混合动力汽车的探索与研究

1、山东广播电视大学毕业设计（论文）混合动力汽车的探索与研究摘要：混合动力汽车采用不同能量转换装置作为混合动力源，已经成为解决环境污染和能源短缺最具市场潜力的车型之一。许多国家的政府部门、汽车公司和零部件厂商都投入巨资进行混合动力汽车的研究开发以及关键技术研究，目前已有多种产品问世。”十五“期间，科技部也把混合动力汽车项目列入863计划电动汽车重大专项的主要攻关技术之一。本文研究内容主要有混合动力汽车的机构、原理，围绕着发展前景、发展趋势开展探索与研究。关键字：混合动力,发展趋势,前景,市场数据引言节能和排放是当今全球汽车工业发展的两大主题，围绕这两大主题各国争相开展绿色环保汽车电动汽车的研制与开

2、发。然而，作为纯电动汽车关键技术的动力电池技术一直未能取得重大突破，目前成为制约纯电动汽车市场化推广的技术瓶颈。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。在上述背景下，纯电动汽车与传统内燃机汽车的混血儿混合动力汽车应运而生，成为目前清洁汽车中最具有产业化和市场化前景的车型之一。本文主要就混合动力汽车的概念、开发现状和未来发展趋势作一些简要介绍，并提出本文研究的主要内容。第一章 绪论（一）混合动力汽车概述本节主要就混合动力汽车的定义、基本工作原理和混合动力汽车的突出点以及混合动力汽车的分类作简要阐述。（二）混合

3、动力汽车的定义混合动力汽车是电动汽车的一种。国际电工委员会电动汽车技委员会对混合动力汽车的定义为：有多于一种能量转换器能提供驱动动力的合型电动汽车。此外，也有学者对混合动力汽车作如下定义，即车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的驱动系统联合组成的、车辆的行驶功率需求由单驱动系统单独或多个系统共同提供的汽车。（三）混合动力汽车有极佳的燃油经济性能制定混合动力汽车控制策略的主要原则之一就是必须保证在不同的行驶工况下燃料转换装置、储能装置和电动机尽可能多的工作在高效率区域。这一原则使得混合动力汽车有极佳的燃油经济性能。德国高尔夫轿车采用混合动力系统的燃油经济性能比较，运行结果表明前者的燃油消耗比后者降

4、低了56.7%。理论分析和现有混合动力汽车的运行结果已经证明。混合动力汽车与传统内燃机汽车相比，燃油消耗可降低30%40%以上。（四）混合动力汽车有很好的排放性能制定混合动力汽车控制策略的主要原则之二就是保证汽车在不同的行驶工况下，燃油转换装置尽可能工作在低排放区域，从而保证混合动力汽车有很好的排放性能。以汽油机的Nox排放为例，美国新一代机动车伙伴关系计划2000年混合动力概念轿车、日本本田公司和丰田公司混合动力轿车已经分别达到美国环保署、美国加州ULEV、加州SULEV规定的Nox排放标准。第二章  混合动力汽车的发展史油电混合动力、电动车并不是环保成为口号后的时代产物，实际上，

5、早在汽车工业渐成规模的年代，工程师和科学家已经在思考如何打造更为节能的出行工具。1916年8月，世界第一辆电油混合动力汽车问世。这款双排座的轿车使用操纵杆代替踏板来控制油门。即使在1916年，燃料使用的高效率也是汽车营销的一个亮点。1920年1月：第一辆充电式汽车问世。它是美国新泽西州的发明家在早期混合动力汽车设计基础上的创新之作。电动马达直接被安装在后轮轴上，同时车辆滑行时发电机能直接为蓄电池充电。此外，安装在车前的4缸汽油发动机也可以在行驶途中为汽车充电。1920年8月：经济型电动车风行天下。这种在20世纪20年代生产的电动车，体积小、重量轻，因此最大限度发挥了电动马达的功能。这种汽车的使

