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1、基于新能源技術(shù)的混合動(dòng)力汽車的研究進(jìn)展分析摘 要:隨著環(huán)境保護(hù)和能源危機(jī)的問題日益顯著,新能源汽車漸漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。而在太陽能、純電能等替代能源真正進(jìn)入實(shí)用階段之前,混合動(dòng)力汽車因其顯著優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。本文主要介紹了混合動(dòng)力汽車的分類、工作模式、優(yōu)缺點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了預(yù)測(cè)。關(guān)鍵詞:新能源;汽車;混合動(dòng)力0 前言隨著環(huán)境保護(hù)和能源危機(jī)的問題日益顯著,全球汽車工業(yè)正面臨著石油能源貧乏和環(huán)境污染惡化的巨大挑戰(zhàn)。在這樣的背景下,破解能源環(huán)境制約、尋找新型能源,已成為全球汽車行業(yè)的廣泛共識(shí),進(jìn)而使得新能源汽車漸漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。目前新能源汽車的技術(shù)路線主要有清潔柴油

2、、混合動(dòng)力、純電動(dòng)和燃料電池等技術(shù)。其中,清潔柴油、純電動(dòng)和燃料電池技術(shù)在中短期內(nèi)均存在技術(shù)瓶頸,無法進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣,而混合動(dòng)力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化條件相對(duì)成熟,混合動(dòng)力汽車在未來510年將獲得巨大發(fā)展。混合動(dòng)力汽車(Hybrid Electric Vehicle,簡(jiǎn)稱HEV),是指那些采用傳統(tǒng)燃料的,同時(shí)配以電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)來改善低速動(dòng)力輸出和燃油消耗的車型。按照燃料種類的不同,主要又可以分為汽油混合動(dòng)力和柴油混合動(dòng)力兩種。1 新能源汽車的概念及分類1.1 新能源汽車的概念新能源汽車是指除汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)之外所有其它能源汽車。包括燃料電池汽車、混合動(dòng)力汽車、氫能源動(dòng)力汽車和太陽能汽車等。其廢氣排放量比較

3、低。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全世界現(xiàn)有超過400萬輛液化石油氣汽車,100多萬輛天然氣汽車。中國市場(chǎng)上在售的新能源汽車都是混合動(dòng)力汽車。新能源的定義主要有如下要點(diǎn): 以新技術(shù)和新材料為基礎(chǔ);明確包括生物質(zhì)能等在內(nèi)的開發(fā)重點(diǎn);新能源應(yīng)該是對(duì)環(huán)境友好、是可持續(xù)發(fā)展的;能替代化石能源。根據(jù)新能源的定義分析, 不僅僅電動(dòng)車是新能源汽車, 而且使用生物燃料 (甲醇、乙醇、二甲醚等 ) 的汽車也是新能源汽車, 當(dāng)前對(duì)我國來說也應(yīng)該作為開發(fā)的重點(diǎn)。1.2 新能源汽車的分類新能源汽車可分為混合動(dòng)力汽車(HEV)、純電動(dòng)汽車(BEV)、燃料電池汽車(FCEV)、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車以及燃?xì)馄嚒⒋济哑嚨取? 混合動(dòng)力汽車的研究

4、背景隨著近年來全球的氣候環(huán)境的急劇惡化,世界各國都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生態(tài)環(huán)境的重要性,許多大型汽車公司正致力于研發(fā)生產(chǎn)新能源汽車。從上世紀(jì)90年代開始,全球各大汽車公司首先把目光放在電動(dòng)汽車上,但是由于車用蓄電池的能量密度低、質(zhì)量較大,使得純電動(dòng)汽車的行駛里程短且成本較高,很難市場(chǎng)化。而混合動(dòng)力汽車則能較好的解決這一難題。從廣義上來講,混合動(dòng)力汽車是表示多于一種原動(dòng)機(jī)的車輛驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。混合動(dòng)力機(jī)構(gòu)可備有幾種相似的或者不同形式的貯能裝置和功率轉(zhuǎn)換器,這樣可在不同的使用條件下利用各自的優(yōu)點(diǎn),從而使得混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的總效益勝過這套機(jī)構(gòu)所增加的費(fèi)用。這種混合了傳統(tǒng)和電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠明顯地減少汽車排放和降低油耗,

