混合動(dòng)力汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展(李娜) 2

1、海 南 大 學(xué)本科課程論文（設(shè)計(jì)）混合動(dòng)力汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展Present situation and development of hybrid electric vehicle 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)年級： 10車輛工程 姓 名： 李 娜 學(xué) 號： 20090507310015 指導(dǎo)教師： 肖明偉 2013 年 5 月 20 日摘 要 混合動(dòng)力汽車是具有低排放、高燃油經(jīng)濟(jì)性，并符合目前推廣實(shí)際的新能源汽車。介紹混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用；混合動(dòng)力汽車的主要研究方向、研究方法及面臨的主要技術(shù)問題；闡述混合動(dòng)力汽車的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 動(dòng)力源 串聯(lián) 并聯(lián) 混聯(lián)Abstra

2、ct Hybrid vehicle is a kind of new energy automobile with low emissions and high fuel efficiency ,which conforms to the popularization of new energy automobile . introduces the hybrid vehicle structure ,principle and application, main research directions and methods, the main technology problems; ex

3、pounds the development trend of hybrid vehicle. Keywords: hybrid vehicle ; Source of power ; Parallel connection ; Series connection ; Connected structure 1緒 論 隨著全球汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，石油資源供應(yīng)的日趨緊張，世界各國積極尋求代用燃料或者減少燃油的消耗量，大力開發(fā)新型節(jié)能環(huán)保汽車。在太陽能、電能等替代能源真正進(jìn)入實(shí)用階段之前，混合動(dòng)力汽車因其低油耗、低排放的優(yōu)勢越來越受到人們的關(guān)注。2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用 廣義上說，混合

4、動(dòng)力汽車是指擁有至少兩種動(dòng)力源，使用其中一種或多種動(dòng)力源提供部分或者全部動(dòng)力的車輛。但是，在目前實(shí)際生活中，混合動(dòng)力汽車多半采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。根據(jù)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的聯(lián)結(jié)方式，混合動(dòng)力系統(tǒng)主要分為以下三類：2.1 串聯(lián)式 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)(SHEV)。串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)(SHEV)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，是發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。用發(fā)動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能直接輸送到電池或電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車，電池作為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出和電動(dòng)機(jī)需求的調(diào)節(jié)裝置，其原理如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行獨(dú)立于車速和道路情況，適用于市內(nèi)常見的頻繁起步、加速和低速運(yùn)行工況。發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了怠速和低速工況，

5、從而提高了效率和排放性能。但是，在機(jī)械能與電能的轉(zhuǎn)化過程中有能量損失，所以油耗并沒有降低。2.2 并聯(lián)式 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)(PHEV)。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)(PHEV)結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，可以同時(shí)給車輪提供驅(qū)動(dòng)力，其原理如圖2所示。電動(dòng)機(jī)還可以用作發(fā)電機(jī)，以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)所受的載荷，使其能在最佳工況點(diǎn)附近運(yùn)行。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能可直接輸出到汽車驅(qū)動(dòng)橋，中間沒有能量的轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)效率較高，燃油消耗也較少。但由于發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛驅(qū)動(dòng)輪之間有直接的機(jī)械連接，發(fā)動(dòng)機(jī)不是都在最佳工況點(diǎn)附近運(yùn)行，其會受到汽車具體行駛工況的影響。并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適合于汽車在城市間公路和高速公路上穩(wěn)定行駛的工況，其也可以在比較

6、復(fù)雜的工況下使用，應(yīng)用范圍較廣，但對發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的優(yōu)化和對能量系統(tǒng)的管理也提出了更高的要求。2.3 混聯(lián)式 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)(SP-HEV)?；炻?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)(SP-HEV)的原理如圖3所示，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車。目前的混聯(lián)式結(jié)構(gòu)一般以行星齒輪作為動(dòng)力復(fù)合裝置的基本構(gòu)架，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分成兩部分：一部分機(jī)械能通過機(jī)械傳動(dòng)輸送給驅(qū)動(dòng)橋；而另一部分通過發(fā)電機(jī)發(fā)電輸送給電動(dòng)機(jī)或?qū)﹄姵爻潆?，同時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩通過動(dòng)力復(fù)合裝置傳送給驅(qū)動(dòng)橋。在汽車低速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當(dāng)汽車高速穩(wěn)定行駛時(shí)，則以并聯(lián)工作方式為主；在減速或制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)通過電動(dòng)機(jī)發(fā)電將能量回收到

