混合动力汽车的发展与应用

毕 业 论 文混合动力汽车的发展与应用系 别： 车 辆 工 程 系 专 业： 汽车制造与装配_班 级: _ _ 学生姓名: _ _ 指导教师： _ 完成时间： _ 目 录摘要 .1abstaract.2引 言 .3第一章混合动力汽车的概述 .41.1 混合动力汽车的概述 .41.2 发展混合动力汽车的必要性 .51.3 混合动力系统 .6第二章混合动力汽车分类及各类型的工作原理 .82.1 串联式混合动力汽车的结构与工作原理 .82.2 并联式混合动力汽车的结构特点 .82.3 混联式混合动力汽车（PSHEV）的结构特点 .9第三章混合动力汽车的主要部件 .103.1 控制方式 .103.2 电动机 .103.3 混合动力汽车车用镍氢动力电池 .133.4 国外主要的镍氢动力电池生产企业及国内现状 .15第四章混合动力汽车的发展现状及趋势 .184.1 混合动力汽车的发展现状 .184.2 发展混合动力汽车面临的问题 .194.3 混合动力汽车发展的趋势 .21结 语 .24参考文献 .25致 谢 .26摘要：目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题是环境污染和石油资源匮乏,环保和节能是 21 世纪汽车技术的一个重要发展方向,同时各国的排放法规也日趋严格。混合动力汽车(HEV)正是具有低污染和低油耗特点的新一代清洁汽车。混合动力汽车是传统内燃机车辆与电动车辆的有效组合。混合动力汽车以其独有的特点得以在这一时期成为非常有前途的产品。关键词：混合动力；汽车；发展；应用Abstaract: Sustainable development of the world automobile industry faces two major challenges is the lack of environmental pollution and oil resources, environmental protection and energy conservation in the 21st century automotive technology is an important direction of development, while the countries are becoming increasingly stringent emissions regulations. Hybrid electric vehicle (HEV) is a low-pollution and low fuel consumption characteristics of a new generation of clean vehicles. Hybrid electric vehicle is a traditional internal combustion engine vehicles and electric vehicles an effective combination. Hybrid electric vehicle with its unique features in this period can be a very promising product.Keywords: Hybrid Electric Vehicle；car；develop；application引 言目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题是环境污染和石油资源匮乏,环保和节能是 21 世纪汽车技术的一个重要发展方向,同时各国的排放法规也日趋严格。混合动力汽车(HEV) 正是具有低污染和低油耗特点的新一代清洁汽车。混合动力汽车是传统内燃机车辆与电动车辆的有效组合。混合动力电动汽车以其独有的特点得以在这一时期成为非常有前途的产品。当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占 80以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的 40，在市区还会跌至 25，更为严重的是排放废气污染环境。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，于是混合动力汽车应用而生。第一章 混合动力汽车的概述1.1 混合动力汽车的概述1.1.1 混合动力汽车的定义混合动力汽车是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车，车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。