5、并可以達(dá)到傳統(tǒng)汽車同樣的行駛距離。3 混合動(dòng)力汽車的分類由內(nèi)燃機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)結(jié)合的混合驅(qū)動(dòng),是目前唯一受到關(guān)注的混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它有3種布置形式,這3種布置的主要差別在于動(dòng)力源的串聯(lián)或并聯(lián)布置。3.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車實(shí)際上是由一輛由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電,再向電動(dòng)機(jī)輸出扭矩而運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)汽車,在車輛上裝有蓄電池,用來儲(chǔ)存發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。當(dāng)然,隨著燃料電池與太陽能電池的不斷進(jìn)步,可以用燃料電池取代發(fā)動(dòng)機(jī),形成新一代的燃料電池混合動(dòng)力汽車。下圖是串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力流程圖。3.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車這是一種發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)使用的混合方式。在車輛行駛時(shí),以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?,在車輛起步或加速時(shí)

6、則式電動(dòng)機(jī)工作,作為輔助驅(qū)動(dòng)力。在發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低的低負(fù)荷工況時(shí),則電動(dòng)機(jī)功能轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電及功能,向蓄電池充電。其次,在車輛制動(dòng)或下坡減速行駛時(shí),則通過制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)能量回收,進(jìn)行發(fā)電,并向蓄電池充電。而當(dāng)車輛停止時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),以限制能量的消耗。下圖為并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力流程圖。3.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車這種方式是在并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中,增加一個(gè)專用發(fā)電機(jī),按照車輛行駛工況,分別使用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)和并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng),以提高能量使用效率。下圖是混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車動(dòng)力流程圖。4混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀4.1國外混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀在國際上,美國、日本以及德國等發(fā)達(dá)國家對(duì)開發(fā)新能

7、源汽車高度重視,先后制定了研發(fā)生產(chǎn)以及購買新能源汽車的諸多優(yōu)惠政策,其新能源汽車的相關(guān)的技術(shù)也上升了一個(gè)新的高度。這些發(fā)達(dá)國家每年用于新能源汽車的科研開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的資金不低于10億美元,如此巨大的資金投入加快了新能源汽車行業(yè)技術(shù)的發(fā)展和銷售規(guī)模的擴(kuò)大。目前,混合動(dòng)力汽車全球已經(jīng)累計(jì)銷售100萬輛。目前,美國是全球最大的混合動(dòng)力汽車銷售國家。2008年,美國混合動(dòng)力汽車銷量為31.4萬量。盡管如此,混合動(dòng)力汽車在美國汽車的銷量中也僅占2.4%,因此新能源汽車的銷售市場(chǎng)還有巨大的潛力。美國設(shè)立了一個(gè)250億美元的基金,用于支持廠商對(duì)新能源汽車的研發(fā)和生產(chǎn),預(yù)計(jì)到2015年,美國本土將有100萬

8、輛混合動(dòng)力汽車投入使用。日本豐田公司的“COASTER”“PRIUS”、美國通用公司的“EV-1”法國雷諾公司的“KANGOO”和意大利的“IVECO”等混合動(dòng)力汽車均已上市。1999年,豐田公司的普銳斯混合動(dòng)力轎車在日本的銷量達(dá)到3萬多輛。意大利依維柯公司的12米混合動(dòng)力大客車已經(jīng)作為城市公交用車順利運(yùn)行了幾年,在熱那亞市中心的19路公交車就有19輛這種混合動(dòng)力大客車在運(yùn)行。4.2 國內(nèi)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀我國新能源汽車的發(fā)展始于上世紀(jì)90年代,“十五”規(guī)劃以來,國家制定了新能源汽車科技規(guī)劃,先后投入了20多億的研發(fā)經(jīng)費(fèi),目前許多高校已經(jīng)將其作為重點(diǎn)的課題。隨著全球汽車工業(yè)中心開始轉(zhuǎn)向中國

