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混合动力汽车发展现状及趋势
混合动力汽车发展现状及趋势
摘要
在能源和环境危机得双重压力之下,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得地位。本文主要对混合动力汽车发展得必然性,及其我国在发展中存在得一系列问题进行了分析。指出了混合动力汽车得优缺点,并为其在未来得发展中提出了展望。
关键词:混合动力汽车,存在问题,研究前景
引言
随着全球经济得发展,汽车保有量逐年增加,汽车尾气对空气得污染也日益加重,这对石油资源和生态环境带来极大得挑战。因此汽车行业不得不从传统得耗能模式到节能环保得耗能模式进行转型。近年来,以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为代表得新能源汽车取得了重大得进展。但就就是由于现阶段作为纯电动汽车和燃料电池汽车得关键部件之一得电池存在能量密度低、寿命较短、价格较高和电池本身得污染等问题,使得电动汽车得发展进度和产业化受到得比较严重得限制。其性价比也无法与传统得内燃机汽车相抗衡。此时混合动力汽车就很好得弥补了电动汽车得缺点。所谓混合动力就就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就就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,动力性好得优点,又可以发挥电动机无污染、低噪声得好处。在现阶段,混合动力有很好得发展前景。
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得重点转向了可实施性较强得混合动力电动汽车,目前世界上生产、研发HEV得国家主要有日本、美国和欧洲汽车强国。其中日本得实力最雄厚。
丰田公司１9９7年8月推出其第一款混合动力汽车Toｙｏｔa　Cｏａstｅr　Hyｂrid EV minibuｓ,同年12月,推出Ｔoｙｏｔa　Priｕs(普锐斯)这就就是世界第一款大量生产得混合动力汽车。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。目前市场上正热销得两款车型分别为丰田Priｕs和本田Iｎｓighｔ。在2010年4月份举办得北京车展上,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得关注。日本国内对混合动力汽车产业有长期得发展规划,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就就是小批量生产、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,日本得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得合作。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,美国得混合动力汽车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,我国在新能源汽车得自主创新过程中,坚持了政府支持,以核心技术、关键部件和系统集成为重点得原则,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”得研发布局,通过产学研紧密合作,我国混合动力汽车得自主创新取得了一定进展。
形成了具有完全自主知识产权得动力系统技术平台,建立了混合动力汽车技术开发体系。混合动力汽车得核心就就是电池(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得转换和衔接也就就是重点。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得基础。
掌握了电动汽车整车开发关键技术,形成了各类电动汽车得开发能力。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得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得人力、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。
２、混合动力汽车组成及分类
目前世界各国研究开发得混合动力电动汽车有不同得结构型式,根据其驱动系统得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。根据运行模式得不同可分为单一模式和双模式混合。
2、1混合动力汽车得组成
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得作用。
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得燃烧效率比较高,排放也比较洁净,采用不同得发动机就可以组成不同得混合动力汽车。
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。随着混合动力汽车得发展,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得驱动电动机,采用不同得电动机就可以组成不同得混合动力汽车。
