以电动机作为驱动装置，发动机作为辅助动力装置，以提高行驶里程。
典型的有丰田公司的Coaster、日产的SHEV及法国雷诺的Espace。
⑵SHEV传动系统能量流分析
有四种工作方式：
1在市区行驶时，如果电池完全充满，则选用纯电池驱动方式。
传动系统能量流如图1所示。
2当电池电量较低时，发动机被启动，并将其设置在最大功率工作点上，发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电，如图2所示。
③当汽车的最大功率低于汽车所需的功率时，电池将提供这部分差额功率。
如图3所示。
④在刹车或减速时，电动机起到发电机的作用，使部分动能转化为电能存储在电池里、如图4.
2.1.2并联式混合动力汽车（PHEV）
⑴PHEV的特点
PHEV采用发电机和电动机两套驱动系统。
可采用单独驱动电动机单独驱动或发电机和电动机联合驱动3种工作模式。
与串联相比，PHEV的优点是并联仅有到电动机和发电机，并且发电机和电动机的最大功率较小，而缺点是由于发动机与推进系统是共轴连接的，所以并联需要是离合器，这使得并联结构复杂控制难度大。
⑵PHEV的传动系统能量
1在起步或加速阶段，发动机只为耦合器提供总功率的一部分，剩下的功率要由电机来提供，实现“功率辅助”是目的，传动传统能量流如图5
2在刹车或减速时，电动机起到发动机的作用，将部分动能转化为电能存储到电池里，如图6所示。
3
当电池电量较低时，发动机被启动，并将其设置在最大功率工作点上，发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电，如图7所示
④在市区行驶时，如果电池完全充满，则选用纯电池驱动方式。
传动系统能量流如图8所示。
⑤在高速巡航时，由发动机驱动，此时相当于传统燃油汽车运行。
如图9所示.
2.1.3混联式混合动力汽车
⑴混联式混合动力汽车的特点
混联HEV在结构上综合了SHEV和PHEV的特点。
它主要偏向于并联结构，但又包含一些串联结构的特点。
与SHEV相比，它增加了机械动力传输路线;与PHEV相比，它增加了电能的传输路线。
今年来，出现了2种不同的结构：
不包含行星齿轮组合包含了1组行星齿轮组的混联式结构。
⑵带有行星齿轮组的混联式HEV的传动系统能量流
①在高速巡航时，由发动机单独驱动。
此时相当于传统燃油汽车运行。
传动系统能量流如图10所示。
②在市区行驶时，如果电池完全充满，则选用纯电池驱动方式。
传动系统能量流如图11所示。
③在刹车或减速时，电动机起到发动机的作用，将部分动能转化为电能存储到电池里，如图12所示。
④在起步或加速阶段，发动机只为耦合器提供总功率的一部分，剩下的功率要由电机来提供，实现“功率辅助”是目的，传动传统能量流如图13
4当电池电量较低时，发动机被启动，并将其设置在最大功率工作点上，发动机输出的功率与汽车所需功率的差值将通过发电机为电池充电，如图14所示
2.2混合动力汽车的发动机
汽车发动机本身就是压气机和气动机的混合体,当动力多余时把其中的1-N个汽缸做压气工作,利用压缩空气储存能量;当起步时,发动机做气动机用,高压空气充入汽缸做功,此时甚至可以同时喷油点火;提速.超车等需要超大马力时,干脆就把四行程发动机变成二行程发动机,利用压缩空气在排气行程结束时直接充入高压空气,喷油点火,此时功率增加一倍,由于此时没有了进气行程和压缩行程的功耗,功率增加0.5倍;又可以方便地做成高增压发动机,功率再增加0.5倍;此时,原50KW发动机的功率为:
50*2*1.5*1.5=225KW.本技术与上面几种技术相比,1.具有明显的低成本优势--只多一个气瓶,最大马力相同时,本发动机由于排气量理论值只有普通发动机的1/4,再者由于启动时可以做为气动机启动点火,省去了电动启动机,成本甚至低于现有普通发动机.2.污染少--本技术不会增加电池造成的污染--谁知道当满世界都是混合动力汽车和电动汽车时,要制造多少电池,又要处理多少报废电池呢;另外,本技术的空气污染也少,这是因为小排量本身排出的废气就少;起步时发动机作为气动机具有足够的马力驱动汽车,使之达到一定速度时再加油点火,避开了发动机排气污染最严重的低速区;再者,本技术使发动机不用工作在燃烧不充分的高速区就可以输出大马力;还有,当其工作于二行程时,由
于采用高压空气进气方式,具有完整的排气行程,使换气充分,并且工作于高增压状态,燃烧充分.3.最大马力大--混合动力汽车中的发动机和电动机功率相加一般只能达到其发动机的1.5倍,本技术可以轻松达到发动机的4倍以上.4.耗油少--因为小排量发动机本身耗油就少,其经常工作于中速区,又储存了多余能量加以利用,使其耗油少.5,由于利用的都是成熟技术,因此容易实现,几乎适用于所有如汽车.火车.船舶.飞机用发动机,特别是应用于频繁停止.起步的城市公交车及其他市内车辆,可以大量减少市区废气污染.