6、用成本比燃油车更便宜。事实上，第一次世界大战之后，油价不断上涨，仅英国电动汽车的使用量便增加了百分之八，成为了一种更经济使用的交通工具。1959年2月：出现分期付款的电动汽车。1959年，一款名叫“Charles Town-About”的汽车受到人们热烈追捧，它创造了电动汽车分期付款的历史纪录。其美观的外形、80英里的行驶路程，以及充电7小时只需18美分的优势不能不让人为之砰然心动。在1990年洛杉矶车展上，通用汽车公司展示了一款名叫Impact的先进电动概念车，它虽然日后逐渐成型，但一开始却引来人们怀疑的目光：重达394公斤的电池以及更换费用的昂贵。看来它可能永远无法走向生产线了2008年1

7、1月：电动汽车迎来新的春天。如今，菲斯科Karma、日产Denki Cube、雪佛兰Volt，和泰斯拉Roadster等车型纷纷加入未来充电汽车的行列。这些汽车都采用最新的锂离子电池技术，准备把汽车的性能与活动范围都推上一个新的境界。第三章混合动力汽车的结构与原理（一） 混合动力汽车的分类混合动力电动汽车（HybridElectric Vehicle，简称HEV）是将电力驱动与辅助动力（APU）结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生优势的车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机，如内燃机、燃气轮机等或其他动力发电机组。根据混合动力系统连接方式的不同，混合动力汽车主要可以分为三种结构

8、形式，即串联、并联和混联，它们各有优势。（二） 串联式混合动力汽车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，它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动，负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机-发电机组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱动车轮。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

9、（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。（三）并联式混合动力汽车并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，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。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，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统，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

10、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。所谓并联式混合动力，就是说电动机和内燃机并行排布，动力可以由两者单独提供或是共同提供。在并联混合动力系统中，电动机同时也是发电机，其作用是让发动机尽量靠近最有效率状态，从而达到节油的效果。并联混合动力汽车受

11、电动机和电池能力的限制，仍然要以内燃机为主要动力。但由于保留了常规汽车的动力传递方式，在效率上更高。 （四）混联式混合动力汽车混联方式顾名思义就是结合了并联和串联两种形式的优点。其在并联的基础上，将发电机和电动机分离开，这样电动机在运转过程中也能进行充电，使车辆能以串联和并联两种方式工作。目前的混合动力汽车基本属于这两种模式。插入式混合动力车型在普通混合动力系统的基础上增加了充电装置、驱动电机，升压用逆变器、充电用逆变器等。不但能用专用充电站的进行快速充电，还可使用家庭220V电源充电。比亚迪F3 DM和雪佛兰VOLT都属于这种类型。目前比较普遍的做法是将电动/发电机与变速箱整合起来

12、。有些车型将电动/发电机放置在变速箱与发动机之间，更先进的一些干脆将其整合在变速箱里。以丰田为例，他们做法是将两个既可作发电机又可做电动机的电机通过行星齿轮与CVT无极变速箱结合，以达到混合动力的目的。在它的变速系统中动力分离装置用一个行星齿轮将发动机输出轴、两个电动/发电机连接起来。第三章  混合动力汽车的优势（一）世界主流汽车厂商的策略于是世界主流汽车厂商都在积极投入研发资金推进混合动力技术的进步，比如开发高比能的汽车电池，提高逆变器的效率并减小体积，开发更有效率的动力控制总成系统等等；随着技术的进步和销量的增加，成本在逐渐下降；随着节能减排意识的提高，以及混合动力汽车将会成为汽

13、车市场的主流，消费者的消费理念也在发生变化；从“863计划”电动车重大专项的实施和奥运会的混合动力的汽车应用示范来看，国家对本土汽车厂商凭借混合动力汽车和电动车实现快速发展抱有厚望，国家政策将会择机出台，鼓励普通消费者购买节能减排的车辆。节节攀升的油价使丰田颇具未来色彩的普锐斯（Prius）轿车正在逐渐成为市场上的主流产品。丰田汽车表示，计划在2010年之前每年销售100万辆混合动力汽车，约占其总销量的10%以上。丰田汽车的管理人士表示，为了完成几年后每年出售100万辆混合动力车的目标，希望自己所需的重要混合动力零部件能够获得充足供应。美欧车商也针锋相对。通用汽车已经说服德国生产商戴姆勒克莱斯

