混合动力汽车技术基础-论文

PAGEPAGE13摘要近年来能源危机一直是热议的话题。不可再生资源的日益消耗，尤其是石油的日益消耗，世人不得不为汽车业能源的可持续发展开始担忧和思考。混合动力汽车的反战之路成为人们寻求汽车业可持续发展的必经之路。中国总理温家宝此前表示，现在重点发展的混合动力车和电动车是不是最终产品，中国混合动力汽车发展方向和最终目标并不十分明确。但是业内专家经过一番分析和讨论后，认为中国混合动力汽车发展方向仍很明确。混合动力汽车发展成世界重要议题因全球能源和环境系统正面临挑战，混合动力汽车发展成为世界各国的重要课题，有其必然性。国家科技部“863计划”节能与混合动力汽车重大项目办公室副主任甄子健提供的数据显示，2010年全球汽车保有量8.5亿辆，消耗了55%的石油产量，排放了15%的CO2；2050年预计全球汽车保有量将达到30亿辆，为控制2度的温升，全球CO2排放单车石油消耗必须降低4倍，CO2排放必须降低6倍。因此汽车产业需要革命性地解决降低能耗问题。国务院发改委研究主任张玉台表示，相关部门正在保守完善和加快混合动力汽车发展的专项规划和相关扶持政策的制定。国家质监局总工程师张刚透露，已发布的以国内自主技术为基础的电动汽车国家标准31项、行业标准5项、共计36项，其中参考国际标准制定的国家标准13项，这些标准为发展混合动力汽车产业奠定了重要的基础。国家电网电力科学研究院高级工程师王伟此前透露，国家电网公司今年将在全国建成公用充电站75座，充电桩6209座。国家质检总局正在开展汽车节能与混合动力汽车标准体系的研究工作。“中国汽车保有量将从09年的6280多万辆跃升到2020年的2亿辆。”工信部工业装备司司长张相木信心满满的说道。随着一系列混合动力汽车政策即将出台，中国混合动力汽车十二五期间将快速发展。目录第一章什么是混合动力汽车………….3第二章混合动力汽车的结构………….3第三章混合动力汽车的类型………….43.1串联式混合动力系统………………….53.2并联式混合动力系统………………….53.3混联式混合动力系统………………….63.4微混合动力系统………………….63.5轻混合动力系统………………….73.6中混合动力系统………………….73.7完全混合动力系统……………7第四章混合动力车的优缺点……7第五章混合动力汽车面临问题和技术……………8第六章混合动力汽车技术发展现状…………………96.1国内混合动力汽车技术发展状况…………………96.2国外混合动力汽车技术发展状况…………………12结束语…………15参考文献………………………16第一章什么是混合动力汽车混合动力汽车（HybridElectricalVehicle,简称HEV)是指同时车上装备装有两个以上动力源：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组。通图1-1丰田混合动力汽车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，如图1-1所示为丰田混合动力汽车。第二章混合动力汽车的结构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，只需加油即可。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。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。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。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，得到比较广泛的应用。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。第三章混合动力汽车的类型图3-1串联式混合动力系统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的整车性能。根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类：串联式、并联式和混联式。3.1串联式混合动力系统。如图3-1所示，串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就像一个水库，只是调节的对象不是水量而是电能。电池对发电机产生的能量和电动机需要的能量进行调节，从而保证车辆的正常工作。在早期，很多客车企业都采用了这种系统。图3-2并联式混合动力系统3.2并联式混合动力系统。如图3-2所示，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。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单、成本低，但是发动机排放效果不如串联模式。江淮、东风扬子江、黄海、南车、海格、福田欧V、大金龙、青年、中通等采用并联模式。3.3混联式混合动力系统。如图3-3所示，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。