混合动力汽车的发展与研究

摘 要社会对环境和节能的重视有力地促进了混合动力电动车辆的发展。本文首先综述了混合动力的种类和组成原理，然后分析国外国内混合动力汽车的发展现状，介绍了我国混合动力技术应用发展情况和生产需求状况，最后展望了混合动力汽车的商业化前景及其发展趋势。新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料，采用新型车载动力装置） ，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进，具有新技术，新结构的汽车。新能源汽车包括有：混合动力汽车（HEV）, 纯电动汽车（BEV）,燃料电池汽车（FCEV）,氢发动机汽车以及燃气汽车，醇醚汽车等等。关键词：新型能源 应用 发展Abstract community attention on the environment and energy effectively promoted the development of hybrid electric vehicles. This paper reviews the types and composition of the hybrid theory, then analyzes the foreign country development status of hybrid cars, introduced the application of hybrid technology, development and production demand conditions, Finally, the future commercialization of hybrid vehicles and their development prospects trend. new energy vehicles refers to the use of unconventional vehicle fuels as a power source (or the use of conventional vehicle fuel, vehicle power using the new device), integrated power control and drive the vehicles advanced technology, the technological principles of advanced with new technology, new structure of the car. New energy vehicles include: hybrid electric vehicle (HEV), electric vehicle (BEV), fuel cell vehicles (FCEV), hydrogen engine cars and gas vehicles, alcohol cars and so on. Key words: development of new energy applications目 录摘要 3引言 5第一章 多元化能源汽车的发展61.1 节能环保是永恒的主题 612 柴油与混合动力之争 613 多元化重要战略 7第二章 混合动力汽车 921 混合动力汽车的概述 921-1 混合动力汽车的优点 921-2 复合动力驱动汽车的缺点 922 混合动力汽车的分类 1023 混合动力汽车的工作方式 1023-1 HEV混合动力装置1024 串、并、混联式动力112.4-1 串联式动力112.4-2 并联式动力1224-3 混联式动力122.5 混合动力汽车的历史发展122.5-1 我国混合动力汽车三大发展目标13第三章 能源转换器及先进的电子电气化混合动力发展方向1431 车用甲醇/汽油灵活燃料自动转换器143.2 电动车控制器143.2-1 电动车控制器的改进 163.3 集成启动器交流发动机 17第四章 混合动力汽车在我国的发展 184.1 我国混合动力汽车在进入产业化关键时期204.2 重点发展四种混合动力车214.3 我国电动汽车标准体系的建立与完善214.4 我国混合动力汽车标准的基本情况22结 论23参考文献 24致谢 25引 言进入 21 世纪以来，能源安全与气候变化成为国际社会关注的焦点，为实现交通领域的健康可持续发展，世界主要汽车生产国进一步加快推动节能与新能源汽车的发展，全球节能与新能源汽车将进入一个快速产业化发展的阶段。根据机电混合度的不同，混合动力汽车与传统燃油汽车相比能够实现 10%-40%的节油效果，常规排放物和二氧化碳排放也显著降低，并具有性能稳定、可靠性强，不依赖于新建配套设施，因此被认为是近中期比较现实和有效的新能源汽车产品，会在未来将成为汽车市场的主流竞争者。我国新能源汽车产业始于 21 世纪初。