混合动力.docx

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混合动力

混合动力技术及发展

蒋鑫

青岛理工大学，青岛，中国，266520

jxjxjx97@

【摘要】混合动力车辆是使用两种或以上能源的车辆，所使用的动力来源有：

内燃机、电动机、电池、氢气、燃料电池等的技术。

目前的混合动力车多数以内燃机及电动机推动，能源则来自汽油及电池，此类混合动力车叫油电混合动力车。

针对混合动力车有许多技术要点需要解决，其发展前景也相对开阔，将在今后很长一段时间内得到广泛的应用。

【关键词】混合动力；电池技术；电动机技术；驱动系统控制；内燃机技术；整车能量管理；发展现状

Hybridtechnologyanddevelopment

JiangXin

QingdaoTechnologicalUniversityQingdao.China.266520

jxjxjx97@

Abstract:

Ahybridelectricvehicleisatypeofhybridvehicleandelectricvehiclewhichcombinesaconventionalinternalcombustionenginepropulsionsystemwithanelectricpropulsionsystem.Thepresenceoftheelectricpowertrainisintendedtoachieveeitherbetterfueleconomythanaconventionalvehicle,orbetterperformance.Therearemanytechnicalpointsneedtobeaddressedforthehybrid,anditsprospectsarerelativelyopen,andwillbewidelyusedinthefutureforalongperiodoftime.

Keywords:

hybridvehicle;Batterytechnology；Motortechnology;drivesystemcontrol;internalcombustionenginetechnology;vehicleenergymanagement;DevelopmentStatus

1绪论

随着石油资源的紧缺和环境问题的日益突出，发展兼具节能和环保特色的电动汽车在汽车界受到高度重视。

电动汽车主要包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车三类。

由于纯电动汽车和燃料电池汽车中的电池技术在短时间内很难有重大突破，暂时还无法完全取代传统发动机汽车。

作为融合了内燃机汽车和纯电动汽车两者特点的混合动力汽车，既可充分利用传统汽车的技术成果和工业基础，又可有效减少排放、降低油耗，是现阶段传统发动机汽车向零排放电动汽车过渡的最可行方案之一。

2混合动力汽车

2混合动力汽车分类及特点

混合动力汽车（HEV：

HybridElectricVehicle）是指有两种或两种以上能量转化器提供驱动动力的混合型电动汽车。

目前它有多种分类方式。

按照动力系统结构形式划分，可分为串联式、并联式和混联式三种；按照混合度划分，可分为微混合型、轻度混合型、中度混合型、重度混合型四类；按照外接充电能力划分，可分为可外接充电型和不可外接充电型两种；此外，还有其他多种分类方式。

2.1串联式混合动力汽车

串联式混合动力汽车（SHEV）的结构如图1所示。

图1串联式混合动力示意图

当低速小负荷时，仅由动力电池提供电能使电动机产生驱动力矩，这是一种纯电动运行模式，为零排放。

当负荷较大时，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能由电动机和传动装置驱动车轮，若发电机的输出功率大于电动机的输入功率，则多余的电能用于对电池充电。

当汽车起步、加速、爬坡时，由于发电动机输出功率小于电动机所需的输入功率，电池和发动机－电动机组共同提供电能驱动车辆行驶。

当车辆制动减速时，电动机以发电模式工作回收再生制动能量。

串联式结构中发动机与电动机无机械连接，可使发动机保持在最佳工作范围内，排放很低；并且串联式结构简单，布置灵活，控制系统也相对容易设计。

不过，由于串联式混合动力汽车完全依靠电动机提供动力，要求发电机和电动机功率均较大，一般还需配备较多的电池。

此外，串联式结构使得能量从发动机输出后，经过的中间传递环节很多，机电能量转化效率低，且电池充放电效率有限，导致燃油能量利用率不高。

串联型混合动力电动汽车的优越性主要表现在低速、加速等运行工况，因此它适合在市区低速工况下运行。

2.2并联式混合动力汽车

对于并联式驱动系统（PHEV）来说，无论能量是从发动机输出，还是从电动机输出，抑或两者混合输出，均直接以机械能的形式供给车轮驱动，如图2所示。

图2并联式混合动力示意图

与串联式结构相比，它拥有发动机和电动机两套独立的驱动系统，无单独的发动机；由于两套系统能同时作用，发动机和动力合成装置所需的功率不用很大，可利用现有技术，通用性好；同时，发动机和动力合成装置与驱动轮间的机械连接，有利提高能量利用率，但这种机械连接却使发动机的工况易受行驶条件影响，燃烧效率降低；还增加了变速装置及动力复合装置，使机械传动装置变复杂；并且要使两套系统协调工作，需要复杂的控制系统；另外，由于并联式混合动力汽车的动力主要依赖发动机提供，动力合成装置仅起调峰作用，这意味着对电池的要求不是很高，但排放性相对较差。

