混合动力汽车发展概况

1、混合动力汽车发展概况前言混合动力汽车:混合动力装置是将传统发动机尽量做小一点,让一部分动力由电池- 电动机系统来承担,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、低噪声的优点。混合动力汽车是采用传统的内燃机和电动机作为动力源,通过混合使用人力和电力两套装置开动汽车达到节省燃料和降低排放污染的目的,实用的内燃机既有柴油机又有汽油机,但是共同的特点是排量小、质量轻、速度快、排放好。电动系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。混合动力汽车按照能量的合成主要分为串联式和并联式两种。混合动力汽车与纯电动汽车相比,降低了对电池能量密度和容量的要求,减轻了电池部分的质量,有利于

2、提高汽车的质量利用系数;动力性、续驶里程以及乘员的舒适性都得到了保证;无需增加充电设施,易于推广应用。与传统的汽车相比,原动机经常处于最佳工况,降低了排放;能量自动回收,提高了能量利用率;采用纯电动行驶模式,可以在特定的区域实现零排放。混合动力汽车除发动机、电动机、蓄电池等各种单元基础外,重要的技术是各系统的电子控制技术和整车的动力系统优化,匹配好的系统能达到节省燃料50%、排放下降80%、制动能量回收达到30%。“十一五”期间,重点研究开发和掌握混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车、代用燃料汽车整车和零部件的关键技术,建立整车评价平台,推动标准体系的建设,促进节能环保机车的产业化。国际上对

3、哪种技术才是汽车产业的发展方向存在很多争议。就目前现状来看,混合动力汽车凭借其较为成熟的技术,结合我国汽车工业的技术状况,发展混合动力汽车较为适宜一、      国外混合动力技术发展现状及趋势随着人们对可持续发展的认识程度越来越高, 各国政府也将可持续发展战略列入首选课题。上世纪90年代以来, 国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研制和开发。很多公司采用了包括现代电子、精密机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术, 使不少样车的主要动力性指标达到了燃油汽车的水平。进入21 世纪后, 各国加快了HE

4、V 的概念产品化的进程, 相继推出了不同型式的HEV 产品, Toyata 的Prius、Honda 的Insight 、Ford 的Prodigy、Daimler Chrysler 的ESX3、GM的Precept 、Nissan 的Tino 等都是具有代表性的车型, 其中Prius 和Insight 已是成熟的产品, 并将继续扩大生产规模, 其它车型也将在23 年内推向市场。很多车型都显示出了优良的环保与节能性能。这标志着HEV 市场的逐渐成熟。随着各国环境立法的日趋严厉, 电动汽车、混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低, 混合动力汽车的市场份额逐渐增大,已成为重点发展的新型汽车

5、。日本混合动力型汽车发展状况1997 年12 月在日本京都召开的防止地球温暖化会议, 具体确定了发达国家温室效应气体排放的削减目标, 进一步加快了日本有关各界对于环保措施制定和实施的步伐, 特别是汽车产业投入前所未有的力量致力于低燃料费、低污染汽车的研制开发。目前的低燃料费、低污染汽车主要是以直喷式发动机为主,另外还有电动汽车、燃料电池汽车、甲醇汽车、天然气汽车、混合动力型汽车等, 这些采用不同动力燃料的汽车均具有各自的优点和不足。例如: 直喷式发动机是在高技术的支撑下诞生的, 使其进一步提高性能存在相当大的难度;电动汽车充电一次行走距离短,而且需要配置充电设备; 天然气汽车虽然能够减少二氧化

6、碳排放但也具有一定的限度; 燃料电池汽车则存在燃料氢的存储问题等。但是,由于混合动力型汽车与汽油燃料汽车相比, 不仅燃料费用减少一半, 而且二氧化碳的排放量可降低至普通车的1/ 2 , 排放的有害气体也可削减到规定值的1/ 10 , 具有低燃料费和低污染双重优势。因此, 日本的汽车制造业普遍认为混合动力型汽车是目前最具有开发前景的车种。1. 日产汽车制造公司1997 年5 月16 日该公司开发出了可以使连续行驶距离增加一倍的串联式混合动力型微型轿车(排气量1300CC、搭载汽油发动机) 。同年9 月30 日日产又开发出使燃料费降低一半,并且可以批量生产的并联式混合动力型汽车系统。日产开发混合型

7、汽车其动力传送系统的主要设计思想与丰田公司基本相同, 大致可概括为: 将动力源分为汽油发动机和A、B 两个电动机,根据不同的行驶状况,使之达到最佳利用状态。即起动和低速行驶时(约30 公里/ 小时以内) , 仅利用A 电动机驱动; 中速行驶时利用发动机驱动(但急加速时A 电动机也进行辅助动力传送) ; 减速时则将电动机作为发电机使用,进行能量回收。B 电动机一方面是作为起动发动机, 另一方面在电池的充电量低于一定电平时回收发动机的动能作为发电机使用。从减少排放的角度看, 日产和丰田两家开发的混合动力型汽车基本达到了同一指标。但与丰田公司最大的不同是日产公司于1997 年9月开发出的世界第一台排