2001 年，新能源汽车研究项目被列入国家“十五”期间的重大科技课题，并规划了以汽车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。 “十一五”以来，我国提出“节能和新能源汽车”战略，政府高度关注新能源汽车的研发和产业化。20062007 年，我国新能源汽车产业的发展取得了重大的进展，我国自主研制的纯电动，混合动力和燃料电池三类新能源汽车整车产品相继问世。2007年 12 月，长安汽车自主开发的中国首款混合动力汽车杰殒 HEV 的量产下线。2008 年，新能源汽车在国内已呈全面出击之势。2008 年 1-6 月，我国新能源汽车累计销量 366 辆，同比进增 107.95%。仅仅在 2008 年 6 月一个月内就完成 100 辆的销售。112 月新能源乘用车销售 899 台，同比增长 117%而商用车的新能源车共销售 1536 台，112 月同比下滑 17%。如果新能源汽车得到快速发展，以 2020 年中国汽车保有量 1.4 亿计算，可以节约石油 3229 万吨，替代石油 3110 万吨，节约和替代石油 6339 万吨，相当于将汽车用油需求削减 22.7%。2020 年以前节约和替代石油主要依靠发展先进柴油机，混合动力汽车等实现。到 2030 年，新能源汽车的发展将节约石油7306 万吨，替代石油 9100 万吨，节约和替代石油共 16406 万吨，相当于将汽车石油需求削减 41%届时，生物燃料，燃料电池在汽车石油代替中发挥重要的作用。结合中国的能源资源状况和国际汽车技术的发展趋势，预计到 2025 年后，我国普通汽油车占乘用车的保有量将仅占 50%左右，而先进柴油车，燃气汽车，生物燃料汽车等新能源汽车将迅猛发展。新能源汽车普及的因素主要有：在同档次的汽车中，新能源汽车的价格比普通汽车的价格要高出数千美元，甚至上万美元；由于市场对新能源汽车的需求并不高，所以投入市场的车型太少；新能源汽车虽然省油，但是几年后就要更换电池组，价格高达数千美金，这笔开支抵消掉了省下的汽油钱；充电站等配套基础设施太少，因担心无处充电，许多消费者不敢购置新能源汽车。鉴于新能源汽车面临以上种种问题，本书将重点介绍多元化能源在汽车中的应用以及发展前景，在能源和环保的双重压力下，混合动力汽车无疑将是未来汽车发展的方向。 第一章 多元化能源汽车的发展汽车从诞生之日起，就与石油结下了不解之缘。而面对石油日趋紧张的局面，人们总会不由自主地猜测:什么时候开在路上的汽车不用加油？什么时候汽车可以靠新型燃料跑路 一方面是居高不下的油价，一方面是快速增长的汽车数量，与能源和环境有关的技术已成为全球汽车工程师着手进行处理的主要问题。作为世界上最大的汽车消费市场之一，中国汽车特别是新能源汽车的发展方向应该如何确定。 1.1 节能环保是永恒的主题 随着中国汽车产业的发展，节能和环保问题不容忽视。张小虞称，中国汽车的持续快速发展，主要取决于资源要素的支撑能力，包括能源、交通和停车设施和环境的承受压力。目前中国是世界上最大的汽车市场，也是节能与新能源汽车最受关注的地方之一。坚持发展节能与新能源汽车，构建交通能源结构的多元化道路，将是解决我国能源与环境问题、实现我国汽车工业可持续发展的必由之路。 本世纪前半叶汽车动力将呈现技术多元化的特征。目前，欧美日各大汽车公司都投入巨资进行新能源动力研发，但各自采取的技术路线的侧重点不同。通用、福特等美国汽车公司采用氢燃料电池技术路线，德国大众等欧洲汽车公司走的是柴油车技术路线，而丰田、本田等日本汽车公司则采用的是混合动力路线。除此之外，中国、巴西、美国等国在非石油燃料代用方面也取得了一定的成效，使用乙醇燃料的数量已达到了相当大的比例，大大减少了对石油的依赖和减少对环境的污染。 在汽车新能源动力的终极解决方案上，全球的汽车公司已经口径一致地认为是氢燃料电池，但是其产业化的前景还存在着很多不确定性。因此，近中期，必须寻找技术和商业化成熟的、节能和环保性能突出的过渡性技术作为桥梁。现实来看，提高传统汽车的燃油效率，仍是节能、环保的重要途径，也是不能放弃的。 1.2 柴油与混合动力之争 汽车新能源动力已成为未来汽车厂商较量的重要棋局，但几乎没有一家汽车巨头是把宝全部押在某一个技术方向的。除立足长远目标在持续投入研发外，中短期的市场需求也是他们所看重的，因为这将决定未来他们能掌握多少主动权。 传统动力系统与氢燃料电池接轨点的提前或推迟到来取决于中期解决方案。混合动力是介于汽油与氢动力之间的过渡选择，与之并列的还有柴油动力、乙醇、电动等能源选择方案。从目前来看，乙醇只能在小范围适用，柴油动力在欧洲是遍地开花，业已在中国商用车市场先入为主，而混合动力在日本丰田、本田的热炒下产业化在加速推进。在不断推行节能的中国汽车市场，柴油动力与混合动力的竞争已演变成欧洲与日本的技术流派之争。 从中国目前的情况看，柴油车是节能环保最现实的选择。