一般来说，并联式比较适用于城际间的交通运输和高速公路稳定行驶。

2.3混联式混合动力汽车

混联式混合动力系统（CHEV）综合了串联式和并联式两类系统的特点。

同串联方式相比，它增加了机械动力的传输路线，同并联方式相比，它增加了电能的传输路线，如图3所示。

图3混联式混合动力示意图

采用这种形式的混合动力系统时，能量从发动机输出，一部分经机械传动装置传到驱动桥，剩下的部分通过发电机转化为电能再输送给电动机或电池，然后电动机产生电磁力矩再经动力复合装置传至驱动桥。

这种形式结构复杂，不仅部件种类多，数量大，而且性能要求高，成本更高，对控制策略的制定和控制系统的设计也提出了很高的要求，却可以更加灵活地根据工况对内燃机和电动机进行控制，有利在更复杂的工况下实现系统的优化匹配，获得较低的排放和油耗，提高整体性能。

目前，这种结构在轿车上应用比较成功。

3混合动力汽车的关键技术

现阶段混合动力电动汽车的研究涉及多个领域，但它的开发和产业化需要攻克的难点主要包括电池技术、电动机技术、驱动系统控制、内燃机技术、整车能量管理技术等。

3.1电池技术

混合动力汽车上的电池与纯电动车上的工作状况不同，常处于非周期性的充放电循环，这要求电池必须具有快速充放电和高效充放电的能力，即不仅要能量密度高，且要功率密度高。

此外，由于混合动力电动汽车用电池的寿命、充放电效率、内阻等都要受电池放电深度、充放电电流大小等因素的影响，须对电池进行有效的能量管理。

目前已研究开发的电池有十几种，但实用性都不是很高，如铅酸电池的能量密度很低；镍氢电池虽综合性能优于铅酸电池，但成本较高；锂离子电池的充放电过程控制问题还有待解决；燃料电池电极材料和重复应用问题尚未很好解决；超级电容快速放电能力强，但是放电持续时间短；飞轮电池的能量密度也较小等。

由于飞轮电池的安全可靠性能差因此各大汽车制造商都青睐于使用铅酸电池镍氢电池与锂电池并致力于上述类电池的研发试图提高它们在混合动力汽车上的使用性能并降低使用成本例如沃尔沃研制出的一种名为“Effpower”新型蓄电池，它利用传统的铅酸基蓄电池来提供传统蓄电池加倍的电能而制造成本却更加低廉这种陶瓷基蓄电池含铅量仅为现有蓄电池的一半它立足于双极性而非单极性技术价格约为锂电池的年比亚迪汽车公司推出了世界上首款铁电池即磷酸铁锂电池，该电池具有大电流充电和放电性能，其循环寿命长，安全性好，无污染可回收，其耐热性和抗压性都已通过国家测试年比亚迪推出的双模电动汽车上搭载的就是这种铁电池。

3.2电动机技术

混合动力车用电动机应具有功率大，效率高，响应快，调速范围宽，电磁兼容性好等特点。

在众多的电动机中，交流电动机的综合性能优于直流电动机，因而得到广泛应用。

在交流电动机中，最具代表性的是交流感应电动机，而这种电动机的结构决定其功率和效率之间的矛盾很难解决，应尽量采用具有高效率、高功率密度、结构紧凑的永磁电动机、开关磁阻电动机等先进电动机。

同时，对电动机的控制策略及散热技术等还值得深入研究，以进一步提高混合动力电动汽车动力性和经济性。

为此针对轻型混合动力汽车提出了一体化起动机发电机结构用一体化起动机，发电机取代常规起动装置和交流同步发电机将起动机与发电机合为一体安装在曲轴上，集成到一台机器上，用电机转子代替传统的发动机飞轮，配以供电系统就构成混合动力系统。

结构是在现有发动机动力系统的基础上改进实现的，对原有结构几乎不作改动，对整车的改动最小，整车增加的质量也最少。

因而成本较低节油和改善排放的效果却很好。

当车辆下坡行驶或制动减速时电机应能工作于发电机状态，将制动时的机械能转化成电能，并存储到蓄电池中。

因此电机控制系统要能对电机的工作模式进行控制，从而使其满足汽车行驶的动力性要求。

3．3驱动系统控制

串联混合动力汽车上，电力驱动是唯一的驱动模式因而控制系统比较简单发电机运行控制只需根据蓄电池充放电状态决定发电或停止，而并联混合动力汽车驱动系统中有发动机和电机两个动力源，两个动力源存在多种配合工作模式，如纯电动发动机驱动，发动机驱动+电机辅助，发动机驱动+发电机充电等。