8、气量2000CC 级、搭载皮带式无级变速机的混合动力型汽车可使燃料效率进一步提高20 %。由于变速装置完全是电子式控制,因此可根据不同的行驶状态,理想平稳地控制发动机的输出功率和转矩, 提高传动效率。另外, 电池是使用了日产电子研究所和索尼公司共同研制的锂离子电池。关于锂离子电池的实用化问题, 尽管在技术方面还有提出疑问的可能性, 但通过电动汽车搭载考核已经证明并不存在实际应用问题, 目前已经进入了可使用自如的实用阶段。虽然锂离子电池的成本要比镍氢电池高, 但由于把钴电极置换成锰电极的研究正在取得进展, 如果能够实用化则可使成本降低。开发的串联式混合动力型汽车的电池重量仅是电动汽车电池重量的1

9、/ 3 , 并联式还可比串联式轻1/ 3 , 这样为混合动力型汽车的小型化和轻型化奠定了基础。日产公司计划在今年下半年或年底之前将混合动力型汽车投放市场, 并且把开发所有车种的混合动力型汽车作为今后的研究方向。2. 富士重工目前日本大多数汽车制造公司开发的混合动力型汽车的排气量均在1500CC 以上,而富士重工则将研制微型(660CC) 混合动力型汽车作为自己的主攻目标。其原因主要是: 微型汽车在日本国内占有一定的市场, 微型混合动力型汽车无论在重量还是开发成本等方面都具有一定优势, 制造技术也相对简单。目前该公司已经制造出了试验用车体, 实际走行实验模型的测试工作也正在进行, 但批量生产尚没

10、有具体的时间表。在能量存储方面, 富士重工采用了两种不同形式的电池,一种是双层电容器,另一种是锰锂离子电池。前者在起动和加速时可瞬间提供较大的功率, 但存储能量不多。而后者则与电动汽车的电池相似,存储容量大,行驶距离长。根据不同的行驶状态切换使用两种不同种类的电池是该公司开发微型混合动力型汽车的重要设计思想和特色。另外, 在微型车的顶棚装有太阳能吸收板, 利用停车时间可对其进行充电。如果每天平均充电4 5 小时,大约可得到行驶7 8 公里的距离能量。 丰田汽车日前就与其拥有资本合作关系的富士重工业之间的业务合作，发表了生产及开发方面的具体内容。生产方面，将在富士重工业位于美国的工厂开始生产丰田

11、车。开发方面，目前已就委托富士重工业开发丰田车，以及在富士重工业的混合动力车上使用丰田汽车的系统达成了意向。生产委托方面，将从2007年春季开始在富士重工业位于美国印第安纳州的工厂“S U B A R U o f I N D I A N AAUTOMOTIVE, INC.（SIA 公司）”受托生产丰田汽车“佳美（CAMRY）”。计划每年生产10万辆。目前SIA 公司利用两条生产线生产“力狮（L E G A C Y ）”、“O U T B A C K ”、“B A J A ”及“B 9 T R I B E C A ”。其中，将把用于生产B9 TRIBECA 的生产线与另一条生产线整合，空下来的生

12、产线将作为佳美专用生产线进行改造。具体来说，将新导入焊接设备，而涂装设备由两条生线共用。通过生产丰田车，SIA 公司的年产量将达到24 万辆，因此将新雇用1000 名员工。据说富士重工业从2006年2月1日开始已向丰田汽车派遣了10 名生产技术相关技术员。开发方面，由于丰田将委托富士工业进行车辆开发，因此富士重工业从2006年2月1日开始已向丰田汽车派遣了20名技术员。车型等细节将在今后讨论，据说首先将有大约100名技术员参与开发。富士重工目前已与丰田汽车达成了使用丰田混合动力系统的意向。这样，富士重工业将改变原来自主开发混合动力系统的方式，与丰田汽车展开联合开发。富士重工业表示今后将继续与东

13、京电力开发电动汽车，此外该公司还认为与其出资的锂离子充电电池厂商 NECLamilion Energy 之间的关系也“不会受到影响”。通过此次的业务合作，丰田将获得北美生产能力到2008年可增至200万辆的好处。不过丰田表示目前尚未打算提高目前占5的资本合作出资比例。丰田汽车与富士重工今后还将在业务合作方面继续进行磋商。其关联公司中包括大发工业的丰田汽车表示，“目前尚未打算在轻型汽车方面进行业务合作，不过将来也许有可能考虑”。3. 日野汽车制造公司日野汽车制造公司于1997 年12 月18 日开发出的柴油机/ 电气混合型系统(HIMR) 的大功率低污染城市型客车在日本受到好评。所谓HIMR 是