中国应将先进柴油机作为节能环保汽车的现实技术选择，从长远来看柴油机也更具前景。只是柴油车在人们的心目中形象不佳。长期以来，国内消费者对柴油车的认知大多停留在黑烟滚滚、雷声轰鸣的墨斗鱼印象上。而先进柴油机技术在国际上已经是成熟的技术，节能、环保效果十分明显，而且无须对相关技术设施进行大规模的建设和改造。中国应该扩展汽车节能环保的技术路线，将发展柴油机技术作为汽车能源战略的一个重要组成部分。 柴油车与混合动力车比较有两项明显优势:第一，混合动力车技术尚不成熟，前景不明，而柴油机技术日臻成熟，前景广阔；第二，混合动力车成本偏高、价格不菲，而柴油机汽车有规模效益，成本肯定低于混合动力车。而后者已从中国市场的反应中得到了证实。从价格角度看，柴油车在市场竞争中略占优势，而混合动力车较高的车价令消费者很难承受。混合动力车高出的购车成本，需1015 年才能通过节油省回。 目前，柴油乘用车较少、中国柴油油品中的硫含量过高限制了它的应用。根据中国汽车工业协会统计，2005 年，我国总计销售柴油乘用车 48940 辆，同比增长 32.9。目前中国柴油车在汽车中的保有量仅为 23.7，主要是商用车；柴油轿车占的比重仅有 0.2。国务院发展研究中心经济研究部对中国使用先进柴油轿车的前景做了分析，如果 2020 年柴油轿车在乘用车中的比重达到30，当年可节约原油 2837 万吨，可以减少汽车用油 10.01，降低石油对外依存度 11.3。对此研究部提出了几点建议:在国家 “十一五”汽车产业规划中，应将先进柴油机作为节能环保技术的重要选择；实行“高效低税、低效高税”的原则，利用燃油价格和税收政策进行调节；修订柴油质量的强制性标准，尽快制订柴油质量提高到欧、欧的时间表；应实施促进汽车产业提高自主创新能力的政策。1.3 多元化重要战略 “进行交通能源结构与动力系统的过渡与转型，构建节能的燃料多元化的汽车产业，发展节能与新能源汽车，已成为我国汽车产业可持续发展的战略选择。 ”2006 年 2 月，国务院颁布的国家中长期科学技术和发展规划，已将低能耗与新能源汽车列入优先的发展主题。 科技部联合各有关部门已经组织实施了电动汽车和清洁汽车行动计划，混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车 3 种车型已分别完成了功能样车和性能样车的研制。其中，燃料电池汽车研发取得了重要的进展，在某些技术性能方面已经步入世界先进行列。混合动力汽车形成了小批量的产业化生产，实现了载客运行。纯电动汽车已经在某些特殊的领域，适合于特殊的应用场合，进入了批量化生产和道路运营，并且开始出口。 “与此同时，国家还特别关注重点支持了其他代用燃料汽车技术的发展，包括各种醇类燃料、天然气合成燃料以及生物燃料技术的开发，这些研究为我国进一步发展燃料多元化的产业打了基础。 ”付于武说:“大力推进我国交通动力系统的转型，坚持发展节能与新能源汽车，构建交通能源结构的多元化道路，将是解决我国能源与环境的挑战，实现我国汽车工业可持续发展的必由之路。 ”第二章 混合动力汽车2.1 混合动力汽车概述 混合动力汽车是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车，车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前混合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的电动汽车。2.1-1 混合动力汽车的优点复合力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。1） 因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现零 排放。2） 有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。3） 可以利用现有的加油站加油，不必再投资。4） 可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。混合动力汽车有两种基本的工作方式，即串联式、并联式和串并联（或称混联）式。2.1-2 混合动力驱动汽车的缺点有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。由于新一代汽车伙伴合作 （ P NGV）计划的推动美国三大汽车公司对各种单元技术及其不同组织进行成百种方案的筛选、比较，认为采用复合动力是实现中级轿车百公里 3 升油耗的可行方案因此而受到更大的关注。经过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的例子。