实现本技术的几个要点:
1.发动机要做成L3.L5.L6.V6型,这样不论曲轴
在任何角度,总会有一个或二个汽缸处于动力行程,可以做气动机启动.2.汽车的加速时间一般在10秒左右,气瓶的容积应为排气量*10秒内的转速*压缩比,比如1L发动机,一般转速在4000/分钟,10秒的转速在666转,压缩比1:
10,气瓶容积应该是1*666*1/10=66L.3.发动机可以只用1-2个汽缸做压气机--二行程转换.4.压缩空气也可以用于转向助力.
2.3混合动力汽车的电动机
2.3.1混合动力汽车电动机系统特点
1混合动力汽车上所使用的电动机往往要求频率启动，频率加减速以及工作模式的频繁切换，这对电动机的响应性提出了更高的要求。
2由于汽车内部空间紧张，往往要求电动机系统体积小，重量轻，以及具有较高的功率密度和工作效率等性能要求。
3相对于传统电动机相比，混合动力汽车所使用的电动机系统的工作环境更加恶劣，干扰更大，从而要求它具有更高的可靠性，抗震性和抗干扰性。
4传统电动机一般工作在额定工作点附近，而混合动力汽车电动机的工作范围相对较宽，却由于混合动力电动机工作模式的特殊性，额定功率这个参数对于混合动力电动机而言，没有特大意义。
5在供电方面，传统电动机由常规标准电源供电，而混合动力电动机所使用的电源来自于蓄电池，却有功率转换器直接供给，一般倾向于使用较高电压。
2.3.2混合动力汽车驱动电动机种类
混合动力汽车的驱动电动机的主要参数为：
电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、质量参数、可靠性和成本等。
图15为现代混合动力汽车所采用的各种电动机。
2.4混合动力汽车的蓄电池
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。
2.5丰田Prius混合动力原理解析
丰田的Prius属于以电机为主的形式。
它的混合动力总成包括两个动力源，发动机与电动机。
还有包含了发电机、内置动力分离装置的混合动力专用变速器、镍氢电池组和动力控制总成。
丰田Pruis混合动力系统有一个特点，就是采用行星齿轮变速结构，变速器内置动力分离装置，行星齿轮机构巧妙地将减速器、发电机和电动机等动力部件偶合在一起，同时行星齿轮又起到无级变速器的功能，结构十分紧凑，形成一个集成化混合动力总成系统如图13所示。
图16Prius混合动力总成系统
图17低速行驶动力源
启动以及中速以下行驶，此时发动机效率低下，因此Prius的发动机关闭，仅由大功率电动机驱动车辆，如图17中箭头A所示。
在常规行驶时，发动机做主动力源，由动力分离装置将动力分成两路，一路驱动发电机进行发电，产生的电力驱动电动机运转，如图18中箭头B所示，另一路则直接驱动车轮，如图18中箭头C所示。
系统会自动对两条路径的动力进行最佳分配，以达到效率的最大化。
图18正常行驶动力源
图10加速行驶动力源
当要加速时，电池组会加进来为电动机供电，增强电动机输出功率，如图10中箭头A所示。
当减速或制动时，则由车轮的惯性力驱动电动机。
这时电动机变成了发电机，车辆制动能量转换成了电能，如图21中箭头D所示。
图21减速行驶充电
图22自动充电
电池组电量保持在一个恒定水平。
当系统发现电池组电量下降会启动发动机驱动发电机发电，向电池组充电，如图22中箭头E所示。
Prius的混合动力技术，在带来燃油经济性的同时还保证了其出众的动力性能。
在正常驾驶环境下，由于拥有发动机和电动机的双重动力，普锐斯的加速性能绝对毋庸置疑，其虽然是1.5L排量的小车，但它的加速能力绝对可以媲美普通2.0L的车辆。
第三章
混合动力汽车维修特点
3.1混合动力控制系统维修特点
混合动力传统使用高压电路，因此不正确的操作可能导致电击或漏电。
在检修过程中，必须遵循下列步骤。
⑴对高压系统进行操作时断开电源
1确保电源开关关闭
2从辅助蓄电池上断开负极端子电缆
3一定要带绝缘手套
⑵线束和连接器的注意事项
高压电路的线束和连接器都是橙色。
另外，HV蓄电池等的高压零件都贴有“高压”警示。
⑶进行维修或检查时的注意事项
1开始各种前，一定要断开电源。
2检查、维修任何的高压配线盒零件时，必须戴绝缘手套。
3在对高压系统进行操作时，用类似“高压工作，轻忽靠近！
”的警告牌警示其他技师。
4不要携带任何类似卡尺或测量卷尺等的金属物体，因为这些物体可能掉落从而引起短路。
3.2发电机控制系统维修特点
⑴检查或维护发动机室时应遵守的注意事项
1电源开关ON位置时，发动机自动ON或OFF。
维护发放及室前，将HV主系统OFF。
2在检查模式下，在警告灯点亮时，解除检查模式来检查诊断区域。
3解除检查模式前行驶可能损坏变速驱动桥。
⑵初始化
断开蓄电池负极电缆后，当重新连接端子时。
以下系统将被初始化，仅拆下蓄电池不能完成初始化。
⑶激活混合动力系统时应注意
1警告灯亮起或蓄电池断开又重新连接，则初次按下电源开关可能无法启动该系统，如果这样，则再次按下电源开关。
2将电源开关切合为ON，断开蓄电池。
如果重新连接时钥匙不在钥匙孔里，则可能输出DTCB2799.