1.1.2 混合动力汽车的优点混合动力汽车的优点是：1、采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。2、因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现零排放。4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。混合动力汽车有三种基本的工作方式，即串联式、并联式和串并联（或称混联）式。1.1.3 混合动力汽车的缺点混合动力技术的先进性和实现的现实性，节能、环保效果明显，采用混合动力汽车是现阶段解决环保和能源问题最为切实可行的方案。但是，由于混合动力汽车是在牺牲了部分环保利益的基础上，可以满足目前人们对汽车环保的基本要求，在结构上两套系统电池/电机和内燃机同时安装于本来只装一套系统的汽车上，不仅加大了汽车本身的重量，也提高了对整体工艺及控制等方面的要求。除了和纯电动汽车（BEV）一样受目前蓄电池技术的限制之外，混合动力的能量来源仍然是石油，这决定了混合动力不是电动汽车发展的最终形式。但是，目前日本的几大公司的混合动力汽车的热销说明，混合动力汽车是传统汽车时代向氢燃料电池汽车时代的过渡车型技术，虽然不是长远之计，但据估计，仍有 50 年以上的较长市场周期。可以充分利用现有内燃汽车生产能力，推动传统汽车工业的改造发展。 总之，混合动力汽车介于传统汽车和纯电动汽车、燃料电池汽车之间，是一种承前启后的，在经济和技术方面都趋于成熟的电动汽车产品。混合动力驱动汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，价格较高。现代汽车伙伴合作计划推动美国三大汽车公司对各种单元技术及其不同组织进行成百种方案的筛选、比较，认为采用混合动力是实现中级轿车百公里 3 升油耗的可行方案因此而受到更大的关注。经过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的例子。日本丰田汽车公司在 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，该车自重1515kg，装用顶置凸轮轴四缸，1500cc 排量汽油机，最大功率42.6kW/4600r/min，带永磁无刷发电机，驱动电机亦为永磁无刷的额定功率30kW，采用氢镍电池，实现串并联控制方式，百公里油耗为 3.4L，比原汽油车减少了一半，CO2 排量也相应减少了一半，C O、HC、NOX 仅为现行法规允许值的 10，售价每辆 216 万日元（约 15000 美元）。 美国克莱斯勒汽车公司1998 年 2 月在底特律展出第二代道奇无畏 ESX2 型混合动力电动轿车，该车装用 1500cc 排量直喷柴油机带发电机，采用铅酸电池，交流感应电机驱动，铝车架，复合材料车身，自重 1022kg，百公里油耗降至 3.4L。2000 年通用，福特，戴姆勒克莱斯勒已开发出 100 公里油耗已达到 3 升汽油或接近 3 升汽车的样车，只是价格仍较贵。 1.2 发展混合动力汽车的必要性当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占 80以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的 40，在市区还会跌至 25，更为严重的是排放废气污染环境。20 世纪 90 年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在 10 年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（Hybrid-ElectricVehicel，缩写 HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短。这样使汽车的热效率可提高 10以上，废气排放可改善 30以上。混合动力源电动车按照能量合成的的形式主要分为串联式(SHEV）和并联式（PHEV）两种。混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。由于其构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。1.3 混合动力系统1.3.1 混合动力的概念HEV（Hybrid-ElectricVehicel）混合动力装置。混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动停止时，只靠发电机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需燃油即可。混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。