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混合动力电动汽车结构分析

2012-12-04 6页 pdf 862KB 41阅读

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混合动力电动汽车结构分析
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P OR 清华大学 陈全世 杨宏亮 田光宇 混合动力电动汽车 结 构 分 析 : 概述 节能和环保是汽车技术发展的主要方向之一。 NKKQ 年 K 月美国政府和代表三大汽车公司的美国 汽车研究理事会 :=GS;C>联合提出的“新一代汽车 合作 : ”中的目标之一就是开发出一种燃 油经济性 Q倍于现有车辆的中型汽车,即每升燃油 行驶 QJ 31,折合 Q V W NOO 31。经过几年的研究表 明,目前能满足此要求的就是混合动力汽车。 在我国,大气污染造成的经济损失日益增大,大 城市的空气污染问题更加严重。NKKK年 J月,中国 政府在北京召开了“全国清洁汽车行动大会”,决定 在北京、上海等 NM个大城市进行“清洁汽车试验示 范”活动,以实施城市“蓝天”计划。电动汽车和混合 动力汽车的研制开发和推广应用是“清洁汽车行动” 的重要内容。 ; 电动汽车在推广中的困难及混合动力汽 车的优势 电动汽车是当前能满足“零排放”要求的首选方 案。电动汽车运行中没有排放污染,如果发电厂以核 能、水力、太阳能、风能或天然气为能源发电,对大气 的污染会很小,而远离城市的火力发电厂对人们生 存环境的影响也可以控制。在市区内行驶,电动汽车 的能量效率比普通汽油机汽车高 JO ! 左右。电动汽 车可以利用夜晚用电低谷时的富余电能充电,这可 以平衡电网的负载,提高电网能量的利用率。除此之 外,电动汽车还具有低噪声、低热辐射、易操纵和易 维护等优点。因此,人们对电动汽车寄予厚望。 然而,由于电动汽车的关键技术——— 电池技术 的制约,电动汽车的性能价格比远远不能达到推广 应用的标准。其主要障碍是:电池的能量密度极低, 因此电池组的质量较大,导致电动汽车一次充电的 续驶里程和动力性能无法达到当前内燃机汽车的水 平;此外,电动汽车空调和暖风的选用必须充分考虑 其能量消耗对电动汽车续驶里程的影响,乘员的舒 适性受到限制;充电站的建设投资巨大,电池组价格 昂贵,循环寿命有限,频繁更换电池的成本是难以接 受的。 正是由于电动汽车电池的性能和价格未达到预 期的指标,使电动汽车的推广应用遇到很大困难。人 们的注意力也开始从以电动汽车为代表的“零排放” 汽车转向以混合动力汽车为代表的超低排放汽车。 混合动力电动汽车 :"#$>是指以蓄电池与辅助 $汽车安全与节能国家重点实验室开放基金资助项目,T2? QKKLROOJ 。 $ !""#年 第 $期 —%— 动力单元 &’()*共同作为动力源的汽车。从理论上 讲,内燃机的热效率在低速时偏低,扭矩也较小,而 在中高负荷时效率较高,而负荷再大时效率又会下 降。如果车辆在低速时采用电动机驱动,在高负荷 时,让发动机仍工作在中等负荷高效率区,不足的 功率由电动机提供,就可以提高车辆燃油经济性, +,-就是采用了这种原理。较之传统燃油汽车和电 动汽车,+,-增加了动力系统部件的种类和组合方 式,并根据使用工况对部件的工作方式进行了优化 组合,使各部件,尤其是作为主动力源的原动机能 够在最优工况下工作。 由于混合动力电动汽车在节能和降低排放污 染方面的明显优势,因而受到极大的重视,研制开 发和产业化的进展相当快。日本丰田公司的 (./01 混合动力轿车从 #$$2 年到现在已经累计销售 3 万 辆以上;本田公司的 451/678混合动力轿车在美国销 售受到广泛欢迎;通用公司将 ,- 9 #电动轿车改装 成串联和并联式两种混合动力形式。