14、通过安装在发动机内的一个三相交流感应式电机,将制动能量变换为电能,对装载在轮距间的铅电池(12V25 个, 总重量600 650 公斤) 进行充电的并联混合动力型系统。由于柴油发动机在加速时应答迟缓, 因此在起动和加速时将三相交流电机作为马达所发挥的辅助驱动能力约占总输出功率的20 %30 % ,高速行驶时约占15 %。到目前为止,日本全国总计有160 台混合动力型大型客车投入运行, 这个数字作为一个公司或作为一个新开发的动力驱动系统在世界范围内都是最多的。大功率混合动力型客车今后的主要课题是进一步减轻重量和改进蓄电池。即如何将铅电池更换成镍氢电池, 进而采用锂离子电池。另外为了回收更多的能量

15、, 日野公司考虑将采用电容器或飞轮蓄电池等方面的技术, 进一步提高节能效率。4. 本田汽车公司本田公司的混合动力汽车采用内燃机带电动机助力（I M A ）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Insight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35km 或32km。已经在美国、日本销售，2001年销量4726 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Accord 混合动力轿车,采用的是V 6 汽油机电动混合动力

16、技术。变气缸管理(VCM, variable cylinder management)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Accord 将比只用汽油机提高性能。本田Insight 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3L 汽油行驶105km 的好成绩（日本法规10 15 工况），而装备了CVT 的车型也创下了3L 汽油行驶了96km 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Insight 的燃油消耗比相当的传统轿车减少55，CO 的排放量

17、是传统汽油机轿车的0 20，HC的排放量是传统汽油机轿车的50。5. 丰田汽车公司丰田公司的Pruise1997 年开始投产，1998 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。例如丰田Prius1.5L 汽油机采用Atkinson 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。Pruise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

18、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。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。Pruise 自1997 年上市至2000 年9月底已经累计生产了7 万辆。2000 年8月根据美国市场需求，对Pruise做了重新设计。其改进后的2001 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Pruise 并在SAE2004 年年会上被选为2004 年的最佳

19、设计车。2004 年Pruise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 97km/h 达到10s;它的燃料经济性，按美国环保署EPA 公路/城市里程为23.21Km/L(55mpg)，前一代为20.26Km/L(48mpg)。Pruise 被认证为超低排放车（S U L E V ），以及先进技术部分零排放车（A T P Z E V ）。该车的排放与传统的汽油车辆相比C O 2 下降5 0 ，H C 、CO 和NOX 排放可以降低90左右，燃油节省一半。美国在混合动力车开发生产中的表现早在1997 年，美国PNGV 就根

20、据当时的进展情况，筛选出压燃直喷(CIDI)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PNGV80MPG(33.78Km/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1999 年制造出柴油机混合动力轿车。如戴- 克公司Dodge ESX3,适度混合动力系统（mild hybrid），福特公司Prodigy，低储能需求(LSR)混合电驱动系统，通用汽车公司Precept，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作计划,并获得了PNGV

21、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。2000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SUV 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CO2 的产生更有意义。已知的一些车型有: 戴- 克公司PowerBox hybrid SUV(用一台CNG2.7L V6 发动机),Combatt C2 Hybrid(5.9L 6 缸增压柴油机);福特(Escape

22、hybrid SUV),通用Paradi GM SUV(采用V6 或I4 发动机)。从90 年代开始, 美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合, 并以混合动力电动汽车为重点对象,由能源部牵头, 包括运输部和国防部, 斥巨资组织各大汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。1993 年9 月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁共同提出了美国“新一代汽车合作伙伴计划” (简称PN GV 计划) , 旨在开发新一代高效节能汽车。混合动力电动汽车计划是1997 年底美国重新确定的PN GV 计划4 个重点领域之一。此外美国先进项目局(ARPA) 于1993 年订立电动

23、汽车( EV) 和混合动力电动汽车( HEV)项目, 出资2 500 万美元, 与各州、地方和私人投资以不低于1 1 的资金比例研究EV 和HEV 技术。1994 年ARPA 项目投资已增加到4 600 万美元。1993年和1996 年, 美国能源部分别与通用汽车公司、福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司签定了总额达3161亿美元的混合动力电动汽车系统开发子合同, 并许下诺言: “至2000 年, 一定要使混合动力汽车成为美国公路上司空见惯的车辆”。随着PN GV 计划的实施,美国三大汽车公司进行了一系列的整车技术开发和研制工作。通用汽车公司同时致力于串联式混合动力电动汽车和并联式混合动力的研制。在

24、1998 年1 月的底特律北美国际汽车展上, 通用汽车公司推出了EV1 型4 座混合动力电动汽车。福特汽车公司已开发出福特P2000 型5 座并联式混合动力电动汽车, 预计2000年可投放市场; 福特新开发出的“优异2010”概念车实验平台的性能已达到了PN GV 计划的部分目标:每加仑汽油行驶80 英里。1998 年1 月, 克莱斯勒汽车公司宣布开发出道奇无畏ESX2 串联式混合动力电动汽车, 预计2003 年可投放市场。1997 年由美国宇航局(NASA) Lewis 中心、俄亥俄州政府和工业界、大学等9 个单位合作, 开发出串联式电动- 喷气涡轮混合动力大客车, 预计2000 年投放市场

