基于新能源技術(shù)的混合動力汽車的研究進展分析

1、基于新能源技術(shù)的混合動力汽車的研究進展分析摘 要：隨著環(huán)境保護和能源危機的問題日益顯著，新能源汽車漸漸成為人們關(guān)注的熱點。而在太陽能、純電能等替代能源真正進入實用階段之前，混合動力汽車因其顯著優(yōu)勢備受關(guān)注。本文主要介紹了混合動力汽車的分類、工作模式、優(yōu)缺點、技術(shù)關(guān)鍵及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對其發(fā)展進行了預測。關(guān)鍵詞：新能源；汽車；混合動力0 前言隨著環(huán)境保護和能源危機的問題日益顯著，全球汽車工業(yè)正面臨著石油能源貧乏和環(huán)境污染惡化的巨大挑戰(zhàn)。在這樣的背景下，破解能源環(huán)境制約、尋找新型能源，已成為全球汽車行業(yè)的廣泛共識，進而使得新能源汽車漸漸成為人們關(guān)注的熱點。目前新能源汽車的技術(shù)路線主要有清潔柴油

2、、混合動力、純電動和燃料電池等技術(shù)。其中，清潔柴油、純電動和燃料電池技術(shù)在中短期內(nèi)均存在技術(shù)瓶頸，無法進行產(chǎn)業(yè)化推廣，而混合動力實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化條件相對成熟，混合動力汽車在未來510年將獲得巨大發(fā)展?；旌蟿恿ζ嚕℉ybrid Electric Vehicle，簡稱HEV），是指那些采用傳統(tǒng)燃料的，同時配以電動機/發(fā)動機來改善低速動力輸出和燃油消耗的車型。按照燃料種類的不同，主要又可以分為汽油混合動力和柴油混合動力兩種。1 新能源汽車的概念及分類1.1 新能源汽車的概念新能源汽車是指除汽油、柴油發(fā)動機之外所有其它能源汽車。包括燃料電池汽車、混合動力汽車、氫能源動力汽車和太陽能汽車等。其廢氣排放量比較

3、低。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界現(xiàn)有超過400萬輛液化石油氣汽車，100多萬輛天然氣汽車。中國市場上在售的新能源汽車都是混合動力汽車。新能源的定義主要有如下要點: 以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ)；明確包括生物質(zhì)能等在內(nèi)的開發(fā)重點；新能源應該是對環(huán)境友好、是可持續(xù)發(fā)展的；能替代化石能源。根據(jù)新能源的定義分析, 不僅僅電動車是新能源汽車, 而且使用生物燃料 (甲醇、乙醇、二甲醚等 ) 的汽車也是新能源汽車, 當前對我國來說也應該作為開發(fā)的重點。1.2 新能源汽車的分類新能源汽車可分為混合動力汽車（HEV）、純電動汽車（BEV）、燃料電池汽車（FCEV）、氫發(fā)動機汽車以及燃氣汽車、醇醚汽車等。2 混合動力汽車的研究

4、背景隨著近年來全球的氣候環(huán)境的急劇惡化，世界各國都已經(jīng)認識到生態(tài)環(huán)境的重要性，許多大型汽車公司正致力于研發(fā)生產(chǎn)新能源汽車。從上世紀90年代開始，全球各大汽車公司首先把目光放在電動汽車上，但是由于車用蓄電池的能量密度低、質(zhì)量較大，使得純電動汽車的行駛里程短且成本較高，很難市場化。而混合動力汽車則能較好的解決這一難題。從廣義上來講，混合動力汽車是表示多于一種原動機的車輛驅(qū)動機構(gòu)。混合動力機構(gòu)可備有幾種相似的或者不同形式的貯能裝置和功率轉(zhuǎn)換器，這樣可在不同的使用條件下利用各自的優(yōu)點，從而使得混合驅(qū)動機構(gòu)的總效益勝過這套機構(gòu)所增加的費用。這種混合了傳統(tǒng)和電動的驅(qū)動系統(tǒng)能夠明顯地減少汽車排放和降低油耗，