日本丰田汽车公司 1997年 12 月宣布将混合动力轿车 P rius 投入小批量商业化生产，该车自重1515kg，装用顶置凸轮轴四缸，1500cc 排量汽油机，最大功率426kW4600rmin，带永磁无刷发电机，驱动电机亦为永磁无刷的额定功率 30kW，采用氢镍电池，实现串并联控制方式，百公里油耗为 34L ，比原汽油车减少了一半， 二氧化碳排量也相应减少了一半， C O、 HC、氮氧化合物仅为现行法规允许值的 10，售价每辆 216 万日元（约 15000 美元） 。 美国克莱斯勒汽车公司 1998 年 2 月在底特律展出第二代道奇无畏 E SX2型混合动力轿车，该车装用 1500cc 排量直喷柴油机带发电机，采用铅酸电池，交流感应电机驱动，铝车架，复合材料车身，自重 1022kg，百公里油耗降至34L。2000 年通用，福特，戴姆勒克莱斯勒已开发出 100 公里油耗已达到 3升汽油或接近 3 升汽车的样车，只是价格仍较贵。2.2 混合动力汽车的分类混合动力汽车的种类目前主要有 3 种。一种是以发动机为主动力，电动马达作为辅助动力的“并联方式” 。这种方式主要以发动机驱动行驶，利用电动马达所具有的再启动时产生强大动力的特征，在汽车起步、加速等发动机燃油消耗较大时，用电动马达辅助驱动的方式来降低发动机的油耗。这种方式的结构比较简单，只需要在汽车上增加电动马达和电瓶。另外一种是，在低速时只靠电动马达驱动行驶，速度提高时发动机和电动马达相配合驱动的“串联、并联方式” 。启动和低速时是只靠电动马达驱动行驶，当速度提高时，由发动机和电动马达共同高效地分担动力，这种方式需要动力分担装置和发电机等，因此结构复杂。还有一种是只用电动马达驱动行驶的电动汽车“串联方式” ，发动机只作为动力源，汽车只靠电动马达驱动行驶，驱动系统只是电动马达，但因为同样需要安装燃料发动机，所以也是混合动力汽车的一种2.3 混合动力汽车的工作方式复合动力电动汽车有两种基本的工作方式，即串联式、并联式和串并联（或称混联）式。复合动力驱动汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。由于新一代汽车伙伴合作（ P NGV）计划的推动美国三大汽车公司对各种单元技术及其不同组织进行成百种方案的筛选、比较，认为采用复合动力是实现中级轿车百公里 3 升油耗的可行方案因此而受到更大的关注。经过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的子。2.3-1 HEV混合动力装置HEV（Hybrid-ElectricVehicle）混合动力装置。混合动力就是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动停止时，只靠发电机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。 混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。2.4 串、并、混联式动力2.4-1 串联式动力串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联方式组成 SHEV 动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。2.4-2 并联式动力 并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。2.4-3 混联式动力混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。丰田的 Prius 属于以电机为主的形式。2.5 混合动力汽车的历史发展当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占 80以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的 40，在市区还会跌至 25，更为严重的是排放废气污染环境。20 世纪 90 年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在 10 年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破） 。现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（Hybrid-ElectricVehicel，缩写 HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥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，二者“并肩战斗” ，取长补短，汽车的热效率可提高 10以上，废气排放可改善30以上。