根据汽车行驶的需要动力系统在这些工作模式间相互切换，形成许多对单个动力源

来说的不连续瞬态过程，加上发动机的转矩响应时间常数与电机有较大差异，要维持混合动力系统总的动力输出平稳和连续，就必须对这些瞬态过程中两个动力源的动力输出进行协调控制。

需要解决的控制问题主要有：

（1）发动机的快速平稳起动；

（2）发动机进入驱动前的转速和离合器接合过程控制；

（3）状态切换造成对发动机需求转矩产生突变时发动机与电机转矩的协调控制；

（4）汽车总需求转矩产生较大波动时电机和发动机的转矩协调控制

驱动系统的控制策略要能通过实时分析汽车的行驶状况发动机和电机的转矩特性及电池SOC大小等信息决定混合动力汽车的工作模式，确定发动机与电动机的合理工况点，即需要对并联混合动力汽车的驱动系统的起步、模式切换、换挡等动态过程进行控制。

3.4内燃机技术

由于混合动力车用发动机工作时会频繁起停，为满足严格的排放标准，热力发动机的设计目标从传统发动机的高功率变为追求高效率，并将功率的调峰任务交由电动机承担。

要实现该目标，可将当前内燃机中普遍采用的Otto循环，用大膨胀比的高效率Atkinson循环取代，或采用其他高效热机，如燃气轮机、Stirling发动机等，再利用它们各自的优势来设计混合动力系统。

3.5整车能量管理

随着控制理论发展，自适应控制、神经网络、模糊控制等先进的控制策略在混合动力系统中也得到应用，但仍显得不是很完善，尤其是并联型和混联型混合动力系统。

由于控制策略不仅要实现整车最佳的燃油经济性，同时还要考虑适应汽车各种运行工况，兼顾发动机排放、电池寿命、驾驶性能、各部件可靠性以及成本等多方面要求，并针对汽车各部件的特性进行综合控制。

对这种考虑各方面要求的控制策略进行优化是今后的一个发展方向。

一旦解决了电池技术、电动机技术、驱动系统控制、内燃机技术、整车能量管理技术等技术难点以及成本高的问题，混合动力汽车才能变得比较实用，利于推广。

总之，在节能减排的主旋律下，混合动力车是最有发展前景的交通工具，但距离广泛应用还需一段时日。

4混合动力汽车的发展

目前世界上已经有70余种车型的燃料电池汽车问世，在国外最热门、销量最大的新能源车就是混合动力汽车。

　　1997年，第一款量产混合动力车普锐斯推向日本市场，当年售出18000辆。

　　1999年，本田混合动力双门小车insight在美国推出，受到好评。

2007年年底，美国权威机构Autodata的统计数据显示，2007年10月份美国混合动力车的销售量与上一年相比，同期增长了30个百分点，销售量为24443辆。

混合动力车型甚至成了平淡的美国汽车市场的一大亮点：

2007年，美国市场销售混合动力车型超过30万辆。

2007年5月17日，丰田混合动力车全球累计销售突破100万辆。

　　“领跑者”——日本车企

在欧美把重点放在比较远的氢动力、或者很现实地提高传统发动机技术之时，日本车企在混合动力上的成就让它们目前成为新能源的领跑者，如今，丰田的混合动力车在全球的销量已经超过120万辆。