14、勒和宝马，共同组建一个混合动力系统开发联盟，旨在开发出一套比丰田公司更为简单的技术。虽然通用汽车的系统在提高燃料效率方面不如丰田，但其生产成本更低，也更易于配置到大型汽车和运动型多用途车中。据悉，通用汽车计划于2007年底推出大型混合动力运动型多用途车，将比汽油驱动的同类型车节能约25%。相比之下，重新设计的混合动力型本田思域（Civic）比汽油驱动型思域轿车的燃料利用效率提高了45%。对于生产商来说，吸引更多同行加入并壮大技术开发的阵营有很多益处。分摊研发成本的公司越多，利润率就越高。何况，控制了设计就拥有了性能和成本方面的潜在优势。 （二）混合动力性能简介混合动力技术的发展也随之

15、广泛，主要包括：1）最先进的内燃机技术，体积小重量轻以及油耗低排放性能优良的发动机都引领着汽车业的发展，而目前Prius发动机的技术已经达到了目前先进的水平。2）先进的电机系统技术，电机技术则决定着电动汽车的发展空间，对于电动机的要求也越来越高，电动机要具有较大的负载特性以及很宽的高效率工作区间。3）高性能的动力电池，动力电池在混合动力电动汽车上应用, 主要起到以下作用:      a)起动、加速时作为动力；      b)车辆减速、下坡行驶时回收车辆动能。      因此要

16、求动力电池具有： 高输出能力和高回收能量的接受能力；体积小、重量轻；SOC 控制技术；高可靠性和安全性；长的使用寿命。以上的技术发展带动着混合动力技术的发展，而混合动力的发展又提高了这些基础技术的发展空间。      1) 混合动力电动汽车具备了良好的动力性能、良好的燃油经济性、清洁环保、经济实用。为达到提高车辆的动力性、经济性和环保性, 需要采用当代最先进的内燃机技术深入分析低油耗特性； 选择比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的电机, 研究它的低速大转矩、效率和再生制动能量回馈性能； 经过周密分析和试验研究特性, 最佳选择各自高性能区段的组合与叠加

17、。      2) 混合动力汽车绝对成本过高是目前混合动力电动汽车推广应用的主要难点, 这是因为混合动力汽车除了以往的动力装置外, 至少还必须安装电池, 其成本不可能降至普通汽车的水准。因此, 混合动力汽车技术发展的首要难题是降低成本, 这也是今后有待解决的最大课题, 特别是必须降低动力电池、电机驱动系统、电子控制系统等的成本。      3）提高汽车行驶过程中的能量再生利用效率.从汽车制造阶段着手, 设计改进汽车动力系统, 满足汽车再生制动回收要求，加强混合动力电动汽车的可靠性, 解决动力电池的使用寿命和可靠性问

18、题, 是混合动力电动汽车推广应用的前提。第四章  全球混合动力汽车市场（一）混合动力汽车的发展潜力技术发展一直是我国汽车发展需要快速突破的难题，在混合动力车的技术上更是如此。在汽车合资企业中，技术主要掌握在外资方手中；而在自主汽车品牌中，混合动力技术还有待进一步提高。一项调查标明，目前在混合动力车的关键零部件上，我国主要还是依赖进口。由于自主的空间很有限，直接为混合动力技术的产业化带来了很大的障碍。"我国还没有形成可靠的混合动力零部件供应链"，长安汽车股份有限公司董事长尹家绪曾表示，"混合动力电机、控制器、电池及其管理系统等关键零部件仍依赖国外进口，还不

19、能形成规模生产，这直接影响了混合动力车的产业化进程"。在混合动力技术上，"低混"、"中混"和"高混"的技术差别很大，开发的难度很高，但是这一瓶颈如果得不到有效的突破，那么非常现实的问题就可能出现：技术含量低、故障率高、维修费用高、使用不方便，并直接影响到市场销售，对其产业化发展产生很大的反作用。为了改变这一局面，不少大手笔投资研发混合动力技术的汽车企业很早就注意到另一个问题，花大力气开发技术的同时，也及时培养一些有潜力的混合动力汽车核心零部件供应商，形成产业群模式的发展 混合动力汽车的能量来源，目前来说依然主要是汽

