混合动力汽车技术及其发展研究.docx

1、混合动力汽车技术及其发展研究1.引言 随着不可再生资源的日益消耗，特别是石油资源的消耗，人们人们不得不为汽车业的可持续发展开始思考，混合动力汽车及电动汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，并成为我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府也在实施很多项高科技发展研究计划其中就包括混合动力汽车在内的电动汽车重大专项。我国在新能源汽车的自主创新过程中，有了政府的支持，坚持以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为主要方向以及整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池的研发，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得了重大进展。同时，近年来

2、，美、日、德等汽车工业强国先后发布了关于推动包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业发展的国家计划。也取得了一些先进的成果。2.混合动力汽车概念混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehicle, 简称HEV) 是指同时装备两种动力来源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。3.混合动力汽车的结构原理以串联混合动力电动汽车为例子，介绍混合动力电动汽车的工作原理。在车辆行驶刚开的时候，蓄电池处于电量饱满状态，其能

3、量输出能够满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作。电池电量低于60时，这时辅助动力系统起动：当车辆能量需求较大时，这时辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量；当车辆能量需求较小时，这时辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。由于有了蓄电池组，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。混合动力汽车是采用能够满足汽车巡航需要的较小发动机，依靠电动机或其它辅助装置来提供加速与爬坡所需的附加动力。这不但提高了总体效率，而且并未牺牲性能。混合动力车设计成可回收制动能量。在传统的汽车中，司机踩制动时，本可用来给汽车加速的能量转化为热量分散到空气中了。而混合动力车却能大部分

4、回收这些能量，并将其暂时贮存起来供加速时再用。如果司机想要有最大的加速度时，汽油发动机和电动机就会并联工作，提供可与强大的汽油发动机相当的起步性能。一般在对加速性要求不太高的场合，混合动力车可以单靠电机行驶，也可以单靠汽油发动机行驶，或者二者结合以取得最大的效率。例如在公路上巡航时使用汽油发动机。而在低速行驶时，只单靠电机拖动，不用汽油发动机辅助。即使在发动机关闭时电动转向助力系统仍可保持操纵功能，提供比传统液压系统更大的效率。4.混合动力汽车技术类型根据混合动力驱动的联结方式一是串联式混合动力系统。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，所产生的电能通过控制单元传到电池，然后由电池

5、传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在串联联结方式下，电池就是用来储蓄的，储蓄的是电能。电池调节在发电机产生的能量和电动机需要的能量，从而保证车辆正常工作。 二是并联式混合动力系统。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统不但可以同时协调工作，而且可以各自单独工作驱动汽车。并联系统适用于多种不同的行驶状况，尤其适用于复杂的路况。并联联结方式结构简单，成本低。 三是混联式混合动力系统。混联式混合动力系统的特点是内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速的机构，两套机构可以通过齿轮系，也可以采用行星轮式结构结合在一起，从而来综合调节内燃机与电动机之间的

6、转速关系。和并联式混合动力系统相比，混联式动力系统更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。B、根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同 一是微混合动力系统。代表的车型有PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机上加装了皮带驱动启动电机。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，是用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正意义上的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车

7、行驶提供持续的动力。在微混合动力系统里，电机电压通常有两种：12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合动力系统。 二是轻混合动力系统。代表车型有通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统通常采用集成启动电机。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了可以实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：（1）在减速和制动工况下，对吸收部分能量；（2）在行驶过程中，发动机等速运转，发动机所产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行适当的调节。轻混合动力系统的混合度一般在20以下。三是中混合动力系统。本田旗下混合动力的Insight, Accord 和Civic都属于混合动力系统。该混合动力

8、系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同的是，中混合动力系统采用的是高压电机。还有，中混合动力系统增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机可以辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统混合程度较高，可以达到30左右，目前技术已经成熟，应用广泛。 四是完全混合动力系统。丰田的Prius 和未来的Estima就属于完全混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度相当高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统混合度可以大于等于50%，技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。5.混合动力汽车

9、需要解决的问题和关键技术目前，混合动力汽车需要解决的问题包括以下几个方面:一，进行动力分配装置和能量管理系统研究。二，开发具备高比能量和高比功率经济实用电池。三，混合动力系统的结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。四，建立更先进驱动系统数学模型，进行计算机仿真分析。具体来说需要进行下面几项关键技术的研究:混合动力单元技术在混合动力汽车上，热力发动机又被叫做混合动力单元。为提高燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多的要求，如要求混合动力单元能够快速起动和关闭等。目前对混合动力单元研究主要集中于:一是燃烧系统优化；二是尾气的处理技术，主要研究高效尾气催化系统；三是代用燃料研究。控制策略

