混合动力汽车技术及其发展趋势

目 录1 前言12 汽车的发展历史及其关键技术13 混合动力汽车技术23.1 混合动力汽车技术研究的目的和意义23.2 混合动力汽车技术国内外发展现状与趋势33.3 混合动力技术研究内容54 混合动力汽车技术发展趋势54.1 混合动力汽车开发竞争加速54.2 混合动力汽车前景展望及发展趋势65 我国发展混合动力汽车的机遇和挑战75.1 机遇75.2 挑战7参考文献91.前言1886 年，世界上第一辆汽车诞生在德国，一百多年来，汽车己极大地改变了人们的活，成为非常重要的代步和运输工具。目前，汽车工业是许多国家的支柱产业，也是当今世界最大、最重要的工业部门之一。汽车缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活方式，提高了生活质量。今后 50 年，世界人口将由60 亿增加到 100 亿，汽车数量将由 7 千万增加到 2 亿 5 千万。但我们在享受汽车文明的同时，也必须面对汽车带来的负面影响:环境污染和过度能源消耗。2000 年我国进口石油 7000 力吨，预计 2005 年后将超过 1 亿吨，相当于科威特一年的总产量。目前世界上空气污染最严重的 10 个城市中 7 个在中国，国家环保中心预测，2010 年汽车尾气排放将占空气污染源的 64%。上个世纪末人们关注的是汽车节能、排放和安全技术，而本世纪初，人们己经更多的将目光转向汽车新能源和环保技术。如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业，将会给燃油的需求和环境保护造成巨大压力。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车，成为各大汽车公司的当务之急。2.汽车的发展历史及其关键技术1834 年，Thomas Davenport 制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电池驱动，只能行驶一小段距离。19 世纪末， 许多美国、英国和法国的公司都开始生产电动汽车，在以蒸汽、电和汽油为动力的汽车竞争初期，电动汽车以其在行驶性能、续驶里程和低噪声等方面的优势占据主导地位。到 1912 年，美国己有 3400 辆电动汽车注册，但是 1911 年 Kettering 发明了汽车发动机，使得燃油汽车相对于电动汽车来说更具有吸引力，从此打破了电动汽车在市场的主导地位，20 世纪 30 年代，电动汽车几乎消失。20 世纪 70 年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机。当时，世界上许多国家如美国、英国、法国、德国、意大利和日本都开始发展电动汽车。这一时期的电动汽车以改装车为主，也不乏重新设计底盘和车身的新型电动汽车，这样可降低汽车的空气阻力，方便能量储存系统的布置。这一阶段电动汽车技术获得复苏，为随后的商业化时代奠定了坚实的基础。但是石油价格在 20 世纪 70 年代末下跌，电动汽车的商业化失去了动力，其发展显著变慢，开始走入低谷。20 世纪 90 年代，燃油汽车排放所引起的空气污染和温室效应受到重视，电动汽车再次得到发展。在世界范围内，尤其在美国、日本和欧洲，许多汽车制造商、科研院所和大学不断研究电动汽车新技术，推动电动汽车技术向前发展，并开始将电动汽车商业化。通用、日产、福特、戴姆勒一奔驰、丰田、本田等国际知名汽车制造商先后推出了他们的电动汽车样车，其中丰田公司生产的 Prius 混合动力汽车还取得了不错的销售业绩。电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等。尽管电源技术至关重要，是制约电动汽车发展最主要的技术障碍，但车身设计、电力驱动、能量管理和系统的优化也同样重要，事实上，将这些领域技术的整合才是电动汽车技术成功的关键。现代电动汽车工程的主要问题是要将汽车工程、电气、电子工程以及化学工程领域中最新的技术发展结合到电动汽车的设计中来，找到适合十电动汽车的独特的设计方法和制造技术，实现电动汽车能量的最优化利用。3.混合动力汽车技术3.1 混合动力汽车技术研究的目的和意义电动汽车己有三种驱动类型:以高效能蓄电池驱动的电动汽车(EV)、以燃料电池为动力源电动汽车(FEV)和以燃油发动机与电动机混合驱动的混合动力电动汽车(HEV )。