混合动力汽车的发展及相关技术问题初探

混合动力汽车的发展及相关技术问题初探前言20世纪90年代以来，全球的石油危机以及大气污染成为了当今社会发展的重点问题。然而当今汽车保有量的急剧增加，众多内燃机汽车（ICEV）排放所造成空气质量的日益恶化和石油资源的渐趋匾乏，使汽车工业界面临严峻的考验。为了汽车工业的长期稳定发展，在与交通运输相关的大研发领域，研制开发节能、环保、使用替代能源的新型汽车成为了各大汽车制造商的核心发展战略。当今的纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的问世，正引发世界汽车工业的一场革命。我国大力推出能源汽车的发展政策，鼓励汽车厂家进行相关领域的研究开发。纯电动汽车（ELECTRICVEHICLE，EV）与传统燃油汽车相比，实现了零排放，是真正意义上的绿色环保汽车。它可以无污染地运行，其传动系效率明显比传统的燃油汽车高，并且可回收大部分损失在制动中的动能。电机所固有的转速转矩特性使得电机能在其转速转矩范围内的任何区域工作，且具有低速恒转矩，高速恒功率的特点。电动汽车的充电可以利用夜晚用电低谷的时间完成，这可以缓解供电用电矛盾中对电力储备能力的要求。除此之外，电动汽车还具有低噪音、能源多样性等优点。通用、日产、福特、戴姆勒奔驰、丰田、本田等国际知名汽车制造商先后推出了他们的纯电动汽车样车。但由于电池的能量密度、充电时间、价格、寿命等问题没能得到很好的解决，从而是纯电动汽车的发展受到限制。汽车制造商们开始将注意力转上燃料电池汽车和混合动力汽车的研究上。燃料电池汽车燃料电池（FUELCELL，简称FC）是一种把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”，其特点是它不像柴油发动机在工作时需要大量空气和产生巨大的噪声。自20世纪80年代以来逐渐在电动汽车（ELECTRICVEHICLE）和混合动力电动汽车（HYBIRDELECTRICVEHICLE）上有了发展。燃料电池是新一代燃料电池电动汽车的基本能源，具有以下优点1）热效率高，内燃机汽车热效率约为燃油电池汽车的三分之一。2）零污染或超低污染。以氢气为燃料，废物只是水，无污染；采用甲醇或汽油重整，也只有少量CO、CH和NOX。3）在宽广的范围内保持高效率，过载能力强。4）配置灵活，机动性大。但燃料电动汽车存在以下几条缺点1）燃料种类单一，辅助设备重，占用体积大目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还是用碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一的燃料。氢气的产生，储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高，造成使用成本很高。2）要求高质量的密封，系统耐震能力需进一步提高。密封不良的燃料电池，氢气会泄漏到燃料电池的外面，降低了氢的利用率和严重影响燃料电池发动机的效率，还会引起氢气燃烧事故，使得燃料电池发动机舱制造工艺很复杂，并给使用和维护带来很多困难。3）比功率还有待于进一步提高内燃机的比功率约为300WKG，以氢为燃料的燃料电池比功率约300一350WKG、功率密度为280WL。甲醇经过重整的氢为燃料的燃料电池综合功率密度（包括重整器质量）降低到220WL。为了满足FCEV动力性能的要求，需要进一步提高燃料电池发动机的比功率。4）造价太高目前质子交换膜燃料电池是最有发展前途的燃料电池之一，但质子交换膜燃料电池需要用稀有资金属铂作为催化剂，研究人员还未找到可以完全替代的催化剂，铂的使用和铂的失效使质子交换膜燃料电池的造价持高不下。5）需要配备辅助电池系统燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收FCEV再生制动的反馈能量，使用重整技术，重新起动时间长达10分钟以上。因此，通常在FCEV上还要增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在FCEV减速时接受再生制动时的能量，这就形成了混合动力燃料电动汽车。因此，燃料电池汽车在短期内尚难于实现产业化目标。混合动力汽车混合动力汽车指携带有不同动力源，可根据汽车的行驶需要、同时或分别使用不同的动力源而行驶的汽车。与传统汽车的最大区别是动力传动系统，一般都至少拥有两个动力源（能量变换器）和两个能量储存系统（车载状态）。