25、。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。1.8LTDI 柴油机轿车燃油经济性大约是21.1Km/L,价格则低于本田的Civic。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。欧洲也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、研制及推广方面的工作。法国雷诺公司研制的

26、VERT和HYMME 两款混合动力电动汽车已在法国接受了10000km 的运行试验。并于1998 年研制出电动(汽油) 两用车, 取名为NEXT , 样车已经向公众展出。这种电动汽油两用车前部装有一台汽油发动机; 两台7kW电动机装在两个后轮上。当时速在40km 以下时, 由电动机驱动; 达到40km 以上时由汽油发动机驱动, 同时可为电瓶充电, 最大时速达142km ; 若再加速, 此时电瓶会提供辅助动力, 最高时速可达169km。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃FL6 卡车改装的混合动力电动汽车, 最高时速可达90km。德国已有几十辆混合动力大客车在斯图加特和威塞尔市运行。德国公司生产的并

27、联式混合动力电动车Duo已小批量生产, 现在德国已开始出租, 预计4 年内租出500 辆。最近, 德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求, 将不允许百公里油耗超过5 升的轿车上路, 这也促使人们更多地把希望寄托在混合动力汽车上。保时捷公司一直以来，混合动力车型都是以中低档家用车为主，如丰田prius、本田insight等，全是低价位的小型车。不久后，著名高档车品牌保时捷也将推出混合动力车型，从而为混合动力家族增添一款贵族新丁，这就是顶级豪华SUV 卡宴Cayenne 的混合动力版。保时捷公司是在第61 届法兰克福车展上宣布这一消息的。他们计划在2010年左右生产以S U V （多功能运动车

28、）“Cayenne”为原型的油电混合动力车。混合动力款Cayenne将保持保时捷独有的动力性能，同时还将把燃烧效率提高15左右，这将从根本上改变大型SUV越野车费油的弊病。混合动力款Cayenne装有一个传统的汽油发动机和一个新的电动机系统，它们可以单独或协同地为汽车提供动力。电动机中还装有一个专用的离合器，可以使电动机完全独立地工作，当需要时可以随时启动。整个动力系统完全采用电子控制，可以时刻检测发动机节流阀的位置，它决定了位于车辆尾部的电池的蓄电情况。当电动机离合器关闭时，汽油发动机和电动机一起提供动力，当电池的电量消耗光时，电动机就会自动停止而完全靠发动机提供动力。这套混合动力系统在城市

29、路况行驶时的优势最为明显。在拥挤的道路中，车辆不断的停车和启动，而且行驶速度也比较慢，这时就可完全依靠电动机提供动力，从而大大降低油耗。而且在制动时，由于行驶惯性而产生的能量也将被储存到电池中，而不是像以前那样白白浪费，这样就为电动机提供了额外的动力。这套混合动力系统由保时捷和德国大众集团联合开发。大众集团的奥迪公司刚刚发布的，以SUV（多功能运动车）“Q7”为原型的混合动力车，也将采用这套系统。二、      国内混合动力发技术展现状及趋势我国目前也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发, 一些单位的起步研究工作正在展开, 国家科技部已将其作为

30、“十五”863 重大专项的内容。我国有关电动汽车的研制开始于上世纪90 年代。广东省研究开发电动汽车的院校和企业分布于广州、深圳、珠海、南海、顺德和江门等城市, 从1996 年开始, 广东省科委统一协调组织研制电动汽车, 并取得了可喜的进展。清华大学研制了电动中型客车; 中国远望(集团) 总公司与北京理工大学、国防科技大学和河北胜利客车厂等单位联合, 于1996 年3 月研制成功了51 座YW6120 型电动大客车。在此基础上, 我国混合动力汽车的研制也有了一定的进展。1998 年清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车; 同年, 江苏理工大学承担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目ZJ

31、 K 6700HEV 串联式混合动力公交轻型客车的研制, 目前样车的研制工作已结束。长春第一汽车制造厂在2001 年4 月19 日闭幕的第3 届北京国际清洁车展上推出一款混合动力轿车红旗CA7180AE , 这是长春第一汽车制造厂汽研所、美国电动车亚洲7 公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作的成果。这款串联式的混合动力轿车属中高档, 发动机为13kW汽油机, 电机为直流15 kW, 144 V (105 Ah) 铅酸电池, 4 2 前驱动型式, 最高车速可达135 km/ h。清华大学与沈阳金杯客车制造有限公司在2001 年3 月签订了“SY6480 混合动力客车的研制与开发”合作项目

