混合动力汽车综述

混合动力汽车综述

——介绍了混合动力汽车的概念、发展状况及其关键技术

●混合动力汽车简介

混合动力电动汽车(HEV)是指有两种或两种以上的储能器，能源或转换器作为驱动能源，其中至少有一种能提供电能的车辆。它综合了传统发动机驱动与电力驱动系统的优点它能提供与目前发动机汽车几乎同等的性能，而燃油经济性有很大的改善，大大降低排放水平甚至达到了零排放，它保留了传统汽车动力性优点的同时，还可以满足高效和超低排放的新要求，并且易于改进，已成为国内外汽车领域的一大研究热点。根据其驱动系统的配置和组合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种组合方式[1]。

目前所开发出来的混合动力电动汽车以串联式和并联式为主，这两种方式的技术难度较低。串联式混合动力电动汽车完全依靠电动机提供动力，发动机、发电机和电动机的功率都很大；而且对电池的要求较高，电池的体积、重量、成本相对较高，价格性能比较低。并联式混合动力电动汽车主要依赖于发动机提供动力，电池仅是串联式的1／3，而且能量传递损失较小，但是排放污染最大，发动机的燃烧效率不高。

●混合动力汽车国内外发展概况

国内外普遍认为混合动力电动汽车结合了燃油汽车和纯电动汽车的优点，设计灵活，易于满足未来排放标准和节能目标。因此，日本、美国、欧洲各大汽车公司和相关的研究机构都开展了有关混合动力汽车的研究，并且在世界范围内由点向面地扩展，发展相当迅速。发达国家的许多研究成果己走出了实验室，并开始进入市场。

丰田汽车公司是目前走在最前沿的汽车公司，也是世界上最早开始进行混合动汽车研究的汽车公司之一。丰田于1997年推出的Prius，目前在海内外的销量己数万辆，成为全球最早实现量产也是销量最大的混合动力汽车。2001年6月丰田又Estima投放市场，其后分别推出Crown皇冠轻度HEV，新式面包车天尊THS-C等同车型的HEV。

除丰田外，本田是世界上第二家在美国市场销售混合电动汽车的外国制造商。其J-VX混合动力概念跑车是本田公司早期的HEV款式。1999年末，本田公司在日本、美国、西欧和泰国等国家陆续销售小型混合动力轿车Insight。这款并联式电动汽车名列2002年度美国环保署公布的最省油轿车名单榜首。2002年本田还推出了混合动力最新车型Civic Hybrid，名列2003年度美国混合电动车销量第一，略高于丰田的Prius。

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”（Partnership for a New Generation Vehicle，简称PNGV计划)[2]。PNGV提出新开发的概念车样车所达到的目标为：“在10年的时间内达到乘坐5-6人，整车质量898kg，燃料消耗量3L/100km，0-96.56km/h加速时间12s，行驶里程612km”。混合动力电动汽车计

划是1997年底美国重新确定的PNGV计划四个重点领域之一。随着PNGV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[6]：通用汽车公司在1998年1月底的底特律北美国际汽车展上，推出了EV1型4座混合动力电动汽车，串联式和双桥并联式的混合动力车Precept。2000年通用公司又推出第三代EVI-Precept。2004年，通用为“雪弗兰Silverado”及“GMC Sierra”型货车提供了混合动力选择。1998年，克莱斯勒汽车公司宣布开发出道奇无畏ESX2并联式混合动力汽车，1999年推出混合动力概念车为Dodge ESX3,Durango。2004“道奇Ram HEV”开始上市销售。

此外，由美国航天局，俄亥俄州政府等9家单位合作开发的串联式电动-喷气涡轮混合动力大客车也投放了市场；美国洛杉矶水利局也开发了LA301并联混合动力轿车90S；2003年，作为通用公司合作伙伴，Hydrogenics公司在位于密歇根沃伦的通用技术中心和美国陆军部展示了一款配有燃料电池辅助能量系统的军用柴油混合动力皮卡车。

在美日积极开展混合动力电动汽车研究的同时，欧洲也在积极地进行混合动力电动汽车的开发、研制以及推广方面的工作[3]：

德国大众公司生产的并联式混合动力电动车第三代Audi Duo已小批量生产。Duo是20世纪90年代末最先登台亮相的一款混合动力电动汽车，于1997年在第57届法兰克福国际车展上出现。正是由于它与丰田公司的混合电动汽车Prius 的出现，引发了混合电动汽车研发的新高潮。1998年德国萨克森灵公司开发了萨克森灵微型厢式车。1999年德国宝马开发了318ISAD轻型混合动力车。在2004年美国底特律车展上，戴姆勒·克莱斯勒旗下的奔驰公司，展出了混合车概念款“Vision Grand Sports Tourer"。德国还开发出了混合动力大客车，并在斯图加特和威塞尔之间运行。德国的BOSCH等世界著名的零部件公司也积极与大汽车公司联合开发混合动力电动汽车技术。同时，政府通过立法，将不允许油耗超过5升的轿车上路，以此来促进混合动力汽车的发展。

法国雷诺公司研制的VERT和HYMME两款混合动力汽车已进行了10000公里的运行实验，并于1998年研制出NEXT电动-汽油两用车，已向公众展出。而PSA 标致-雪铁龙的研发重点则放在了纯电动汽车的发展上，但也先后推出了几款混合电动汽车，如雪铁龙的“Berlinge Dynavolt"，标致的“贝灵格”、"XSARA"。2003年，标致-雪铁龙又推出了并联式混合动力车Xsara Dynative。