9、市場(chǎng),新能源汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度明顯加快,目前研發(fā)和研制的生產(chǎn)企業(yè)超過了200家。作為汽車的生產(chǎn)和消耗大國,中國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入高速前進(jìn)的階段。以下是國內(nèi)部分企業(yè)混合動(dòng)力汽車的研發(fā)現(xiàn)狀。一汽:一汽集團(tuán)將與豐田合資生產(chǎn)豐田普銳斯混合動(dòng)力轎車;一汽自主研發(fā)的解放牌混合動(dòng)力城市客車也已通過國家“863”電動(dòng)車重大專項(xiàng)專家組的項(xiàng)目驗(yàn)收。上汽:與上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)共同簽署了新能源汽車戰(zhàn)略合作協(xié)議;上汽與通用合作開發(fā)的混合動(dòng)力汽車已經(jīng)投入運(yùn)行;上汽與大眾聯(lián)合開發(fā)的混合動(dòng)力轎車也于2008年6月小批量投產(chǎn)。東風(fēng):混合動(dòng)力公交車已于2005年7月27日完成最終產(chǎn)品的定型樣車試驗(yàn)并通過驗(yàn)收。長安:具有完

10、全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的羚羊混合電動(dòng)車已經(jīng)生產(chǎn)出樣車;裝備混合動(dòng)力技術(shù)的長安CV9已于2006年底下線。奇瑞:建立了國家節(jié)能環(huán)保汽車工程技術(shù)研究中心,并已對(duì)混合動(dòng)力車進(jìn)行了驗(yàn)收;同時(shí)將與英國紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)進(jìn)行混合動(dòng)力項(xiàng)目合作。吉利:旗下的傷害華普汽車已與同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院簽署合作協(xié)議,并已初步完成混合動(dòng)力轎車商業(yè)化生產(chǎn)過程。5 混合動(dòng)力汽車面臨的關(guān)鍵性技術(shù)問題5.1 混合動(dòng)力汽車要市場(chǎng)化實(shí)用化,需要具備高比能量和高比功率的能量存儲(chǔ)裝置,低成本、高效率的功率電子設(shè)備以及燃料經(jīng)濟(jì)性高、低排放的發(fā)動(dòng)機(jī)。所面臨的關(guān)鍵性技術(shù)和需要解決的問題包括以下幾個(gè)方面:(1)混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)和關(guān)閉頻繁,使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和附件(

11、如空調(diào)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向裝置等)的電能管理變得復(fù)雜。這就需要先進(jìn)的檢測(cè)和控制系統(tǒng),以熱力發(fā)動(dòng)機(jī)為主的混合動(dòng)力單元在將燃油轉(zhuǎn)化為有用功的同時(shí),既要提高轉(zhuǎn)化效率,還要滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。(2)能量存儲(chǔ)裝置(電池)要具有較高的比功率,滿足汽車加速和爬坡時(shí)的大功率需要。能量存儲(chǔ)裝置必須采用熱能控制管理,要有較高的比能量、較長的使用壽命和低廉的制造成本。(3)需要建立更先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(包括靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的),這是計(jì)算機(jī)仿真和分析的基礎(chǔ)。(4)制定完善的混合動(dòng)力汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī),為混合動(dòng)力汽車的市場(chǎng)化奠定基礎(chǔ)。(5)電力電子器件必須減小尺寸、減輕質(zhì)量和降低制造成本。5.2 混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的常見問