5、并可以達到傳統(tǒng)汽車同樣的行駛距離。3 混合動力汽車的分類由內(nèi)燃機和電力驅(qū)動結(jié)合的混合驅(qū)動，是目前唯一受到關(guān)注的混合驅(qū)動機構(gòu)。它有3種布置形式，這3種布置的主要差別在于動力源的串聯(lián)或并聯(lián)布置。3.1 串聯(lián)式混合動力汽車實際上是由一輛由發(fā)動機進行發(fā)電，再向電動機輸出扭矩而運轉(zhuǎn)的電動汽車，在車輛上裝有蓄電池，用來儲存發(fā)動機帶動發(fā)電機產(chǎn)生的電能。當然，隨著燃料電池與太陽能電池的不斷進步，可以用燃料電池取代發(fā)動機，形成新一代的燃料電池混合動力汽車。下圖是串聯(lián)式混合動力汽車動力流程圖。3.2 并聯(lián)式混合動力汽車這是一種發(fā)動機與電動機同時使用的混合方式。在車輛行駛時，以發(fā)動機為主要動力源，在車輛起步或加速時

6、則式電動機工作，作為輔助驅(qū)動力。在發(fā)動機效率較低的低負荷工況時，則電動機功能轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電及功能，向蓄電池充電。其次，在車輛制動或下坡減速行駛時，則通過制動能量回收系統(tǒng)進行制動能量回收，進行發(fā)電，并向蓄電池充電。而當車輛停止時，發(fā)動機停止運轉(zhuǎn)，以限制能量的消耗。下圖為并聯(lián)式混合動力汽車動力流程圖。3.3 混聯(lián)式混合動力汽車這種方式是在并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中，增加一個專用發(fā)電機，按照車輛行駛工況，分別使用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，以提高能量使用效率。下圖是混聯(lián)式混合動力汽車動力流程圖。4混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀4.1國外混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀在國際上，美國、日本以及德國等發(fā)達國家對開發(fā)新能

7、源汽車高度重視，先后制定了研發(fā)生產(chǎn)以及購買新能源汽車的諸多優(yōu)惠政策，其新能源汽車的相關(guān)的技術(shù)也上升了一個新的高度。這些發(fā)達國家每年用于新能源汽車的科研開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的資金不低于10億美元，如此巨大的資金投入加快了新能源汽車行業(yè)技術(shù)的發(fā)展和銷售規(guī)模的擴大。目前，混合動力汽車全球已經(jīng)累計銷售100萬輛。目前，美國是全球最大的混合動力汽車銷售國家。2008年，美國混合動力汽車銷量為31.4萬量。盡管如此，混合動力汽車在美國汽車的銷量中也僅占2.4%，因此新能源汽車的銷售市場還有巨大的潛力。美國設(shè)立了一個250億美元的基金，用于支持廠商對新能源汽車的研發(fā)和生產(chǎn)，預計到2015年，美國本土將有100萬

8、輛混合動力汽車投入使用。日本豐田公司的“COASTER”“PRIUS”、美國通用公司的“EV-1”法國雷諾公司的“KANGOO”和意大利的“IVECO”等混合動力汽車均已上市。1999年，豐田公司的普銳斯混合動力轎車在日本的銷量達到3萬多輛。意大利依維柯公司的12米混合動力大客車已經(jīng)作為城市公交用車順利運行了幾年，在熱那亞市中心的19路公交車就有19輛這種混合動力大客車在運行。4.2 國內(nèi)混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀我國新能源汽車的發(fā)展始于上世紀90年代，“十五”規(guī)劃以來，國家制定了新能源汽車科技規(guī)劃，先后投入了20多億的研發(fā)經(jīng)費，目前許多高校已經(jīng)將其作為重點的課題。隨著全球汽車工業(yè)中心開始轉(zhuǎn)向中國

9、市場，新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化進度明顯加快，目前研發(fā)和研制的生產(chǎn)企業(yè)超過了200家。作為汽車的生產(chǎn)和消耗大國，中國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在進入高速前進的階段。以下是國內(nèi)部分企業(yè)混合動力汽車的研發(fā)現(xiàn)狀。一汽：一汽集團將與豐田合資生產(chǎn)豐田普銳斯混合動力轎車；一汽自主研發(fā)的解放牌混合動力城市客車也已通過國家“863”電動車重大專項專家組的項目驗收。上汽：與上海交通大學、同濟大學共同簽署了新能源汽車戰(zhàn)略合作協(xié)議；上汽與通用合作開發(fā)的混合動力汽車已經(jīng)投入運行；上汽與大眾聯(lián)合開發(fā)的混合動力轎車也于2008年6月小批量投產(chǎn)。東風：混合動力公交車已于2005年7月27日完成最終產(chǎn)品的定型樣車試驗并通過驗收。長安：具有完

