混合動力汽車的探索與研究

1、山東廣播電視大學畢業(yè)設計（論文）混合動力汽車的探索與研究摘要：混合動力汽車采用不同能量轉(zhuǎn)換裝置作為混合動力源，已經(jīng)成為解決環(huán)境污染和能源短缺最具市場潛力的車型之一。許多國家的政府部門、汽車公司和零部件廠商都投入巨資進行混合動力汽車的研究開發(fā)以及關鍵技術研究，目前已有多種產(chǎn)品問世?！笔濉捌陂g，科技部也把混合動力汽車項目列入863計劃電動汽車重大專項的主要攻關技術之一。本文研究內(nèi)容主要有混合動力汽車的機構、原理，圍繞著發(fā)展前景、發(fā)展趨勢開展探索與研究。關鍵字：混合動力,發(fā)展趨勢,前景,市場數(shù)據(jù)引言節(jié)能和排放是當今全球汽車工業(yè)發(fā)展的兩大主題，圍繞這兩大主題各國爭相開展綠色環(huán)保汽車電動汽車的研制與開

2、發(fā)。然而，作為純電動汽車關鍵技術的動力電池技術一直未能取得重大突破，目前成為制約純電動汽車市場化推廣的技術瓶頸。混合動力汽車雖然沒有實現(xiàn)零排放，但其動力性、經(jīng)濟性和排放等綜合指標能滿足當前苛刻要求，可緩解汽車需求與環(huán)境污染及石油短缺的矛盾。在上述背景下，純電動汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的混血兒混合動力汽車應運而生，成為目前清潔汽車中最具有產(chǎn)業(yè)化和市場化前景的車型之一。本文主要就混合動力汽車的概念、開發(fā)現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢作一些簡要介紹，并提出本文研究的主要內(nèi)容。第一章 緒論（一）混合動力汽車概述本節(jié)主要就混合動力汽車的定義、基本工作原理和混合動力汽車的突出點以及混合動力汽車的分類作簡要闡述。（二）混合

3、動力汽車的定義混合動力汽車是電動汽車的一種。國際電工委員會電動汽車技委員會對混合動力汽車的定義為：有多于一種能量轉(zhuǎn)換器能提供驅(qū)動動力的合型電動汽車。此外，也有學者對混合動力汽車作如下定義，即車輛驅(qū)動系統(tǒng)由兩個或多個能同時運轉(zhuǎn)的驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合組成的、車輛的行駛功率需求由單驅(qū)動系統(tǒng)單獨或多個系統(tǒng)共同提供的汽車。（三）混合動力汽車有極佳的燃油經(jīng)濟性能制定混合動力汽車控制策略的主要原則之一就是必須保證在不同的行駛工況下燃料轉(zhuǎn)換裝置、儲能裝置和電動機盡可能多的工作在高效率區(qū)域。這一原則使得混合動力汽車有極佳的燃油經(jīng)濟性能。德國高爾夫轎車采用混合動力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性能比較，運行結果表明前者的燃油消耗比后者降

4、低了56.7%。理論分析和現(xiàn)有混合動力汽車的運行結果已經(jīng)證明?；旌蟿恿ζ嚺c傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，燃油消耗可降低30%40%以上。（四）混合動力汽車有很好的排放性能制定混合動力汽車控制策略的主要原則之二就是保證汽車在不同的行駛工況下，燃油轉(zhuǎn)換裝置盡可能工作在低排放區(qū)域，從而保證混合動力汽車有很好的排放性能。以汽油機的Nox排放為例，美國新一代機動車伙伴關系計劃2000年混合動力概念轎車、日本本田公司和豐田公司混合動力轎車已經(jīng)分別達到美國環(huán)保署、美國加州ULEV、加州SULEV規(guī)定的Nox排放標準。第二章  混合動力汽車的發(fā)展史油電混合動力、電動車并不是環(huán)保成為口號后的時代產(chǎn)物，實際上，

5、早在汽車工業(yè)漸成規(guī)模的年代，工程師和科學家已經(jīng)在思考如何打造更為節(jié)能的出行工具。1916年8月，世界第一輛電油混合動力汽車問世。這款雙排座的轎車使用操縱桿代替踏板來控制油門。即使在1916年，燃料使用的高效率也是汽車營銷的一個亮點。1920年1月：第一輛充電式汽車問世。它是美國新澤西州的發(fā)明家在早期混合動力汽車設計基礎上的創(chuàng)新之作。電動馬達直接被安裝在后輪軸上，同時車輛滑行時發(fā)電機能直接為蓄電池充電。此外，安裝在車前的4缸汽油發(fā)動機也可以在行駛途中為汽車充電。1920年8月：經(jīng)濟型電動車風行天下。這種在20世紀20年代生產(chǎn)的電動車，體積小、重量輕，因此最大限度發(fā)揮了電動馬達的功能。這種汽車的使