2.5-1 我国混合动力汽车三大发展目标近期发展阶段（2008 年2012 年）：混合动力汽车大批量产业化，年产量达到百万辆级，占到汽车总产量的 10以上。以技术相对成熟、成本增加较少的 BSG、ISG 混合动力汽车构成混合动力汽车的主流。中期发展阶段（20122020 年）：随着电池技术的进步及其价格的降低，节能效果更加显著的重度混合动力汽车和 plug-in 混合动力汽车，将在混合动力汽车中占据主要地位，BSG、ISG 混合动力汽车共同构成混合动力汽车的其余组成部分。长期发展阶段（20202030 年）：混合动力汽车呈大幅度?长势态，占到汽车总产量的 50，传统的燃油汽车包括代用燃料汽车产量将会下降到汽车总产量的 25左右。第三章 能源转换器及先进的电子电气化混合动力发展方向3.1 车用甲醇/汽油灵活燃料自动转换器车用甲醇/汽油灵活燃料自动转换器，经过多年的科研攻关，研制成功的一项具有自主知识产权的高科技产品，拥有多项专利，其主要功能是：再不改动现有发动机的情况下，只在原发动喷油线改串加一个附加 ECU，就能使点燃式发动机小型车辆即能使用汽油还能使用高比例 M30M85 甲醇汽油作燃料。它的优点在于：经济性好：推荐使用 M85 甲醇汽油，实测 1.4LM85 燃料和汽油贡献等值能量。M85 甲醇汽油为 2.8 元/L，1.4LM85/甲醇汽油价格为 3.92元，93#汽油当前价格为 6.05 元/L，燃烧 1.4M85 甲醇比燃烧每升汽油可节省2.13 元。动力性好：甲醇的燃烧层流火焰燃烧速度快为 52m/s，汽油燃烧层流火焰速度仅为 38m/s，甲醇富含氧可以弥补发动机充气不足的问题，另外甲醇的辛烷值高抗爆性能好，因此能获得更大功率，动力强劲。环保性好：甲醇富含氧，燃烧充分尾气污染排放显著降低与汽油相比 CO、HC 可降低 30%70%，有利于改善环境专利产品，汽车专用燃料自动转换器，可使用；甲醇、乙醇、汽油，成本低，安装方便，每公里可节约 50%。3.2 电动车控制器电动车控制器是用来控制电机的启动，运行，进退，速度，停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件，它就像是电动车的大脑，是电动车上重要的部件。电动汽车控制器只要功能特点如下超静音设计技术：独特的电流控制算法，能适用于任何一款无刷电动车电机，并且具有相当的控制效果，提高了电动车控制器的普遍适应性，使电动车电机和控制器不再需要匹配。 恒流控制技术：电动车控制器堵转电流和动态运行电流完全一致，保证了电池的寿命，并且提高了电动车电机的启动转矩。自动识别电机模式系统：自动识别电动车电机的转换角度，霍尔相位和电机输出相位，只要控制器的电源线，转把线和刹车线不接错，就能自动识别电机的输入及输出模式，可以省去无刷电动车电机接线的麻烦，大大降低了电动车控制器的使用要求。随动 ABS 系统：具有反充电/汽车 EABS 刹车功能，引入了汽车级的 EABS防抱死技术，达到了 EABS 刹车静音、柔和的效果，不管在任何车速下保证了刹车的舒适性和稳定性。电机锁系统：在警戒状态下，报警时控制器将电机自动锁死，控制器几乎没有电力消耗，对电动机没有特殊要求，在电池欠压或其它异常情况下对电动车正常推行无任何影响。自检功能：分动态自检和静态自检，控制器只要在上电状态，就会自动检测与之相关的接口状态，如转把，刹车把或其他外部开关等等，一旦出现故障，控制器自动实施保护，充分保证行驶的安全，当故障排除后控制器的保护状态会自动回复。反充电功能: 刹车、减速或下坡滑行时将 EABS 产生的能量反馈给电池，起到反充电的效果，从而对电池进行维护，延长电池寿命，增加续航里程。堵转保护功能：自动判断电机在过流时时处于完全堵转还是在运行状态或电机短路状态，如果过流时是处于运行状态，控制器将限流值设定成固定值，以保证整车的驱动力；如果电机处于纯堵转状态，则控制器 2 秒后将限流值控制在 10A 以下，起到保护电机和电池，节省电能的效果；如果电机处于短路状态，控制器则使输出电流控制在 2A 以下，以确保控制器及电池的安全。动静态缺相保护：指在电机运行状态时，电动车电任意一相发生断相故障时控制器实行保护，避免造成电机烧毁，同时保护电动车电池、延长电池寿命。功率管动态保护功能：控制器在动态运行时，实时检测功率管损坏的情况，控制器马上实施保护，以防止由于连锁反应损坏其他的功率管后，出现推车比较费力的现象。防飞车功能：解决了无刷电动车控制器由于转把或线路故障引起的飞车现象，提高了系统的安全性。 1+1 助力功能：用户可自行调整采用自向助力或反向助力，实现了在骑行中辅以动力，让骑行者感觉更轻松。 巡航功能：自动/手动巡航功能一体化，用户可根据需要自行选择， 8 秒进入巡航，稳定行驶速度，无须手柄控制。 模式切换功能：用户可切换电动模式或助力模式。 防盗报警功能：超静音设计，引入汽车级的遥控防盗理念，防盗的稳定性更高，在报警状态下可锁死电机，报警喇叭音效高达 125dB 以上，具有极强的威慑力。