兰大耀.doc.deflate.doc

混合动力汽车技术现状与发展前景分析

兰大耀

摘 要:社会对环境和节能的重视有力地促进了混合动力车辆的发展。本文分析
了国内外混合动力汽车的研究现状，介绍了混合动力汽车的主要结构形式与工作特点，指出了混合动汽车目前需要解决的主要问题和采用的关键技术，并对其发展前景进行了预测。
关键词:混合动力 汽车 内燃机 电动机 控制

引言
随着全球汽车工业的迅猛发展，石油资源供应的日趋紧张， 世界各国积极寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量，大力开发新型节能环保汽车。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的关注。

1.混合动力的前景
谈到节能环保的汽车新能源的发展，在中国还往往停留在电动汽车的探索上。的确，全球汽车界在电动车上没有少下功夫，但是到头来都是走进死胡同。在新世纪，汽车发展的技术路线趋于理智而统一：近期从油电混合动力下手大幅度降低油耗和排放；长远靠资源极为丰富，且完全没有污染的氢动力燃料电池重新定义汽车。

　　在全球汽车业低迷的大势下，丰田堪称是“一枝独秀”。2003年丰田的纯利润101亿美元，远远高过美国三大汽车公司的利润总和。丰田成功的因素很多，其中之一就是新技术的开发和应用。丰田率先商品化的混合动力车“普锐斯”今年上半年在美国销售了21783辆，增幅为120%。客户要等上6个月甚至加价才能拿到车。“普锐斯”因此被称为丰田在美国市场的“挣钱机器”，让同行看着流口水。在全球，“普锐斯”已经卖出22万辆。

　　五年前，采访底特律车展，日本丰田汽车公司社长张富士夫被询问今后十年全球汽车业竞争的决定因素是什么，张社长的回答斩钉截铁：是环保技术。今后，哪个公司握有先进的能源和环保技术，就能立于不败之地。

　　“普锐斯”同时装有汽油发动机和电动机两套系统。启动、加速和上坡时两套系统同时出力；刹车时能量逆向存入蓄电池；平稳行驶时，由蓄电池驱使电动机单独出力，不再烧油。算总账，混合动力车可以节省一半汽油，尾气污染自然也减少一半。

　　混合动力车当时的市价210万日元(人民币16万元)，比同级车贵40万日元。但是政府对私人购车补贴25万日元，车主多花的钱一年多就能在节省的汽油费中赚回来。尤其让消费者感到方便的是混合动力车只需到平常的加油站加油，不用改变汽车的使用习惯；政府和企业推广这种产品也无须投资新建充电装置或加气站。

　　日本丰田、美国通用、德国奔驰等具备强大技术优势的汽车企业，对于全球汽车业最大课题――能源与环境的对策在近年来殊途同归：近期，努力完善混合动力车；长远，迈出氢动力燃料电池车从概念车向商品化的步伐。电动车的研制生产因造价高，充电后行驶距离短的死结而已经放弃。有消息说，美国和日本的汽车企业已经开始了在混合动力车市场的竞争，预计三五年后整个市场将达到100万辆级的规模。

　　中国汽车界和科技界曾对电动车的开发情有独钟，主要出于如下考虑：传统汽车中国比发达国家晚了几十年；而电动车全世界还没有大突破，现在开始研究，与发达国家站在同一起跑线上，完全可能后来者居上。但是这种“抄近道儿”的傻聪明终于随着美国日本汽车业宣布放弃电动车的研发而走进死胡同。

　　应该说，中国汽车业的发展思路应该转移到务实而量力而行的方向了。氢动力燃料电池车，是一项必须关注的前沿技术，但仅仅是“关注”即可。而混合动力车的研发倒应该是当务之急。一是混合动力车并非什么远在天边的高科技，又有成熟的商品化车型可借鉴。二是混合动力车特别适合中国大城市交通普遍拥堵，汽车频繁制动的国情，节能治污的效果可以发挥到极致。

