混合动力汽车发展现状及趋势

1混合动力汽车发展现状及趋势摘要在能源和环境危机的双重压力之下，汽车行业渐渐从传统地燃油慢慢向新能源汽车转型。其中混合动力汽车在新能源汽车中占有重要的地位。本文主要对混合动力汽车发展的必然性，及其我国在发展中存在的一系列问题进行了分析。指出了混合动力汽车的优缺点，并为其在未来的发展中提出了展望。关键词：混合动力汽车，存在问题，研究前景引言随着全球经济的发展,汽车保有量逐年增加,汽车尾气对空气的污染也日益加重,这对石油资源和生态环境带来极大的挑战。因此汽车行业不得不从传统的耗能模式到节能环保的耗能模式进行转型。近年来，以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为代表的新能源汽车取得了重大的进展。但是由于现阶段作为纯电动汽车和燃料电池汽车的关键部件之一的电池存在能量密度低、寿命较短、价格较高和电池本身的污染等问题,使得电动汽车的发展进度和产业化受到的比较严重的限制。其性价比也无法与传统的内燃机汽车相抗衡。此时混合动力汽车就很好的弥补了电动汽车的缺点。所谓混合动力就是将电动机和辅助动力单元组合作为驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发机或动力发电机组。这样既利用了发动机持续工作时间长,动力性好的优点,又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。在现阶段，混合动力有很好的发展前景。1.国内外发展现状1.1国外发展现状20世纪90年代以来,世界许多著名汽车生产厂商已将研究的重点转向了可实施性较强的混合动力电动汽车,目前世界上生产、研发HEV的国家主要有日本、美国和欧洲汽车强国。其中日本的实力最雄厚。丰田公司1997年8月推出其第一款混合动力汽车ToyotaCoasterHybridEVminibus,同年12月,推出ToyotaPrius(普锐斯)这是世界第一款大量生产的混合动力汽车。自第一代Prius开始销售以来,截止到中Prius标准型每升汽油可行驶35.5公里。到2010年7月31日,累计销量已超过268万辆。目前市场上正热销的两款车型分别为丰田Prius和本田Insight。在2010年4月份举办的北京车展上,共有8款日系混合动力汽车展出,其中丰田第三代普锐斯性能最2优越,本田Insight被认为同级中最省油,本田CR-Z具有运动风格受到人们的关注。日本国内对混合动力汽车产业有长期的发展规划,政府大力扶持产业技术发展,出台一系列税收优惠政策及奖励措施,促进混合动力汽车销售,拉动内需;规划长远发展战略。美国三大汽车公司原来只是小批量生产、销售过电动汽车,而混合动力和燃料电池电动汽车还未能实现产业化,日本的混合动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。美国能源部与三大汽车公司于1993年签订了混合动力电动汽车开发合同,并于1998年在北美国际汽车展上出了样车。2005年9月通用汽车、戴姆勒·克莱斯勒与宝马集团签署了关于构建全球合作联盟,以共同开发混合动力推进系统的合作。2009年美国混合动力汽车销量达到29.032万辆虽然占美国汽车市场份额只有2.8%,但从2005年起呈逐年上升趋势预计,美国的混合动力汽车2013年将达到87.2万辆,市场占有率将达到5%。1.2国内发展现状目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得了一定进展。形成了具有完全自主知识产权的动力系统技术平台，建立了混合动力汽车技术开发体系。混合动力汽车的核心是电池（包括电池管理系统）技术。除此之外，还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。掌握了电动汽车整车开发关键技术，形成了各类电动汽车的开发能力。我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现节油10%-40%。同时，各汽车企业对混合动力汽车的研发和产业化投入显著增强，产业化步伐不断加快。目前，国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视，一汽、东风、上汽、长安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力，混合动力车型已完成样车开发，并有部分车型已经实现小批量上市。32.混合动力汽车组成及分类目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构型式,根据其驱动系统的配置和组合方式不同,可分为串联式、并联式和混联式3种型式,根据不同能量分类，可分为微混合、轻混合、全混合和插电式混合。根据运行模式的不同可分为单一模式和双模式混合。2.1混合动力汽车的组成混合动力汽车主要由三个部分组成，分别为发动机模块，电动机模块和电池模块。每个部分都在动力中起到相当重要的作用。1.发动机混合动力汽车可以广发地采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。一般转子发动机和燃气轮机的燃烧效率比较高，排放也比较洁净，采用不同的发动机就可以组成不同的混合动力汽车。2.电动机混合动力汽车可以采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。随着混合动力汽车的发展，直流电动机已经很少采用，多数采用了感应电动机和永磁电动机，开关磁阻电动机应用也得到重视，还可以采用特种电动机为混合动力汽车的驱动电动机，采用不同的电动机就可以组成不同的混合动力汽车。3.电池混合动力汽车可以采用不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等作为“电池”，一般电池是作为混合动力汽车的辅助能源，只有在混合动力汽车用电动机启动发动机或电动机辅助驱动时才使用。