7、電池（蓄電池）中。混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)(SP-HEV)，充分發(fā)揮了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配，從而在結(jié)構(gòu)上保證了在更復(fù)雜的工況下仍能使系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)下工作，所以更容易達(dá)到控制排放和油耗的目的。 圖1串聯(lián)式 圖2并聯(lián)式 圖3混聯(lián)式 HEV示意圖 HEV示意圖 HEV示意圖1發(fā)動(dòng)機(jī)2油箱3發(fā)電機(jī) 1發(fā)動(dòng)機(jī)2油箱3變速器 1發(fā)動(dòng)機(jī)2油箱3 發(fā)電機(jī) 4電動(dòng)機(jī)5逆變器6電池 4電動(dòng)機(jī)5逆變器6電池 4離合器5電動(dòng)機(jī) 6變速器7逆變器8電池 3 國內(nèi)外混合動(dòng)力汽車的發(fā)展?fàn)顩r及對比 近幾年來，國內(nèi)外汽車制造廠商開發(fā)了許多混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。日本豐田、日本本田

8、、美國福特等公司已經(jīng)開發(fā)生產(chǎn)了成熟的混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品，并在各國批量銷售。經(jīng)過國家“863計(jì)劃”的支持與發(fā)展，我國的混合動(dòng)力汽車技術(shù)正在迅速邁向產(chǎn)業(yè)化。3.1 國外 日本：從目前世界范圍內(nèi)的整個(gè)形勢來看，日本是電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個(gè)國家之一，特別是在發(fā)展混合動(dòng)力汽車方面，日本居世界領(lǐng)先地位。目前，世界上能夠批量產(chǎn)銷混合動(dòng)力汽車的企業(yè)，只有日本的豐田和本田兩家汽車公司。1997年12月，豐田汽車公司首先在日本市場上推出了世界上第一款批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力轎車PRIUS。2012年時(shí)，其所有的車型將全部裝上混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。豐田汽車公司在實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)的低能耗、低排放和改進(jìn)行駛性能方面已經(jīng)走

9、在了世界的前列。圖4 采用混合動(dòng)力的豐田轎車其主要性能參數(shù)如下 美國：美國三大汽車公司只是小批量生產(chǎn)、銷售過純電動(dòng)汽車，而混合動(dòng)力和燃料電池電動(dòng)汽車目前還未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，日本的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在美國市場上占據(jù)了主導(dǎo)地位。美國能源部與三大汽車公司于1993年簽訂了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車開發(fā)合同，進(jìn)行為期5年的研發(fā)工作，并于1998年在北美國際汽車展上展出了樣車。在此基礎(chǔ)上，現(xiàn)已推出3款混合動(dòng)力概念車：通用Precept、福特Prodigy、戴-克DodgeESX3。2004年，通用汽車公司與戴-克汽車公司對外宣布雙方將在開發(fā)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的技術(shù)領(lǐng)域攜手，共同推進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。圖5 采用混合動(dòng)力的福