混合动力汽车可分为两类，即液压储能式混合动力汽车HHV（HYDRAULICHYBRIDVEHICLE）和混合动力电动汽车HEV。混合动力汽车的发展1896年，波尔舍汽车公司就取得了电动机和汽油机的混合专利。1916年，WOODS推出了汽油机和电动机的混合驱动汽车。这款早期的混合动力汽车采用一个四缸汽油机、电动机和只有传统纯电动力汽车一半大小的蓄电池。1997年，丰田PRIUS成为全球第一款量产混合动力车型；1999年，本田INSIGHT也正式上市，从而拉开了混合动力车型的时代。2007年5月，丰田混合动力车型率先完成了100万台的销量目标，这也使得混合动力汽车被广大市民所接受。混合动力汽车的特点混合动力汽车与传统的内燃机汽车和纯电动汽车相比较，他继承了纯电动汽车“绿色环保汽车”节能和低排放的优点，同时又发扬石油燃料的比能量和比功率的长处，显著改善了汽车的经济性能和排放性能，是两者的有效地结合体。另外混合动力汽车还可吸收汽车的相当一部分制动及滑行的能量，以电能的形式重新存储在存储能量装置中，提高了能源的利用效率。而且在行驶过程中汽车可关闭内燃机，转换为纯电动的汽车，真正实现零排放，适合在城市市区中应用，减少对环境的污染。HEV能够充分利用内燃机汽车的生产技术和生产工艺，现有的汽车制造厂只需添加一些工装设备，就完全可以用于生产HEV。HEV不需要另外建立燃料的储存、运输、添加等装置，可充分利用现成的加油站。HEV也不需要另外建立保养、维修等后勤服务体系。现有的混合动力轿车的运行证明，混合动力汽车与传统内燃机汽车相比，能够将汽车的热效率可提高10以上，燃油消耗降低3040以上，尾气排放量降低5060以上。大大提高了能源利用的经济性和尾气排放性能。可以认为混合动力电动车是21世纪初汽车产业界的一场革命。混合动力汽车的分类及原理目前，世界各国研究开发的HEV有不同的结构形式，根据其驱动系统的配置和组合方式不同，可以分为串联式、并联式、混联式和电动轮式4种。串联式混合动力驱动系统。串联式混合动力驱动系统的原理图如图1所示。原动机直接带动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动车，由电动机通过变速机构驱动汽车，将电池作为原动机输出和电动机需求功率之间的中转装置。串联式适用于频繁起步，加速和低速运行等工况，可以使原动机在最佳的工况点附近稳定运转。虽然串联式结构使整个驱动系统排放较低，但是燃油的经济性还有待提高，这主要是因为在电能与机械能的转化过程中存在较大的效率损失。所以这种系统主要用于城市大客车，在轿车中很少用。并联式混合动力驱动系统。并联式驱动系统原理如图2所示。发动机与电动机可以分别独立向汽车提供动力，不需要先把发动机动力转化为电力。由于发动机的机械能可以直接输出到汽车的驱动桥，中间没有能量的转换，所以系统效率较高，燃油消耗也较少。但由于发动机与车辆之间有直接的机械连接，发动机运行工况不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响。混联式混合动力驱动系统。混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其原理图如图3所示。发动机发出的一部分功率通过机械传动输出送给驱动桥，而另一部分则驱动发动机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池。电动机产生的驱动力通过复合装置传送给驱动桥。在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速行驶时，则以并联式工作方式工作。它充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发电机，发动机，电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下能是系统在最优的状态下工作，所以更容易达到控制排放和油耗的目的，因此是最具有影响力的HEV。国内外混合动力汽车的发展状况一、电动汽车发展现状1国外主要国家电动汽车发展情况世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和突破。第一，日本一直以来，出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界汽车市场的考虑，日本十分重视电动汽车的研制与开发。从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。