几乎所有大汽 车公司都推出了准备产业化的混合动力车型,混合 动力电动汽车已经成为全球汽车新技术开发的热 点。 目前混合动力电动汽车动力驱动方式主要分 为串联式、并联式和以丰田 (./01行星齿轮机构为 代表的混联式结构,而后者也可作为一种特例归到 并联式结构中。 ! 串联式混合动力系统 "#$%&’ 串联式驱动系统的典型结构与基本组成部件 如图 #所示,’()由原动机和发电机组成,原动机 一般为高效内燃机、燃汽轮机或斯特林发动机。原 动机直接带动发电机发电,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。 电池作为调节原动机输出和电动机需求功率间关 系的“水库”。为了在汽车起动、加速时能提供更大 的功率,一些串联式结构中还带有飞轮电池或超级 电容等功率密度较大的蓄能装置,在回收制动能量 时它们也发挥重要作用。 图 # 串联式混合动力系统 串联式结构的特点适用于市内常见的频繁起 步、加速和低速运行工况,可以使原动机在最佳工 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,从而使复杂工况下系统的 性能有所提高。在电池 :;<较高时还可以关闭原动 机,只利用电池进行功率输出,使原动机避免了怠 速和低速运行工况,提高了原动机的效率,减少了 有害物排放。 但是串联式结构的燃油经济性还有待提高。这 是因为虽然原动机的工况得到改善,但是原动机作 的功,通过发电机、电池、控制器和电动机,在电能 与机械能的转化过程中有效率损失,所以整个驱动 系统排放较低,而效率没有根本性的提高,很难实现 = > ? #"" @A的目标。这种系统主要用于城市大客 车,在轿车中很少见。 ( 并联式混合动力系统 ")$%&’ 并联式结构有内燃机和电动机两套驱动系统。 它们可分开工作也可一起协调工作,共同驱动。所 以并联式混合动力电动汽车可以在比较复杂的工 况下使用,应用范围比较广。并联式结构由于电机 的数量和种类的不同、传动系统的类型、部件的数 量 &如离合器的数量 *和位置关系 &如电机与离合器 的位置关系 *的差别,具有明显的多样性。结构上可 划分为两种形式,单轴式和双轴式。 (* + 单轴式混合动力系统 单轴式结构如图 !所示,发动机通过主传动轴 与变速器相联,电动机的转矩通过齿轮与内燃机的 转矩在变速器前进行复合,传到驱动轴上的功率是 两者的和。这种形式被称为转矩复合。单轴式结构 的速度、转矩关系如下: !" B(!# C $·!%)·! &’ ( &# ( &%{ ) $ & # * 式中,!#、!%、!"分别为发动机、电动机和变速器输 入转矩;&’、&#、&%分别为变速器输入轴转速、发动机 转速和电动机转速;!为传动效率;$为传动比。 图 ! 单轴式结构 在单轴式结构中,发动机、电动机和变速器输 入轴之间的转速成一定的比例关系。在汽车运行 ·特约专题· —!— 汽 车 技 术 中,随着路况和车速的变化,这些转速会随着变 化。输出转矩的变化,可以通过公式 " # $中的转矩关 系,在发动机转矩保持恒定的条件下,通过调节电 动机的转矩而获得。 以下介绍几种典型的采用单轴式混合动力结 构的样车。 %& #& # 奥迪 ’()! 图 *是奥迪 ’()!型混合动力系统简图。有两 套系统驱动前轮:其一是 #& + ,的 -’. %缸涡轮增 压直喷柴油机 "额定功率 // 01$,在发动机和变速 器之间有液力自动控制的离合器;其二是三相永磁 同步电机 "额定功率 2#& / 01$,通过速比 2& *的减 速器,与 3挡手动变速器相连。电动机还可以作为 发电机在车辆制动时回收能量,或由柴油机驱动发 电。 图 * 奥迪 ’()!混合动力系统简图 奥迪 ’()!有 *种操作模式,可以通过开关来 切换: 45 纯柴油机驱动模式,这种模式适用于恒 速巡航行驶工况。 