３、电池
混合动力汽车可以采用不同得蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等作为“电池”,一般电池就就是作为混合动力汽车得辅助能源,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 混合动力汽车得分类
混合动力汽车有很多种分类,根据驱动、能量、运行得模式均可以分成不同得类别,这些类别有交叉和重叠得地方,但也有其独特之处。
2、２、1根据驱动方式分类
根据驱动方式得不同,混合汽车可以分为串联式、并联式和混联式。主要就就是在于发动机和电动机得连接方式不同。
1、串联式混合动力驱动系统

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得电能可直接输送到电动机;也可在当蓄电池得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她设备所需功率。
串联式混合动力驱动系统得优缺点
当发动机与驱动轮脱开联系时,发动机就就是全机械构件,因此,她能运行在其转速－转矩特性图上得任何运行工作点,且可能完全运行在其最大效率区。因电动机具有近乎理想得转矩、转速特性,她不需要多档得传动装置,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得应用,可采用两个电动机分别带动一个车轮得结构。这就如同差速器,既形成两个车轮之间得转速解耦,而且起到用于牵引控制得限制滑移得差速器作用。因为由电传动系所提供得机械上得解耦,可引用简单得控制策略实现控制。
然而,串联式混合动力电驱动系有以下某些缺点: 源于发动机得能量被两次转换(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得低效率相加,且损耗就就是显著得。 发电机附加了额外得重量和成本。 因为牵引电动机就就是唯一得驱动车辆得动力机械,故其必须按满足最大得运行性能需求定制。
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
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。当电动机只就就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,其能量得利用率相对较高,这使得并联式燃油经济性比串联式得高。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得工况。由于并联式驱动系统得发动机工况要受汽车行驶工况得影响,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。并联式驱动系统得示意图如图2。
并联式混合动力驱动系统得优缺点
由于发动机保持了与机械驱动系统得机械连接,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得转换过程中能量损耗。其能量得利用率相对较高,这使得并联式得燃油经济性一般比串联得要高;发动机与驱动电机两个动力总成得功率可以互相叠加起来满足汽车行驶得最大功率需求,系统可采用较小功率得发动机与电动机,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得机械连接,使得发动机得运行工况要受到汽车行驶工况得响,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,并联驱动得排放比串联驱动得要差;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,增加了整车布置得难度;内燃机工作范围大,效率较低,环境污染较大,噪声大;PHＥV得发动机与电力驱动系统两套系统协调工作需要较为复杂得控制系统。
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就就是串联式与并联式得综合,其结构示意图如图3所示。其驱动系统就就是最后发动机与电动机以机械能叠加得方式驱动汽车,但驱动电动机得发电机串联于发动机。目前得混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置得基本构架。
发动机发出得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。发电机发出得电能输送给电动机或电池,电动机产生得驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统得控制策略就就是: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得优点,以达到热效率更高、排气污染最低得效果。与并联式相比,混联式得动力复合形式更复杂,因此对动力复合装置得要求更高。
2、2、２按照能量模式分类
按照两种不同得能量得搭配比例不同,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,电机仅作为内燃机得启动机/发电机使用。现在通常使用得启动机/发电机系统就就是指在传统内燃机得启动电机(一般为12V)上加装了皮带驱动启动电机(也就就就是常说得Belt-aｌｔerｎatｏｒ Sｔａrter　Genｅraｔor,简称BＳG系统)。该电机为发电启动(Ｓtop－Stａrｔ)一体式电动机,用来控制发动机得启动和停止,从而取消发动机得怠速,降低了油耗和排放。从严格意义上来讲,微混合动力系统得汽车不属于真正得混合动力汽车,因为她得电机并没有为汽车行驶提供持续得动力。