6、用成本比燃油車更便宜。事實上，第一次世界大戰(zhàn)之后，油價不斷上漲，僅英國電動汽車的使用量便增加了百分之八，成為了一種更經(jīng)濟使用的交通工具。1959年2月：出現(xiàn)分期付款的電動汽車。1959年，一款名叫“Charles Town-About”的汽車受到人們熱烈追捧，它創(chuàng)造了電動汽車分期付款的歷史紀錄。其美觀的外形、80英里的行駛路程，以及充電7小時只需18美分的優(yōu)勢不能不讓人為之砰然心動。在1990年洛杉磯車展上，通用汽車公司展示了一款名叫Impact的先進電動概念車，它雖然日后逐漸成型，但一開始卻引來人們懷疑的目光：重達394公斤的電池以及更換費用的昂貴。看來它可能永遠無法走向生產(chǎn)線了2008年1

7、1月：電動汽車迎來新的春天。如今，菲斯科Karma、日產(chǎn)Denki Cube、雪佛蘭Volt，和泰斯拉Roadster等車型紛紛加入未來充電汽車的行列。這些汽車都采用最新的鋰離子電池技術，準備把汽車的性能與活動范圍都推上一個新的境界。第三章混合動力汽車的結構與原理（一） 混合動力汽車的分類混合動力電動汽車（HybridElectric Vehicle，簡稱HEV）是將電力驅(qū)動與輔助動力（APU）結合起來，充分發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢及二者相結合產(chǎn)生優(yōu)勢的車輛。輔助動力可以采用燃燒某種燃料的原動機，如內(nèi)燃機、燃氣輪機等或其他動力發(fā)電機組。根據(jù)混合動力系統(tǒng)連接方式的不同，混合動力汽車主要可以分為三種結構

8、形式，即串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)，它們各有優(yōu)勢。（二） 串聯(lián)式混合動力汽車串聯(lián)式動力由發(fā)動機、發(fā)電機和電動機三部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)的方式組成SHEV的動力單元系統(tǒng)。負荷小時由電池驅(qū)動電動機帶動車輪轉(zhuǎn)動，負荷大時則由發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電驅(qū)動電動機。當電動車處如啟動、加速、爬坡的工況時，發(fā)動機-電動機組和電池組共同向電動機提供電能；當電動車處低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機，由發(fā)動機-發(fā)電機組向電池組充電。這種串聯(lián)式電動車不管在什么工況下，最終都要由電動機來驅(qū)動車輪。例如福特“新能級2010”SHEV，其電池采用燃料電池，在城市市區(qū)行駛時全部由燃料電池驅(qū)動電動機，電動機通過減速器

9、（變速器）和驅(qū)動橋驅(qū)動車輪，達到了“零排放”要求。當高速及爬坡時，則由發(fā)動機-電動機組和燃料電池組共同向電動機供電，驅(qū)動車輪。（三）并聯(lián)式混合動力汽車并聯(lián)式裝置的發(fā)動機和電動機以機械能疊加的方式驅(qū)動汽車，發(fā)動機與電動機分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動又可以單獨驅(qū)動。電動機既可以作電動機又可以作發(fā)電機使用，又稱為電動發(fā)電機組。由于沒有單獨的發(fā)電機，發(fā)動機可以直接通過傳動機構驅(qū)動車輪，因此該裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，得到比較廣泛的應用。例如大眾汽車公司的高爾夫PHEV，發(fā)動機通過離合器帶動電動發(fā)電機，輸出扭力再通過另一邊離合器驅(qū)動車輛行駛。靜止啟動

10、時，電池向電動發(fā)電機供電，此時電動發(fā)電機就是發(fā)動機的起動機。發(fā)動機啟動后，發(fā)動機一方面作為車輛單獨的動力源驅(qū)動車輪，另一方面又帶動電動發(fā)電機發(fā)電向電池充電，此時與傳統(tǒng)汽車一樣。在市區(qū)行駛時，發(fā)動機關閉，離合器脫開，離合器接合，電池做為唯一能源向電動機供電，由電動機取代發(fā)動機驅(qū)動車輪。當電動車需要高速或高負荷時，發(fā)動機啟動離合器閉合，發(fā)動機與電動發(fā)電機系統(tǒng)組成復合驅(qū)動形式，以最大功率驅(qū)動車輛。所謂并聯(lián)式混合動力，就是說電動機和內(nèi)燃機并行排布，動力可以由兩者單獨提供或是共同提供。在并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中，電動機同時也是發(fā)電機，其作用是讓發(fā)動機盡量靠近最有效率狀態(tài)，從而達到節(jié)油的效果。并聯(lián)混合動力汽車受