并具有自学习功能，遥控距离长达 150 米不会有误码产生。 倒车功能：控制器增加了倒车功能，当用户在正常骑行时，倒车功能失效；当用户停车时，按下倒车功能键，可进行辅助倒车，并且倒车速度最高不超过10km/h。 遥控功能：采用先进的遥控技术，长达 256 的加密算法，灵敏度多级可调，加密性能更好，并且绝无重码现象发生，极大地提高了系统的稳定性，并具有自学习功能，遥控距离长达 150 米不会有误码产生。 高速控制：采用最新的为马达控制设计专用的单片机，加入全新的 BLDC控制算法，适用于低于 6000rpm 高速、中速或低速电机控制。 电机相位：60 度 120 度电机自动兼容，不管是 60 度电机还是 120 度电机，都可以兼容，不需要修改任何设置。3.2-1 电动车控制器的改进电动车控制器应该是兼顾蓄电池及电机的实际使用情况进行综合设计，应充分考虑蓄电池、控制器、电机三者之间的关系，将它们作为一个综合的系统来设计，从而得到更为理想的电动车控制器。而不应该是目前市售的只要具有无级调速，刹车断电、软启动等功能的电动车调速器。针对电动自行车实际使用情况，我们对无刷电动自行车控制器的设计进行了改进，增设了如下的功能： 一 使电动车控制器具有输出端短路保护功能 本控制器可以实现输出端直接短路保护，即使在电机处于最高转速行动时(此时往往输出最高电压) 直接短路控制器输出端，控制器也能很可靠的保护。在保护时电路自动降低了输出电流，以保护蓄电池的安全，此时电流约为0.3A，并随时检测输出端状态，当输出端故障排除后，控制器能自动恢复正常控制，具有自恢复功能，从而控制器具有自保护能力，提高了控制器和蓄电池的安全程度，也提高了对电机本身故障的耐受程度。针对电动自行车使用实际情况，出现堵转是可能出现的工况之一，如控制器能对输出端短路进行可靠保护，那么在电机堵转条件下，控制器同样可以进行保护，并可保护电机及蓄电池的安全。如果只具有限流功能的控制器，此时将输出大电流(如限流 14A)，这些使蓄电池(容量为 12AH)处于大电流放电状态下(14A)，将影响蓄电池的使用寿命。另外，大电流流经电机绕组，时间一长，将使电机温升上升，导致绕组绝缘老化，轻则影响电机寿命，重则烧毁电机。 二、采用双闭环控制系统 控制器采用双闭环控制系统(无刷：转速/电流双闭环，有刷：电压 /电流双闭环)，由于电流环存在，可以实现对电流的限幅，即可以保护电动车在处于各种正常运行情况下最大电流输出值不会超出设定的电流限幅值，实现自动限流，这样在任何运行情况下，蓄电池均不会出现超过设定值电流的放电过程，保证了蓄电池的安全。另外由于双闭环的配合作用，可以使电机实现最理想的启动过程和加速过程，使蓄电池的电流得到有效的利用，从而可以增加电动自行车的行驶里程。而目前市售控制器由于是单闭环控制系统，并依靠MC33035(MC33033)芯片的限流作用，所以在启动和加速时经常会出现控制器大电流输出至限流保护的运行状态。 三、欠压比较设计成电压滞环自锁比较市面上有的控制器只具有欠压保护功能，即当蓄电池电压低于某一电压值后(如 32V)封锁控制器不工作，这容易使用户利用蓄电池的回升电压工作(即蓄电池停止放电后，蓄电池电压会回升 23v)，从而造成蓄电池过放电。本控制器欠压比较设计成电压滞环自锁比较，这样可以有效地避免了蓄电池回升电压的使用。 按上述改进设计的有刷、无刷电动车控制器，经各种负载情况，各种路况实际行驶考验，证明其具有很高的可靠性。在堵转运行和输出端直接短路情况下均可实现可靠的保护，提高了无刷电动自行车控制器在实际运行时的可靠程度，改进后的控制器完全可以实现减少控制器的故障率，降低车辆返修率的目的。另外，由于电流环的作用，并可相对于一般市面上用的控制器可延长续驶距离近 10%，行驶过程中有频繁加减速、反复上下坡时，电流环作用的效果更加明显。3.3 集成启动器交流发动机集成启动器交流发动机(integrated starter alternator, ISA)技术是实现混合动力汽车的核心技术之一，该技术的进一步发展取决于新型动力电气技术的发展。IR 公司的 Steve Clemente 和 Toshio Takahashi 研究了这项技术的发展前景。本文介绍他们的最新研究成果。 图 1：启动器交流发动机动力电气模型的基本框图及其动力部分示意图。 汽车工业正努力通过电力驱动改造降低传统汽车的燃料消耗和废气排放，并为实现完全电气驱动汽车的发展铺平道路。集成启动器交流发动机是实现上述目标的基本构件块，目前不少行驶在欧洲和北美大街小巷中的汽车已采用了这项技术。某些“ 轻度混合动力 (mild hybrid)”汽车利用 ISA 在传统引擎上实现了对用户透明的“ 走走停停”操作，从而节省了燃料消耗。 “完全混合动力(full hybrid)”汽车也已开始在市场上销售，其主要特征是利用功能强大的电气系统承担更多的运动操作。 