混合动力汽车和电动汽车概述.doc

电动汽车与混合动力汽车概述关键字：电动汽车 混合动力 汽车1. 电动汽车1.1 电动汽车的发展电动汽车在广义上分为三类，即纯电动汽车（BEV）、混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）。目前，这三种电动汽车都处于不同的发展阶段，面临着不同的困难和挑战。BEV只适用于低速短距离的运输，而HEV的性能既能够满足用户的需求，又实现了低油耗、低排放。在目前的技术水平和应用条件下，HEV是比较理想的交通工具，但它必须具备两个动力源1。电动汽车是以电为动力的汽车，电的来源可有多种方法。电动汽车最早出现在1873年，英国人罗伯特戴维森制造了第一辆实用价值的电动汽车，电的来源是蓄电池，这两电动汽车比卡尔本茨的汽车还早10年，但燃烧汽油的内燃机汽车发展很快，在全世界的保有量迅速增加，尤其是在世界发达的大城市，汽车增加更快。这样，汽车尾气排放的有害物质便成为第一大环境污染。1955年9月中的几天里，美国洛杉矶的光化学烟雾非常浓烈，两天之内就有400多名65岁以上的老年人死亡，比平时高出几倍。此外，还有几千人受到不同程度的伤害。汽车尾气的排放对人类健康和人们生活构成了严重威胁，综合能源问题的考虑，于是，具有零排放污染的电动汽车重新被重视起来，各国都制定了相关的鼓励政策。典型的例子如美国，1933年9月，美国政府提出了10年完成的“新一代汽车合作计划(PNGV)”，由政府牵头，组织几十个公司和机构，完成提高燃料经济性和开发电动汽车的规定目标。各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划。调动社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性实用以及小批量实际应用等探索阶段，现在己接近商业化生产。1.2 电动汽车的研究意义目前，环境和可持续发展己经成为整个世界关注的焦点，汽车排放被认为是一个主要的集中污染源，汽车作为能源消费大户及环境污染的重要源头之一，其发展也面临严重的挑战。传统的以有限的石油资源为基础的发展模式越来越不被人们所接受。节能和环保成为汽车工业发展的新目标。在此背景下电动汽车的发展被广泛看好，它被认为是汽车工业发展的明日之星。但是，纯电动汽车由于其一次充电后的行驶里程较短，且所需要的辅助建设投入较大，其市场化进程一直较为缓慢。为降低传统燃油汽车的排放和弥补纯电动汽车行驶里程不足的缺点，混合动力汽车(HEV)的研究和开发便应用而生。它具有比传统汽车更高的燃油经济性和更低的排放，以及在规定范围实现零排放，又克服了电动汽车续驶里程的缺点。被认为是纯电动汽车的开发过程中为有利于市场化而开发出的一种新车型，又被称为“准绿色”清洁汽车。在混合电动汽车中，电池管理系统在整个车辆的研究中具有很重要的位置56。蓄电池作为混合电动汽车的能源之一，其性能和工作状态对整车而言是至关重要的。电池管理系统的主要任务就是检测电池的工作状态，防止发生过充电过放电等对电池的损坏行为，并对其剩余电量做出较为准确的估计，将相关信息及时有效的传递给整车能量管理系统。电池的状态信息对整车能量管理系统合理的协调多个能源之间的关系，以使车辆达到良好的运行模式是至关重要的。可见电池管理系统对混合动力汽车来说是必不可少的部分。镍氢电池以其高比能量、高比功率和循环使用寿命长等特点，成为目前比较实用的电动车用蓄电池。镍氢电池的模型及其剩余电量的估计与传统的铅酸电池有着较大的区别。后者的研究技术己经比较成熟，相对来说，前者的技术还有待进一步改进。1.3前景展望尽管电动汽车在20世纪前就己经存在，但现在的电动汽车不仅是以电动机、控制器和电源组成的以电驱动系统为基础的车辆，而且是实现清洁、高效、智能的道路运输系统的一个全新系统，是一个便于和现代交通网络结合的智能系统。