1.3.2 串联式串联式动力：串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联方式组成 SHEV 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。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况况时，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例如福特“新能级2010”SHEV，其电池采用燃料电池，在城市市区行驶时全部由燃料电池驱动电动机，电动机通过减速器（变速器）和驱动桥驱动车轮，达到了“零排放”要求。当高速及爬坡时，则由发动机-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。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。1.3.3 并联式并联式动力：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，因此得到比较广泛的应用。例如大众汽车公司的高尔夫 PHEV，发动机通过离合器带动电动发电机，输出扭力再通过另一边离合器驱动车辆行驶。静止启动时，电池向电动发电机供电，此时电动发电机就是发动机的起动机。发动机启动后，发动机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮，另一方面又带动电动发电机发电向电池充电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭，离合器脱开，离合器接合，电池做为唯一能源向电动机供电，由电动机取代发动机驱动车轮。当电动车需要高速或高负荷时，发动机启动离合器闭合，发动机与电动发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。1.3.4 混联式混联式动力：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。丰田的 Prius 属于以电机为主的形式。第二章 混合动力汽车分类及各类型的工作原理2.1 串联式混合动力汽车的结构与工作原理串联混合动力电动汽车 SHEV 是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于 60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。2.2 并联式混合动力汽车的结构特点 并联式混合动力汽车的组成1、发动机 2、电动机/发动机 3、机械传动系统 4、驱动电动机5、逆变器 6、蓄电池组PHEV 是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。如下图所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可分为：（1）在发动机输出轴处进行组合；（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。上图是一种电动机的动力在驱动轮处进行组合的驱动轮动力组合式 PHEV，其驱动模式为：1）以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；2）驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；3）在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四驱动模式。2.3 混联式混合动力汽车（PSHEV ）的结构特点混联式混合动力汽车的组成1、发动机 2、电动机/发动机 3、变速器或减速器 4、驱动桥 5、逆变器6、电动机 7、蓄电池组PSHEV 是综合 SHEV 和 PHEV 结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。第三章 混合动力汽车的主要部件3.1 控制方式目前市面上混合动力汽车最常见的两种动力源是内燃机和电动机。一般情况下，内燃机是前轮的驱动源，而电动机是两个后轮的驱动源。车内的电脑会根据不断变化着的交通条件所需的动力情况，随时作出反应，不需驾车人预先指令，即自动地选择最为理想的驱动模式；或是由两台电动机进行后轮驱动；或是由一台内燃机进行前轮驱动；或是内燃机和电动机同时驱动。当从静止状态起步时，车上的电脑会首先选择电动驱动模式，这是因为内燃机在汽车起步后的第一公里期间内，所用燃料的 80都被作为废气排掉了，既浪费燃料又污染环境。