电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的，纯电动汽车或零排放新燃料汽车无疑是我们的最终目标，但目前纯电动汽车初始成本高，行驶里程较短。由于高效能蓄电池、燃料电池及其系统的发展相对滞后，混合动力汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。它将现有内燃机与一定容量的储能器件(主要是高性能电池或超级电容器)通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。国内外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注，得到商业市场的响应并迅速发展，这其中以丰田的 Prius 和本田的 Insight 为代表。电力辅助型混合动力汽车采用并联式结构，电池组容量相对较小(2-6kW/h )，由发动机提供匀速行驶时的平均功率需求，当加速或爬坡需要较大功率时，由电池和电动机组成的电力辅助部分补充输出驱动功率.混合动力汽车动力性能、燃料经济性以及废气排放效果的好坏，在很大程度上取决于车辆驱动系统参数的合理匹配以及车辆行驶过程中对各部件的协调控制。传统燃油汽车的发动机使用情况多数是偏离其最佳工作区域，未能实现动力传动系统的最佳匹配。因此，通过合理匹配混合动力汽车的驱动系统，制定适合于车辆行驶工况的控制策略，对于提高汽车行驶效率，降低燃油消耗和尾气排放具有较大的潜力，是一个值得研究的课题。对于汽车的动力性能和燃料经济性水平，通常是在进行实车道路试验之后给予最后评价。这样做不但周期长，成本高，而且在产品设计阶段对整车及各总成方案的确定、结构参数的选择、传动系参数与发动机的匹配等具有一定的盲目性，可能遗漏较优的方案，造成浪费。如果在设计阶段，根据有关设计参数和驱动系统控制策略，利用计算机仿真模拟对汽车动力性和燃料经济性进行预测，可以考察驱动系统参数是如何影响汽车动力性和燃油经济性，并对其进行优化设计。此外，按预定的程序模拟各种行驶工况，包括瞬变的非稳定工况，能全面地预测汽车齐多种工况下的动力性能和燃油经济性。3.2 混合动力汽车技术国内外发展现状与趋势国内外普遍认为混合动力电动汽车结合了燃油汽车和纯电动汽车的优点，设计灵活，易于满足未来排放标准和节能目标。因此，日本、美国、欧洲各大汽车公司和相关的研究机构都开展了有关混合动力汽车的研究。混合动力汽车技术在汽车工业发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。在目前美国市场上销售的混合动力汽车主要有三种:本田公司的 Insight，丰田公司的Prius 以及本田公司的 Civic。日本丰田汽车公司是目前走在最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行混合动力车研究的汽车公司之一。丰田公司 1997 年12 月宣布将混合动力电动轿车 Prius 投入小批量商业化生产。该车采用汽油发动机和电动机混合驱动，发动机是新型汽油发动机，电池组为 250 个串联的镍氢电池。其百公里油耗为 3. 4L，比原汽油车减少一半，排量也相应减少了一半， CO, HC, NO、仅为现行法规允许值的 10%。目前，Prius 在海内外的销量己超过数万辆，成为全球首部实现量产、也是销量最大的混合动力汽车。本田汽车公司独立研制开发的 Insight 混合动力汽车，也已经实现了量产。由于“新一代汽车伙伴合作”(The Partnership for a New Generation of Vehicles, PNGV)计划的推动，美国三大汽车公司福特、通用和克莱斯勒对各种驱动单元技术及其不同的组织方式进行上百种方案的筛选、比较，认为采用混合动力驱动是实现中级轿车百公里 3L 油耗的可行方案，因此混合动力汽车受到更大的关注。福特汽车公司在 2000 年北美国际车展上推出了其开发的Prodigy 混合动力家庭概念车，该车采用 1. 2L4 缸柴油发动机和镍金属复合电池，整车质量仅 1083kg，百公里油耗仅 3. 3L。福特公司预计，未来 10 年内，混合动力汽车将占汽车市场的 10%-20%。美国克莱斯勒汽车公司 1998 年 2 月在底特律展出了第二代道奇无畏 ESX2 型混合动力电动轿车，该车装用工 500cc 排量的直喷柴油机，装备铅酸电池，配有单独的发电机，采用交流感应电机驱动，百公里油耗降至 3. 4L。