12、題混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的主要目的是研究配氣相位、進(jìn)排氣系統(tǒng)、壓縮比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響,從而得到適合混合動(dòng)力汽車的專用發(fā)動(dòng)機(jī)的最優(yōu)配氣相位、進(jìn)排氣系統(tǒng)及壓縮比方案,提出相應(yīng)設(shè)計(jì)方案,并根據(jù)設(shè)計(jì)方案對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。與國外的先進(jìn)水平相比,在混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)方面,仍有較大差距,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:5.2.1測(cè)試裝備的技術(shù)水平有待提高受原材料和生產(chǎn)工藝的限制,我國混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試專用設(shè)備的生產(chǎn)水平還不夠高,且品種不全、配套能力較差。不少高水平的傳感器嚴(yán)重依賴于進(jìn)口。應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)測(cè)試技術(shù)和器件的研制開發(fā),由于現(xiàn)在許多測(cè)試系統(tǒng)的精度主要是受到傳感器精度的限制,因而要特別注意研制開發(fā)高精度的一次儀表

13、(傳感器或變送器)。測(cè)功器是發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)最基本的設(shè)備,雖然我國不少企業(yè)從事這方面的生產(chǎn),但大功率水力、電渦流、交流測(cè)功器在國內(nèi)市場(chǎng)上仍然空缺。自動(dòng)化試驗(yàn)臺(tái)及控制系統(tǒng)在功能上能夠滿足要求,但可靠性差,且系統(tǒng)精度低。以激光為代表的光學(xué)技術(shù),雖然在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域己得到廣泛的應(yīng)用,但儀器、設(shè)備的關(guān)鍵零部件仍依賴進(jìn)口。自主研發(fā)能力不足。近些年,我國大量引進(jìn)國外先進(jìn)測(cè)試設(shè)備的生產(chǎn)技術(shù),使我國發(fā)動(dòng)機(jī)專用測(cè)試設(shè)備生產(chǎn)的技術(shù)水平與國外先進(jìn)水平的差距有所縮?。坏M(jìn)一步自行研發(fā)的能力明顯不足,仍未完全擺脫“引進(jìn)提高再引進(jìn)再提高”的模式。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收,進(jìn)行二次開發(fā),擴(kuò)大應(yīng)用范圍。要充分利用引進(jìn)的技

14、術(shù)和設(shè)備,加強(qiáng)科研院所、高等院校與專業(yè)生產(chǎn)廠家的合作,集中優(yōu)勢(shì)力量對(duì)我國發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域中迫切需要解決的難題進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。在注意國產(chǎn)測(cè)試儀器、儀表的設(shè)備性能和功能研發(fā)的同時(shí),要特別重視保障可靠性,從設(shè)計(jì)、試制、工藝、生產(chǎn)、售后服務(wù)等環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān),形成一套國產(chǎn)化的可靠性把關(guān)標(biāo)準(zhǔn),只有這樣才能提高國產(chǎn)化儀表設(shè)備的信譽(yù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。5.2.2測(cè)試方法、標(biāo)準(zhǔn)需要補(bǔ)充完善我國發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容和水平,還局限于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品常規(guī)性能測(cè)試評(píng)價(jià)方面。針對(duì)新型混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)驗(yàn)證、技術(shù)匹配、技術(shù)參數(shù)的子項(xiàng)指標(biāo)精確評(píng)定等,還沒有專用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,如目前較流行的燃燒特性、NVH、適于中國特定工況模擬等。5.2.

15、3測(cè)試條件控制要求與試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正方法尚需研究確定由于發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)包括發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品研發(fā)驗(yàn)證、批量產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控測(cè)試、節(jié)能產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)及其性能比對(duì)測(cè)試、產(chǎn)品質(zhì)量問題分析與改進(jìn)試驗(yàn)、科研成果實(shí)際驗(yàn)證、發(fā)動(dòng)機(jī)原理教學(xué)演示等多種類型,而常規(guī)的試驗(yàn)要求,只是一個(gè)較寬泛的條件限定,因而針對(duì)不同的試驗(yàn)?zāi)康?,?yīng)明確制定出具體的試驗(yàn)條件控制要求、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確表達(dá)方式以及數(shù)據(jù)修正方法等。6 混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)前混合動(dòng)力汽車一般是指內(nèi)燃機(jī)加發(fā)電機(jī),再加上蓄電池的電動(dòng)汽車。混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)是:(1)采用混合動(dòng)力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機(jī)的最大功率,此時(shí)在油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。當(dāng)需要大功率而內(nèi)燃機(jī)功率