选用这种模式的客车企业有宇通、金旅、五洲龙等。图3-3混联式混合动力系统连接方式经济性运动性能自动停止怠速能量回收高效率运行控制总效率加速性高效持续性串联式中好中中差差混联式中中差中中差并联式好好好好中中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3.4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。3.5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。3.6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。3.7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。第四章混合动力汽车的优缺点：4.1混合动力车的优点：1、采用复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。4.2混合动力汽车的缺点是：1、混合动力的车比起燃油的车，其最大的缺点就是动力性和加速性差一些。2、有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，维修保养费用相对较高。第五章混合动力汽车面临的问题和技术目前，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。第六章混合动力汽车技术发展现状6.1国内混合动力汽车技术发展状况近几年，在国家“863”计划的资助下，长安、一汽、东风、奇瑞、华晨、吉利等自主品牌汽车企业竞相开发出了相应的混合动力轿车，其中部分车型已申报了国家汽车产品公告，但上述汽车企业大多采用ISG轻度混合或BSG微混合方案，这两种方案的技术难度较小，生产成本也较低。同时我们必须清醒地认识到，要真正实现自主混合动力车型的普及，还有诸多障碍需要克服，包括技术上的一些关键难题和成本增加太多、零部件配套资源体系不成熟等。具体表现在：1.与国外一样，成本偏高其回收周期较长成为混合动力汽车普及初期最主要的障碍。一般中度混合动力轿车比同类内燃机轿车成本高出20%～30%。若按10万元家用轿车计算，在不赢利情况下成本增加2万元，以每年行驶3万公里计算，油价为6元时，回收期为6.9年;油价为5元时，回收期为8.3年。而根据市场调查，用户可接受的回收期为1～1.5年，也就是用户只接受价格增加5%以内，与实际相差比较大，严重削弱了用户对购买混合动力汽车的兴趣。2.关键技术产业化及其产业链的支撑存在较大差距。近年来民族汽车之所以崛起，主要就是得力于存在广阔的低端市场空间以及高速增长的市场容量形成强大的拉动力。民族轿车工业崛起主要靠的就是走的低端产品路线，技术含量低，可以通过自主创新或从国外设计公司直接购得。像长安、奇瑞等企业在混合动力技术研发及其产业化上，联合国内的高校、研究机构，甚至与国外的一些研发机构合作，每年投入上千万元资金进行技术研发，国家也有部分资金支持，但还有一些产业化的关键重大技术需要最后的冲刺突破，系统的可靠性还需要大量的试验验证，关键核心零部件的产业化还存在较大差距，标准体系还不完善。比如镍氢电池一直是个瓶颈，在推进混合动力汽车产业化时，有关部门考察了全国所有的镍氢电池供应商，完全满足产业化要求的厂家基本上没有。此外，还有像ISG电机、各种控制系统等关键技术零部件的产业化都与规模化生产存在差距。与乘用车相比，城市混合动力公交车的发展有所不同。据统计，我国城镇居民日常出门有70%是首选乘坐公交车。在城市工况下，公交车频繁起步、加速、制动和停车，要额外消耗许多燃油。根据调查，将近1/2的燃油是被汽车频繁制动所消耗的，这就为混合动力公交车的节油减排留下了相当大的空间。基于以上考虑，目前我国至少有7～8家客车企业将研发、生产混合动力公交车作为研发工作的重点。经过几年的开发，虽然已取得了一系列重大成果，但公交车的节油率并未达到预计的要求，主要原因包括：1.汽车的制动过程十分短暂，一般不超过10秒，在短短的几秒内，电机要求发出很大的电流，才能有效回收制动能量，但是电池的充电倍率只有放电倍率的一半，因此电池不能接受大电流充电。理论上汽车有50%～60%的制动能量可回收，但实际回收的制动能量小于20%，最简单的改进办法是加大动力电池容量，例如至少加大容量一倍，回收的制动能量可由20%增加到40%。但这将大大增加整车成本和汽车自重，经济上可能是得不偿失;2.混合动力公交车若采用停车断油，甚至滑行即时断油，可节油10%左右(4L/100km)，实际上国产柴油机没有专门为混合动力汽车设计，一般不允许频繁地停车断油，否则供油系统和废气增压器都可能损坏，严重影响柴油机寿命。而且，停车断油就必须装有电动转向油泵、电动空压机和电动空调系统，这又会大大增加整车成本和重量，两相权衡，不一定合算，所以近期大多未实现停车断油功能。目前，常规汽车电子产品占整车成本的比例在全球平均为13%，预计到2010年将达到40%。另据Motorola、Benz等公司的预测，未来汽车技术的革新将有90%来自汽车电子与软件技术。