无论从环保角度还是从能源角度来看，未来的电动汽车都需要有一个大的发展，其开发关系到众多工业的兴衰，可能成为未来新的经济增长点。根据我国国情，我国大部分城市普遍存在着十分严重的交通问题和汽车尾气排放污染问题，因此发展中小型电动汽车的市场更独特、应用前景更广阔。政府应鼓励电动汽车按市场机制开发，同时要抓紧充电站等基础设施的建设，并在政策、法规上予以支持。可以预见，未来的汽车将是由电气、机械和控制技术运行的车辆，也只有开发清洁、高效、智能的电动汽车，才能使21世纪的交通可持续地发展。电动车对于中国这样一个石油资源供不应求、同时又处于汽车产业高速发展的国家，具有战略意义。需要协调和充分利用各种资源，正确处理好电动汽车自身发展技术产业市场的关系，以及与其周边关联因素的关系问题，构成技术和产业链的良性循环，推动整个产业链的发展。2.混合动力汽车2.1混合动力汽车的发展进入21世纪，世界经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提出了越来越高的要求，以及车用能源日趋紧张及价格上涨的局面，迫使汽车研究和制造行业开始加大了对汽车新能源的研究和开发力度。目前，在诸多新能源汽车解决方案中，成功实现了产业化的只有混合动力汽车。混合动力车（HEV：Hybrid Electric Vehicle）采用“内燃机电动机”的驱动形式，电动机和内燃机能够分别在最有效率的工况下提供车辆所需动力。当汽车动力负荷较大时，电动机加入作为动力的补充；负荷小时，内燃机的富余功率可以给电池充电。它继承了电动汽车低油耗、低排放的优点，同时又克服了纯电动汽车续驶里程短等缺点。如图1.1所示。图1.1 混合动力汽车工作原理Fig.1.1 The work principle of the Hybrid Electric Vehicle 汽车加速时，采用蓄电池为能源，以电动机作为辅助动力，这样可以提高汽车的动力性能；在保持相同动力性的前提下，可减少发动机的后备功率，有利于节省燃油；在下坡滑行等工况下，发动机多余能量通过发电机（电动机），转换为电能贮存在蓄电池中，在汽车减速或制动工况，汽车的再生制动能再生能量回收车汽量量可以通过发电机（电动机）转换为能时间蓄电池中的电能，减少了系统的燃油发动机纯驱动能输出汽车减速消耗；在发动机长时间处于怠速工况时，混合动力系统可以切断发动机燃油供给，进一步提高了汽车的燃油经济性，也减少了废气排放。1997年12月丰田公司率先推出了Prius混合动力汽车，燃油经济性提高了50%，百公里油耗为3.57升， CO 排放减少了50%，碳氢和氮氧化物减少了90%，2002年8月2月为止，Prius累计销售100208辆。1999年12月本田推出Insight，百公里油耗为2.86升，达到了美国加里弗利亚州超低排放车ULEV（Ultra-Low Emission Vehicle）的标准，连续两年位居全球省油汽车排行榜第一位。20002001年日产、丰田、本田先后推出Tino、Estima、Crown、Civic混合动力汽车。20032004年福特、通用和克莱斯勒也研制了自己的混合动力汽车。2005年法兰克福车展上，宝马、奥迪、通用纷纷宣布推出自己的混合动力车。预计2012年全球混合动力汽车年销售将达到100万台。 图1.2 各国混合动力增长预测图 Fig.1.2 HEV increase prediction of different countries日本、北美、欧洲、韩国和中国在20062010年混合动力车增长趋势图见图1.2。日本的混合动力车技术走在世界前列，北美次之。