65 纯电动机驱动模式,适用于排放敏感 区。 75 混合驱动模式,这是主要的工作模式。车 辆的控制系统根据加速踏板的位置和驾驶员希望 得到的速度而自动在前面两种模式间切换。 在 !8 09 : ;的速度以下由电机驱动,如果加速 踏板的行程不超过某个设定的点,仍将保持在电动 模式;如果需要额外的动力,比如超车时,加速踏板 行程超过设定点,柴油机自动起动,当转速增加到 与所选挡位速度和目前车速相一致时,便可平稳地 切换至柴油机驱动模式,而关闭电动机。在所需动 力变小时,例如在超车后正常行驶时,车辆控制系 统使车辆重新切换到电动模式,然后关闭发动机。 在电动模式下,最高车速 !8 09 : ;,8 < 38 09 : ; 加速需要 #8& 3 =;电池的容量可以在欧洲城市循环 工况 " >?>$ 下行驶 */ 09@ 以 38 09 : ;的恒速行驶 38 09。实际上车辆在行驶过程中可以随时在电动 和发动机驱动两种模式下切换,所以没有行驶里程 的限制。通常加油一次可以行驶 A88 09。最高车速 #A8 09 : ;,从静止加速到 #88 09 : ;需要 #/ =。 %& #& 2 本田 .B=CD;E混合动力系统 最近问世的本田 .B=CD;E 型混合动力汽车采用 了转矩复合的方式,其装备手动 3挡变速器的汽车 创造了 * ,汽油行驶 #83 09的纪录 "日本法规 #8 < #3工况 $,而装备 ?F-的车型也创下了 * ,汽油行 驶 +/ 09的好成绩。 .B=CD;E 的动力系统与一般的混合动力系统不 同,以汽油机为主动力,电动机为辅助动力,动力分 配比为 +G #。此系统也被称为 “集成电机辅助系统 " .HI$”,如图 %所示。在这种系统中,在起动和加速 时,辅助电动机工作,弥补汽油机起动加速差的缺 点,在极限情况下,如转速 3 A88 J : 9CB时,输出功 率可以从 *A 01增加到 %# 01,转矩从 +# K·9增 加到 ##* K·9,发挥了电动机低速大转矩的优点。 在减速和制动时电机作为发电机工作。为了节约燃 料和降低排放,发动机在停车后关闭,在加速踏板 踩下后重新起动。 图 % 本田 .B=CD;E动力系统图 此系统结构简洁、紧凑,质量轻、成本低,电动 机只在起动和加速等少数工况下工作,镍氢电池模 块仅重 28 0D。为了获得更高的效率,采用精心设计 排量为 # ,的 * 缸 #2 气门低摩擦的 “极端稀薄燃 烧”汽油机;改进驱动方式,尽可能保证发动机工作 在最佳工况,提高发动机效率。采用全铝设计的车 身结构,风阻系数极低的车身造型,使 .B=CD;E在排 放、动力性和经济性上都取得较佳的效果。 %& #& * 福特低能量存储混合动力 " ,LM$ 福特公司设计的低能量存储混合动力方案 " ,LM$ 与本田 .B=CD;E的混合动力系统类似,它的系 统结构如图 3所示。其特点是:发动机是车辆的主 动力,在发动机和变速器之间有一个既可作为电动 ·特约专题· !""#年 第 $期 —$—     ·特约专题· 机也可作为发电机的起动 %发电机 & ’ % ( )。’ % (由 专门设计的交流变频器模块驱动,电池采用容量小 而轻的镍氢电池 & !! *+, #- # *+·. )。因为电动机 的特殊位置和很低的电池容量,车辆不能采用纯电 动模式行走。 !" # 双轴式并联混合动力系统 双轴式结构中 &见图 / ),有两套机械变速器:内 燃机和电动机各自与一套变速机构相联,然后通过 齿轮系进行复合。在这种结构中,可以通过调节变 速机构调节内燃机、电动机之间的转速关系,使发 动机的工况调节变得更灵活。双轴式是目前最有生 命力的结构,随着丰田 01234成功推向市场,采用行 星差动系统的结构越来越流行。 图 / 双轴式结构 行星齿轮动力复合机构,可以实现多个部件转 速的复合,而各个部件间的转矩保持一定的比例关 系,这种功率复合形式被称为速度复合。