10、特汽車3.2 國內(nèi) 目前我國各大汽車集團(tuán)都在進(jìn)行混合動(dòng)力電動(dòng)汽車研發(fā)，多數(shù)以混合動(dòng)力電動(dòng)客車為主，這種研發(fā)方向符合我國國情，有利于我國電動(dòng)汽車的研究發(fā)展。 一汽研發(fā)的紅旗HQ3于2006年投產(chǎn)；東風(fēng)集團(tuán)的混合動(dòng)力公交車已于2005年7月完成最終產(chǎn)品定型樣車試驗(yàn)并通過驗(yàn)收；長安集團(tuán)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的羚羊混合電動(dòng)車已產(chǎn)出樣車，其裝備混合動(dòng)力技術(shù)的長安CV9已經(jīng)下線；奇瑞集團(tuán)成立了國家節(jié)能環(huán)保汽車工程技術(shù)研究中心，將在2006年下半年重點(diǎn)推出第一自主品牌真正意義上的混合動(dòng)力車，代號為“BSG”的混合動(dòng)力車；吉利集團(tuán)旗下的上海華普汽車已與同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院簽署合作協(xié)議，預(yù)計(jì)3年內(nèi)完成混合動(dòng)力轎車商業(yè)

11、化生產(chǎn)；深圳五洲龍汽車有限公司也表示，中國規(guī)模最大、投放車輛最多的混合動(dòng)力示范運(yùn)營線路即將在深圳市龍崗區(qū)開通。而廣州本田更是緊跟豐田的步伐，于2006年中下旬推出國產(chǎn)雅閣混合動(dòng)力車。上汽集團(tuán)與通用簽署協(xié)議，將聯(lián)手開發(fā)混合動(dòng)力轎車和公交客車。來自中興汽車的消息，中興汽車與美國在“汽車混合動(dòng)力技術(shù)、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及飛行汽車技術(shù)”等方面有著雄厚的技術(shù)實(shí)力的梅爾萊普頓集團(tuán)簽訂了合作意向書，正式介入“油汽混合動(dòng)力技術(shù)”領(lǐng)域。與此同時(shí)，新能源汽車作為未來汽車的主要發(fā)展方向，國家一向給予支持和鼓勵(lì)。如汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策、“十一五”汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃等政策和文件都鼓勵(lì)清潔汽車、代用燃料及汽車節(jié)油技術(shù)的發(fā)展。 圖6

12、 采用混合動(dòng)力的國產(chǎn)江淮汽車4 研究的關(guān)鍵技術(shù)和面臨的主要技術(shù)問題4.1 關(guān)鍵技術(shù) 當(dāng)前,混合動(dòng)力汽車動(dòng)力系統(tǒng)的高新技術(shù)已經(jīng)逐步得到了應(yīng)用。這些主要技術(shù)包括:燃油動(dòng)力與電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)不斷取得進(jìn)展,節(jié)能效果不斷提高;高性能理離子電池、鎳氫電池取代傳統(tǒng)的鉛酸電池;高效的一體化電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的直流電機(jī);電動(dòng)輔助系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提高了整車能量利用效率和性能;網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用促進(jìn)了混合動(dòng)力汽車的模塊化和智能化;輕量化技術(shù)和電器結(jié)構(gòu)安全性技術(shù)得到了系統(tǒng)應(yīng)用。在混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展上,表現(xiàn)出明顯的模塊化和平臺化趨勢。 轎車混合動(dòng)力系統(tǒng)的模塊化愈加明顯,這逐步推進(jìn)了汽車動(dòng)力的電氣化。從只具備自動(dòng)啟停

13、、怠速關(guān)機(jī)功能的“微混合“到以并聯(lián)式混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)為主體的“輕混合“再到以混聯(lián)式為特征的“強(qiáng)混合“,隨著電功率的比例逐步提高,混合程度不斷提高,最終過渡到可充電式的串聯(lián)式“全混合“方式。 城市客車混合動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)平臺化趨勢。發(fā)電機(jī)組+馬區(qū)動(dòng)電機(jī)+儲能裝置,構(gòu)成了混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本技術(shù)平臺。通過換用不同的發(fā)電機(jī)組,即API,從汽油、柴油內(nèi)燃機(jī)到氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)各種不同的能源動(dòng)力轉(zhuǎn)化裝置形成油一電、氣一電等各種不同混合動(dòng)力系統(tǒng),促進(jìn)了動(dòng)力系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡與轉(zhuǎn)型。4.2 面臨的主要技術(shù)問題 （1）控制系統(tǒng)。這里的控制系統(tǒng)是指汽車動(dòng)力總成集中控制系統(tǒng),它是整車正常行駛的核心單元?；旌蟿?dòng)力汽車的控制需要根據(jù)