业内，普遍认为采用氢动力是汽车发展的理想目标，而混合动力被认为是目前最好的过渡产品，丰田、本田在这个领域大有所获，不仅得到了商业利益，也收获了环保节能的美誉。

4.1国外现状

4.1.1日本

从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在发展混合动力汽车方面，日本居世界领先地位。

目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。

1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。

到2012年时，其所有的车型将全部装上混合动力发动机。

丰田汽车公司在实现混合动力系统的低能耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前列。

04年以来，世界原油价格不断攀升，消费者对低燃费车需求明显增加，汽车需求结构发生显著变化。

另一方面，世界主要汽车市场更加强化汽车燃气排放标准。

07年2月，欧委会强化CO2排放限制，2012年欧盟范围内销售的所有新车平均排放量必须低于每公里130克，目前排放量1500CC的汽车尚未满足上述标准。

今年5月，美国决定将原计划提前4年于2016年实施新能源法，并公布汽车平均燃费标准为每加仑汽油行驶35.5英哩（相当于1升汽油约行驶15.1公里）。

日本也决定2015年提高汽车燃费标准，平均每升汽油行驶16.8公里。

此外，日本为实现2020年减排25%中期目标，决定2020年新车中环保车所占比例由05年1%提高到50%。

全球混合动力汽车市场

08年全球混合动力汽车需求量48万辆，JP摩根证券预测，2020年将增至1128万辆，相当于08年23倍，占汽车总销量13.3%。

按地区分布看，北美349万辆，欧洲346万辆，中国197万辆，日本70万辆。

混合动力汽车增长会带动电池等相关产业。

08年全球汽车电池市场规模约800亿日元，2020年将增至1万零540亿日元。

再加上其他零部件及发动机等主要部件，预计每年混合动力汽车相关产业市场规模约2万多亿日元。

混合动力汽车增长还将带来一场新的产业技术革命。

随着车体轻量化，以钢铁为主材料的车身可能会被碳素纤维所取代，传统的锻轧和焊接工艺可能向一次成型和粘合方向转化。

4.1.2美国

美国三大汽车公司只是小批量生产、销售过纯电动汽车，混合动力和燃料电池电动汽车目前刚刚实现产业化，日本的混合动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。

美国能源部与三大汽车公司于1993年签订了混合动力电动汽车开发合同，进行为期5年的研发工作，并于1998年在北美国际汽车展上展出了样车。

在此基础上，现已推3款混合动力概念车：

通用Precept、福特Prodigy、戴-克DodgeESX3。

2004年，通用汽车公司与戴-克汽车公司对外宣布双方将在开发混合动力电动汽车的技术领域携手，共同推进此项技术的发展。

4.1.3国内现状

目前我国各大汽车集团都在进行混合动力电动汽车研发，多数以混合动力电动客车为主，这种研发方向符合我国国情，有利于我国电动汽车的研究发展。

一汽研发的红旗HQ3于2006年投产；东风集团的混合动力公交车已于2005年7月完成最终产品定型样车试验并通过验收；长安集团具有完全自主知识产权的羚羊混合电动车已产出样车，其装备混合动力技术的长安CV9已经下线；奇瑞集团成立了国家节能环保汽车工程技术研究中心，将在2006年下半年重点推出第一自主品牌真正意义上的混合动力车，代号为“BSG”的混合动力车；吉利集团旗下的上海华普汽车已与同济大学汽车学院签署合作协议，预计3年内完成混合动力轿车商业化生产；深圳五洲龙汽车有限公司也表示，中国规模最大、投放车辆最多的混合动力示范运营线路即将在深圳市龙岗区开通。

而广州本田更是紧跟丰田的步伐，于2006年中下旬推出国产雅阁混合动力车。

中国已经成为世界第一大汽车生产国和消费国，2011年汽车产销量超过1800万辆，预计到2030年中国汽车中乘用车保有量将会达到2.5亿辆。

然而，随着节能减排，降低能源依赖逐渐成为国际汽车工业和环保工业的发展趋势，加之油价不断上涨给汽车工业带来的压力，中国政府近几年制定了相应的电动汽车发展战略。

自2009年2月起，财政部公布了《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》。

2010年6月，政府在上海、长春、深圳、杭州和合肥5个城市设为私人购买新能源汽车补贴试点城市。

现阶段节能车发展重点在推广非插电式混合动力汽车和节能内燃机汽车，同时重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车的产业化进程，而纯电动汽车将被设为汽车工业未来主要战略发展方向。

设立的新能源汽车发展目标为，2015年纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量达到50万辆，当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至每百公里6.9升；2020年产销量超过500万辆，燃料消耗降至5.0升。

4.4中国混合动力汽车产业的发展困境

目前国内研发和生产混合动力汽车的厂家数量有30多家，在现有的生产格局中，主要包括上汽集团，一汽集团，东风集团，北汽集团，广汽集团，奇瑞汽车，吉利汽车，比亚迪汽车，长城汽车等，通过对国内新能源汽车生产厂商的认真梳理不难看出，国内混合动力汽车链存在明显的过于分散集中度低和纵向整合不足的重大问题。

所以中国混合动力汽车还应多借鉴先进国家的技术、管理、政策经验，才能更好的推动其发展。

5总结

在纯电动汽车和燃料电池汽车技术还不够成熟难以实现产业化的背景下，混合动力汽车的发展受到越来越多的关注，正逐步朝着产业化迈进。

但混合动力汽车在短期内尚无法取得传统内燃机汽车的地位，要达到混合动力汽车的实用化还需完善解决一系列关键技术和问题，不过随着机电技术，控制技术和电化学技术等的迅速发展，混合动力汽车在研制开发产业化及商业化方面，将取得突破性进展。

在不久的将来混合动力汽车将成为主流车型真正实现商业化。

参考文献

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轿车车身的轻量化设计.

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