混合动力汽车研究现状和发展趋势.pdf

- 1 1 9 - 概述 随着传统燃油汽车排放所造成的空 气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮 乏，开发低排放、低油耗的新能源汽车 成为当今汽车工业界的紧迫任务。由此 人们越来越关注其他燃料的汽车和电动 汽车的开发，例如燃料电池汽车（F u e l 混合动力汽车 研究现状和发展趋势 鲍辰宇 冯旭云 摘 要 本文简述了混合动力汽车相比于传统内燃机 的主要优点，介绍了其在国内外的研究现状 及发展情况，并对混合动力汽车发展前景进 行了展望。 关键词 混合动力汽车；清洁能源；排放控制；环 保技术 C e l l V e h i c l e 简称F C V ） 、纯电动汽 车（E l e c t r i c V e h i c l e 简称E V ）和 混合动力汽车（H y b r i d E l e c t r i c V e h i c l e简称 H E V ） 。F C V是利用氢、 氧在常温下通过电化学反应产生电能来 驱动汽车，可以实现零排放。但是F C V 目前存在着成本、技术和氢能源基础设 施建设等问题，离产业化至少需要十至 十五年的时间。E V虽然也是实现汽车 零排放的一大途径，但是由于目前动力 电池技术上并未取得突破性的进展，而 且电动汽车依然存在在续驶里程短和充 电时间长等问题。H E V虽然不能实现 零排放，但针对以上 F C V 、E V所存在 的问题，H E V在目前环境更具有更强 大的优势，在世界范围内将成为新型汽 车开发的热点。 1 . 混合动力汽车特点及关键技术 根据国际电工委员会电动汽车技术 委员会建议，对混合电动汽车的定义 如下：在这种混合型车辆上，至少有 一种储能器、能源或能量转换器提供 电能。混合电动汽车由牵引电机、载 荷均衡装置、辅助动力单元以及传动 系统组成。 混合动力车辆上装有内燃机和电动 机两种动力源，它将传统的内燃机、 电力驱动和储能装置结合在一起，与 常规的内燃机动力相比，混合动力的 主要优点是，采用了高功率的能量储 存装置（飞轮、超级电容或蓄电池） 提供能量缓冲功能，这样可以减小发 动机尺寸、提高效率、降低排放。混 合动力车辆基本上不改变现有的汽车产 业结构，不改变现有能源的体系，不 表1 典型混合动力电动轿车的结构型式和主要参数 - 1 2 0 - 中国科技信息 2 0 0 6 年第 1 8 期 C H I N A S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N S e p . 2 0 0 6交通运输 改变用户对汽车的使用习惯，这也是 它能够迅速实现产业化的重要因素。 2 . 国内外研究现状 2 . 1 日本混合动力汽车的发展 在 1 9 9 7 年日本就率先进入混合动 力汽车商业生产，现在技术已经完全 成熟，进入大批量生产，产销量逐年 增加，现在混合动力汽车已经开始成 为发展的主流 1 。 丰田公司的P r u i s e 1 9 9 7 年开始投 产，1 9 9 8 年成为世界第一个小规模成 批生产的汽油电动混合动力车。如表 1 所示，例如丰田 P r i u s 1 . 5 L 汽油机采 用 A t k i n s o n 高效率、高膨胀比工作循 环，行星齿轮功率分配器、电子控制 变速器、镍氢电池、逆变器、电动 / 发电机集成为一体。 P r u i s e 混合动力电 动轿车是单轴驱动并联式混合电动车 辆, 以行星齿轮作为动力连接装置。发 动机通过单向离合器将动力输出到行星 架, 行星架按固定比例将扭矩分配到中 心轮连接的发电机, 电动机通过齿轮减 速机构进行动力输出。电动机采用小型 永磁同步交流电动机，发电机采用永磁 同步交流发电机，可以工作于电动机状 态。另外车辆功率分配装置，借助于控 制发电机的发电量来调节发电机转速, 用来调节动力分配比例 2 。T H S （图 1 ）传动系统起到类似无级变速器的作 用。采用电动机助力驱动的运行状态， 利用永磁同步电动机低速恒转矩的特 性。在车辆启动或加速运行时，使得电 动机的优异转矩特性发挥得淋漓尽致。 P r u i s e 自 1 9 9 7 年上市至2 0 0 0 年9 月底已经累计生产了 7 万辆。