当车速到每小时 40 公里时，电脑会自动选择内燃机驱动模式，同时内燃机在工作时也对蓄电池组进行充电。如果驾驶员突然实施紧急加速，电脑则会启动电动机来协助内燃机进行联合驱动。而当低速行驶时，或者电脑判定蓄电池组的能量不足时，也会启动内燃机工作。当汽车减速时，电脑会对内燃机起到制动作用，判定利用其制动能量对蓄电池组充电。此外电脑还操纵着例如制动装置、防车轮抱死和方向控制等其他功能。在前后轮之间，内燃机和电动机或是交替的、或是相继的、或是同时的，不断变化着的驱动方式，使得汽车始终保持其动力潜能的最大发挥，大大减少了燃料消耗和废气排放。3.2 电动机在 HEV 上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻 HEV 的总质量。因此，一般电动发电机只是在 HEV 发动机启动，车辆启动、加速或爬坡时起作用。电动发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率的作用。电动发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。在 HEV 下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。因此，HEV 有了电动机的辅助作用，就可以使 HEV 达到节能和“超低污染”的要求。电动机的种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。但 HEV 所采用的电动机种类少，功率覆盖面也较小。目前主要采用的交流电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机，不管是电机本身还是它们的控制装置，成本都比较高，但随着电动机的电子计算机控制和机电一体化的加速发展，很多新技术正逐步运用到混合动力汽车（HEV）的电动机上，一旦形成大规模批量生产，所用电机乃至整车的成本都会得到大大降低。3.2.1 混合动力汽车之电动机的发展概况蒸汽机启动了 18 世纪第一次产业革命以后，19 世纪末到 20 世纪上半叶电机又引起了第二次产业革命，使人类进入了电气化时代。20 世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命，是生产和消费从工业化向自动化，智能化时代转变；推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。21 世纪伊始，世界汽车工业又站在了革命的门槛上。虽然，汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力，然而，汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。显然，加剧使用传统内燃机技术发展汽车工业，将会使这两大全球问题继续恶化。于是，电动车（包括纯电动车，混合动力汽车，燃料电池电动车）概念的提出，将会是未来世界汽车工业发展的新方向，不过就当今世界科技水平来说，混合动力汽车的研究与开发相比其它两种形式更具有现实意义，应该作为这一新方向的第一步。20 世纪 80 年代前，几乎所有的电动车驱动电机均为直流电机，但随着电动车（混合动力汽车）性能的提高，其在高负载下转速的限制，体积大等缺点逐渐暴露，取而代之的是交流异步电机，永磁电机，开关磁阻电机以及新型的双凸极永磁电机，而上述电机在用于混合动力汽车上所表现出来的性能也是一个比一个优越。目前，双凸极永磁电机的机理和设计控制理论还有待于进一步的研究与完善，不过它作为混合动力汽车的电动机有着潜在的巨大优势。3.2.2 混合动力汽车对电动机的基本要求1.从日本汽车公司开发电动汽车的研究和实践认为，在采用大功率的电动机来驱动 HEV 时，与采用小功率的电动机比较，具有电阻小，效率高，比能耗低，动力性能好等优点。但在目前的条件下，各种电池的比能量较小，理所当然地采用小功率的电动机，因而出现电阻大，效率低，比能耗高，动力性能差等问题。2.混合动力汽车的电动机应具有较大范围内的调速性能，能够根据驾驶员对加速踏板和对制动踏板的控制，由中央控制器控制电动机与发动机之间动力的协调。以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，使它们达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制效果。 3.混合动力汽车应具有最优化的能量利用，电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时实现能量回收并反馈回蓄电池，这点在内燃机汽车上是不能实现的。4.