混合动力汽车关键技术f.doc

混合动力汽车关键技术

樊杰玉
青岛理工大学，青岛，中国，266520
woxinxinbaobei@.

【摘要】迫于环境污染和石油资源短缺的压力，致力于可持续发展战略，混合动力汽车成为21世纪汽车工业的一大发展方向。本文阐述混合动力汽车的不同形式和特点以及目前混合动力汽车的发展现状，指出发展混合动力汽车必须解决的关键技术问题。
【关键词】混合动力汽车；发展现状；关键技术

Key Tecnologies of Hybrid Electric Vehicle
Fan Jieyu
Qingdao Technological University Qingdao.China.266520
woxinxinbaobei@
Abstract: Under the pressure of environment pollution and the scarcity of oil source, to be dedicated to the strategy of sustainable development, Hybrid Electric Vehicle (HEV) becomes an important consideration in the twenty-first century in order to get sustainable development of Automobile industry. Different types of HEV and their characteristics are analyzed in this article, as well as the current situation of HEV development. The key technologies of implementing HEVs are also pointed out.

Keywords： Hybrid Electric Vehicle; researchactuality; keytechnologies

0 引言
随着全球汽车工业的迅猛发展，石油资源供应的日趋紧张，世界各国积极寻求代用燃料或者减少燃油的消耗量，大力开发新型节能环保汽车。在太阳能、电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。
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。
1 国内外混合动力技术发展现状
1.1 国外HEV技术发展概况
21世纪后，各国加快了HEV的概念产品化的进程，相继推出了不同形式的HEV产品。丰田的Prius，本田的Insight，通用的Precept，福特的Prodigy，戴姆勒克莱斯勒的ESx3，日产的Tino等都是具有代表性的车型，其中Prius和Insight已是成熟的产品，截至2008年12月，丰田Prius全球销量已经超过100万辆。
1.2 我国HEV技术发展概况
我国也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，有关工作开始于上个世纪90年代。在“十五”期间， 科技部组织北京理工大学、清华大学、东风汽车公司等国内多家企业、高校和科研机构进行联合攻关，确定了以燃料电池汽车(FCEV)、 混合动力电动汽车(HEV)纯电动汽车(BEV)车型为“三纵”，多能源动 力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系三种共性技术为“三横”的“三纵三横”的研发布局；之后，节能与新能源汽车的研发又被列入“十一五”863计划重大项目。
2 混合动力汽车种类与特点
目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构形式，根据其驱动系统的配置和组合方式不同，分为串联式、并联式和混联式3种组合方式，各自的结构形式和特点如下。实现汽车轻量化方法可以分为以下几类：
2.1串联式驱动（SHEV）系统
串联式驱动系统的示意图如图1所示。APU由原动机和发电机组成，通常将这两个部件集成为一体。原动机带动发电机发电，其电能通过控制器直接输送到电动机，由电动机产生驱动力矩驱动汽车。电池实际上起平衡原动机输出功率和电动机输入功率的作用：当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时(如汽车减速滑行、低速行驶或短时停车等工况)，控制器控制发电机向电池充电；当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时(如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况)，电池则向电动机提供额外的电能。
设计是整车取得较好轻量化效果的前提。在开发一款跟原车型结构相似、整车尺寸加长加宽加高的新车型时,将整车长度、整车高度、整车宽度及部分零件厚度作为设计变量,采用最优拉丁方试验设计方法进行样本数据设计,并且采用移动最小二乘响应面方法构建白车身NVH(振动噪声)、白车身关键区域强度及白车身质量等性能参数的多目标优化系统的近似模型,利用多目标遗传优化算法NSGA-Ⅱ(非支配解排序遗传算法)对近似模型进行优化。在满足白车身关键区域内强度、白车身NVH等约束性能的同时,追寻车内新增空间最大化,并实现了新车型的轻量化设计。
2.2并联式驱动系统
并联式驱动系统结构示意图如图2所示，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小。与串联式结构相比，发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量的利用率相对较高，这使得并联式燃油经济性比串联式的高。并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不适于汽车行驶工况变化较多、较大；相比于串联结构式，需要变速装置和动力复合装置，传动机构较为复杂。