32、的合同。清华大学通过参加国家“八五”、“九五”电动汽车的科技攻关课题, 在HEV 方面积累了一定的技术基础。深圳明华环保汽车有限公司于2001 年4 月推出了混合电动环保汽车MH6720 , 引起社会各界关注。该车采用的是并联式混合动力系统, 发动机为87kW。电机为312V , 充电次数大于500 次, 异步交流电机平均功率为36 kW, 满载最高车速90 km/ h , 最大爬坡度33% , 续驶程长可达1 080 km , 纯电机驱动时为100 km ,百公里等速油耗7169 dm3 , 乘客数22 人。其尾气排放达欧洲标准, 噪声指标也大大低于国产普通中巴车。东风汽车公司承接“863”

33、混合动力汽车研制项目现已完成, 并已于最近推出混合动力客车样车。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,2005 年在中国生产销售混合动力Pruise,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

34、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。预测表明到2010 年全球混合动力汽车年产可达294 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2008 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

35、在国家高技术研究发展计划(863 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2008 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。上海混合动力汽车的发展上海交通大学承担了国家863计划电动汽车重大专项的关键零部件

36、技术攻关和整车开发。积累了丰富的混合动力汽车开发经验2004年年底，上汽集团汽车工程研究院同上海交通大学、中科院上海微系统所等单位合作，完成了上海市科委、上汽集团“申新动1号”混合动力城市公交车概念样车开发。由上海交通大学和上海华普汽车有限公司合作开发的“海威(Heven)”混合动力轿车,目前已研制了两辆样车,并在2005年11月的上海工业博览会上展出。此外，上海交通大学、同济大学等院校在电动汽车关键零部件技术方面也进行了广泛研究，并取得了大量成果。上海交通大学在多能源动力总成管理系统、整车集成控制器、机电复合制动能量回馈系统、机械式自动变速系统(AMT)"行星轮系电控无级变速系统(

37、EVT)、柴油发动机电控系统、动力蓄电池管理系统、车载高压电安全控制系统、新型二氧化碳电动空调等方面均取得了大量专利和技术积累。同济大学则在电动助力转向、电动空调等电动附件和CD/CD变换器等方面作了大量工作。新一轮的开发于2006年开始。将试制串联、并联等多种混合方式的混合动力公交车。 在并联项目中，还将同步研制AMT和驱动机构总成。通过这一轮工作和一定数量的示范运营，选择比较适合当前技术水平的技术路线，为加速混合动力公交客车的产业化奠定基础。上海发展混合动力汽车的展望和建议按节能及排放程度制定长远技术目标，用两个五年计划，在同一产品平台上实现中度及强混合的混合动力轿车的产业化。3 我国发展

38、混合动力汽车的机遇与挑战3.1 机遇在常规汽车技术开发方面, 国内外存在明显的技术差距, 由于合资外方对核心技术的保护和不转让, 为满足巨大的市场需求, 应对竞争对手, 缩短新品推出周期, 目前中国几大汽车厂商均采取引进国外企业先进、成熟的产品进行组装生产或进行适应性改造的方式, 这无形削弱了企业进行自主开发的意愿和动力, 对外方产生高度依赖性。而长此以往, 中国汽车产业将陷入“ 引进落后再引进”的恶性循环, 中国将名副其实地成为世界汽车的装配中心。因此, 混合动力汽车作为一种新兴的节能环保型汽车, 其技术和市场仍然处于一种蓬勃的发展阶段, 国内外还不存在明显的代差, 重视和扶持我国的混合动力

39、汽车产业, 是快速缩短与世界汽车技术水平差距的发展良机, 也是保障我国汽车行业健康持续发展的重要机遇。3.2 挑战行业竞争日本汽车公司如丰田、本田等混合动力技术已经相当成熟, 北美市场对混合动力技术日益高涨的需求, 使得德国整车企业对此趋之若鹜。宝马集团和戴- 克集团一同加入通用开发双模式混合驱动技术; 奥迪、大众和保时捷共同开发混合动力SUV。福特宣布要在2010 年底前实现25 万辆混合动力车的计划。丰田混合动力技术在全球高唱凯歌的现实,推动各大企业发展混合动力和推出各自的混合动力计划。国内企业如一汽、东风、上海大众、上海通用、长安、华普和奇瑞等都推出了混合动力样车,并提出量产化计划。行业

40、竞争使得混合动力发展势在必行。技术阻碍和技术缺失混合动力汽车的关键技术难点在于整车控制器(HVCU) 的软件开发, 同时还有电机及其控制器(MCU)、电池及其管理系统(BMS)、混合动力变速箱(如AMT )、内燃机与电机动力耦合装置、强电的安全防护以及车辆的成本控制等。混合动力要在中国汽车市场大规模地应用, 必须解决电池的技术问题,重复充电、续驶里程技术。回避丰田先入为主的策略丰田有200 多项混合动力专利, 因此我国在研发时就要绕开这些专利, 形成自己的知识产权。国内发展混合动力汽车产业的相关建议成本降低才有机会赢得市场我国目前刚进入轿车社会, 很多消费者购车时考虑的主要因素还是价格, 如果