行星机构 有两个自由度,通过不同离合器和制动器的作用, 可以实现单自由度、固定传动比的传动。 56 !6 # 丰田 01234行星齿轮混合动力系统 图 7 为丰田公司 01234的驱动系统结构示意简 图,它被认为是目前最成功的混合动力结构之一。 在此结构中发动机与行星架相联,通过行星齿 轮将动力传给外齿圈和太阳轮,齿圈轴与电动机和 传动轴相联,太阳轮轴与发电机相联。动力分配装 置将发动机大部分转矩直接传递到驱动轴上,将另 一小部分转矩传给发电机,发电机发出的电能将根 据指令给电池充电,或用于驱动电动机以增加驱动 力。 图 7 01234混合动力系统结构简图 通过对行星机构的变速比和受力分析可以得 到公式 & ! )。 & # ! ! )· "# $ !· "% ! "& "· ’# $ & # 8 # % ! )· ’% $ & # 8 ! )· ’& "( $ "& & ! ) ’) $ ’( ! ’& $ ’( ! "· ’ * & # 8 ! ) "+ $ "& * , $ 9 & # 8 ! )· "# - !· "% : * , 式中,!为太阳轮齿数与齿圈齿数之比 & " ; ! ;# ); "#、"%、"&、"(、"+分别为发动机、发电机、齿圈、电机 和驱动轴的转速;’#、’%、’&、’(、’+分别为发动机、 发电机、齿圈、电机和驱动轴的转矩;,为齿圈与驱 动轴间的传动比。 这种结构可以通过调节发电机转速使发动机 转速变化。此外发动机、发电机的转矩与作用在齿 圈上转矩是成一定比例的,传到驱动轴上的转矩是 从齿圈上得到的转矩和电动机发出的转矩 &为负时 代表制动能量回收 ) 的和。这种结构可以有非常灵 活的控制策略,因此可以实现对混合动力能量流的 最优控制。 通过不同制动器和离合器的作用,这套行星差 速机构可以实现下面的功能: <- 起动及低速时的电驱动模式; =- 正常行驶时的发动机驱动模式; >- 加速或爬坡时发动机和电动机混合驱动 模式; ?- 减速或制动时电机作为发电机发电的制 动能量回收模式; @- 在电池 ’AB较低时,发动机可以仅驱动 发电机的充电模式。 该混合动力系统的功能在实际中要比上面讲 述的细致、复杂得多。而且丰田 01234用的发动机是 针对混合动力系统的工作特点精心设计的,该发动 机通过减少燃烧室容积、提高压缩比、延迟进气门 —!"— 汽 车 技 术 { # $ % 的关闭、降低气缸压力,以消除增加压缩比带来的爆 震;采用更小、更轻的零部件,以减轻发动机的整体 质量。这些改进提高了发动机的热效率。再加 上使用混合系统让发动机始终工作在高负荷工况, 避免了效率较低的低负荷工况,这些措施使发动机 的平均效率上升 &" !左右。 丰田 ’()*+的混合动力系统结构无论在制造上 和控制上都是较为复杂的,但却带来了控制上的灵 活性,以获得较佳的性能。 ,- .- . 华沙工业大学的行星混合动力系统 如图 /所示,在这种混合动力系统中同样使用 行星齿轮差速机构,不同的是在这种动力系统中只 有一个电机,既可以作驱动电机也可以作制动回收 能量的发电机;齿圈与电机轴通过齿轮相联,该齿轮 与电机之间有轴制动器 0.;发动机与太阳轮相联, 两者之间有离合器 1和轴制动器 0!;行星架与驱动 轮相联。电机、发动机和驱动轴间的转速和转矩关 系如公式 # $ %所示。 # ! 2 ! % !" # !· !$ % !& ’" 3 #! 2 ! 4 ! %· ’$ 3 #! 2 ! %· ’& 式中,!为转速5 ’为转矩;!为太阳轮与齿圈齿数 之比;下标 $表示发动机;&表示电动机;"表示行 星架,这里没有考虑传动效率。 图 / 华沙工业大学的混合动力系统 617—内燃机 1—离合器 78—电机 4发电机 09:—蓄 电池 0!、0.—轴制动器 ;<—主减速器 =>—驱动轮 1?