11、電動機和電池能力的限制，仍然要以內(nèi)燃機為主要動力。但由于保留了常規(guī)汽車的動力傳遞方式，在效率上更高。 （四）混聯(lián)式混合動力汽車混聯(lián)方式顧名思義就是結合了并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式的優(yōu)點。其在并聯(lián)的基礎上，將發(fā)電機和電動機分離開，這樣電動機在運轉(zhuǎn)過程中也能進行充電，使車輛能以串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式工作。目前的混合動力汽車基本屬于這兩種模式。插入式混合動力車型在普通混合動力系統(tǒng)的基礎上增加了充電裝置、驅(qū)動電機，升壓用逆變器、充電用逆變器等。不但能用專用充電站的進行快速充電，還可使用家庭220V電源充電。比亞迪F3 DM和雪佛蘭VOLT都屬于這種類型。目前比較普遍的做法是將電動/發(fā)電機與變速箱整合起來

12、。有些車型將電動/發(fā)電機放置在變速箱與發(fā)動機之間，更先進的一些干脆將其整合在變速箱里。以豐田為例，他們做法是將兩個既可作發(fā)電機又可做電動機的電機通過行星齒輪與CVT無極變速箱結合，以達到混合動力的目的。在它的變速系統(tǒng)中動力分離裝置用一個行星齒輪將發(fā)動機輸出軸、兩個電動/發(fā)電機連接起來。第三章  混合動力汽車的優(yōu)勢（一）世界主流汽車廠商的策略于是世界主流汽車廠商都在積極投入研發(fā)資金推進混合動力技術的進步，比如開發(fā)高比能的汽車電池，提高逆變器的效率并減小體積，開發(fā)更有效率的動力控制總成系統(tǒng)等等；隨著技術的進步和銷量的增加，成本在逐漸下降；隨著節(jié)能減排意識的提高，以及混合動力汽車將會成為汽

13、車市場的主流，消費者的消費理念也在發(fā)生變化；從“863計劃”電動車重大專項的實施和奧運會的混合動力的汽車應用示范來看，國家對本土汽車廠商憑借混合動力汽車和電動車實現(xiàn)快速發(fā)展抱有厚望，國家政策將會擇機出臺，鼓勵普通消費者購買節(jié)能減排的車輛。節(jié)節(jié)攀升的油價使豐田頗具未來色彩的普銳斯（Prius）轎車正在逐漸成為市場上的主流產(chǎn)品。豐田汽車表示，計劃在2010年之前每年銷售100萬輛混合動力汽車，約占其總銷量的10%以上。豐田汽車的管理人士表示，為了完成幾年后每年出售100萬輛混合動力車的目標，希望自己所需的重要混合動力零部件能夠獲得充足供應。美歐車商也針鋒相對。通用汽車已經(jīng)說服德國生產(chǎn)商戴姆勒克萊斯

14、勒和寶馬，共同組建一個混合動力系統(tǒng)開發(fā)聯(lián)盟，旨在開發(fā)出一套比豐田公司更為簡單的技術。雖然通用汽車的系統(tǒng)在提高燃料效率方面不如豐田，但其生產(chǎn)成本更低，也更易于配置到大型汽車和運動型多用途車中。據(jù)悉，通用汽車計劃于2007年底推出大型混合動力運動型多用途車，將比汽油驅(qū)動的同類型車節(jié)能約25%。相比之下，重新設計的混合動力型本田思域（Civic）比汽油驅(qū)動型思域轎車的燃料利用效率提高了45%。對于生產(chǎn)商來說，吸引更多同行加入并壯大技術開發(fā)的陣營有很多益處。分攤研發(fā)成本的公司越多，利潤率就越高。何況，控制了設計就擁有了性能和成本方面的潛在優(yōu)勢。 （二）混合動力性能簡介混合動力技術的發(fā)展也隨之

15、廣泛，主要包括：1）最先進的內(nèi)燃機技術，體積小重量輕以及油耗低排放性能優(yōu)良的發(fā)動機都引領著汽車業(yè)的發(fā)展，而目前Prius發(fā)動機的技術已經(jīng)達到了目前先進的水平。2）先進的電機系統(tǒng)技術，電機技術則決定著電動汽車的發(fā)展空間，對于電動機的要求也越來越高，電動機要具有較大的負載特性以及很寬的高效率工作區(qū)間。3）高性能的動力電池，動力電池在混合動力電動汽車上應用, 主要起到以下作用:      a)起動、加速時作為動力；      b)車輛減速、下坡行駛時回收車輛動能。      因此要