电动机的质量，各种控制装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小，因此，大功率的高速电动机具有高性能，质量小等优点，在混合动力汽车得到了广泛地应用。另外，还要求电动机及控制装置在运转时的噪声要低。5.各种电动机的电压，可以达到 120500V，对电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装置高压保护设备。除此之外，还要求电动机可靠性好，耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单，适合大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。3.2.3 混合动力汽车所用电动机的选择策略在确定混合动力汽车所采用的电动机时，首先应采用技术成熟，性能可靠，控制方便和价格便宜的现成的电动机。一般情况下，电动机性能必须充分满足单独用电力驱动模式行驶工况时的要求。电动机在低速时应具有大的转矩和超载能力。在高速运转时，应具有大的功率和有较宽阔的恒功率范围。有足够的动力性能来克服整车的各种阻力，保证具有良好的起动，加速性能和行驶速度及实现制动时的能量回收。现在混合动力汽车上，主要采用能够实现变频、调速的高转速电动机，高速电机的转速可以达到 1000012000 万 r/min，在高速运转时，有更大的功率和有较宽阔的恒功率范围，体积较小和质量较小，但要求装置高精度的高速轴衬，需要用高品质的材质来制作，并要保证高效率的冷却。3.2.4 双凸极永磁电动机的简介传统的开关磁阻电机（SRM）虽然可靠性较高，结构简单，单位体积功率与异步电动机相当或略高一些，而且在宽广的调速范围内都具有相当高的效率，但是，从能量转换的观点看，SR 电机在定子绕组的一个开关周期中，最多只有半个周期得到利用，电机实际运行时，为避免在电感下降区产生制动力矩，绕组电流的关断角不得不较多地提前于最大电感位置，半个周期都未能得到充分利用。因此，SR 电机仅获得“一半的利用率”，由此产生了换流问题和相对材料利用率低问题。可以预见，如果能利用定子绕组整个开关周期，在电感下降区也能产生正向转矩，SR 电机的单位体积功率必将大大提高，但传统结构的 SR电机是难以实现的。如果在 SR 电机中用永磁材料预先建立一个磁场，通过控制定子绕组的电流方向，使永磁体产生的磁场和绕组电流产生的磁场相互作用，就能实现在电感下降区产生正向转矩的设想。我国稀土材料的储存量为世界第一，钕铁硼等高性能稀土永磁材料在电机领域中已得到广泛应用，大大提高了电机性能，但在 SR 电机上的实践才刚刚开始。双凸极永磁电动机(Doubly salient permanent magnet motor,简称 DSPM)，是随着功率电子学和微电子学的飞速发展在 90 年代刚刚出现的一种新型的机电一体化可控交流调速系统。该系统由双凸极永磁电机、功率变换器、位置传感器和控制器四部分组成。电机定转子结构外形与开关磁阻电机相似,呈双凸极结构,但它在转子(或定子)上放有永磁体,从而使运行原理和控制策略与开关磁阻电机有本质区别。DSPM 系统的主要优点是结构简单、控制灵活、动态响应快、调速性能好、转矩/电流比大,可实现各种特殊要求的转矩/转速特性,功率因数接近于 1、效率高，是电工学科近年来继开关磁阻电机之后又一全新的研究方向。DSPM 电机作为一种应用前景看好的交流调速系统,是由美国著名电机专家T.A.Lipo 等人于 1992 年首先提出的,并进行了初步的理论和实验研究,此后欧美一些国家也相继开展了对 DSPM 电机及其控制系统的研制工作,目前国际上对DSPM 电机的研究仅停留在初步理论和样机实验阶段。关于 DSPM 电机仍有大量的基础理论问题,包括电机参数计算、模型建立、分析方法、控制策略等有待深入探讨。3.3 混合动力汽车车用镍氢动力电池随着人类环保意识的不断增强，石油资源逐年减少，油价逐步攀升，降低汽车污染和节约能源已成为世界各国政府面临的严峻问题。蓄电池技术和氢气的制取、运输、储存、成本等严重制约了电动汽车和燃料电池汽车的发展，因而混合动力汽车应运而生。在混合动力汽车中，由于采用了高功率的能源储存装置（蓄电池、超级电容等）能向汽车提供瞬时的能量而可减小发动机尺寸，提高效率，降低排放和燃油消耗，且可在进行制动和减速时回收能量。铅酸电池质量重，不能快充深放，循环寿命短；锂离子电池具有大电流性能差，价格高和安全性问题，目前还不适于混合动力汽车的发展。镍氢电池具有高比功率、电流充放电大、无污染、安全性能好等特点，广泛应用在混合动力汽车上。3.3.1 混合动力汽车对动力电池的要求1.对动力电池的要求动力电池一般指具有较高的容量和输出功率的能力，可用作电动车辆驱动电源的电池。一般情况下，混合动力汽车车用动力电池进行的是频繁、浅度的充放电循环。