在“ 走走停停”中节省燃料消耗 或许 ISA 最基本的功能是使传统汽车在遇到红灯停止时直接切断引擎而不使其空转。这样不仅能减少有害气体的排放，还改进了燃耗消耗。当然，我们还可以采用更先进的技术提升高峰值动力条件下的电气性能，这些技术包括电动助力转向系统(EPS)、电动涡轮辅助设备(electronic turbo-assist)、变速车内温度控制(variable-speed climate control)、电动阀门控制、主动悬架及各种线传控制(X-by-Wire)功能。这些技术在减轻整车重量的同时，还可以改进燃料消耗和性能、增强引擎控制性能和效率、增加舒适度和安全性并增加驾驶员的满意度。 图2：显示了具有电流和温度感应功能的 3 相模块。 启动器交流发动机面临的主要技术挑战是设计能在 125C 环境温度下提供 3KW 功率的动力电气模型。图 1 显示了该模型的基本框图及其动力部分示意图。在比较成熟的实现方案中，系统将分为硬件和软件两部分：硬件安装在启动器交流发动机上，软件则是主 ECU 的一部分。在某些平台中，负载管理单元负责监控动力分配并保证关键负载的优先级最高。 图 2 显示了具有电流和温度感应功能的 3 相模块，该模块通常安装在启动器交流发动机上。重要的是，这类基本 ISA 非常适宜于现有平台的改造，因为改造的力度最小且成本费用几乎可以忽略不计。这一点非常重要，因为这有助于支持完全电动操作技术迅速进入市场，甚至在汽车引入更先进子系统之前即可进行有效的性价比优化。欧洲一些小型车和中型车已作好装备这项技术的准备，因为该技术能以一种对用户完全透明的方式，在汽车“走走停停” 操作中节省燃料消耗。 增强电气性能 为了更好地发挥 ISA 的效能，需要将 ISA 安装在介于引擎和变速箱之间的传动系统中。图 3 显示了电气箱如何将电流馈送至以高效空间方式集成在引擎与传送部分之间的电机。该技术可以提供恒定的 14kW 电启动功率并使传动系统主动减幅，从而彻底淘汰调速轮。这就是著名的 ISAD 系统，其中 D 表示减幅。 图 3：显示了电气箱如何将电流馈送至以高效空间方式集成在引擎与传送部分之间的电机。 遇到红灯时，汽油发动机停止运转，但其他配件仍在电气驱动下继续工作，电动力储存在由 42V 铅酸电池组和具有最强响应能力的超级电容器构成的组合体中。一旦交通灯变绿，驾驶员踩上油门后，启动器交流发动机将启动，这样在引擎启动过程中汽车将在电池动力的驱动下起动，延迟或干扰很小甚至没有。 在引擎短暂中断期间，为了保证配件实现全部功能，需要一个由电气驱动的液压泵提供动力方向盘(动力方向盘未来有望被完全电气驱动的 EPS 取代，进而淘汰液压油)。同样，可以对传统的空调系统实施智能控制，这样冬季为保持驾驶室热量可使电动泵持续循环热水，而夏季则使电动泵持续循环干冷空气。 这些原理已在现有的“ 轻度混合动力 ”多用途运载车中得到体现。与传统运载车相比，这种新型运载车通过采用再生制动和“走走停停” 功能，拖拉同等货物时可节省 10%至 15%的燃油消耗。 干电池/Ultracap 电容网络同样可以为电路板上的电气配件或用户输出口插入的装备(如打火机插座) 提供电动力。ISA 最上层框图如图 4 所示，与电池并联的电容可以改进电路板上新添加电气子系统的电动力需求，这些电容可在刹车能量恢复中发挥重要作用。 图 4：与电池并联的电容可以改进电路板上新添加电气子系统的电动力需求。 设计人员现在已经开始从高性能无传感器架构中受益，与感应电机相比，无刷直流电机因其高效率和可控性而在架构中得到应用。虽然表面上这看起来与工业伺服传动非常相似，但实际上两者具有本质区别。7.5 至 12kW 工业伺服传动的年产量约为 8 万套，而单个汽车平台上的传动数目就远超过这个数字。从技术的角度看，用于这些传动的动力模块必须承受至今工业界尚未可知的强大压力。这些动力模块必须能以极高的效率及最小的寄生效应在 150C 环境温度下传送全部电动力。最后，这些动力模块还必须对现有平台的改造最小并能以几乎可以忽略不计的成本使产品打入汽车市场。图 5 所示的模块专为 42V“轻度混合动力” 汽车设计。该模块具有由两个能在 42V 总线上交换 600A 电流的大动力 MOSFET 芯片(每个面积为 150mm2)构成的半桥式结构。为了减少热压力，FET 安装在温度系数与硅片完全匹配的陶瓷基片上。先进的引线接合技术确保该模块可以抵御与汽车环境紧密相关的温度周期变化和动力周期变化影响。设计中，电源线必须与层叠的信息转移线路完全匹配，从而尽可能减小杂散电感，使其低于 8nH。为了尽可能减小 EMI 敏感度，还应在覆盖模块的小型 PCB 上安装门极驱动、感应和保护。门极驱动电路可在 20kHz 频率下驱动这些 FET，而感应和电子参数的解析也能在该小型电路板上执行。 提升到全电气操作： 随着动力平衡由引擎转移到电机，总线电压的提升也越来越具有现实意义。与降低成本和简化设计简化相比，减少传导损耗无疑更引人注目。