41、混合动力车定价过高, 购者则会较少。但是, 有个性的、异类的东西在我国也会有一定的生存空间, 如环保意识比较强的人士、比较重视科技的人士以及追求前卫、时尚的人士可能会青睐这款车。因此, 混合动力车目前还是针对小部分人群。降低保养维修费用由于混合动力车是新推出的车型, 其售后、维修体系尚未成熟, 而且混合动力车的部分零部件依靠进口, 这样维修、保养成本会较高。例如混合动力车的蓄电池对性能要求很高, 价格自然不菲。所以要尽快发展和形成混合动力产业链, 降低混合动力车保养维修费用。政府应支持混合动力车的使用基于能源安全和环境保护等国家长远战略利益考虑很多发达国家如美国、日本等对发展混台动力车提供了较

42、大力度的政策支持这些政策可以概括为“ 推拉结台”。即推动企业生产供应和拉动市场购买需求。目前我国除了要把混合动力车的内容归入“ 十一五”规划以外, 还应该制定相关“ 拉推结合”的配套政策, 其中包括制定国家层面上的相应标准。法规和实施政策, 如政府采购、推广试验和对制造商经销商、消费者的税收优惠和补贴等等, 以培育市场的需求。国内汽车企业自主创新混合动力车的研发作为我国汽车产业自主创新、培育自主品牌的一次巨大机遇。由于混合动力技术已经非常成熟、关键零部件如蓄电池, 甚至于可以达到与整车同样的寿命, 因此在研发中。还需充分借鉴国外技术和经验, 缩短我国在这方面的发展进程。但在这一过程中应吸取以往

43、教训, 绝对应防止落入引进、再引进的陷阱之中, 绝不能放弃生产中的自主权。还应相互合作研发, 提高研发速度, 进一步缩短与国外差距。三、      混合动力汽车技术难点分析混合动力系统工作特点混合动力汽车所具备的优点主要表现在以下几个方面:(1) 与同类发动机车型相比, 排放降低。(2) 由于以电动机作为辅助动力, 使发动机能够在发挥良好效率的工况下工作, 并且通过回收制动能量, 提高了整车的燃料经济性。(3) 通过减小发动机负荷降低了噪声。(4) 只需改造目前的加油站, 不必重新投资建设新的燃料供应站。串联式结构的优缺点串联式结构优点为: 发

44、动机总是在最佳工况下驱动发电机, 因此效率高, 有一定节能效果, 排放亦低, 减少了污染; 安装了发动机发电机组, 源源不断地将电能输送给牵引电机, 与电动汽车相比行驶里程有显著的提高; 控制系统功能、结构比较简单,特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电状态决定发电或停止。缺点为: 由于能量传递需要两个转换(机械能电能机械能) , 增加了中间环节, 所以其总体效率较低; 多一台发电机, 使得动力系统的总体质量较大。并联式结构的优缺点并联式结构其优点为: 发动机可以单独驱动汽车, 发动机发出的机械能可以直接传到驱动桥, 以提高效率, 降低能量损失, 减少燃油消耗; 采用电动/发电机可以空载发

45、电, 及时补充蓄电池部分电能, 延长蓄电池续行里程。在较大功率要求的场合, 两套系统可以同时驱动汽车, 由电机提供额外功率, 发动机工作于理想工况区域; 两套系统都可以单独工作,因而系统整体可靠性较高。其缺点为: 由于安装两套动力系统, 整个传动系统的质量较大; 系统结构复杂, 对控制单元要求高, 因而成本昂贵。选型策略我国混合动力汽车的研制开发才刚刚起步, 为加快我国HEV 产品的开发, 研究和借鉴国外的成果是十分必要的。动力系统选型在HEV 开发中处于重要的地位。HEV 与传统汽车及EV 最大的差别是它们的动力系统, 动力系统是HEV 开发工作的核心和难点。因为控制策略是根据不同的混合动力

46、驱动系统进行制定和优化。可以说动力系统结构型式的选择决定了HEV 研究开发的重点和方向, 关系着开发的进度和产品的水平, 是HEV 开发中首要的和关键的一步。因此, 研究开发时必须在深入调研、仔细分析和权衡利弊的基础上, 对动力系统的结构类型作出慎重的选择。在开发中应综合协调性能先进性、技术复杂性和成本及维护费用之间的关系, 根据车辆的使用条件和自己的技术条件, 选择既能够满足一定的性能先进性, 又不超出目前技术条件, 并且价格与维护费用能为市场所接受的动力系统结构类型。为此需要考虑以下因素:(1) 使用条件混合动力系统一般基于特定工况进行设计。这是因为多数动力系统对工况比较敏感, 不同工况性