2.3混联式驱动系统
混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结 构示意图如图3所示。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。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矩通过动力复台装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。
混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、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使系统在最优状态工作，所以更容易实现排放和油耗的控制目标，因此是最具影响力的HEV。
3 混合动力汽车需要解决的问题和关键技术
目前，混合动力汽车所需要解决的问题包括以下几个方面：其一，进行动力分配装置和能量管理系统的研究。其二，开发具备高比能量和高比功率经济实用的电池。其三，混合动力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。其四，建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态和动态的)，进行计算机仿真分析。
具体来讲要进行下面几项关键技术的研究：
3.1混合动力单元技术
在混合动力汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元。为提高燃料经济性，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等。目前对混合动力单元的研究主要集中于：一是燃烧系统的优化；二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统：三是代用燃料的研究。
3.2控制策略技术
HEV产品开发中最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化其控制策略，国外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。控制系统的开发首先是根据采集到的速度和负荷等数据，计算出对应的要求输出功率：计算出以最高效率为基点的分配到内燃机与电动机上的功率值，即实现内燃机与电动机的最优功率分配比：然后，根据功率分配比，求出驱动电动机的功率值和其它有关数据，给出内燃机的控制参数和电动机的控制参数。同时，驱动执行器完成这两个层次的工作控制。在执行器设计中，功率分配装置的设计及其与变速器的一体化设计是关键的部件设计工作。因为它要根据控制器的指令，正确地进行内燃机功率向驱动车辆功率和驱动发电机功率的分解。
3.3能量存储技术
在电动汽车上，蓄电池的开发和充放电特性的研究是关键。现在，镍氢电池和锂离子电池己可达到混合动力汽车的使用要求，但仍有价格高或寿命不长等缺陷。从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面：一是研究电池内部的连接、检测、监控。二是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。适用于混合动力汽车的电池需要有较高的比功率，要达到的目标是，功率与能量比值大干20W/wh；使用寿命达到10年；至少循环使用12万次。三是电池的热能管理及剩余电量管理。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。
4 发展前景展望
混合动力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化, 同时电子技术的迅猛发展都会进一步促进混合动力汽车的发展。混合动力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。降低成本是提高混合动力系统竞争能力的努力方向。相信随着 HEV 的推广和普及,生产批量上去后, 其价格将逐步接近传统汽车。当前 HEV 所面临的主要技术问题还很多,随着各大汽车公司和研究机构的努力, 这些问题会很快得到解决。尽管从长远来看只是一种过渡车型, 但 HEV 在近 20～30 年内很有发展前景, 这一点是毫无疑问的。这个前景,我们可以从两方面来理解。一是混合动力作为一种技术, 在不远的将来会成为燃料电池替换内燃机的重要过渡技术,对燃料电池混合动力车(FCHV)的开发将会起重要作用。从这个意义上说,混合动力技术就不仅仅是一种提升品牌、知名度和技术实力的需要。二是 HEV 本身可能确实具有商业前景, 它也许会成为百年汽车史上的又一个里程碑,开创世界汽车工业的新篇章。各大汽车公司竞相开发和推出自己的新一代 HEV , 表明他们看好这一前景,也许是眼前和长远的利益兼而有之。欧、美、日的汽车生产商已采用不同的布置型式、控制策略,在较短的开发周期内将 HEV 产品化, 并具市场规模。汽车行业专家预言, 不久的将来, 新生产的汽车中 HEV 将占 40 %以上。我国的汽车工业应顺应科技发展趋势, 抓住HEV 这块市场, 在国外产品涌入之前,集中科研力量攻关, 迅速开发出自己的产品已刻不容缓。
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