2000 年日内瓦车展上，雪铁龙公司推出并联式混合动力轿车 Xsara，表明了他们在这一领域的世界领先水平。其他几个大汽车公司，如通用、雷诺、日产等，也都推出了各自的混合动力汽车。国内是在 20 世纪 80 年代后期开始电动汽车研究的。1999 年 4 月 6 日由科技部、环保总局、国家计委、国家经贸委和国家机械局等十多个部委联合召开“空气挣化工程一清洁车辆行动”会议，提出通过电动车辆、混合动力车辆技术的攻关和推广应用，从根本上治理机动车辆排放污染，依靠科技进步，建立新型清洁车辆产业。 “电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技项目，在清华大学的组织下，研制出了 16 座电动轻型客车，现于清华大学校园内运营。2001 年 11 月，国家科技部将电动汽车纳入国家“十五”规划，列入“863”的重大专项。该专项分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三大类整车项目及电机、电池、多能源管理系统及其它辅助系统的开发研究。一汽集团在 2001 年北京国际清洁车展上推出一款混合动力轿车一红旗CA7180AE，最高车速可达 135km/h，参加该项目研究的有一汽汽车研究所、美国电动车(亚洲)公司、汕头国家电动汽车试验示范区。深圳明华环保汽车有限公司也于 2001 年 4 月推出了并联式混合动力汽车 MH6720，该车装备 87kW 发动机，异步交流电机平均功率为 36kW,满载最高车速 135km/h。长丰汽车有限公司改装的 CFA6470-HEV 混合动力汽车采用现有 CFA647。车的底盘，原有的四缸发动机和变速箱不变，加装一个电动机驱动系统，取消分动箱，由发动机驱动后轮，电机通过减速箱和传动轴独立驱动前桥。此外，湖北东风电动汽车开发公司也开展了电动汽车和混合动力汽车的研究。混合动力汽车的缺点是结构复杂，不是零排放汽车，可靠性比纯电动汽车低，从长远来看是一种过渡车型。但其驱动系统同时使用燃油发动机和电动机作为汽车的动力源，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放，同时具有令人满意的行驶里程。因此，近年内混合动力汽车将具有很好的发展前景。3.3 混合动力技术研究内容以电力辅助型并联式混合动力汽车为研究对象，主要针对以下问题进行研究讨论:(1) 混合动力汽车驱动系统设计和匹配的理论研究，探讨特定用途的并联式混合动力汽车动力性能指标的确定方法，发动机、蓄电池、电机和变速箱等动力部件的合理选择，以及整个驱动系统的匹配；(2) 混合动力汽车驱动系统主要部件的特性分析与建模，建立整车的动力学模型，分析发动机、蓄电池、电机和变速箱等动力部件的特性，建立适合分计算的数学模型；(3) 混合动力汽车驱动系统控制策略优化，综合考虑车辆的行驶性能、燃油经济性和电池荷电状态，建立优化的实时控制策略；(4) 混合动力汽车性能仿真，在车辆的动力学模型的基础上，以 Matlab6. 1 为软件平台，开并联式混合动力汽车性能仿真程序，并利用该程序对所研究的原型车进行性能仿真。4.混合动力汽车技术发展趋势4.1 混合动力汽车开发竞争加速20 世纪 90 年代以来，能源和环境对人类生活和社会发展影响越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声日益高涨，为此，各种电动汽车脱颖而出，但由于蓄电池的能量密度与汽油相差极大，远未达到所要求的数值，而燃料电池技术制氢和价格尚未得重大突破，在这种情况下混合动力汽车登上了历史舞台。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，混合动力汽车的研制和开发已经逐步进入实用化。自 1997 年 12 月田首次在世界上推出批量生产的 Priu 混合动力轿车，1999 年 11 月本田也出了 Insight 混合动力轿车，欧、美也在紧追不舍。在最近各届国际汽车展上，混合动力汽车开发已经进入新技术新能源的前沿，成为各大汽车公司技术实力竞争的焦点。但是，世界汽车市场是高度自由竞争市场，混合动力汽车与同类汽油机车或柴油机车相比，价格约为后者的 2 倍左右，有些已降到 1213 倍，据日本有关资料统计，日野汽车公司于 l994 年 3 月推出的混合动力“HIMR 大客车、载货车和专用车”到 2001 年 3月止共销售 250 辆左右。