2.2混合动力汽车的分类混合动力汽车有很多种分类，根据驱动、能量、运行的模式均可以分成不同的类别，这些类别有交叉和重叠的地方，但也有其独特之处。2.2.1根据驱动方式分类根据驱动方式的不同，混合汽车可以分为串联式、并联式和混联式。主要是在于发动机和电动机的连接方式不同。1.串联式混合动力驱动系统4图1串联式混合动力驱动系统如图1所示，串联式混合动力驱动系统由发动机、电池组、发电机、电动机、控制装置和汽车传动系等组成。发动机带动发电机发出的电能可直接输送到电动机;也可在当蓄电池的荷电状态降到一定范围时对蓄电池充电。电动机从发电机或电池组获得能量,从而产生驱动力矩驱动汽车和提供其它设备所需功率。串联式混合动力驱动系统的优缺点当发动机与驱动轮脱开联系时，发动机是全机械构件，因此，它能运行在其转速-转矩特性图上的任何运行工作点，且可能完全运行在其最大效率区。因电动机具有近乎理想的转矩．转速特性，它不需要多档的传动装置,因此,其结构大为简化,且成本下降。此外，取代一个电动机和一个差速箱的应用，可采用两个电动机分别带动一个车轮的结构。这就如同差速器，既形成两个车轮之间的转速解耦，而且起到用于牵引控制的限制滑移的差速器作用。因为由电传动系所提供的机械上的解耦，可引用简单的控制策略实现控制。然而，串联式混合动力电驱动系有以下某些缺点：源于发动机的能量被两次转换（在发电机中，由机械能转变为电能；在牵引电动机中，由电能转变为机械能），发电机和牵引电动机两者的低效率相加，且损耗是显著的。发电机附加了额外的重量和成本。因为牵引电动机是唯一的驱动车辆的动力机械，故其必须按满足最大的运行性能需求定制。2.并联式混合动力驱动系统图2并联式混合动力驱动系统5并联式混合动力驱动系统主要由发动机、电机)发电机两大动力总成组成,其功率可以互相叠加。当电动机只是作为辅助驱动系统时,功率可以比较小。与串联式结构相比,发动机通过机械传动机构直接驱动汽车,其能量的利用率相对较高,这使得并联式燃油经济性比串联式的高。并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响,因此不适于汽车行驶工况变化较多、较大;相于串联结构式,需要变速装置和动力复合装置,传动机构较为复杂。并联式驱动系统的示意图如图2。并联式混合动力驱动系统的优缺点由于发动机保持了与机械驱动系统的机械连接，与串联驱动系统相比，并联式驱动系统发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，没有SHEV在热能一电能一机械能的转换过程中能量损耗。其能量的利用率相对较高，这使得并联式的燃油经济性一般比串联的要高；发动机与驱动电机两个动力总成的功率可以互相叠加起来满足汽车行驶的最大功率需求，系统可采用较小功率的发动机与电动机，电池总容量可以比SHEV小，使得整车动力总成尺寸小，质量也较轻；以发动机驱动模式为主要驱动模式，其动力特性更加趋近于内燃机汽车；可利用现有技术，通用性好。与串联式相对比，并联式混合动力驱动系统具有如下缺点。发动机与驱动系统之间的机械连接，使得发动机的运行工况要受到汽车行驶工况的响，当汽车行驶工况复杂时，发动机可能较多地在不良工况下运行，因此，并联驱动的排放比串联驱动的要差；PHEV增加了变速装置及动力复合装置，使机械传动装置变复杂，增加了整车布置的难度；内燃机工作范围大，效率较低，环境污染较大，噪声大；PHEV的发动机与电力驱动系统两套系统协调工作需要较为复杂的控制系统。3.混联式混合动力驱动系统图3混联式混合动力驱动系统混联式混合动力驱动系统是串联式与并联式的综合,其结构示意图如图3所示。其驱动系统是最后发动机与电动机以机械能叠加的方式驱动汽车,但驱动电动机的发电机串联于发6动机。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池,电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是:在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。混联式HEV充分发挥了串联式和并联式的优点,以达到热效率更高、排气污染最低的效果。与并联式相比,混联式的动力复合形式更复杂,因此对动力复合装置的要求更高。2.2.2按照能量模式分类按照两种不同的能量的搭配比例不同，混合动力车辆则有四种类型，分别为微混合动力、轻混合动力、全混合动力和插电式混合。1.微混合在微混合动力系统中，电机仅作为内燃机的启动机/发电机使用。现在通常使用的启动机/发电机系统是指在传统内燃机的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternatorStarterGenerator，简称BSG系统）。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。2.轻混合与微混合相比，驱动车辆的两种动力源中，依靠电池-电机功率的比例增大，内燃机功率的比例相对减少。通常，此种混合动力系统采用集成启动电机（也就是常说的IntegratedStarterGenerator，简称ISG系统），车辆还是以发动机为主要动力来源，助动电机被安装在发动机和变速器之间，作为辅助动力来源与主要动力相联。当行驶中需要更大驱动力时，它被用作电动机。当需要重新启动熄火的发动机时，它被用作为一个起动机。其能够实现：在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；在行驶过程中，发动机等速运转，发动机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调节。3.全混合全混合动力系统是指既可以使用汽油引擎或电动机单独驱动车辆也可以同时使用两种动力的汽车。它们普遍采用大容量电池以供给电动机做纯电动模式运行，同时还具有动力切换装置用以发动机、电动机各自动力的耦合和分离。在起步、倒车、缓加速（如频繁起步―停车）、低速行驶等情况下，车辆可以纯电动模式行驶；急加速时，电机和内燃机一起驱动车辆，并具有制动能量回收的能力。与