　　其实，如果中国的油价继续攀升或实行燃油税，道路拥堵又难以根本改善，市场的混合动力车的需求就会非常迫切。合资生产或者进口混合动力车，估计很快就会被精明的生产商或经销商提到议事日程。混合动力车将是中国车市的新商机。
2.机电传动问题
另一个重要的问题是纵置发动机和后置电动机的传动链安装位置问题。可以看到丰田GS型混合动力轿车的结构类似于早期的普锐斯 RX型轿车。工程师们对各个混合动力的方案都进行了研究和试验，使它们更容易，更紧凑，传递功率更有力。例如他们称之为逆变器和变频器（Inverter-Converter）的部件，是一种控制蓄电池、发电机和电动机的能量传递部件，体积只有原来的63％，重量只有原来的43％。它们的体积只相当于一个12V的汽车蓄电池。电动机和发电机以及两个行星齿轮变速机构的总重量只有127kg，并构成了一个完整的整体。电动机的体积也大大地减小了，但功率却提高了20％。

对于丰田公司来讲，柴油混合动力似乎也不成问题，而对于德国的汽车生产厂来讲，内燃机与电动机却不能匹配使用。抛开发动机的配置方案不谈，虽然这在制动能源回收或者在车辆没有行驶时关闭发动机等方面都是有意义的方案，但是从成本核算的角度看，柴油发动机与电动机的组合方案则是两个弊端的叠加。

3. PSA集团的柴油混合动力
日前，欧洲一份市场研究报告指出，虽然以丰田普锐斯为代表的汽油-电力混合动力车在美国正日益受到消费者欢迎，但是在欧洲，由于同样节油，更加廉价的柴油车却非常普及，因此像普锐斯这样的汽油-电力混合动力车市场前景黯淡。
柴油车和混合动力车之争一直是业界的焦点，不过目前来看，在欧洲，柴油车取得了压倒性的胜利，目前欧洲乘用车中柴油车的比例已经达到了50%，而混合动力车在欧洲的销量却微乎其微。现在，欧洲的汽车厂家开始另一种探索，他们开始考虑“柴油-电力”混合动力车的开发。

PSA集团他们正在努力降低这种车的制造成本，其目标是柴油-电力混合动力车与普通柴油车的成本差幅，与普通柴油车和汽油车的成本差幅一样，PSA集团相信2010年可以达到这一目标。