3.3混合动力电池系统维修特点
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。
混合动力汽车蓄电池系统的主要作用是通过蓄电池ECU的使用监控HV蓄电池总成的状态，并将此信息传送给HV控制ECU，而且该系统控制蓄电池鼓风机电动机控制器，以此保持HV的适当温度。
检查注意事项：
1检查蓄电池加液口塞导通性：
用欧姆表测量端子间的电阻。
标准：
10Ω或更大。
如果不符合标准，则更换蓄电池加液口塞。
2将塞安装到固定座上。
3用欧姆表测量端子间的电阻。
标准;小于1KΩ。
如果不符合标准值，则更换蓄电池加液口塞。
4检查系统主继电器：
检查导通性；检查电阻;
3.4保养维修费用
由于混合动力车是新推出的车型,其售后、维修体系尚未成熟,而且混合动力车的部分零部件依靠进口,这样维修、保养成本会较高。
例如混合动力车的蓄电池对性能要求很高,价格自然不菲。
所以要尽快发展和形成混合动力产业链,降低混合动力车保养维修费用。
第四章发展前景展望
混合动力汽车在现有技术的基础上达到了提高燃料经济性和减少排放的目的,因而极具发展前景。
从目前的发展来看,汽车的排放法规日趋严格化,同时电子技术的迅猛发展都会进一步促进混合动力汽车的发展。
混合动力汽车充分吸取了电力/热力系统中最大的优势:
在远途时使用热力发动机,在城市和过渡阶段时使用电动机。
如果调配合理的话,电力和热力的配合使用,将很大程度地降低汽车的耗油量和污染物的排放,并同时提高驾驶乐趣,改善车辆行为。
与传统型汽车相比,HEV可以确保具有同等的性能和优势,而在节能和排放上胜出一筹。
HEV的电压和功率等级与电动车类似,但蓄电池容量大大减小,因而其造价成本低于电动汽车。
就目前来说,HEV的价格比传统汽车高出20%左右。
降低成本是提高混合动力系统竞争能力的努力方向。
相信随着HEV的推广和普及,生产批量上去后,其价格将逐步接近传统汽车。
当前HEV所面临的主要技术问题还很多,随着各大汽车公司和研究机构的努力,这些问题会很快得到解决。
尽管从长远来看只是一种过渡车型,但HEV在近20～30年内很有发展前景,这一点是毫无疑问的。
这个前景,我们可以从两方面来理解。
一是混合动力作为一种技术,在不远的将来会成为燃料电池替换内燃机的重要过渡技术,对燃料电池混合动力车（FCHV）的开发将会起重要作用。
从这个意义上说,混合动力技术就不仅仅是一种提升品牌、知名度和技术实力的需要。
二是HEV本身可能确实具有商业前景,它也许会成为百年汽车史上的又一个里程碑,开创世界汽车工业的新篇章。
各大汽车公司竞相开发和推出自己的新一代HEV,表明他们看好这一前景,也许是眼前和长远的利益兼而有之。
欧、美、日的汽车生产商已采用不同的布置型式、控制策略,在较短的开发周期内将HEV产品化,并具市场规模。
汽车行业专家预言,不久的将来,新生产的汽车中HEV将占40%以上。
我国的汽车工业应顺应科技发展趋势,抓住HEV这块市场,在国外产品涌入之前,集中科研力量攻关,迅速开发出自己的产品已刻不容缓。
参考文献
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主编.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室2010
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【6】郝志勇,岳东鹏,李建国，混合动力汽车研究的现状及未来发展前景[J]，铁道机车车辆第23卷增刊12003年11月
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