在充放电过程中，电压、电流可能有较大的变化。针对这种使用特点，混合动力系统对电池有以下特别要求：（1）大功率充放电能力：质量比功率和体积比功率是衡量蓄电池快速充放电能力的指标，相对于比能量要求，混合动力汽车对比功率要求更高。（2）充放电效率：动力电池中能量的循环必须经过充电-放电-充电的循环，高的充放电效率对保证整车效率具有至关重要的作用。（3）相对稳定性：动力电池应当在快速充放电和充放电过程变工况的条件下保持性能的相对稳定，使其在动力系统使用条件下能达到足够的充放电循环次数。 3.3.2 车用动力电池的主要指标 评价混合动力汽车车用动力电池技术的指标主要有以下几点：（1）质量比功率（W/kg）：电池的质量比功率代表每千克质量的电池能提供的功率。它的大小决定电池所能输出的最大功率，标志着汽车的加速性能和最高车速，对电动汽车的动力性能等有直接影响。在混合动力汽车中，电池的比功率是最关键的因素，因为电池的电耗尽后可以在内燃机工况下重新进行充电。（2）质量比能量（Wh/kg）：标志着纯电动模式下的续驶能力。（3）循环次数：动力电池的工作是一个不断充电-放电-充电-放电的循环过程，每充电和放电一次，动力电池中的化学物质就要发生一次可逆性的化学反应。随着充电和放电次数的增加，动力电池中的化学活性物质会发生老化，逐渐削弱其化学功能，降低动力电池的充电和放电的效率，最后部分或完全丧失其充电和放电功能。动力电池的工作循环次数是衡量动力电池寿命的重要指标，对动力电池的使用有直接影响。（4）成本：电池的成本与电池的新技术含量、材料、制作方法和生产规模有关，目前新开发的高比功率的动力电池成本较高。3.3.3 镍氢动力电池的特点 目前，世界上已开发的主要动力蓄电池性能如表 1 所示。表 1 当前混合动力汽车车用动力电池性能镍氢电池的正极采用金属氢氧化镍，负极使用锡氢合金。镍氢动力电池具有无污染、高比能、大功率、快速充放电、耐用性等许多优异特性。与铅酸电池相比，镍氢电池具有比能量高、重量轻、体积小、循环寿命长的特点；与镍镐电池相比，其比能量是镍镉电池的两倍。另一大优点就是镍氢电池不含有镉、铅这类有毒金属，其中一些金属还有较高的回收价值，可称为绿色能源。镍氢电池的主要特点：（1）质量比功率高：目前商业化的镍氢功率型电池能做到 1350Wh/kg。电池型号 质量比能量（Wh/kg）质量比功率（W/kg）循环次数（次）铅酸电池 33 130 400500镍镉电池 45 500 500混合电动车用镍氢电池 4060 5501350 1000锂离子电池 100 1300 1000 （2）循环次数多：目前应用在电动车上的镍氢动力电池，80%放电深度（DOD）循环可以达 1000 次以上，为铅酸电池的 3 倍以上。100%DOD 循环寿命也在 500 次以上。在混合动力汽车中可使用 5 年以上。（3）无污染：不含铅、镉等对人体有害的金属，为 21 世纪“绿色环保电源”。 （4）耐过充过放。（5）无记忆效应。（6）使用温度范围宽：正常使用温度范围了-3055；贮存温度范围-4070。 （7）安全、可靠：短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性、可靠性试验无爆炸、燃烧现象。3.4 国外主要的镍氢动力电池生产企业及国内现状 3.4.1 国外主要镍氢动力电池生产企业 （1）松下电能有限公司（PEVE ）PEVE（Panasonic EV Energy Co.，Ltd）是松下和丰田的合资公司。目前采用松下电池的商业化混合动力汽车有丰田的 Prius, Alphard, Estima,本田的 Civic, Insight 等。 松下最新的方形电池采用新的电极材料，降低了内阻和内压，使可靠性和寿命得到提高，其技术特征：a.比功率达到 1350W/kg；b.采用新的电极材料使内阻显着降低；c.采用新的电池联接结构；d.寿命有显着的提高；e.电池箱尺寸减少 15，重量减少 25。（2）CobasysCobasys 是 Chevron Texaco TechnologyVenture（美国第二大能源公司）和 ECD（EnergyConversion Devices）的合资公司。ECD 全资控股 Ovonic, Ovonic 拥有很多关于镍氢电池方面的专利，全世界生产镍氢电池的企业须得到它的许可才能生产销售 Cobasys 不仅只是技术的研发，而且把研发的技术推广到产业化的水平。Cobasys 专门为混合动力汽车开发 8.8Ah 的 Series 1000 电池模块。其基本参数见表 2。特征 性能型号 Series1000 塑料模块容量 8.8Ah名义电压 12V能量 108Wh重量 2.4kg功率 2.5KW（10s，35）尺寸 3234587mm冷却方式 液冷（5050DEX-COOL 冷却液水）表 2 Series1000 电池模块的基本参数（3）VartaVarta 是美国江森自控（JCI, Johnson Controls Inc.）