2006年年初，PSA集团推出基于“柴油-电力”混合动力的两款展示车型——标致307和雪铁龙C4。这两款车的优良性能代表着在节省燃料和降低CO2排放方面的尖端科技水平。这种混合动力车的平均柴油油耗为3.4L/100km，CO2的排放量为90g/km，这是此类占据欧洲市场主流的中级车所获得的最高水平。
混合动力系统由最大输出功率为66kW的1.6L“HDi”柴油发动机、DPF（柴油颗粒过滤器）、起动器兼交流发电机、最新一代停车起步装置、DC无刷马达、逆变器及镍氢充电电池构成。该系统配套使用6速手自一体变速箱。
混合动力系统采用以发动机为主动力、利用马达进行辅助的并联驱动方式。当车速降到60km/h以下时，停车起步装置就会停止发动机工作。马达可通过减速时回收能量来向电池蓄电，当车速在50km/h以下时仅凭马达行驶。在加速及电池没电时，便会自动切换至发动机驱动。为了停止发动机工作后仍可凭借马达行驶，在发动机与马达之间采用了干式离合器。
PSA中国表示，这是其第一次研发柴油混合动力车。这类柴油混合动力车预计将在2010年最先开始在欧洲销售，而进入中国还没有时间表。这款柴油混合动力车将大大地节省石油的消费，为降低温室气体的排放做出巨大的贡献。无论柴油混合动力的研发是否真正有意义，但有一点不可否认：PSA集团研发的柴油混合动力试验车雪铁龙C4和标致307的驱动部件还远远没有能够协调一致地工作，仍达不到丰田普锐斯或雷克萨斯GS 450h的水平。　　
4. 国内外HEV技术发展现状
　4.1 国外HEV的发展概况 21世纪后，各国加快了HEV的概念产品化的进程，相继推出了不同形式的HEV产品。丰田的Prius，本田的Insight，通用的Precept，福特的Prodigy，戴姆勒克莱斯勒的ESx3， 日产的Tino等都是具有代表性的车型，其中Prius和Insight己是成熟的产品，截止2008年12月，丰田Prius全球销量已经超过了100万辆。
　　4.2 我国HEV的研发现状 我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，有关工作开始于上个世纪90年代。在“十五”期间，科技部组织北京理工大学、清华大学、东风汽车公司等国内多家企业、高校和科研机构进行联合攻关，确定了以燃料电池汽车(FCEV)、混合动力电动汽车(HEV)纯电动汽车(BEV)车型为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统三种共性技术为“三横”的“三纵三横”的研发布局;之后，节能与新能源汽车的研发又被列入“十一五”863计划重大项目。
5. 混合动力系统的构成及工作特点
混合动力驱动系统联合使用两种动力装置，一种是传统的内燃发动机，另一种是电动机。整个系统由发动机、电动机、动力分配装置、发电机、蓄电池和电流逆变器等部分构成。
通常，混合动力系统的动力传递方式有三种:串联式、并联式和混联式。各自的结构形式和特点如下。
5.1 串联式混合动力系统 在串联混合动力驱动(SHEV)系统中，所有发动机机械能都转换为电能以驱动电动机。这种系统使发动机在效率最高的转速范围内工作，因此能最大限度地改善燃油经济性和减少排放。
5.2 并联式混合动力系统 并联式(PHEV)结构有内燃机和电动机两套驱动系统(见图2)。发动机与电动机并联，两者都可以驱动车轮，电动机还可以作为发电机给电池充电，不再需要额外的发电机。在车辆行驶时，系统以发动机为主要动力源，在车辆起步或加速时则使电动机工作，作为辅助驱动力。当发动机效率低的低负荷工况时，则电动机功能转变为发电机功能，向蓄电池充电。其次，在车辆制动或下坡减速行驶时，则通过制动能量回收系统进行制动能量回收。
5.3 混联式混合动力系统 混联式混合动力驱动系统(PSHEV)是串联式与并联式的综合，其结构如图3所示。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。
6. 混合动力汽车需要解决的问题和关键技术
　　目前，混合动力汽车所需要解决的问题包括以下几个方面:其一，进行动力分配装置和能量管理系统的研究。其二，开发具备高比能量和高比功率经济实用的电池。其三，混合动力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。其四，建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态和动态的)，进行计算机仿真分析。
具体来讲要进行下面几项关键技术的研究:
6.1 混合动力单元技术
在混合动力汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元。为提高燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多的要求，例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的研究主要集中于:一是燃烧系统的优化;二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统;三是代用燃料的研究。
　6.2 控制策略技术 HEV产品开发中最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化其控制策略，国外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。控制系统的开发首先是根据采集到的速度和负荷等数据，计算出对应的要求输出功率: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的最优功率分配比;然后，根据功率分配比，求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，驱动执行器完成这两个层次的工作控制。在执行器设计中，功率分配装置的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。
6.3 能量存储技术 在电动汽车上，蓄电池的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的使用要求，但仍有价格高或寿命不长等缺陷。从发展看，能量储存装置的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的改进，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。三是电池的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的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。
　7.发展前景分析
从目前的发展来看，以计算机技术和自动控制技术，各种智能控制系统包括自适应控制技术、模糊控制技术(Fuzzy)、专家控制系统(Expert System)、神经网络控制系统(Neural Networks)等在混合动力汽车上的逐渐应用，将进一步促进混合动力汽车的发展。与传统型汽车相比，混合动力汽车充分吸取了电力/热力系统中最大的优势，在节能和排放上胜出一筹;与纯电动汽车相比，HEV的电压和功率等级与电动车类似，但蓄电池容量大大减小，因而其造价成本低于电动汽车。
　　当前HEV所面临的主要技术问题还很多。尽管从长远来看只是一种过渡车型，但HEV在近20-30年内会很有发展前景，这一点是毫无疑问的。汽车行业专家预言，不久的将来，新生产的汽车中HEV将占40%以上。我国的汽车工业应顺应科技发展趋势，抓住HEV这块市场，在国外产品涌入之前，集中科研力量攻关，迅速开发出自己的产品。

参 考 文 献:

　　[1] 张金柱.混合动力汽车结构、原理与维修[M].北京:化学工业出版社.2008.
　　[2] 过学迅，张杰山，胡朝峰. 日美混合动力汽车发展的比较研究[J].上海汽车2006.3:7-10.