与传统内燃汽车相比，电子产品在混合动力汽车中占有更大的比重，如在日本Toyota汽车公司生产的Prius混合动力轿车中，汽车电子产品占整车成本的比例已高达47%，因此，相对于常规内燃汽车，混合动力汽车的核心竞争力将更多体现在汽车电子产品上。混合动力汽车由于保留了常规内燃机和变速箱，其核心电子系统主要包括：多能源动力总成控制系统、混合动力用发动机(汽油、柴油、燃气)管理系统、自动变速控制系统、电机及其驱动控制系统、动力蓄电池及其管理系统、高压电安全控制系统、DC/DC变换器(单向功率流，双向功率流)等。作为新能源汽车的共性辅助电子系统，对于混合动力汽车来说也是必不可少的，主要包括：电动助力转向系统、智能仪表系统、电动空调系统、机电复合制动系统。基于以上的分析，自主品牌混合动力汽车产业的发展应重视以下几个问题。1.建立自主品牌混合动力汽车产业化共用技术设计平台和零部件配套供应体系平台。建议借鉴美国PNGV计划模式，由国家资助、自主品牌汽车公司共同出资组建混合动力产业化公司，业务领域包括系统设计、零部件大批量生产、专用试验等。以此解决技术的可持续发展和产业链发展能力的建设问题。2.加强混合动力基础技术研究及试验能力建设。标准的竞争已经成为新技术产业化成败的关键。混合动力汽车产业化尚需要标准、试验认证能力的支撑，建议国家设立专门的基础技术研究和试验能力建设专项基金，资助有条件和能力的国有控股企业或国家试验检测机构进行能力建设，最终形成中国自己的混合动力技术标准。3.重视实践、练好内功，进一步降低成本并提高产品的可靠性和耐久性。当前在国际金融危机持续蔓延的背景下，通用、克莱斯勒等国外汽车业巨头遭受重创。为获重生，他们都不遗余力地发展新能源汽车以挽颓势，中国到2012年新生产汽车中有10%是节能与新能源汽车的目标更是鲜明。为继续推进节能与新能源汽车的产业化，由科技部、财政部共同组织的“十城千辆”试点也已在国内部分城市陆续展开，而国家财政对新能源汽车消费的直接补贴更是将节能与新能源汽车产业化的进程推进了一大步，对于国内的车企来说，这又将是一个千载难逢的机会。只有重视实践、大胆探索，通过进一步降低制造成本，提高产品的可靠性和耐久性，才能真正推进自主品牌混合动力汽车的规模产业化。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，混合动力系统在同等条件下相对于汽油车和柴油车来说，汽车尾气排放少，从而减少了对空气的污染。因此，混合动力汽车具有环保、污染小优点。近年来，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。美国奥巴马政府实施绿色新政，计划到2015年普及100万辆插电式混合动力电动汽车。日本把发展新能源汽车作为“低碳革命”核心内容，并计划到2020年普及包括混合动力汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆,为完成这一目标,日本到2020年计划开发出至少38款混合动力车、17款纯电动汽车。德国政府在08年11月提出未来10年普及100万辆插电式混合动力汽车和纯电动汽车，并宣称该计划的实施，标志德国将进入新能源汽车时代。动力电池成为各国政府在电动汽车领域支持的重中之重。美国总统奥巴马09年8月宣布安排24亿美元支持PHEV研发与产业化，其中20亿美元用来支持先进动力电池的研发和产业化。日本政府提出“谁控制了电池，谁就控制了电动汽车”，并组织实施国家专项计划，在2011年以前将投入400多亿日元用于先进动力电池技术研究，2010年左右新型锂电池将规模应用于下一代新能源汽车。德国从今年起启动了一项4.2亿欧元车用锂电池开发计划，几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。国家的大量投入，充分调动了企业的积极性，目前国际主要汽车制造商不断加强与电池企业的合作，以动力电池突破为核心目标的强强联合与产业联盟不断涌现，动力电池技术研发和产业化进程明显加快。各国政府加大了政策支持力度，全力推进包括混合动力汽车在内的新能源汽车产业化。美国对PHEV实施税收优惠，减税额度在2500美元和15000美元之间，同时美国政府对电动汽车生产予以贷款资助。09年6月23日，福特、日产北美公司和Tesla汽车公司获得80亿美元贷款，主要用于混合动力和纯电动汽车的生产。日本从09年４月１日起实施新的“绿色税制”，对包括混合动力车、纯电动汽车等低排放且燃油消耗量低的车辆给予税赋优惠，一年的减税规模约为2100亿日元，是现行优惠办法减税额的10倍。法国不但对购买低排放汽车的消费者给予最高5000欧元的奖励，而且对高排放汽车进行最高2600欧元的惩罚。此外，欧盟计划在2009年上半年发放70亿欧元贷款，支持汽车制造商发展新能源汽车；此外，美国新的汽车燃油经济性法规和欧盟新车平均二氧化碳排放法规，对汽车技术要求大幅提高，如果不发展新能源汽车技术，汽车制造商将很难达到新法规要求。从1995年起，包括日本丰田与美国三大汽车公司在内的世界各大汽车生产厂商陆续投入混合动力汽车研究开发。经过多年发展，混合动力汽车在商用化、产业化进程