47、能差别很大, 只有在特定的工况下才能充分发挥低油耗、低排放的优点。(2) 性能要求不同类型的HEV 之间性能差异十分明显, 在选型时必须对由动力系统结构引发的性能差异给予充分关注。如果对加速性能要求高, 就有必要选择配有峰值功率调节器的结构型式; 如果对经济性要求苛刻, 串联式就难以成为合适的选择。(3) 技术条件所谓技术条件, 除研究开发的条件和力量外, 还包括工业基础。强调工业基础是因为对一些常见的动力系统的部件, 我国的产品水平还不能满足需要或尚无法生产。进行实际的产品开发总会有一定的进度要求, 如果技术条件无法保证, 就难以实现预定开发目标。有必要探索适合自己技术条件尤其是工业基础的混

48、合动力结构型式, 提倡结构创新。(4) 开放性开放性是指动力系统需要进一步完善的空间。产品性能是一个逐步完善的过程, 同样开发工作也不可能一步到位, 也需要进行不断的完善。在具体开发工作中应该遵循由简单到复杂、由易到难的思路, 先选择对技术条件要求较低、适当简单的结构进行开发。(5) 成本和使用维护费用动力系统的结构对HEV 成本影响很大, 这是因为不同类型的动力系统对部件的种类、数量和性能要求差别很大。而部件的种类、数量和性能指标是影响HEV 成本的主要因素。选型时还应考虑使用、维护费用, 结构越复杂, 故障率越高, 使用和维护费用也越高。价格和使用维护费用直接关系到HEV 的产业化,如果不

49、能产业化, 就不能为进一步开发提供必要的资金, 也就难以促进技术水平的提高和性能的改善。事实上, 性能优良但因价格过高而无法商业化、甚至被迫放弃的HEV 开发实例并不鲜见, 我们不应重蹈覆辙。鉴于我国目前城市空气污染问题和石油短缺问题都十分严重, 而且技术基础较为薄弱的情况, 优先选择的混合动力系统应为结构相对简单, 适用于普通城市工况的串联式结构和城市间工况的并联式结构, 并以公共汽车和轿车作为重点开发对象。混合动力汽车要进入实用化, 需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置, 低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的发动机, 需要解决的关键性技术问题包括以下几个方面。其一, 混

50、合动力汽车发动机频繁起动和关闭,使驱动系统和附件(如空调和动力转向等) 的电能管理变得复杂,因此需要先进的检测和控制系统; 现有的以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油转化为有用功的同时,需要提高转化效率,同时还要满足严格的排放标准。其二, 能量存储装置(电池) 要具有较高的比功率, 以满足汽车加速和爬坡时对大功率的需要;同时,能量存储装置必须采用热能控制管理,要有较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造成本。其三,必须减小电力电子器件的尺寸,减轻质量和降低制造成本。其四, 需要建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态的和动态的) , 这是计算机仿真和分析的基础。其五, 制定完善的混合动力汽车相

51、关标准和法规, 为混合动力汽车的市场化奠定基础。1. 混合动力单元技术混合动力汽车的动力可以同时来自热力发动机和电动机。在混合动力汽车上,热力发动机又被称为混合动力单元, 与传统汽车发动机相比,其作用发生了变化。在并联混合动力汽车上, 混合动力单元通过传动轴驱动车轮,同时电动机也承担一部分驱动的功能,因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的热力发动机; 在串联混合动力汽车上, 混合动力单元驱动1 台发电机产生电能, 由于汽车的行驶与发动机没有直接的联系, 因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动机, 且其运行工况可以固定于较小的高功率区。当前, 混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和

52、燃料电池。在燃料的使用方面出现了很大的变化, 除了汽油之外, 还有天然气、液化气和酒精等代用燃料。要提高混合动力单元的燃料经济性,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, 并降低起动时的排放等。混合动力汽车的主要目标就是降低排放, 所以, 控制混合动力单元的排放将是今后研究的重点。目前对混合动力单元的研究主要集中于以下几个方面:1 ) 燃烧系统的优化。通过观察燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程, 发现形成NOx的机理, 从而改进燃烧系统。2 ) 尾气处理技术。主要研究高效的尾气催化系统。3 ) 代用燃料的研究。目前的研究表明, 压燃直喷式柴油发动机将是首选的

53、混合动力单元。2. 能量存储技术目前运用于混合动力汽车上的能量储存装置主要还是高能蓄电池, 虽然超级电容器、飞轮电池等新型能量储存装置也在研究开发范畴, 但是近期最有希望进入实用化的还是高能蓄电池。现在, 镍氢电池和锂离子电池已可达到混合动力汽车的使用要求。镍氢电池已广泛地应用于电动汽车。镍氢电池技术的关键是, 其能够储存氢的合金应该是一种能够稳定地经受无数次循环, 反复使用的材料。镍氢电池容量大, 可以循环使用, 主要缺陷是成本高, 效率低, 同时还需要控制氢的损失。锂离子电池电压高, 能量密度大, 有更高的功率, 且充电时间短。目前锂离子电池还处于实验室阶段, 正在进行其基本性能和寿命的试