10、全自主知識產(chǎn)權(quán)的羚羊混合電動車已經(jīng)生產(chǎn)出樣車；裝備混合動力技術(shù)的長安CV9已于2006年底下線。奇瑞：建立了國家節(jié)能環(huán)保汽車工程技術(shù)研究中心，并已對混合動力車進行了驗收；同時將與英國紐卡斯爾大學進行混合動力項目合作。吉利：旗下的傷害華普汽車已與同濟大學汽車學院簽署合作協(xié)議，并已初步完成混合動力轎車商業(yè)化生產(chǎn)過程。5 混合動力汽車面臨的關(guān)鍵性技術(shù)問題5.1 混合動力汽車要市場化實用化，需要具備高比能量和高比功率的能量存儲裝置，低成本、高效率的功率電子設(shè)備以及燃料經(jīng)濟性高、低排放的發(fā)動機。所面臨的關(guān)鍵性技術(shù)和需要解決的問題包括以下幾個方面：（1）混合動力汽車發(fā)動機起動和關(guān)閉頻繁，使驅(qū)動系統(tǒng)和附件(

11、如空調(diào)和動力轉(zhuǎn)向裝置等)的電能管理變得復雜。這就需要先進的檢測和控制系統(tǒng)，以熱力發(fā)動機為主的混合動力單元在將燃油轉(zhuǎn)化為有用功的同時，既要提高轉(zhuǎn)化效率，還要滿足嚴格的排放標準。（2）能量存儲裝置(電池)要具有較高的比功率，滿足汽車加速和爬坡時的大功率需要。能量存儲裝置必須采用熱能控制管理，要有較高的比能量、較長的使用壽命和低廉的制造成本。（3）需要建立更先進的驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學模型(包括靜態(tài)的和動態(tài)的)，這是計算機仿真和分析的基礎(chǔ)。（4）制定完善的混合動力汽車相關(guān)標準和法規(guī)，為混合動力汽車的市場化奠定基礎(chǔ)。（5）電力電子器件必須減小尺寸、減輕質(zhì)量和降低制造成本。5.2 混合動力汽車發(fā)動機試驗中的常見問

12、題混合動力發(fā)動機試驗的主要目的是研究配氣相位、進排氣系統(tǒng)、壓縮比對發(fā)動機性能的影響，從而得到適合混合動力汽車的專用發(fā)動機的最優(yōu)配氣相位、進排氣系統(tǒng)及壓縮比方案，提出相應設(shè)計方案，并根據(jù)設(shè)計方案對原發(fā)動機進行改進。與國外的先進水平相比，在混合動力發(fā)動機的試驗方面，仍有較大差距，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：5.2.1測試裝備的技術(shù)水平有待提高受原材料和生產(chǎn)工藝的限制，我國混合動力發(fā)動機測試專用設(shè)備的生產(chǎn)水平還不夠高，且品種不全、配套能力較差。不少高水平的傳感器嚴重依賴于進口。應加強基礎(chǔ)測試技術(shù)和器件的研制開發(fā)，由于現(xiàn)在許多測試系統(tǒng)的精度主要是受到傳感器精度的限制，因而要特別注意研制開發(fā)高精度的一次儀表

13、（傳感器或變送器）。測功器是發(fā)動機測試技術(shù)最基本的設(shè)備，雖然我國不少企業(yè)從事這方面的生產(chǎn)，但大功率水力、電渦流、交流測功器在國內(nèi)市場上仍然空缺。自動化試驗臺及控制系統(tǒng)在功能上能夠滿足要求，但可靠性差，且系統(tǒng)精度低。以激光為代表的光學技術(shù)，雖然在發(fā)動機測試技術(shù)領(lǐng)域己得到廣泛的應用，但儀器、設(shè)備的關(guān)鍵零部件仍依賴進口。自主研發(fā)能力不足。近些年，我國大量引進國外先進測試設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù)，使我國發(fā)動機專用測試設(shè)備生產(chǎn)的技術(shù)水平與國外先進水平的差距有所縮?。坏M一步自行研發(fā)的能力明顯不足，仍未完全擺脫“引進提高再引進再提高”的模式。應加強對引進技術(shù)的消化吸收，進行二次開發(fā)，擴大應用范圍。要充分利用引進的技

14、術(shù)和設(shè)備，加強科研院所、高等院校與專業(yè)生產(chǎn)廠家的合作，集中優(yōu)勢力量對我國發(fā)動機測試領(lǐng)域中迫切需要解決的難題進行聯(lián)合攻關(guān)。在注意國產(chǎn)測試儀器、儀表的設(shè)備性能和功能研發(fā)的同時，要特別重視保障可靠性，從設(shè)計、試制、工藝、生產(chǎn)、售后服務等環(huán)節(jié)嚴格把關(guān)，形成一套國產(chǎn)化的可靠性把關(guān)標準，只有這樣才能提高國產(chǎn)化儀表設(shè)備的信譽和市場競爭能力。5.2.2測試方法、標準需要補充完善我國發(fā)動機試驗領(lǐng)域的標準內(nèi)容和水平，還局限于發(fā)動機產(chǎn)品常規(guī)性能測試評價方面。針對新型混合動力發(fā)動機的開發(fā)驗證、技術(shù)匹配、技術(shù)參數(shù)的子項指標精確評定等，還沒有專用的標準規(guī)范，如目前較流行的燃燒特性、NVH、適于中國特定工況模擬等。5.2.