10、技术 HEV产品开发中最为关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化的控制策略，国外通过系统建模仿真来对此进行了大量的匹配理论研究。控制系统开发首先是根据采集到的速度和负荷等数据，计算出对应要求输出功率:计算出以最高效率为基点的分配到内燃机与电动机上的功率值，即实现内燃机与电动机之间最优功率分配比；然后，根据功率分配比，计算出驱动电动机的功率值和其它有关数据，给出内燃机的控制参数和电动机的控制参数。同时，驱动还要执行器完成这两个层次的工作控制。在执行器得设计中，功率分配装置设计及其与变速器的一体化设计是关键的部件设计工作。因为它要根据控制器的指令，正确地进行内燃机功率向驱动车辆功率和驱动

11、发电机功率的分解。能量存储技术 在电动汽车上，蓄电池开发和充放电特性的研究是关键。现在，镍氢电池和锂离子电池己可达到混合动力汽车使用要求，但仍有价格高或寿命不长等缺陷。从发展看，能量储存装置研究应该包括以下几个方面:一是研究电池内部的连接、检测、监控。二是电池设计和制造方面改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。适用于混合动力汽车的电池需要有较高的比功率，要达到的目标是，功率与能量比值大于20W/wh；使用寿命达到10年；至少循环使用12万次。三是电池热能管理及剩余电量管理。此外，电池的剩余电量直接影响混合动力汽车经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。6.混合动力汽车技术发展现

12、状6.1国内混合动力汽车技术发展状况从目前发展来看，以计算机技术和自动控制技术，各种智能控制系统包括自适应控制技术、模糊控制技术（Fuzzy）、专家控制系统（Expert System）、神经网络控制系统（Neural Networks）等在混合动力汽车上的逐渐应用，将进一步促进混合动力汽车发展。与传统型汽车相比，混合动力汽车充分吸取了电力/热力系统中最大的优势，在节能和排放上胜出一筹；与纯电动汽车相比，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，因而其造价成本将低于电动汽车。当前所面临的主要技术问题还很多。尽管从长远来看只是一种过渡车型，但它在近20-30年内会很有发展前景，这

13、一点是毫无疑问的。汽车行业专家有过预言，不久的将来，新生产的汽车中电动汽车将占40%以上。我国的汽车工业应顺应科技发展趋势，抓住这块市场，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。形成具有完全自主知识产权的动力系统技术平台，建立了混合动力汽车技术开发体系。混合动力汽车的核心是电池技术。除此之外，还有发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也应该是重点。从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台及产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。截止到2009年1月31日，在混合动力车辆技术领域，我国知识

14、产权局受理并公开的中国专利申请有1116件。 在1116件专利申请中，发明为782件、实用新型为334件。掌握了关键零部件的核心技术，自主开发出系列化产品，关键零部件产业化全面跟进。在混合动力汽车的核心电池技术研发方面，我国已自主研制出容量为6Ah-100Ah的镍氢和锂离子动力电池系列产品，能量密度和功率密度接近国际水平，同时突破了安全技术瓶颈，在世界上首次规模应用于城市公交大客车；自主开发200kW以下永磁无刷电机、交流异步电机和开关磁阻电机，电机重量比功率超过1300w/kg，电机系统最高效率达到93；自主开发燃料电池发动机技术先进，效率超过50%，成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级燃料电

15、池发动机研发、制造以及测试技术国家之一。与此同时，混合动力汽车关键零部件产业化全面跟进，生产配套能力显著增强。近来，力神、比亚迪、比克、万向等动力电池企业投入数十亿资金加快产业化建设，上海电驱动、大郡、湘潭电机、南车时代等电机企业加强与上下游企业合作，积极完善产业链建设。在未来2-3年内，预计将形成20亿Ah以上的动力电池和全系列驱动电机生产能力，能够满足100万辆混合动力及电动汽车配套要求。掌握了电动汽车整车开发关键技术，形成了各类电动汽车开发能力。我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现节油10%-40%。同时，各汽车企业对混合动力汽车研发和产业化投入

16、显著增强，产业化步伐不断加快。目前，国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视，一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力，混合动力车型已完成样车开发，并有部分车型已经实现小批量上市。6.2国外混合动力汽车技术发展状况当前，全球汽车工业正面临着金融危机和能源环境问题巨大挑战。发展新能源汽车，实现汽车动力系统的新能源化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成广泛共识。在这种形势下，美国、日本、欧洲等发达国家和地区，不约而同地将新能源为代表低碳产业作为国家战略选择，都希望通过新能源产业与传统汽车产业结合，破解汽车工业能源环境制约，培育新型战略性产业，提升产业核心竞争力，发展低碳经济，实现新一轮经济增长。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们关注。混合动力汽车具有油、电发动机的互补工作模式，具有省油、节能的优势。同时，