54、验。从发展看, 能量储存装置的研究包括以下几个方面:1 ) 研究电池内部的连接、检测、监控以及便于将整个电池子系统安装在汽车上的支撑机构。2 ) 电池设计和制造方面的改进。要降低制造成本, 改善电池的性能和提高寿命, 要达到的目标是: 使用寿命达到10 年,至少循环使用12 万次。3 ) 电池的热能管理及剩余电量管理。由于电池的工作温度范围不可能覆盖汽车的工作温度范围, 为了保证电池系统的统一,减少各电池单元之间的不平衡, 需要一个有效的热能控制系统。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。3. 汽车集成电力电子模块随着汽车技术的发展, 传

55、统汽车越来越依赖于复杂的电子技术, 例如: 防抱死制动系统、安全气囊系统和发动机微机控制等先进控制系统, 这种趋势在混合动力汽车上将得到更加充分的体现。混合动力汽车完全由电子控制器来分配功率, 要能够在适当的时间控制各相应子系统输入和输出适当数量和类型的功率。为了满足汽车高速开关控制的要求, 混合动力汽车还需要具有高功率密度、低损耗的开关、电容和电感等。同时, 混合动力汽车还要设有一些分立装置, 例如专用的集成电路、模拟和数字集成电路以及其它功率电子装置。混合动力汽车对智能化的要求导致其控制的复杂性, 因此要求控制装置采用高速运行的半导体芯片, 功率密度高, 散热性能好。在混合动力汽车进入实用

56、化的过程中,一个关键性的部件是汽车集成电力电子模块。它采用现代电子集成技术, 将复杂的电力电子系统集成在一个单一封装内, 能够给汽车提供大约100 kW的功率, 其功率范围为10100 kW。该模块能够实现对整车的控制, 例如, 控制电机的输入和输出功率、发动机的输出功率以及能量储存系统的离合, 同时还能控制再生制动能量的回收与释放, 确定电池的充电状态, 判断是否应对电池充电以及优化控制发动机的起动, 以减少排放。在汽车集成电力电子模块设计和制造过程中所面临的问题有以下几点:1 ) 散热技术。发动机舱的温度范围为- 40225 , 对电力电子模块来说, 工作条件相当恶劣。由于模块封装中芯片密

57、度的增加, 热量密度也会增加, 因此散热技术和散热材料的研究对模块的正常工作以及电子元件的寿命都很重要。2 ) 减小封装体积和质量。要实现这一目标, 需要研究采用新型材料和先进工艺制造的电容器, 并要进行传热效率高的封装,改善金属基体的结构组成, 并需要运用高温焊接技术等。3 ) 降低制造成本, 提高系统的可靠性。4. 电力驱动系统和汽车附件要使混合动力汽车的动力性、经济性、舒适性、安全性和便利性达到广大消费者所能接受的水平, 必须要有高效、经济的电力驱动系统和汽车附件。然而, 这些系统中的有些部件在传统汽车中没有相应件, 所以需要重新开发设计。在开发的同时,要考虑到系统的综合性能、成本和维修

58、性能。1) 电机在混合动力汽车上, 电机的作用是将由发电机或储能装置提供的电能转换为用于驱动车轮的机械能。与传统汽车不同的是,电机在低速时可以提供满载转矩, 而发动机则必须要等到“暴跳如雷”时才能够输出满载扭矩。这样就使混合动力汽车具有出色的起步加速性能。此外,用于混合动力汽车的电机还必须要具有良好的可控性和容错能力, 以及低噪声、高效率,同时具有对电压波动不敏感等性能。用于混合动力汽车的电机类型有交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。目前具有代表性的是交流感应电机, 但这种电机与生俱来就很难解决其功率和效率之间的矛盾。因此, 需要研究出能够用于混合动力汽车的,具有更高效率和功率密度的永磁电机

59、、开关磁阻电机等先进电机, 以替代目前使用的交流感应电机。同时对电机的控制方法和冷却系统的研究也应继续深入。2) 再生制动这种混合动力汽车能够回收制动时消耗的一部分能量。当混合动力汽车制动时,电机变成了发电机, 利用汽车的动能来产生电能,并能够存储在蓄电池中以备后用。在混合动力汽车上, 有许多能量形式可以作为再生制动的储能装置, 例如高速飞轮、超大电容器、弹力装置以及各种热系统等。当然,传统的摩擦制动还是必要的, 这样就需要考虑如何将两套制动装置合理利用、合理控制的问题。制动时, 由电子控制的再生制动系统和摩擦制动系统同时作用,制动性能将明显提高。3)汽车附件任何款式的汽车要得到用户的喜爱, 都必须考虑汽车的舒适性。虽然汽车空调等附件能提高汽车的舒适性, 但所消耗的能量很大,若不