该轿车于2000年7月开始出口北美，同年9月开始出口欧洲，现在已经在全世界20多个国家上市销售。目前推出的产品已经是多次改进后的第二代产品，其生产工艺更为成熟。根据丰田汽车公司的测试，PRIUS轿车在城市工况下比同等排量的花冠轿车节油444；在市郊节油297，综合节油405。有关统计数据显示，丰田汽车公司已占有全球混合动力汽车市场90的份额。2004年9月15日，一汽集团与日本丰田汽车公司在北京举行了混合动力汽车合作项目签字仪式，宣布双方在2005年内共同生产丰田PRIUS混合动力轿车。PRIUS混合动力轿车将在同年进入中国市场。继PRIUS混合动力轿车之后，丰田汽车公司还推出了ESTIMA混合动力汽车和搭载软混合动力系统的CROWN轿车。丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前列。此外，本田汽车公司开发的INSIGHT混合动力电动汽车也已投放市场供不应求。2002年4月，本田汽车公司在美国市场上投放了CIVIC混合动力汽车。日产汽车公司近日宣布，将于2006年向美国市场销售AHIMA牌混合动力汽车，这是其于2002年与丰田汽车公司签署联合生产混合动力汽车协议的第一个产品。第二，美国混合动力汽车的发展。美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少，三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，来自日本的混和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，其中通用汽车公司投入148亿美元福特汽车公司投入138亿美元，克莱斯勒汽车公司投4808万美元，进行为期5年的研制开发工作，并于1998年北美国际汽车展上展出了样车。在此基础上。现已推出三款混合动力概念车GMPRECEPT、FORDPRODIGY、DAIMLERCHRYSLERDODGEESX3。2004年12月14日通用汽车公司与戴姆勒一克莱斯勒汽车公司对外宣布双方将在开发混合动力电动汽车的技术领域携手，共同推进此项技术的发展。2我国电动汽车发展情况与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着“十五”期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑设立“电动汽车重大科技专项”，通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关为此，从2001年10月起，国家共计拨款88亿元作为这一重大科技专项的经费。我国电动汽车重大科技专项实施4年来，经过200多家企业、高校和科研院所的2000多名技术骨干的努力，目前已取得重要进展燃料电池汽车已经成功开发出性能样车，燃料电池轿车累计运行4000KM，燃料电池客车累计运行8000KM；混合动力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过14万KM；纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家有关认证试验。燃料电池汽车。均采用电一电混合驱动方案，在整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到较大提高。2004年5月在北京召开的世界氢能大会上，我国自主研发的燃料电池轿车和客车样车与世界领先的奔驰公司样车同堂展示，引起了世界的惊赞。在10月举行的必比登世界清洁汽车挑战赛上，我国自主研发的燃料电池轿车在7个单项奖中获得5个A在高速蛇行障碍赛、噪音、排放、能耗、温室气体减排5个单项指标方面的最高等级的好成绩，燃料电池城市客车也以较高的技术性能和可靠性在挑战赛中取得了良好的成绩。混合动力汽车。一汽、东风、长安、奇瑞等汽车公司对此都投入了较大的人力、物力。各车型均已完成功能样车开发。2003年11月8日，湖北省启动武汉电动汽车试验示范运行工作，先后投入A6辆由东风电动车辆股份有限公司研制的混合动力客车，已累计运行14万KM，载客15万人次；混合动力轿车按ECE城市工况与基本车型进行的对比试验显示，其燃料经济性提高40左右，达到了节油的目的。长安汽车公司采用同轴ISG轻度混合方案，成功开发了第二轮功能样车和第三轮性能样车，并在国内率先开展了混合动力专用发动机开发。经过国家检测机构测试动力性能接近参考车的水平，综合油耗降低接近17，