混合动力电动汽车技术及其发展研究

编号：30《电动汽车》课程论文混合动力电动汽车技术及其发展研究班级：姓名（及手机）：学号：任课教师：2013-05-14混合动力电动汽车技术及其发展研究摘要：混合动力汽车是当前各国汽车产业的一个重要研究发展方向，我国混合动力汽车发展总体上还处于起步阶段。首先，简要介绍混合动力汽车发展背景，综述国内外混合动力汽车具有代表性的产品，并分析国内外技术发展情况，指出混合动力汽车目前主要面临的电池系统管理、动力分配等问题，展望混合动力电动汽车发展的前景，最后对我国混合动力汽车发展方向提出相应建议。关键词：汽车；混合动力；综述；产品；技术ReviewondevelopmentofhybridelectricvehiclesAbstract:Hybrid-electricvehicle（HEV）isanimportantresearchanddevelopmentfieldoftheworld’sautoindustry，andthedevelopmentofHEVinChinaisstillinitsinfancy.Firstly，thebackgroundofHEVdevelopmentwasbrieflyintroduced，andtherepresentativeHEVproductsandtechnologiesathomeandabroadweresummarizedandanalyzed.Secondly，onhybridcardevelopment，themainproblemswerepointedoutintwoaspects，i.e.，powermanageandallocation.Finally，suggestionsonthedevelopmentdirectionofHEVinourcountrywereproposed.Keywords:automobile；HEV；review；product；technology0引言在石油资源供应的日益缺乏和环境友好可持续发展的要求下，寻找新能源代替传统燃料已成为国际共识。近年来，我国机动车保有量迅猛增长，其尾气排放已成为影响城市大气质量最主要的污染源之一，严重影响和制约城市的可持续发展；因此，新能源汽车研究项目被国家列入了“863”重大科技课题。纯电动汽车虽然具有突出的环保优势，但是其产业发展的研究总体上处于起步阶段[1]，受限于燃料电池等关键技术，其动力差、行驶路程短以及成本高等问题没有得到解决。目前纯电动汽车的局限导致其很难市场化[2-3]。作为传统燃油汽车与纯电动汽车的过渡产品和折衷方案，混合动力汽车（HEV）已经成为国际范围内新型环保车辆开发的热点[4]，具有很好的发展前景和市场潜力。混合动力汽车的定义是由2个以上的动力源提供行车动力，当前一般的混合动力汽车采取的是由内燃机车发电机加上一个蓄电池发电机组成动力系统。混合动力汽车按动力系统的结构可划分为3种类型，即串联式混合动力电动汽车（SHEV）、并联式混合动力电动汽车（PHEV）、混联式混合动力电动汽车（SPHEV）[5-8]。另外常见的有应用广泛的BSG（belt-drivenstartergenerator）[9-10]皮带传动，以及ISG（integratedstartergenerator）[11-13]发动机和电机扭矩叠加混合动力。电。若使用汽油，通过能源转换后，每升汽油可驱动17km，超过传统汽车的2倍。（5）BMWX5X7。BMWX5是宝马公司首款搭载其BMWActiveHybrid系统的车型。其混合动力形式为ISG+AT，锂电池包布置在后备箱内，电机串联在变速器与发动机之间，在车顶还配置有太阳能转化板。BMWActiveHybridX7锂电池安装在轮拱之间的行李箱内，维持了宝马代表性的50∶50重量分配特点。（6）奔驰S400BlueHybrid。奔驰S400BlueHybrid为奔驰首款搭载锂电池的量产车型。采用ISG+AT混合动力模式，采用锂电池组，梅赛德斯公司将电池组与汽车温控系统进行整合，采用全新设计的锂电池单元组、电池管理及检测系统等。（7）丰田Prius（普锐斯）。丰田Prius于1997年10月底诞生，是世界上最早实现批量生产的混合动力汽车，其全球销量早已经超过了100万辆。最新一代Prius混合动力系统采用双ISG+行星轮系混合动力模式，电池使用200V镍氢电池，丰田Prius是一款技术非常成熟的混合动力汽车。（8）本田CivicHybrid。本田CivicHybrid车型采用ISG+CVT混合模式，是本田新一代混合动力系统，发动机、ISG与CVT串联起来，横向布置在机舱内。2.2国外混合动力汽车技术美国通用汽车公司掌握成熟的BSG技术和并联混合动力（PHEV）技术；美国福特主要致力于双ISG+行星轮系混合动力汽车的研发，技术也已成熟；克莱斯勒面向高端的串联式PHEV研发，技术趋于成熟。法国标致雪铁龙主要面向柴油发动机的混合动力研发，主要采用BSG+ISG+AMT+离合器混合形式，技术成熟。