从图中可以明显看出，日本的每年新增的混合动力车数量要远远大于其他国家的混合动力车数量，是北美车辆23倍。欧洲混合动力车的数量居第三位，而中国混合动力车的数量在今后五年也将有所增长。目前，本田、丰田、奥迪、通用等外资汽车巨头已加入中国混合动力汽车市场，国内已经介入混合动力车研究的厂商主要有一汽、上汽、东风、长安、奇瑞、吉利和比亚迪等。节油 30%以上，排放减少30%，轿车和客车最高车速分别超过160km/h和80km/h，部分车型正在申报国家汽车产品公告；北京科凌公司开发出4种型号的纯电动客车，动力性、经济性均达到国际先进水平。天津清源公司开发出3种纯电动轿车车型，并通过了搭载锂离子动力电池的纯电动轿车正面碰撞试验，2005年该公司向美国出口纯电动轿车112辆。目前混合动力产业化的一些影响因素，如电机、能量存储装置、功率元件等技术还有待突破。混合动力电动车的关键零部件技术，尤其是电池，是阻碍其进入产业化阶段的关键因素。另外，混合动力汽车进入产业化还受到许多非技术因素的制约。首先是混合混合动力汽车价格比传统汽车的高，维修费用偏高，其成本过高；其次是政府的相关政策，如减免养路费、车辆购置税、或直接贴补现金等，才能够促进混合动力汽车健康、顺利的发展；石油价格也是影响其产业化的一个重要原因。2.2混合动力汽车的研究混合动力汽车也称为复合动力汽车。混合动力汽车是兼顾燃油消耗和减少排放污染两种意义而研制的，也就是说，是向零排放过渡的一种形式。一般这种车的动力由一台发动机和一台电动机两套系统组成，任何一个系统都可以单独使用，也可以一边行驶一边充电。正常行驶时用电动机驱动，当需要充电或车辆需要瞬时大功率时，发动机即投入运转，可将发动机限定在高功率及排放清洁的范围内运行。由于混合动力汽车是介于内燃机和电动汽车之间的一种形式，成本比电动汽车要低得多，虽然比发动机还是高，但技术上比电动汽车要容易实现得多。由于各国、各地区的排放法规日益严格，目前已有很多国家实际使用了混合电动汽车，各大汽车公司都生产和销售这种车型。混合动力轿车中发动机与电动机的联接基本上有两种形式:并联和混联。在并联形式中，电动机与蓄电池都控制在最小范围内，有利于控制成本和质量;在混联的形式中，比较接近电动车，所以燃油经济性较好。日木公司的Dino混合动力汽车装备1.8L四缸发动机，无级变速电动机和锂离子蓄电池，采用并联方式联接。三菱公司的SUW Advence混合动力车装备1.5L77kW直喷汽油机，与12kW电动机组合一起，并配以锂离子蓄电池。福特汽车公司于2003年推Escape混合动力汽车。可见，混合动力汽车领域已展开了激烈的竞争。预计未来10年，混合电动汽车产量将占世界汽车总产量的40%以上。混合动力汽车在起动和低负荷时，发动机处于效率最低的负荷状态且此时排放最大，因此由蓄电池电力驱动车辆。在一般正常运行状态时，发动机输出动力直接驱动车辆。在加速行驶时，除发动机提供动力外，再由蓄电池电力带动电动机来驱动车辆。在减速和制动时，由车辆驱动电动机为蓄电池充电。2.3混合动力汽车的发展前景展望混合动力电动汽车在现有技术的基础上达到了提高燃料经济性和减少排放的目的，因而极具发展前景。从目前的发展来看，汽车的排放法规日趋严格，同时电子技术的迅猛发展会进一步促进混合动力电动汽车的发展。混合动力电动汽车充分吸取了电力热力系统中最大的优势：在远途时使用热力发动机，在城市和过渡阶段时使用电动机。如果调配合理的话，电力和热力的配合使用，将很大程度地降低汽车的耗油量和污染物的排放，并同时提高驾驶乐趣，改善车辆行为。与传统型汽车相比，HEV 可以确保具有同等的性能和优势，而在节能和排放上胜出一筹。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。就目前来说，HEV 的价格比传统汽车高出20左右。