而 1997 年月开始投放市场的丰田 prius 混合动轿车到2001 年 8 月底共销售 5340 左右。自 1999 年 11 月投放市场的本 Ins 谵 ht 混合动力轿车截止 2001 底总共销售约 1800 辆。日产汽车公司 2000 年 4 月限额销售的“Tino” 动力轿车共销售约 100 辆。接着，2000 年 6 月和 8 月丰田又推出了装备先进技术的 ESTIMA 混合动力多用途车(8 座装有称为“柔和混合动力系统”的皇冠混合动力轿车。月丰田汽车公司在 3 5 届东京汽车展上推出的“思域”(Ci c)混合动力轿车也于 2001 年 12 月进入市场。42 混合动力汽车前景展望及发展趋势在能源和环保的压力下，世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放。因此日本、美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，世界主要地区汽车销售量及混合动力汽车销售量预测表明到 2010 年全球混合动力汽车年产可达 294 万辆。从国内市场来看，由于经济的持续快速增长，城市规模不断扩大，各大城市政府已纷纷将推广使用清洁燃料汽车作为净化空气、改善环境的一项重要措施，特别是北京申办 2008 年奥运会成功，更为洁净型城市汽车提供了极佳的市场机遇。 随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，电动汽车及混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。在我国大中城市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源之一。因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通(如出租车)和城市之间的混合动力汽车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。4.3 我国发展混合动力汽车的机遇与挑战4.3.1 机遇 在常规汽车技术开发方面, 国内外存在明显的技术差距, 由于合资外方对核心技术的保护和不转让,为满足巨大的市场需求, 应对竞争对手, 缩短新品推出周期,目前中国几大汽车厂商均采取引进国外企业先进、成熟的产品进行组装生产或进行适应性改造的方式,这无形削弱了企业进行自主开发的意愿和动力, 对外方产生高度依赖性。而长此以往, 中国汽车产业将陷入“引进落后再引进”的恶性循环, 中国将名副其实地成为世界汽车的装配中心。因此,混合动力汽车作为一种新兴的节能环保型汽车, 其技术和市场仍然处于一种蓬勃的发展阶段, 国内外还不存在明显的代差,重视和扶持我国的混合动力汽车产业, 是快速缩短与世界汽车技术水平差距的发展良机,也是保障我国汽车行业健康持续发展的重要机遇。 4.3.2 挑战 行业竞争日本汽车公司如丰田、本田等混合动力技术已经相当成熟, 北美市场对混合动力技术日益高涨的需求,使得德国整车企业对此趋之若鹜。宝马集团和戴克集团一同加入通用开发双模式混合驱动技术；奥迪、大众和保时捷共同开发混合动力 SUV；福特宣布要在 2010 年底前实现 25 万辆混合动力车的计划；丰田混合动力技术在全球高唱凯歌的现实,推动各大企业发展混合动力和推出各自的混合动力计划。国内企业如一汽、东风、上海大众、上海通用、长安、华普和奇瑞等都推出了混合动力样车,并提出量产化计划。行业竞争使得混合动力发展势在必行。技术阻碍和技术缺失，混合动力汽车的关键技术难点在于整车控制器(HVCU) 的软件开发,同时还有电机及其控制器(MCU)、电池及其管理系统(BMS)、混合动力变速箱(如 AMT)、内燃机与电机动力耦合装置、强电的安全防护以及车辆的成本控制等。混合动力要在中国汽车市场大规模地应用,必须解决电池的技术问题,重复充电、续驶里程技术。回避丰田先入为主的策略丰田有 200 多项混合动力专利, 因此我国在研发时就要绕开这些专利, 形成自己的知识产权。国内发展混合动力汽车产业的相关建议成本降低才有机会赢得市场。 我国目前刚进入轿车社会, 很多消费者购车时考虑的主要因素还是价格, 如果混合动力车定价过高,购者则会较少。但是, 有个性的、异类的东西在我国也会有一定的生存空间,如环保意识比较强的人士、比较重视科技的人士以及追求前卫、时尚的人士可能会青睐这款车。因此,