14、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及車速等信息和相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)確定發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的功率分配策略,即當(dāng)汽車的負(fù)荷給定后,首先要確定發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)輸出功率的比例,以保證滿足汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性等性能指標(biāo)的要求。為了滿足混合動(dòng)力汽車(包括駕駛性等)的要求,需要設(shè)計(jì)與混合動(dòng)力系統(tǒng)相適應(yīng)的控制系統(tǒng)和控制策略。 （2）混合動(dòng)力汽車控制策略。由于各種混合動(dòng)力電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)上的差異,因而需要不同的控制策略來調(diào)節(jié)和控制功率流在不同元件間的流動(dòng),其目的是為了達(dá)到四個(gè)主要目標(biāo):即最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性;最低的排放;最低的系統(tǒng)成本;最好的驅(qū)動(dòng)性能。 （3）內(nèi)燃機(jī)。經(jīng)過一百多年的發(fā)展,車用內(nèi)燃機(jī)在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放控制方面獲得了極大改善。近年

15、來,電控燃油噴射、排氣再循環(huán)、增壓中冷、可變進(jìn)氣渦輪、高壓共軌和催化后處理等技術(shù)的應(yīng)用,更使汽車的性能飛速提高,因止匕作為一種成熟的動(dòng)力設(shè)備,內(nèi)燃機(jī)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上的應(yīng)用難度不大。由于可移動(dòng)性能好、比功率大、熱效率也較高,因此,內(nèi)燃機(jī)仍然是影響整車效率和性能的關(guān)鍵設(shè)備。 （4）混合動(dòng)力汽車用電池的開發(fā)研制及充電特性和電池管理系統(tǒng)的研究。蓄電池是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),也是提高整車性能和降低成本的重要發(fā)展方向。蓄電池技術(shù)存在以下問題:一是比能量相對不足,因而成本較高,比能量值越高,汽車經(jīng)濟(jì)性越好;二是蓄電池的壽命相對較短。當(dāng)前蓄電池壽命一般為充放電1000次左右,比整車壽命低得多。另

16、夕卜蓄電池的應(yīng)用還涉及充電時(shí)間較長、電池荷電狀態(tài)(SOC)判別等問題,這些都不同程度地影響整車性能。 （5）高效低成本輔助動(dòng)力單元(APU)的研制。適用于混合動(dòng)力系統(tǒng)的原動(dòng)機(jī),高速直噴式汽油機(jī),高速燃?xì)廨啓C(jī),斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等優(yōu)化設(shè)計(jì)和發(fā)電機(jī)、燃料電池的性能改進(jìn)等,都是今后混合動(dòng)力汽車輔助動(dòng)力單元實(shí)用化的重要組成部分。5 混合動(dòng)力汽車的研究方向及發(fā)展趨勢 目前,我國研發(fā)和生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車的廠家數(shù)量有30多家,在現(xiàn)有的生產(chǎn)格局中,主要包括上汽集團(tuán)、一汽集團(tuán)、東風(fēng)集團(tuán)、北汽集團(tuán)、廣汽集團(tuán)、奇瑞汽車、吉利汽車、比亞迪汽車、長城汽車等。通過對國內(nèi)新能源汽車生產(chǎn)廠商的認(rèn)真梳理,不難看出國內(nèi)混合動(dòng)力汽車鏈存在明顯的過于分散、集中度低和縱向整合不足的重大問題。因此對于混合動(dòng)力汽車發(fā)展,我國可以先在整車生產(chǎn)企業(yè)中鼓勵(lì)橫向的并購與重組,形成優(yōu)勢企業(yè)和核心企業(yè);后在橫向一體化的基礎(chǔ)上,以核心企業(yè)為中心,實(shí)現(xiàn)整條產(chǎn)業(yè)鏈的縱向整合。因止