—控制单元 ’<—行星齿轮机构 #两个自由度 % 这种结构也可以实现无级调速,却无法实现发 动机转矩与电机转矩的直接叠加,但是输出转矩却 大于发动机或电机单独输出时的转矩。这种结构需 要电机有较大的转矩,以满足公式 # $ % 中的转矩关 系。此结构与丰田 ’()*+相比,结构上简单一些,在制 造工艺和控制上都更容易一些,性能也略差一些。 除了以上两种结构外,还有许多不同的行星齿 轮混合动力系统。各种系统在结构上由于电机、发 动机的位置不同而不同,但应该说大同小异,各部件 的转速、转矩一定要满足行星差速机构的转速和转 矩方程。 !" # 前后轴独立驱动的混合动力系统 除了上面介绍的单轴式和双轴式结构外,还有 其它一些结构,这里对前后轴独立驱动的混合动力 系统进行简单的介绍。 丰田汽车公司在原有前轮驱动的 =@A B 1混合 动力系统的基础上开发出新型电动四轮驱动系统, 命名为 7 B CD?E,其结构如图 F所示。前桥由高膨 胀比、高热效率的 .- , G 发动机与无级变速器 # 1H=%、电动机组成的 =@A B 1混合动力系统来驱 动,后桥由电机驱动。这种结构在平时可以采用前 驱动,在大功率需求时采用四轮驱动,从而使动力性 更好。本结构最大的特点是在湿滑路面上行驶时, 当检测到前轮打滑时,前电机变为发电机使用,使前 驱动力减小,用后电机驱动后桥,从而控制打滑。 图 F 丰田 7 B CD?E混合动力系统 采用 7 B CD?E驱动系统的厢式汽车与同级别 汽车相比燃油经济性提高了近一倍,同时它的尾气 排放只是日本现行标准的 ! 4 !.。 与此结构相似的是通用公司在 7HA B !I 年会 上展出的并联式混合动力电动汽车,由前部的电动 机驱动前轴,柴油机通过自动变速器可以驱动后 轴。标准的混合模式下,汽车主要由柴油机驱动。在 “零排放”模式下,只使用电动机驱动可以行驶约 I& JK;当汽车需要加速或爬坡时,柴油机和电动机同 时驱动前后轴,实现四轮驱动。该并联式混合动力 电动汽车的燃油经济性和动力性均超过了传统汽 车。 $ 结论 混合动力电动汽车一方面可以充分利用传统汽 车的技术成果和工业基础,另一方面,可以有效减少 排放、降低油耗,是传统内燃机汽车向零排放电动汽 车过渡的实用方案之一,已成为人们研究的热点。 混合动力电动汽车有串联、并联等多种结构形式,各 有各的优缺点,适用于不同的地点、用途,简单地说 ·特约专题· !""#年 第 $期 —##— ! 前言 若想在保持直喷柴油机卓越的燃油经济性的 同时,又能满足越来越严格的排放法规,除了降低 润滑油消耗、优化涡轮增压系统和发展先进的废气 后处理系统外,还需进一步改善燃烧过程。而喷油 系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键环节。为了 有效地降低排放和噪声,减小燃油消耗率,改善动 力性能,要求喷油系统具有高的喷油压力 % #"" &’( 以上 ) 且可以根据工况需求灵活调整;能够精确而 灵活地控制喷油定时、喷油量、喷油率;与整机匹配 灵活。实现以上柔性控制功能是燃油喷射系统的必 然趋势。共轨式喷油系统正是顺应以上需求而出现 的,现已得到了很大的发展。 " 共轨式喷油系统的分类和特点 共轨式喷油系统又可称为压力时间控制系统 或第三代电控喷油系统,分为中压共轨系统和高压 共轨系统。中压共轨系统 %即增压式共轨系统 )又分 为共轨蓄压式系统和共轨液压式系统。这两种系统 喷油压力的形成原理是相同的 %均为帕斯卡增压原 理 ),只是所用的控制油和待喷燃油的压力源不同 %共轨蓄压式系统的控制油和燃油均来自共轨管; 共轨液压式系统的控制油来自共轨管,待喷燃油来 自燃油输油泵 )。 共轨式喷油系统通过控制喷油器上的电磁阀 ·综 述· 柴油机共轨式喷油系统 【#$%&’()&】*+, -.//.0 1(23 45,3 206,-72.0 8987,/ -(0 :, ;2<2;,; 207. 