16、不足時(shí),則由電池來補(bǔ)充;當(dāng)負(fù)荷少時(shí),富余的功率可發(fā)電給電池充電,由于內(nèi)燃機(jī)可持續(xù)工作,電池又可以不斷得到充電,因而其續(xù)駛里程和動(dòng)力性可達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平。(2)因?yàn)橛辛穗姵?,可以十分方便地回收制?dòng)、下坡、怠速時(shí)的能量,更加節(jié)能環(huán)保。(3)在繁華市區(qū),啟動(dòng)和停車頻繁時(shí)可關(guān)閉內(nèi)燃機(jī),由電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)“零”排放。(4)空調(diào)、真空助力、轉(zhuǎn)向助力及其他輔助電器,借助原動(dòng)機(jī)動(dòng)力,無需消耗電池組有限電能,從而保證了乘坐的舒適性,不會(huì)有純電動(dòng)汽車遇到的難題。(5)可以利用現(xiàn)有的加油站加油,不必再投資建造專用燃料補(bǔ)給站。7 混合動(dòng)力汽車的發(fā)展前景混合動(dòng)力汽車在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)日漸成熟,有些已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。由

17、于構(gòu)造復(fù)雜,成本較高,在純電動(dòng)汽車普及之前,混合動(dòng)力汽車只是一種過渡產(chǎn)品。從目前的發(fā)展來看,以計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù),各種智能控制系統(tǒng)包括自適應(yīng)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)(Fuzzy)、專家控制系統(tǒng)(Expert System)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Neural Networks)等在混合動(dòng)力汽車上的逐漸應(yīng)用,將進(jìn)一步促進(jìn)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展。與傳統(tǒng)型汽車相比,混合動(dòng)力汽車充分吸取了電力/熱力系統(tǒng)中最大的優(yōu)勢(shì),在節(jié)能和排放上勝出一籌;與純電動(dòng)汽車相比,混合動(dòng)力汽車的電壓和功率等級(jí)與電動(dòng)車類似,但蓄電池容量大大減小,因而其造價(jià)成本低于純電動(dòng)汽車。從上世紀(jì)90年代起,全球掀起研發(fā)生產(chǎn)混合動(dòng)力汽車的競(jìng)爭(zhēng)熱

18、潮,21世紀(jì)混合動(dòng)力汽車有可能成為汽車工業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品?;旌蟿?dòng)力汽車具有低排放、低噪音等優(yōu)點(diǎn),并保持了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)m(xù)駛里程長的優(yōu)點(diǎn),混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式的汽車不論是在小轎車還是大型車輛(如公交汽車)領(lǐng)域中,都將有巨大的發(fā)展?jié)摿土己玫氖袌?chǎng)前景。參考文獻(xiàn)【1】王志杰. 混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力汽車的研究進(jìn)展.福建信息技術(shù)教育.2005年12月.【2】黃良學(xué). 新能源混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中的常見問題分析. Equipment Manufactring Technology No.6,2010【3】趙強(qiáng),史文濤,龐立江. 簡(jiǎn)析我國混合動(dòng)力電動(dòng)汽車現(xiàn)狀及發(fā)展前景. 石家莊理工職業(yè)學(xué)院學(xué)術(shù)研究.2010年9月. 第5卷 第3期.【4】王志杰. 淺談混合動(dòng)力汽車工作模式和控制策略. 福建信息技術(shù)教育. 2007年第2期.【5】張智華. 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的優(yōu)化探討. 裝備制造技術(shù). 2010年第8期.【6】王歡.

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