20、油和柴油等传统燃料，从燃料来说并不先进，但是混合动力技术在汽车动力领域具有里程碑式的意义。混合动力技术可以根据不同的行驶状态，利用现代控制技术合理地采用不同的动力策略驱动汽车，并在减速时回收能量，从提高能量利用率的角度，实现了以节能促减排的效果。这项技术，为汽车动力系统从传统能源向新能源发展奠定了基础平台，而且混合动力技术不仅能够应用于油/电混合系统，而且在未来可以应用于氢/电混合系统等新能源混合系统，将成为汽车的基本动力技术。混合动力技术在现在和未来都具有很大的应用空间和发展潜力，是汽车厂商未来发展战略中的关键技术之一，所以我国汽车厂商站在战略发展的角度大力开发混合动力技术也就理所当然了。（

21、二）混合动力汽车的市场统计数据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，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。混合动力汽车增长将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目前，油电混合动力汽车使用传统碳基燃料，能够充分

22、利用现有成熟的内燃机技术和加油站等配套设施，避免技术和新建配套设施的风险，以较低的成本进行普及。而国外的销售数据也印证了油电混合动力汽车良好的市场前景，从美国2000年-2007年销售数据可以看出，8年来混合动力乘用车的销售量复合增长率达到惊人的58.4%，其市场处于高速增长期。“天下熙熙，皆为利来，天下攘攘，皆为利往”，以高速增长的美国市场为鉴，看着我国尚未打开的广阔的混合动力汽车市场，国内汽车厂商纷纷推出混合动力汽车，抢占市场的急切和热情也就可以理解了 。第五章  混合动力汽车的发展趋势（一）混合动力技术的发展前景混合动力电动汽车具备了良好的动力性能、良好的燃油经济性、清洁环保、

23、经济实用。为达到提高车辆的动力性、经济性和环保性, 需要采用当代最先进的内燃机技术深入分析低油耗特性； 选择比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的电机, 研究它的低速大转矩、效率和再生制动能量回馈性能； 经过周密分析和试验研究特性, 最佳选择各自高性能区段的组合与叠加。混合动力汽车绝对成本过高是目前混合动力电动汽车推广应用的主要难点, 这是因为混合动力汽车除了以往的动力装置外, 至少还必须安装电池, 其成本不可能降至普通汽车的水准。因此, 混合动力汽车技术发展的首要难题是降低成本, 这也是今后有待解决的最大课题, 特别是必须降低动力电池、电机驱动系统、电子控制系统等的成本。 提高汽车行驶过程

24、中的能量再生利用效率.从汽车制造阶段着手, 设计改进汽车动力系统, 满足汽车再生制动回收要求，加强混合动力电动汽车的可靠性, 解决动力电池的使用寿命和可靠性问题, 是混合动力电动汽车推广应用的前提。国际能源紧缺，混合动力可以很好的节省汽车行进过程中减速、下坡过程的能量消耗，同时其排量低、污染小，是未来汽车发展的必然趋势。（二）未来发展趋势混合动力技术非常适合中国，市场却迟迟没有启动。赛迪顾问认为，目前尚未完全成熟的技术、偏高的成本、传统的消费理念以及鼓励政策偏少都是阻碍中国混合动力汽车市场快速增长的问题，但是问题就是机会，面对汽车市场节能减排的发展趋势，谁能够解决这些问题，谁就会在新的汽车市场中占据有利地位。随着技术的进步和销量的增加，成本在逐渐下降；随着节能减排意识的提高，以及混合动力汽车将会成为汽车市场的主流，消费者的消费理念也在发生变化；从“863计划”电动车重大专项的实施和奥运会的混合动力的汽车应用示范来看，国家对本土汽车厂商凭借混合动力汽车和电动车实现快速发展抱有厚望，国家政策将会择机出台，鼓励普通消费者购买节能减排的车辆。随着技术的进步和厂商的针对性的推广，中国混合动力汽车市场的大门将逐渐打开。赛迪顾问预计，2010年左右中国混合动力