在电气器件设计中，电导损耗决定了硅片的大小、封装和热交换器。由于电导损耗与电流的平方成正比，因此总线电压从 42V 提升至 300V 将使电导损耗降低 50 倍，而其他指标保持不变。 正是出于上述考虑，现在驰骋在大街小巷上的大多数“ 完全混合动力 ”汽车的总线电压介于 180V 至 300V 之间。作为参考，图 5 给出的相同模块采用 600V IGBT 架构，传送的输出动力可以增加 40%至 60%。 近期，两种总线电压很可能会共存在同一平台上。14V 总线仍然颇具吸引力，因为目前已在 14V 环境下开发了大量功能。因此，需要在两种总线之间引入双向直流到直流转换器进行动力穿梭传送，这也将成为系统架构的关键部分，因为需要该转换器为 14V 条件下的汽车发动提供必要的动力。为了尽可能降低成本并增加动力密度，转换器可以与电机驱动集成：共享相同的总线电容、母线布局和热交换器。图 6 显示了与 ISA 共享总线电容的 1.5kW 转换器，该转换器采用了一种称为“ 波纹转向 (ripple steering)”的非传统拓朴结构，这种结构可以尽可能降低电抗器件的规格。转换器的转换效率为 92%，偏差为 5%或 0.7V，动力密度为 2W/cm3。 内燃引擎在其 100 多年的发展历程中，已经达到性能提升的极限。驾驶员现在期望的引擎性能和效率采用任何其他替代技术都很难实现。但内燃引擎迫于环保压力注定将被取代，更何况有限的传统燃料资源将进一步推动这一进程。出于上述考虑，现在汽车产业正致力于研究各种替代方案，而绝大多数方案在很大程度上都依赖于电气操作。如果当前汽车电子市场对通用电子器件和动力半导体带来了冲击，那么对未来电动车的需求将有助于建立一整套新基准，包括动力处理性能、工作温度、价格敏感度和鲁棒性。先进的运动控制和动力管理模块已经进入市场，可以满足上述性能需求。这些替代方案将在后汽油时代汽车工程人员设计个性化交通工具中发挥至关重要的作用。第四章 混合动力汽车在我国的发展4.1 我国混合动力汽车在进入产业化关键时期在这股产业化高潮中，国内汽车企业也正在向国际接轨。从最初合资企业一汽丰田普锐斯混合动力轿车到如今包括一汽、上汽、奇瑞、长安、夏利、万向的群雄逐鹿，混合动力汽车在我国已进入科研转向产业化的关键时期。清华大学教授欧阳明高认为，我国已基本掌握了混合动力汽车关键零部件和动力系统平台技术，拥有了相关技术标准和测试能力，开发出一批混合动力汽车产品，实现了小批量的整车生产能力，并在多个城市开展了小规模示范应用。“但是与大规模产业化和市场化要求相比，在产品可靠性、耐久性和成本控制以及政策环境、市场培育等方面我们还有较大差距。 ”科技部高新司副司长张志宏指出，为加快解决上述制约混合动力汽车产业化发展的瓶颈问题，我国政府在局部小规模示范应用的基础上，近期将组织开展大规模推广应用工程，相关政府部门也在加紧制订专项财政补贴方案。中国汽车技术研究中心专家认为，随着政府积极推动的以混合动力汽车为主的节能与新能源汽车大规模推广应用工程的启动，我国将进一步突破节能与新能源汽车的产业化瓶颈、降低制造成本、培育产业链，并在局部区域实现显著的节能减排效果，加速启动我国节能与新能源汽车市场。4.2 重点发展四种混合动力车国家发改委节能与新能源汽车技术政策研究项目负责人吴志新：综合考虑我国混合动力汽车目前的技术发展状况，近期和中期，我国应重点发展 BSG(低度混合动力)轿车、ISG(中度混合动力)轿车，串联混合动力公交车、并联混合动力公交车。目标用户是：家庭用车、出租车和城市公交车。如果相关政策到位，预计到 2010 年我国将有 6-8 个轿车企业（含合资企业）、10 余个混合动力轿车产品投入批量生产，将有 4-5 个客车生产企业的 8-10 个混合动力公交客车产品投入批量生产。年产量将达到 15 万20 万辆（其中公交客车产量 2 万3 万辆） ，占汽车总产量的 1.5%2%；年节约燃油 15 万吨25 万吨。4.3 我国电动汽车标准体系的建立与完善我国电动汽车标准是随着国内电动汽车开发应运而生的。在各有关政府部门支持下，全国汽车标准化技术委员会于 1998 年新组建了电动车辆标准化分技术委员会，成为第 24 个分技术委员会（代号 SAC/TC114/SC27） 。纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车是电动汽车的三种类型，在开始研究我国电动汽车标准体系时，混合动力汽车标准就已包含其中。在“九五”期间，共有 16 项主要针对纯电动汽车的国家标准（其中有 2 项为国家指导性技术文件）先后制定完成，是我国电动汽车标准的第一批成果。在国外特别是日本、美国混合动力汽车开发和应用取得突出进展的情况下，科技部将发展混合动力技术明确为“十五”期间电动汽车研究和产业化的重点。为加快我国混合动力汽车产品的开发和生产，缩小与先进国家的技术差距，增强我国汽车工业在新技术