控股的企业，江森自控是世界上最大的汽车电池制造商之一， Varta 总部在德国汉诺威。该公司为混合动力车用镍氢电池开发的主要产品有圆形模块 5.5Ah，8Ah,12Ah；方形模块 7Ah,25Aho 其中方形模块优于市场上同类产品：内阻低、质量比功率高（1300W/kg）、质量比能量高、低温性能好。3.4.2 国内镍氢动力电池研发现状国内镍氢动力电池的主要生产厂家有：春兰（集团）公司、天津和平海湾、中山中炬森莱、神舟、科技、沈阳三普。它们经过“863”的积累，技术都有所进步。虽然单体电池的技术指标与国外的相差不是很大，但一致性和循环寿命比国外差，特别是集成后各项指标相差较大。国内动力电池研发机构及生产企业还存在资金不足的问题，其原因主要是动力电池还没形成产业，其生产工艺大部分还是手工作业；汽车整车厂对动力电池的要求很高，但需求量不大，两者相互制约。 第四章 混合动力汽车的发展现状及趋势4.1 混合动力汽车的发展现状中国新能源汽车产业始于 21 世纪初。2001 年，新能源汽车研究项目被列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以混合动力车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。2009 年初，国家财政部、科技部下发节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法，在北京、上海、重庆、杭州、广州、深圳等 13 个城市开展节能与新能源汽车示范推广试点工作，以财政政策鼓励在公交、出租、公务、环卫和邮政等公共服务领域率先推广使用节能与新能源汽车，对推广使用单位购买节能与新能源汽车给予补助。目前混合动力车型是新能源汽车的主流。从产销量上来看，近年来各个品牌混合动力车型的销量也是不断攀升，同时也得到了越来越多消费者的认可。混合动力车型并不只是一种过渡阶段的新产品，而是未来汽车产品的发展方向。在这股产业化高潮中，国内汽车企业也正在向国际接轨。从最初合资企业一汽丰田引进普锐斯混合动力轿车到如今包括一汽、上汽、东风、长安、奇瑞、比亚迪的群雄逐鹿，混合动力汽车在中国已进入科研转向产业化的关键时期。到 2010 年，中国混合动力汽车市场将进入快速发展阶段。进入 21 世纪以来，能源安全与气候成为国际社会关注的焦点，为实现交通领域的健康可持续发展，预计 35 年内，全球节能与新能源汽车将进入一个快速产业化的发展阶段。根据混合度的不同，混合动力汽车与传统燃料汽车相比能够实现 10%40%的节油效果，常规排放物和二氧化碳排放也显著降低，并具有性能稳定、可靠性强、不依赖新建设施配套，因此被认为是近中期比较现实和有效的新能源汽车产品，会在 23 年内成为汽车市场的主流竞争者。目前，国际上混合动力汽车已经实现商业化。据资料显示，2007 年全球混合动力汽车销售量达到 50 万辆左右。美国作为全球最大的混合动力汽车市场，2007 年在轻型车销量下滑 2.5 个百分点的情况下，混合动力汽车销售仍然增长38%，达到 35 万辆。自混合动力汽车上市以来，目前单一产品混合动力轿车最大累计销量已经超过 20 万辆。为了推动包括混合动力汽车在内的节能与新能源汽车的产业化进程，我国政府在目前局部小规模示范应用的基础上，近期将组织开展大规模推广应用工程，相关政府部门也在加紧制定专项财政补贴方案。随着我国政府积极推动的以混合动力汽车为主的节能与新能源汽车大规模推广应用工程的启动，将进一步突破我国节能与新能源汽车的产业化瓶颈、降低制造成本、培育产业链，并在局部区域实现显著的节能减排效果，加速启动我国节能与新能源汽车市场。4.2 发展混合动力汽车面临的问题混合动力汽车面临的三大难关：电池系统的能量密度问题、电机系统的体积和响应速度问题以及传动系统的效率问题。混合动力汽车面临三大挑战：从技术上讲，混合动力车和电动车使用的技术是非常相似的，二者也共同面临着一些技术上的障碍。混合动力车和电动车最主要的是三大系统，即电池系统、电机系统和传动系统。目前，在这三个方面都有一些难题尚待解决。对于电池系统，几年前考虑的是镍氢电池，现在用的都是锂电池，而对锂电池的研发也在不断进步，也就是说，单体电池在技术上正在不断发展。就单体电池而言，最大的问题就是它的能量密度，实际上不同的电池技术最大的区别就是它们在能量密度上的区别；另外一个问题就是它的稳定性。在汽车上使用的电池实际上是由很多的单体电池一节一节地串联起来的，比如说 144V 电池，就是由 12 个 12V 的单体电池串联起来形成一个电池包。对这个电池包在技术上有一定的要求，这是一个技术难点。