16、求動力電池具有： 高輸出能力和高回收能量的接受能力；體積小、重量輕；SOC 控制技術；高可靠性和安全性；長的使用壽命。以上的技術發(fā)展帶動著混合動力技術的發(fā)展，而混合動力的發(fā)展又提高了這些基礎技術的發(fā)展空間。      1) 混合動力電動汽車具備了良好的動力性能、良好的燃油經(jīng)濟性、清潔環(huán)保、經(jīng)濟實用。為達到提高車輛的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性, 需要采用當代最先進的內(nèi)燃機技術深入分析低油耗特性； 選擇比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的電機, 研究它的低速大轉(zhuǎn)矩、效率和再生制動能量回饋性能； 經(jīng)過周密分析和試驗研究特性, 最佳選擇各自高性能區(qū)段的組合與疊加

17、。      2) 混合動力汽車絕對成本過高是目前混合動力電動汽車推廣應用的主要難點, 這是因為混合動力汽車除了以往的動力裝置外, 至少還必須安裝電池, 其成本不可能降至普通汽車的水準。因此, 混合動力汽車技術發(fā)展的首要難題是降低成本, 這也是今后有待解決的最大課題, 特別是必須降低動力電池、電機驅(qū)動系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等的成本。      3）提高汽車行駛過程中的能量再生利用效率.從汽車制造階段著手, 設計改進汽車動力系統(tǒng), 滿足汽車再生制動回收要求，加強混合動力電動汽車的可靠性, 解決動力電池的使用壽命和可靠性問

18、題, 是混合動力電動汽車推廣應用的前提。第四章  全球混合動力汽車市場（一）混合動力汽車的發(fā)展?jié)摿夹g發(fā)展一直是我國汽車發(fā)展需要快速突破的難題，在混合動力車的技術上更是如此。在汽車合資企業(yè)中，技術主要掌握在外資方手中；而在自主汽車品牌中，混合動力技術還有待進一步提高。一項調(diào)查標明，目前在混合動力車的關鍵零部件上，我國主要還是依賴進口。由于自主的空間很有限，直接為混合動力技術的產(chǎn)業(yè)化帶來了很大的障礙。"我國還沒有形成可靠的混合動力零部件供應鏈"，長安汽車股份有限公司董事長尹家緒曾表示，"混合動力電機、控制器、電池及其管理系統(tǒng)等關鍵零部件仍依賴國外進口，還不

19、能形成規(guī)模生產(chǎn)，這直接影響了混合動力車的產(chǎn)業(yè)化進程"。在混合動力技術上，"低混"、"中混"和"高混"的技術差別很大，開發(fā)的難度很高，但是這一瓶頸如果得不到有效的突破，那么非常現(xiàn)實的問題就可能出現(xiàn)：技術含量低、故障率高、維修費用高、使用不方便，并直接影響到市場銷售，對其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展產(chǎn)生很大的反作用。為了改變這一局面，不少大手筆投資研發(fā)混合動力技術的汽車企業(yè)很早就注意到另一個問題，花大力氣開發(fā)技術的同時，也及時培養(yǎng)一些有潛力的混合動力汽車核心零部件供應商，形成產(chǎn)業(yè)群模式的發(fā)展 混合動力汽車的能量來源，目前來說依然主要是汽

20、油和柴油等傳統(tǒng)燃料，從燃料來說并不先進，但是混合動力技術在汽車動力領域具有里程碑式的意義?；旌蟿恿夹g可以根據(jù)不同的行駛狀態(tài)，利用現(xiàn)代控制技術合理地采用不同的動力策略驅(qū)動汽車，并在減速時回收能量，從提高能量利用率的角度，實現(xiàn)了以節(jié)能促減排的效果。這項技術，為汽車動力系統(tǒng)從傳統(tǒng)能源向新能源發(fā)展奠定了基礎平臺，而且混合動力技術不僅能夠應用于油/電混合系統(tǒng)，而且在未來可以應用于氫/電混合系統(tǒng)等新能源混合系統(tǒng)，將成為汽車的基本動力技術?；旌蟿恿夹g在現(xiàn)在和未來都具有很大的應用空間和發(fā)展?jié)摿Γ瞧噺S商未來發(fā)展戰(zhàn)略中的關鍵技術之一，所以我國汽車廠商站在戰(zhàn)略發(fā)展的角度大力開發(fā)混合動力技術也就理所當然了。（