德国大众奥迪的ISG和PHEV技术也趋于成熟；奔驰BSG和ISG成熟，双模混合车型正在研发；宝马X系列采用ISG+AT混合动力形式，7系混合动力已上市[17]。日本丰田的双ISG+行星轮系混合动力技术非常成熟完善，占有大量市场；本田的ISG+CVT混合动力技术成熟[18]。总体来看，美国和日本都以汽油混合动力为主，美国以中高端大排量车型的混合动力研发为主，日本以丰田和本田为代表的ISG+行星轮系和ISG+CVT为主。而欧洲主要以柴油混合动力车型和少量的低排量汽油混合动力车型为主。3目前混合动力汽车面临的主要问题混合动力汽车面临的主要难点有2个：（1）电池组系统，包括电池和电池管理系统两个部分；（2）动力分配装置和能量管理系统。3.1电池组系统电池组系统包括电池和电池管理系统2部分[19]。混合动力汽车对电池的要求是存储量大、功率高、寿命长和充电所需时间短。同时成本要尽可能压缩，要经济、实用、高效。镍氢电池和锂离子电池是目前主要能达到混合动力汽车和电动汽车对电池系统要求的两种电池，但它们仍有成本高或寿命短的缺陷。电池管理系统的作用是实时监测电池参数并评估其使用状态（SOC），为驾驶员提供电池状态信息；能防止电池过充、过放、过流、过压、温度过高，其实时监测的精准程度直接决定着动力电池组的使用效率和寿命，一个合格的电池管理系统能够在充分发挥电池优越性能的同时，保证电池性能，延长电池寿命。同时这也意味着能降低混合动力汽车的行驶成本。3.2动力分配装置和能量管理系统动力分配装置的作用是将混合动力汽车驱动系统的电机、内燃机以及发电机结合在一起[20]，实现不同驱动方式的组合，以达到针对不同路况进行不同组合的目的。其要求是能快捷、高效地实现驱动零件的组合和分离。能量管理系统就是综合分析电池的荷电状态、内燃机（或燃料电池）的最佳工况、电机及发电机的效率等信息，针对不同路况自动实现不同的最优化的驱动组合，使汽车在任何路况下都维持最佳工作状态。混合动力汽车由于加上了电池系统，使得其动力分配装置复杂程度远高于纯燃油动力汽车[21]，事实上，实时地根据外界情况自动调节驱动组合极为困难，因此要研发出高性能的能量管理系统非常具有挑战性。4混合动力汽车的发展前景无需置疑环保和节能汽车已经成为未来混合动力汽车市场发展的主流方向，一方面世界原油价格持续攀升，2012年3月中国的成品油价格再创历史新高，宣告油价全面进入“8元时代”，汽车需求结构发生着巨大的变化。另一方面，世界主要汽车市场进一步强化汽车燃气排放的标准，如2012年欧盟范围内销售的所有汽车平均排放量必须低于每公里130克。因此国内外汽车制造业企业普遍认为混合动力电动汽车是当前最具开发和推广前景的环保型交通工具之一，放眼世界，世界各国都在混合动力汽车的研发领域内加大投入，以期在未来的市场竞争中占得先机，如在美国，20世纪90年代美国能源部就与三大汽车公司签订了混合动力电动汽车的开发合同，2005年通用汽车、戴姆勒·克莱斯勒与宝马集团签署了构建全球合作联盟，以共同开发混合动力推进系统的合作协议。2009年美国混合动力汽车销量达到了30余万辆，逐年上升趋势非常迅速，预计到了2013年将达到87.2万辆，市场占有率将达6%以上。由于我国汽车工业才刚刚起步，因此在混合动力汽车的产业化发展战略上，有更大的自由选择度和比较优势，相对常规汽车而言，我国混合动力汽车研发战略计划包括近期、中期和长期3个阶段的研究发展规划，力争在2030年之前混合动力汽车呈大幅度増长的发展势态，占到所有汽车总产量的50%以上，而传统的燃油汽车数量则会下降到汽车总产量的25%左右。当前我国的混合动力汽车的研发已取得了实质性的进展，相关技术已趋于成熟，以BSG和ISG为代表的轻度混合动力汽车目前已经具备产业化的条件。2007年10辆奇瑞BSG混合动力轿车率先在奇瑞出租车公司投入使用，单车运行计划达到10万公里以上。同年由长安汽车集团自主研发的第一款量产混合动力轿车杰勋HEV正式下线，2010年产量达到了5000辆，奇瑞也推出了混合动力A5，华晨则推出了混合动力版尊驰。在北京车展上亮相的9款自主品牌的混合动力汽车中已有4款确定将在国内的汽车市场上投入生产，这也标志着中国混合动力汽车的研发方面迈出了重要一步。在政策方面，“十一五”期间混合动力汽车被列入国家科技部“863”计划的12个重大专项之一，国家投入30亿元的研发经费，支持混合动力汽车关键技术、平台集成技术以及整车和关键零部件的开发。正如著名新能源汽车开发专家万钢指出的那样：“混合动力汽车的发展，一事关国家能源安全，二事关减轻大气污染，维护社会可持续发展战略。”2010年6月，《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》开始实行，确定每辆混合动力汽车补贴3000元，国家支持混合动力汽车发展的意图非常凸显。广阔的市场前景促使企业投入更多的精力去进行技术升级和市场推广，因此未来中国混合动力车的政策支持力度进一步提高是大势所趋。