2 0 0 0 年8 月根据美国市场需求， 对P r u i s e 做了重 新设计。其改进后的2 0 0 1 年型车，被 美国汽车工程杂志评选为世界最佳 设计车。2 0 0 3年重新设计了第二代 P r u i s e 并在 S A E 2 0 0 4 年年会上被选为 2 0 0 4 年的最佳设计车。2 0 0 4 年P r u i s e 已经由紧凑型发展成为中等尺寸型。它 比以前的车型具有更强的动力性、更好 的燃料经济性以及更低的排放。新型车 的加速性从 0 9 7 k m / h 达到1 0 s ; 它的 燃料经济性，按美国环保署 E P A 公路/ 城市里程为 2 3 . 2 1 K m / L ( 5 5 m p g ) ，前一 代为 2 0 . 2 6 K m / L ( 4 8 m p g ) 。P r u i s e 被 认证为超低排放车（SULEV） ，以 及 先 进 技 术 部 分 零 排 放 车 （ATPZEV） 。该车的排放与传统的 汽油车辆相比 C O 2下降 5 0 ，H C 、 C O 和N O X排放可以降低 9 0 左右，燃 油节省一半。 本田公司的混合动力汽车采用内燃 机带电动机助力（IMA）系统。由 1 . 0 L V E T C汽油机、6 0 m m厚的环状 D C无刷汝铁硼永磁电机、镍氢电池、 动力控制单元集成，装于本田I n s i g h t 两座轿车上，采用手动或自动变速 器，每升汽油行驶里程分别为3 5 k m 或 3 2 k m 。已经在美国、日本销售，2 0 0 1 年销量4 7 2 6 辆。在美国售价2 2 . 2 万 美元, 由于成本很高, 不能盈利，实际销 量小于预计。最近本田宣布将在美国销 售中等尺寸的A c c o r d 混合动力轿车, 采 用的是 V 6汽油机电动混合动力技术。 变气缸管理( V C M , v a r i a b l e c y l i n d e r m a n a g e m e n t ) 技术是在某些条件下，例 如公路行驶以提高燃料经济性，将使6 个气缸中的 3个气缸休眠，混合动力 A c c o r d 将比只用汽油机提高性能。本 田I n s i g h t 混合动力汽车采用了转矩复 合的方式，其手动变速车创造了3 L 汽 油行驶1 0 5 k m 的好成绩（日本法规 1 0 1 5工况） ，而装备了 C V T的车型也 创下了3 L 汽油行驶了9 6 k m 的好成绩。 在这种混合动力系统中，以汽油发动机 为主要动力，电动机为辅助动力，动力 分配比为9 ：1 。根据阿贡国家实验室的 试验结果，本田I n s i g h t 的燃油消耗比 相当的传统轿车减少 5 5 ，C O 的排放 量是传统汽油机轿车的 0 2 0 ，H C 的排放量是传统汽油机轿车的5 0 。 2 . 2 美国在混合动力车开发生产中 的表现 早在 1 9 9 7年，美国 P N G V就根据 当时的进展情况，筛选出压燃直喷 ( C I D I ) 发动机， 混合动力电驱动系统, 燃 料电池( 含储能电池) 和轻质材料4 项新 技术, 组织和号召大家重点突破，混合 动力技术是重点之一，鉴于直喷柴油机 也 是 一 项 重 点 ， 为 了 容 易 达 到 P N G V 8 0 M P G ( 3 3 . 7 8 K m / L ) 的目标， 美国三大汽车公司都发展了柴油机电动 机混合动力，而且都按计划于 1 9 9 9 年 制造出柴油机混合动力轿车。如戴- 克 公司D o d g e E S X 3 , 适度混合动力系统 （m i l d h y b r i d ） ，福特公司P r o d i g y ，低 储能需求( L S R ) 混合电驱动系统，通用 汽车公司P r e c e p t ，双轴混合电驱动系 统 等 。 虽然三家公司都完成了与政府的合 图1 P r i u s T H S 动力分配装置 - 1 2 1 - 作计划, 并获得了P N G V 的资金补助. 但 是都没有考虑商业化问题。现在为了实 现商业化不得不重新开发市场需要的产 品，并安排制造计划，这就比日本公司 落后了大约 5年。 2 0 0 0 年以来， 三大汽车公司总结了 低批量生产电动汽车的经验教训，决定 实施战略转变，将其混合动力系统装于 高耗能和高价格的 S U V和轻型载货车 上. 