怎样控制所有的电池都保持一个最佳的充放电效率，使各个单体电池的电压、工作温度、充放电状态均衡、稳定，让电池长期地保持在最佳的状态，延长电池的寿命，这些是对电池和电池包技术最主要的挑战。目前这还是一个技术瓶颈，主要体现在成本较高和能量密度较小，这就导致充一次电之后行驶距离还不够远。如果从电动汽车的角度来讲，这个技术目前还没有进入实用阶段，因为还是受距离的限制。电机系统也同样面临问题。现在不管是混合动力车还是电动车，它们的主要驱动力都来自电机。电机技术本身是一个比较成熟的技术，在工业界其他很多地方都在应用，但是在汽车上驱动电机的技术应用比较少。目前从全球的供应商来讲，致力于量产汽车用电机的屈指可数，而且目前产品价格都是非常昂贵的。电机技术用在汽车上面，有一些很特殊的要求，比如要求体积要很小，易于散热，响应速度非常快，而且对成本要求比较严格，这些都是和其他工业应用不一样的地方。在电机方面，还涉及电机控制的问题，工业应用对电机控制的成本高低不太敏感，但是对于汽车这样一个消费品来讲，电机控制的成本对它有非常大的影响。我们所说的传动系统是指整个车的传动系统，这和传统汽车联系比较密切。传统汽车上只有一个动力源，就是发动机。无论手动还是自动，一般就是通过变速箱将动力传动在驱动轴上面。而现在混合动力有多于一个的动力源，动力源的整个传动系统也就因此变得比较复杂了。目前有一些混合动力汽车采用比较简单的传动方式，比如串联的 ISG、BSG 的方式，但是这种方式有它致命的弱点，即效率不高，浪费比较大。而采用效率比较高的并联传动方式往往都会要求在传统汽车上做很大的改动。因为从目前来看，大多数混合动力汽车和电动车的前身实际上还是传统汽车，把传统汽车改造成混合动力或者电动车，传动系统的改造是一个挑战。4.2.1 解决难题需 产业界协作解决这些问题需要整个产业界共同努力。比如做单体电池的时候，如何研究出更好的配方来，让能量密度更高，体积更小，性能更稳定；又如电机控制技术，实际上已经超出了传统汽车供应商的业务范畴，因为汽车的这些供应商以前一般很少接触这种驱动电机，因此就需要产业界的其他企业也能参与其中，能够把其他行业的一些知识拿来和汽车工业分享。至于传动系统就纯粹是汽车行业内部的事情，这方面确实需要有一些创新，因为目前在用的一些方法，要么是效率不高，要么是成本很高、可靠性比较低的解决方案。因此，这方面需要有一些完全不同的思路来解决这个问题，有可能是完全脱离了目前传统车传动方式的思路，借助于其他行业的经验就有可能得到更有效的解决方案。为解决这些问题，德尔福也在进行不懈的努力。我们的电动汽车、混合动力汽车零部件的研发可以追溯到上世纪 80 年代，在上世纪 90 年代就已投入量产。针对电池，我们利用我们自己的经验和技术，已经开始在做电池包的集成，就是我们向其他的电池供应商买单体电池，然后把它集成在一个电池包内，来满足电动汽车或者混合动力汽车的需要。德尔福在电机控制方面的研发一直是有专长的，在这方面也做了很多的开发工作。对于电机的控制，有电机控制器、DC/AC 逆变器等产品。我们不仅仅提供硬件，同时还提供电机的控制的软件。关于传动系统这一领域，德尔福本身不从事电机的行业，所以这方面我们是采用跟第三方合作的方式。4.3 混合动力汽车发展的趋势在汽车行业的未来发展方向上，电动汽车和油电混合动力汽车正成为一个明显的趋势。其原因主要在两个方面：其一是因为能源的有限性，化石燃料都是有限的能源；其二是人们的环境保护意识和各国政府的排放要求日益提高。尽管目前混合动力汽车还受到高成本的制约，但从长远看，混合动力车的购买者会越来越多，生产成本将随着生产规模的扩大而降低。因此，这个趋势是不可逆转的。4.3.1 降低成本是关键针对新兴市场，产业界面临的最大问题是，开发一个混合动力车的时候成本非常高。成本高的原因主要是它不像传统车一样有很多现成的零部件可以用，而都是要量身定做的。另外，混合动力车的开发周期也很长。目前我们主推的有两套系统，即 Micro-Hybrid(微混)系统和 Mild-Hybrid(中度混合)系统。Micro-Hybrid 系统是一个具有起停功能的系统，这是一个相对比较简单的系统，节油率大约是 5%8%，但是这个系统的附加成本比较低。我们提供的这个解决方案是把它建成一个系统来提供给整车厂，既解决了启动、发电的问题和发动机控制、匹配的问题，也解决了电池充放电和整车控制的问题。整车厂购买这套系统以后，只要和传统车匹配起来，基本上就没有问题了。事实上正在致力于向各个整车厂提供一个相对通用的平台和解决方案，这样每一家整车厂就不必为单独开发这样的系统而付出高昂的开发费用和漫长的开发时间的代价。这样做还有一个好处就是，我们可以横向地把很多主机厂的需求整合在一起，给大家提供一个相对通用的产品，这样大家整体的开发费用都下降了，随着产品成熟度的提高，产品可靠度也不断提高，这种商业模式就越来越接近于传统汽车开发的商业模式。主推的另一套系统是 Mild-Hy-brid 系统。针对