21、二）混合動力汽車的市場統(tǒng)計數(shù)據(jù)08年全球混合動力汽車需求量48萬輛，JP摩根證券預測， 2020年將增至1128萬輛，按地區(qū)分布看，北美349萬輛歐洲346萬輛，中國197萬輛，日本70萬輛?；旌蟿恿ζ囋鲩L將會帶動電池等相關產(chǎn)業(yè)。08年全球汽車電池市場規(guī)模約800億日元，2020年將增至1萬零540億日元。再加上其他零部件及發(fā)動機等主要部件，預計每年混合動力汽車相關產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模約2萬多億日元?；旌蟿恿ζ囋鲩L還將帶來一場新的產(chǎn)業(yè)技術革命。隨著車體輕量化，以鋼鐵為主材料的車身可能會被碳素纖維所取代，傳統(tǒng)的鍛軋和焊接工藝可能向一次成型和粘合方向轉(zhuǎn)化目前，油電混合動力汽車使用傳統(tǒng)碳基燃料，能夠充分

22、利用現(xiàn)有成熟的內(nèi)燃機技術和加油站等配套設施，避免技術和新建配套設施的風險，以較低的成本進行普及。而國外的銷售數(shù)據(jù)也印證了油電混合動力汽車良好的市場前景，從美國2000年-2007年銷售數(shù)據(jù)可以看出，8年來混合動力乘用車的銷售量復合增長率達到驚人的58.4%，其市場處于高速增長期?！疤煜挛跷?，皆為利來，天下攘攘，皆為利往”，以高速增長的美國市場為鑒，看著我國尚未打開的廣闊的混合動力汽車市場，國內(nèi)汽車廠商紛紛推出混合動力汽車，搶占市場的急切和熱情也就可以理解了 。第五章  混合動力汽車的發(fā)展趨勢（一）混合動力技術的發(fā)展前景混合動力電動汽車具備了良好的動力性能、良好的燃油經(jīng)濟性、清潔環(huán)保、

23、經(jīng)濟實用。為達到提高車輛的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性, 需要采用當代最先進的內(nèi)燃機技術深入分析低油耗特性； 選擇比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的電機, 研究它的低速大轉(zhuǎn)矩、效率和再生制動能量回饋性能； 經(jīng)過周密分析和試驗研究特性, 最佳選擇各自高性能區(qū)段的組合與疊加?；旌蟿恿ζ嚱^對成本過高是目前混合動力電動汽車推廣應用的主要難點, 這是因為混合動力汽車除了以往的動力裝置外, 至少還必須安裝電池, 其成本不可能降至普通汽車的水準。因此, 混合動力汽車技術發(fā)展的首要難題是降低成本, 這也是今后有待解決的最大課題, 特別是必須降低動力電池、電機驅(qū)動系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等的成本。 提高汽車行駛過程

24、中的能量再生利用效率.從汽車制造階段著手, 設計改進汽車動力系統(tǒng), 滿足汽車再生制動回收要求，加強混合動力電動汽車的可靠性, 解決動力電池的使用壽命和可靠性問題, 是混合動力電動汽車推廣應用的前提。國際能源緊缺，混合動力可以很好的節(jié)省汽車行進過程中減速、下坡過程的能量消耗，同時其排量低、污染小，是未來汽車發(fā)展的必然趨勢。（二）未來發(fā)展趨勢混合動力技術非常適合中國，市場卻遲遲沒有啟動。賽迪顧問認為，目前尚未完全成熟的技術、偏高的成本、傳統(tǒng)的消費理念以及鼓勵政策偏少都是阻礙中國混合動力汽車市場快速增長的問題，但是問題就是機會，面對汽車市場節(jié)能減排的發(fā)展趨勢，誰能夠解決這些問題，誰就會在新的汽車市場中占據(jù)有利地位。隨著技術的進步和銷量的增加，成本在逐漸下降；隨著節(jié)能減排意識的提高，以及混合動力汽車將會成為汽車市場的主流，消費者的消費理念也在發(fā)生變化；從“863計劃”電動車重大專項的實施和奧運會的混合動力的汽車應用示范來看，國家對本土汽車廠商憑借混合動力汽車和電動車實現(xiàn)快速發(fā)展抱有厚望，國家政策將會擇機出臺，鼓勵普通消費者購買節(jié)能減排的車輛。隨著技術的進步和廠商的針對性的推廣，中國混合動力汽車市場的大門將逐漸打開。賽迪顧問預計，2010年左右中國混合動力