15、3測試條件控制要求與試驗數(shù)據(jù)修正方法尚需研究確定由于發(fā)動機試驗包括發(fā)動機新產(chǎn)品研發(fā)驗證、批量產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控測試、節(jié)能產(chǎn)品質(zhì)量評價及其性能比對測試、產(chǎn)品質(zhì)量問題分析與改進試驗、科研成果實際驗證、發(fā)動機原理教學演示等多種類型，而常規(guī)的試驗要求，只是一個較寬泛的條件限定，因而針對不同的試驗目的，應明確制定出具體的試驗條件控制要求、測試結(jié)果準確表達方式以及數(shù)據(jù)修正方法等。6 混合動力汽車的優(yōu)點當前混合動力汽車一般是指內(nèi)燃機加發(fā)電機，再加上蓄電池的電動汽車?；旌蟿恿ζ嚨膬?yōu)點是：（1）采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時在油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。當需要大功率而內(nèi)燃機功率

16、不足時，則由電池來補充；當負荷少時，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，因而其續(xù)駛里程和動力性可達到內(nèi)燃機汽車的水平。（2）因為有了電池，可以十分方便地回收制動、下坡、怠速時的能量，更加節(jié)能環(huán)保。（3）在繁華市區(qū)，啟動和停車頻繁時可關(guān)閉內(nèi)燃機，由電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)“零”排放。（4）空調(diào)、真空助力、轉(zhuǎn)向助力及其他輔助電器，借助原動機動力，無需消耗電池組有限電能，從而保證了乘坐的舒適性，不會有純電動汽車遇到的難題。（5）可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資建造專用燃料補給站。7 混合動力汽車的發(fā)展前景混合動力汽車在發(fā)達國家已經(jīng)日漸成熟，有些已經(jīng)進入實用階段。由

17、于構(gòu)造復雜，成本較高，在純電動汽車普及之前，混合動力汽車只是一種過渡產(chǎn)品。從目前的發(fā)展來看，以計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)，各種智能控制系統(tǒng)包括自適應控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)（Fuzzy）、專家控制系統(tǒng)（Expert System）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Neural Networks）等在混合動力汽車上的逐漸應用，將進一步促進混合動力汽車的發(fā)展。與傳統(tǒng)型汽車相比，混合動力汽車充分吸取了電力/熱力系統(tǒng)中最大的優(yōu)勢，在節(jié)能和排放上勝出一籌；與純電動汽車相比，混合動力汽車的電壓和功率等級與電動車類似，但蓄電池容量大大減小，因而其造價成本低于純電動汽車。從上世紀90年代起，全球掀起研發(fā)生產(chǎn)混合動力汽車的競爭熱

18、潮，21世紀混合動力汽車有可能成為汽車工業(yè)的主導產(chǎn)品?；旌蟿恿ζ嚲哂械团欧?、低噪音等優(yōu)點，并保持了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車續(xù)駛里程長的優(yōu)點，混合動力驅(qū)動模式的汽車不論是在小轎車還是大型車輛（如公交汽車）領(lǐng)域中，都將有巨大的發(fā)展?jié)摿土己玫氖袌銮熬?。參考文獻【1】王志杰. 混合驅(qū)動動力汽車的研究進展.福建信息技術(shù)教育.2005年12月.【2】黃良學. 新能源混合動力發(fā)動機試驗中的常見問題分析. Equipment Manufactring Technology No.6，2010【3】趙強，史文濤，龐立江. 簡析我國混合動力電動汽車現(xiàn)狀及發(fā)展前景. 石家莊理工職業(yè)學院學術(shù)研究.2010年9月. 第5卷 第3期.【4】王志杰. 淺談混合動力汽車工作模式和控制策略. 福建信息技術(shù)教育. 2007年第2期.【5】張智華. 混合動力驅(qū)動汽車設(shè)計的優(yōu)化探討. 裝備制造技術(shù). 2010年第8期.【6】王歡.