轻型载货车和 S U V 这类汽车在美国 销售数量极大，所以改善这些车辆的燃 料经济性,将对降低总体燃料消耗和 C O 2的产生更有意义。 已知的一些车型有:戴 -克公司 P o w e r B o x h y b r i d S U V ( 用一台C N G 2 . 7 L V 6 发动机) , C o m b a t t C 2 H y b r i d ( 5 . 9 L 6 缸增压柴油机) ; 福特( E s c a p e h y b r i d S U V ) , 通用P a r a d i G M S U V ( 采用V 6 或 I 4 发动机) 。 2 . 3 欧洲对于混合动力汽车的观点 欧洲的汽车公司认为, 虽然汽油机 混合动力技术节省汽油，也能降低排 放, 但相比之下柴油机轿车更好，因为 柴油机已经发展成为清洁，平顺，安静 的动力。增压器, 高压燃料喷射系统已 经将柴油机改进得和汽油机一样好, 加 上清洁低硫的柴油燃料，柴油机轿车已 经具有更高的燃料经济性，同时柴油机 比汽油电动混合动力更加简单、高效、 制造费用较低, 也能使制造者获得合理 的利润。1 . 8 L T D I 柴油机轿车燃油经济 性大约是2 1 . 1 K m / L , 价格则低于本田 的 C i v i c 。所以欧洲汽车公司的主要精 力放在发展现代增压直喷柴油机轿车 上。 2 . 4 中国在混合动力汽车研发中的 成果 我国 8 6 3 电动汽车计划中, 混合动 力汽车是一项重点。一汽集团、东风 汽车公司研制的混合动力轿车, 天津清 源公司开发的混合动力轿车和混合动力 大客车, 北京理工大学研制的混和动力 大客车, 还有深圳五洲龙汽车有限公司 研制的混合动力大客车都有进展。一 汽已经与丰田达成协议, 2 0 0 5 年在中国 生产销售混合动力P r u i s e , 上海汽车集 团也与通用汽车公司研究了发展混合动 力汽车生产问题。 3 . 混合动力汽车前景展望及发展趋势 在能源和环保的压力下，世界各 大汽车公司无不涉足电动汽车领域， 但是由于技术和经济上存在的各种困 难，电动汽车还有相当长的路要走才 有可能实现商品化，而混合动力汽车 技术相对更为成熟，由于采用了精湛的 机电耦合技术和智能化的整车控制策 略，从而实现整车的高性能，低能耗和 低排放，因此日本、美国等多家汽车公 司已经和正向市场推出各种混合动力汽 车产品，世界主要地区汽车销售量及混 合动力汽车销售量预测如表2 （单位： 辆） 。 预测表明到 2 0 1 0 年全球混合动力 汽车年产可达 2 9 4万辆。 从国内市场来看，由于经济的持续 快速增长，城市规模不断扩大，各大城 市政府已纷纷将推广使用清洁燃料汽车 作为净化空气、改善环境的一项重要措 施，特别是北京申办 2 0 0 8 年奥运会成 功，更为洁净型城市汽车提供了极佳的 市场机遇。 随着石油资源的枯竭、人们环保 意识的提高，电动汽车及混合动力汽 车将成为新世纪前几十年汽车发展的主 流，这一点也是我国汽车界所有业内 人士的共识。我国政府已经在国家高 技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 中专门有 电动汽车重大专项(包括燃料电池整 车、混合动力整车和纯电动车) ，北京 申报成功 2 0 0 8 年奥运会后，我国政府 对汽车排放的要求将会越来越严，北京 市环保局明确表示北京市将与国际汽车 排放的要求同步，上海、广州也将一步 和国际接轨。在我国大中城市都普遍存 在着十分严重的汽车尾气排放污染问 题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放 污染的主要污染源之一，因此混合动力 汽车有着广阔的市场空间，特别是开发 用于城市交通( 如出租车) 和城市之间的 混合动力汽车在我国有着得天独厚的发 展条件和广阔的应用前景。 表2 混合动力汽车销售量预测 参考文献 1 、 张兴业. 国际汽车工业的技术革 命. 汽车工程. 2 0 0 5 年( 第2 7 卷) 第一 期 。 2 、麻友良，陈全世. 公路交通科 技。混合动力电动汽车的发展. 2 0 0 1 ( 2 ) 。 3 、何洪文，祝嘉，光李剑. 车辆