7+, /,;25/ =1,8851, -.//.0 1(23 8987,/ (0; 7+, +2>+ =1,8851, -.//.0 1(23 8987,/? @.1 7+, /,;25/ =1,8851, -.//.0 1(23 8987,/A 27 -(0 :, ;2<2;,; 4517+,1 207. 7+, =1,8851, B (--5/53(7,; -.//.0 1(23 8987,/ (0; 7+, +9;1(532- -.//.0 1(23 8987,/? *+, 45,3 206,-72.0 =1,8851, 28 4.1/,; 20 7+, 8(/, C(9 4.1 7+, 7C. 8987,/8D 7+, .039 ;244,1,0-, :,7C,,0 7+,/ 28 7+(7 7+,9 58, 7+, ;244,1,07 =1,8851, 4.1 7+, -.071.3 .23 (0; 7+, 45,3 7. :, 206,-7,;? *+, +2>+ =1,8851, -.//.0 1(23 8987,/ 28 7+, /(23 ;,<,3.=/,07 71,0;A 20 C+2-+ 7+, =1, B 206,-72.0A =.87 B 206,-E 72.0A%79=, (0; :..7 79=, 45,3 206,-72.0 3(C -(0 :, =,14.1/,;? 【摘要】共轨式喷油系统分为中压共轨系统和高压共轨系统。中压共轨系统又分为共轨蓄压式系统和共轨液压 式系统,二者喷油压力的形成原理相同,只是所用的控制油和待喷燃油的压力源不同。高压共轨系统能够实现预喷 射、后喷射,还可实现%型和靴型喷油规律,是柴油机燃油系统的主要发展方向。 *+,-) .+’/%0 1234 %2,,45 %5%&367 8+9%&’2)&-+97 :3;34+,639& 主题词:燃料供给系统 结构 发展 中图分类号:FGHG? #IH J ? K 文献标识码:L 文章编号:#""" B IM"I %!""# )"$ B ""## B "N 山东省粮食局 张锦杨 山 东 大 学 陆家祥 张锡朝 上海交通大学 王钧效 房克信 的结构及发展动态 孰优孰劣是不妥当的,可以预见,今后混合动力电 动汽车必将迎来更大的发展。 参 考 文 献 # 李源等 ? 洞察 ‘O082>+7’——— 本田因塞特 % O082>+7 ) 混合 动力汽车技术特征 ? 汽车世界,!""" %# ) ! 麻友良等 ? 混合动力电动汽车的发展 ? 公路交通科技, !""# %# ) %责任编辑 郝旭辉 ) 原稿收到日期为 !""#年 G 月 !I 日。 作者简介: 陈全世:清华大学汽车系教授,中 国汽车工程学会常务理事。主要学术研究 领域:特种汽车 %包括沙漠车 )设计研究;电 动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车关键 技术研究;汽车车身结构与设计。 研究成果获奖情况:《电动汽车电池、电机、电控及 整车性能综合测试系统研制》项目,获国家教委科技进步 奖 I等奖 % #$$M年 )等。 &’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’ & ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ & ’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’’ & ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’
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