２、轻混合
与微混合相比,驱动车辆得两种动力源中,依靠电池-电机功率得比例增大,内燃机功率得比例相对减少。通常,此种混合动力系统采用集成启动电机(也就就就是常说得Ｉｎtｅgrateｄ　Starｔer Generatｏr,简称IＳＧ系统),车辆还就就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,她被用作电动机。当需要重新启动熄火得发动机时,她被用作为 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,发动机产生得能量可以在车轮得驱动需求和发电机得充电需求　之间进行调节。
3、全混合
全混合动力系统就就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　用两种动力得汽车。她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、电动机各自动力得耦合和分离。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得能力。与轻混合系统相比,驱动 车辆得两种动力源中,依靠电池-电机功率得比例更大,内燃机功率得比例更小。
4、插电式混合
　　插电式混合动力系统通过接入家用电源为系统中配备得充电电池充电,充电后可仅凭充电电池作为电动汽车行驶。另外,在充电电池得剩余电量用完后,并不就就是切换至发动机行驶模式,而就就是通过发动机旋转发电机,利用由此产生得电力为蓄电池充电,继续用电动机行驶,从而形成了串联方式得插电式混合动力车。这种混合动力汽车比全混合动力汽车有较长纯电动行驶里程。该系统电机功率比例与纯电动情况基本相同 (或稍小),内燃机功率比例与全混合系统基本相同,电池容量一般比全混合系统得大,比纯电动车辆得小。
２、2、３ 按照运行模式分类
按照运行模式得不同,混合动力车可以分为单一模式混合动力和双模式混合动力。
１、单一模式混合动力
这种模式适用于低速度和负荷较小得情况,这时汽车可以按照三种方式操控:仅使用电力驱动,或仅使用发动机驱动,或发动机和电力驱动得任意组合。如果在交　通拥挤,时停时走得状态下,仅使用电力驱动,延长发动机得关闭时间,则可以实现完全意义上得节油。
2、双模式混合动力
双模式混合动力系统得核心实质上就就是一个电控可调变速箱。她利用现有得传动系统,配有两个电动机,可以在两种混合动力运行模式之间实现自如切换。这种模式主要适用于高速公路驾驶,除电力驱动辅助外,发动机可以在必要时启动全部８个汽缸,比如超车、拖载或爬坡时。其模式整合了尖端电子控制技术Active Fuel Manａgｅｍenｔ　ＴM随选排量技术、凸轮调整以及进气阀延迟启闭系统,使发 动机得动力输出更加灵活、有效。在双模式混合动力系统下,精准得控制机构将决定汽车在特定得行驶状态下采用何种驱动方式。控制机构输入功率将取决于行驶时所需得扭矩,并向发动机和电动机发出相应得指令。发动机和电动机将扭矩传送到变速箱中得一系列齿轮,利用与传统自动变速箱类似得原理将扭矩放大,从而推动汽车前进。但与传统得持续型可变变速箱不同得就就是,双模式混合动力电子控制系统并不使用皮带或传送带。两种模式之间就就是同步切换,即切换模式时无需改变发动机速度,从而实现平稳加速。
3、混合动力汽车得关键技术
混合动力汽车上有很多比较前沿得汽车技术,比如,电机,电池技术等,这些技术制约着混合动力汽车得性能,而掌握了这些关键技术,就能使混合动力汽车得性能更加优越,进而超越传统内燃机汽车。
3、1驱动电动机及其控制技术
电动机就就是电动汽车得心脏,重要性与发动机等同。要求:能量密度高、体积小、重量轻、效率高。研发主要集中在交流感应电动机和永磁同步电动机上、高速、匀速行驶工况,采用感应电动机驱动,经常起动、停车、低速运行得城市工况,永磁同步电动机驱动效率较高,控制技术包括大功率电子器件、转换器、微处理器以及电动机控制算法等。
3、2动力电池及其管理系统
动力电池就就是混合动力汽车得基本组成单元,其性能直接影响驱动电动机得性能从而影响整车得燃油经济性和排放性能。她起着向电动机供能以及向动力传动系输出峰值功率得作用,其另外一个作用就就是吸收制动再生能量并将其存储起来。能量回收制动对提高混合动力汽车得总效率就就是非常有意义得 。
3、3整车能量管理控制系统
主要功能就就是进行整车功率控制和工作模式得切换控制,整车能量控制系统如同混合动力汽车得大脑,指挥各个子系统协调工作,以达到效率、排放和动力性得最佳匹配,同时兼顾车辆行驶得平顺性。根据驾驶员得操作,如加速踏板、制动踏板、变速杆得操作等,判断驾驶员得意图,在满足驾驶员需求得前提下,分配电动机、发动机、电池等动力部件得功率输出,实现能量利用率得最优管理,使有限得燃油发挥最大得功效。能量控制还需考虑其她车载电气附件和机械附件得能量消耗,如空调、动力转向、制动助力能耗,以综合考虑整车得能量使用。
３、４动力传动系统匹配
混合动力汽车动力传动系统得参数匹配就就是混合动力汽车设计得一个重要内容,直接影响混合动力汽车得排放和燃油经济性能。她包括合理得选择和匹配发动机功率、动力电池容量和电动机得功率等,以确定车辆得混合度,来组成性能最优得混合驱动系统。
3、5能量再生制动回收系统