根据2009年国家出台的《汽车产业调整和振兴规划》内容所示，在2020年之前我国新能源汽车销售规模将要达全球第一，未来10年政府财政计划投入超过1000亿元来打造新能源汽车产业链似乎也印证了这一点。5我国混合动力汽车发展思路按照现在世界电动汽车发展趋势，混合动力汽车作为一个过渡产品在未来的30～40年内拥有非常良好的市场前景，随着技术发展，如混联型（SPHEV）等拥有高混合度、高环保节能性能、高工况适应性的车型将占领主要市场。从目前我国电动汽车的发展状况来看，消费者能够在理念上认可混合动力汽车和纯电动汽车，但是却只有很少数人愿意购买，主要是因为国内混合动力汽车在成本、性能和方便性上的劣势。因此，我国混合动力汽车应该以努力占领市场为突破口。混合动力汽车动力分配、电池技术和能量管理系统非常复杂，由此产生一系列问题，其一是成本过高，性价比低于燃油汽车；其二是维修困难，更复杂的汽车系统需要更高素质的维修人才；其三是混合动力汽车充电基础设施的缺乏，使得给电池充电非常麻烦。相对世界上其他汽车技术先进的国家，我国的汽车产业起步较晚，技术相对落后，部分发动机等主要零部件甚至需要从国外进口。因此，想要突破丰田Prius等高性价比成熟的混合动力汽车对市场的垄断，就需要国家政策的大力支持，例如对购买国产混合动力汽车实施补贴制度，广泛添置电动汽车充电站等基础设施等。除了政策上的支持，最主要的是要在关键技术上取得突破创新，因此提出以下3点建议。（1）首先应大力发展混合动力电池组的研发，比亚迪掌握的电池组技术在性能上已经能基本满足要求，目前应着力于降低电池成本，尽早实现产业化。（2）继续大力发展应用于城市公交车的混合动力系统。由于国内技术相对落后，小型家用混合动力汽车难以在近期实现产业化。因此将混合动力模式应用于城市公交车，从混合动力客车的研发中积累经验解决问题是一条很好的途径。（3）着力于动力复合装置的研发。无论是对并联式混合动力（PHEV）还是混联式混合动力（SPHEV），其动力复合装置都是至关重要的。只要拥有自主开发的高效能的动力复合装置，就可以大大削减混合动力汽车的生产成本，极大地促进产业化的进程。未来电动汽车将逐步取代燃油汽车占领汽车市场，在这之前，市场将被各种耗油少、高效能、高环保性的混合动力车型占领。所以尽早占领市场份额至关重要，我国应加速混合动力汽车的研发和产业化速度。参考文献[1]付翔.中国电动汽车产业发展动力系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2008.[2]黄睿．我国纯电动汽车产业化发展分析[D]．上海：同济大学，2008.[3]胡斌祥，王仲范，邓楚南，等.我国电动汽车产业发展战略研究[J].科技进步与对策，2009,18（4）：31-33.[4]王冬，田光宇，陈世全．混合动力电动汽车动力系统选型策略分析[J]．汽车工业研究，2011（2）：17-20．[5]AntoniSzumanowski.混合电动车辆基础[M].陈清泉，孙逢春，译.北京：北京理工大学出版社，2011：5-10.[6]ChanCC.Thestateoftheartofelectricandhybridvehicles[J].ProceedingsoftheIEEE，2010，90（2）：247-275.[7]WirasinghaSG，AliE.Classificationandreviewofcontrolstrategiesforplug-inhybridelectricvehicles[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology，2011，60（1）：111-122.[8]邓元望，王耀南，陈洁平.混合动力驱动系统及其在越野车中的应用[J].农业机械学报，2009，37（10）：38-41.[9]叶先军，赵韩，张炳力，等.BSG混合动力轿车动力系统参数设计及试验研究[J].汽车技术，2008（6）：24-27.[10]朱喆.车用BSG系统简介[J].汽车维修，2011（4）：46-47.[11]吴良，钟文锋.ISG混合动力电动汽车控制策略研究[J].仪器仪表学报，2009，30（6）：1164-1168.[12]王渊.并联式混合动力车整车控制单元的开发[J].西华大学学报：自然科学版，2008，27（4）：34-37.[13]秦大同，叶心，胡明辉，等.ISG型中度混合动力汽车驱动工况控制策略优化[J].机械工程学报，2010，46（12）：86-92.[14]杨超.国内外混合动力汽车的发展现状和前景[D]．郑州：河南农业大学，2011.[15]HuangKD，TzengSC.Developmentofahybridpneumaticpowervehicle[J].AppliedEnergy，2010，80（1）：56.[16]DonaldK，JamesF.USdepartmentofenergyhybridelectricvehiclebatteryandfuelec