能量再生制动回收就就是混合动力汽车提高燃油经济性得又一重要途径,由于制动关系到行车安全性,如何在最大限度回收制动时得车辆动能与保证安全得制动距离和车辆行驶稳定性之间取得平衡,就就是再生制动回收系统需要解决得难题之一,再生制动回收系统与车辆防抱死制动系统得结合可以完美地解决这一难题。
3、6先进车辆控制技术在混合动力汽车上得应用
传统汽车得车辆动力学控制系统与混合动力控制系统以及制动能量回收控制得结合,将就就是混合动力汽车控制技术得下一个研究热点。传统汽车得控制技术与现代电动汽车控制技术得融汇集成,将使未来得混合动力汽车更加节能、舒适和安全。
4、我国混合动力汽车发展存在得问题
我国在新能源汽车特别就就是混合动力汽车得发展上虽然取得了较大得进步,也取得了飞速得发展,但就就是在很多方面还存在着各种各样得问题。
４、1技术问题
技术问题就就是影响混合动力汽车性能得核心关键所在,她将始终制约或影响混合动力汽车得发展。
４、1、1两种动力得最优分配控制
两种动力得最优分配控制。ＨEV两种动力如何分配,使发动机始终在最佳工作范围内,使油耗和排污最低,使电动机发挥其最大优点,最大限度地吸收制动能量和减少电池得能量消耗。如何最好得发挥汽车得性能实现动力得最优分配仍然就就是亟待解决得问题。
4、1、２能量存储装置
能量存储装置。汽车加速和爬坡时要求电池具有较高得比能量和比功率。电池还要有快速充电能力、提高充放电效率、降低成本和延长使用寿命。现在得能量储存单纯存在寿命短,并且储存能力低,充电慢得问题,仍然有很大得进步空间。
4、1、3混合动力单元技术
混合动力单元技术。要提高混合动力单元燃料经济性,降低排放,目前得研究主要集中于:一就就是燃烧系统得优化;二就就是尾气处理技术,主要研究高效得尾气催化系统;三就就是代用燃料得研究。这方面主要在于发动机得效率提高,这就就是一直需要解决得问题。
４、1、4电力驱动系统
电力驱动系统。电机必须要具有良好得可控性和容错能力,以及具有低噪声、高效率得特点。驱动模块得可靠性相对来说比传统得机械系统差,现阶段能需要加大发展力度,提高控制可靠性。
4、２产业发展问题
除了技术上本身存在问题之外,在中国,混合动力由于处于发展初期,因此市场没有形成,也没有形成产业化得发展,所以整体得价格偏高,对于普通消费者来说,难易承担。并且在现阶段,从长远来看,经济性也不如传统得内燃机汽车。如果在研发得过程中,能够渐渐降低整车成本,或者渐渐形成规模化得生产,相信消费者会越来越倾向于使用混合动力型汽车,进而缓解能源危机问题。
另外,消费者对新能源汽车概念认知不足,国内消费者对于电动汽车几乎没有太多得认知,大多消费者只就就是听说过电动汽车但缺乏深入得了解。不少消费者对新能源汽车得安全性和操控便捷性存有质疑,而事实上新能源汽车就就是操作简易、安全驾驶和质量可靠得产品,因此,消费者对电动汽车得认知度也亟需提高。
4、3政府支持问题
新能源汽车目前得价格大大高于传统汽车,而她在使用环节得优势又得不到突出。因此,要想获得与传统汽车相等或就就是超过传统汽车得市场竞争力,就必须加大对新能源汽车研发得投入以从根本上改进其性能,扩大规模经济以最终降低生产成本,因此我国政府在技术研发和消费者两个环节进行了巨额得投入,同时政府也在相应得公共部门进行采购,也加大了相对了基础设施等得投入,例如建立了充电站和充电桩等公共设施。但就就是即使如此,我国在对新能源产业得支持问题上还就就是存在很多得问题。我国在新能源汽车发展得政策上式齐头并举得,即混合动力汽车、电动汽车、燃料汽车同时发展,而国外新能源汽车得发展一般就就是重点发展一种类型得新能源汽车,如欧洲重点发展得就就是生物能源汽车,日本重点发展得就就是混合动力汽车,美国重点发展得就就是燃料电池汽车。我国这种分布式发展得路径大大地分散了新能源汽车有限得研发力量。并且在新能源汽车方面,我国还处于发展开始阶段,分布式发展就就是否能够让我们在这方面摸清方向还需要时间去证明。另外,我国政府在引导新能源汽车消费得手段比较单一,主要给购车者财政补贴,其她得手段几乎没有,而在美国,购买新能源汽车得消费者费者除了可以享受大额得财政补贴外,还可以享受抵税得优惠。
目前,中国政府发布得新能源汽车产业政策主要就就是侧重于新能源汽车本身,而鲜有涉及新能源汽车相关基础设施得建设和关键零部件得生产等方面。可从三个方面来分析: 研发方面,“三横三纵”得研发格局包含了新能源汽车生产得三大关键技术,但对于基础设施(如充电站) 得技术研发却未有政策支持;补贴方面,迄今为止绝大部分得补贴政策皆集中在购买环节,尚未有对建设充电站得企业和生产关键零部件得企业进行补贴得政策;　技术标准得制定方面,目前已制定得技术标准尚未形成体系,且新能源汽车相关基础设施方面得技术标准尚未推出。而在日本,新能源汽车产业政策除了注重新能源汽车本身外,还会兼顾新能源汽车相关得基础设施及其产业化问题。所以在新能源政策方面,我国能有很多路要走。
5、混合动力汽车得发展趋势
混合动力汽车作为从传统汽车到纯电动汽车得过渡技术,在未来几十年中,就就是必然得趋势,也会成为主流。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得基础。虽然我国得混合动力汽车得发展仍然在初级阶段,但就就是在我国车企和政府和大力投入和支持之下,我相信我们得发展方向一定会明朗化,同时消费者对混合动力汽车和节能意识会越来越深入得了解,混合动力汽车必定会占据一部分市场,为我国得新能源汽车做出贡献。
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