此外，瑞典的沃尔沃公司也开发出了基于Volvo FL6卡车改装的串联混合动力电动汽车和镍福电池混合动力轿车ECC；瑞典的Saturn公司也开发了Saturn HEV轻型车；意大利的菲亚特推出了Multipla lbriba混合轻型轿车。

在亚洲，韩国起亚公司研制出了KEV4混合电动汽车、现代公司推出的FGV 轻型混合电动车也发展到了第二代。

为维护我国能源安全，改善大气环境，提高我国汽车工业的竞争力，我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制工作，在此基础上也进行了混合电动汽车的若干技术领域的开发[3]。2001年，我国政府在国家高技术研究发展计划(863计划)中专门列有电动汽车重大专项(包括燃料电池整车、混合动力汽车和纯电动车)，并投资8.8亿元设立我国有史以来最大的汽车科技专项——“十五”863电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构—三大汽车集团、112家科研单位以官、产、学、研四位一体的方式，联合攻关。其中混合动力汽车的开发目标是，5年内实现产业化。这是我国汽车工业史上一次

史无前例的大投入，足见我国政府在新一次汽车革命机遇面前的决心。

2005年12月，Prius已在中国一汽下线，已经小批量生产，2008年本田思域混合动力也开始生产，丰田雷克萨斯RX400H和LS600H以及GS450H、RX450H 多款混合动力车型也进入我国市场[4]。通用公司的君越汽车也已在我国上市。我国除一汽丰田的Prius正式量产上市外，国内各汽车制造企业也纷纷进入混合动力汽车领域，如一汽研发的红旗HQ3已经将于今年投产；东风集团的混合动力公交车已于2005年7月完成最终产品定型样车试验并通过验收；长安集团具有完全自主知识产权的羚羊混合电动车已产出样车，其装备混合动力技术的长安CV9即将下线；奇瑞集团第一自主品牌真正意义上的混合动力车A5即将量产；吉利集团旗下的上海华普汽车也已经生产出混合动力车并在做大量的试验，预计2010年初即将量产；深圳五洲龙汽车有限公司也表示，中国规模最大、投放车辆最多的混合动力示范运营线路已即将在深圳市龙岗区开通。

2009年1月《中国汽车产业振兴规划》明确提出，重点鼓励新能源汽车。此次产业政策将会具体得到落实，作为一项突破性政策，中央政府将把支持新能源汽车作为一项国家战略，推出更多优惠政策和鼓励措施[4]。这也表明国内混合动力汽车的发展必将获得长足的发展。

●混合动力汽车的关键技术[5]

混合动力汽车要实现热能、电能和机械能多能源转化技术，采用先进的控策略和控制部件，以及各种机械部件和电器部件合理的配置等诸多方面的问都急需解决。混合动力车辆上装有内燃机和电动机两种动力源，它将传统的内燃机电力驱动和储能装置结合在一起，与常规的内燃机动力相比，混合动力的主要优点是，采用了高功率的能量储存装置(飞轮、超级电容或蓄电池)提供能量缓冲功能，这样可以减小发动机尺寸、提高效率、降低排放。而其中的关键技术为电池能量存储及电池管理系统、混合动力控制单元、电机及驱动控制、控制策略。

电池能量存储及电池管理系统

电池的良好的充放电性能及电池的SOC估计是混合动力汽车研究的关键。由于电池的作用是储存、输出尽可能多的电能，以提高汽车的续驶里程，因此对混合动力汽车用电池不仅有高的能量密度，而且有高的功率密度[16~22]。因此电池技术研究的关键是寻找合适的能够存储高能量的电极材料，并且此类材料能够稳定地经受住无数次循环，可以反复使用。另外，电池技术的研究还包括以下几个方面：一是电池设计和制造方面的改进，以降低电池的使用成本、改善电池的性能和提高使用寿命，并进行电池充放电动态特性的研究；二是研究电池内部结构的连接、检测及评价。

混合动力控制单元

在混合动力汽车上，热力发动机和电机成为混合动力单元。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，同时由于电机可以提供驱动转矩，因而混合动力单元可以采用尺寸更小、效率更高的热力发动机；在串联混合动力汽车上，发动机驱动发电机发电以产生电能，发动机与车辆传动系统没有直接的机械连接，因此混合动力单元也可以采用小型高效的发动机，其运行工况可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燃料电池。在燃料的使用方面也发生了很大变化，除了柴油、汽油外，还有天然气、液化气、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要求。

对汽油机采用电喷技术、增压技术、可变定时进气系统、多气门技术以及稀薄燃烧技术等是必然的要求。对柴油机采用多气门技术、电控技术、增压技术、可变定时进气技术、可变涡流进气技术、直喷技术等。混合动力汽车的主要目标是降低排放，所以排放是混合动力系统研究的重点。目前对热力发动机的研究主要集中于：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过程，发现形成氮氧化合物的机理，从而改进燃烧系统；尾气处理技术，主要研究高效的尾气处理技术；三是代用燃料的研究。

电机及其驱动控制

电机驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力运行。电动汽车的驱动电机的运行工况同样是相当复杂的，包括高转矩、低转速和恒功率、高转速等。驱动电机与汽车运行工况的匹配是通过完善的控制系统来实现的。电动汽车要求电机驱动控制系统满足如下要求：恒功率输出和高功率密度；在汽车起步和爬坡时具有低速——高转矩的输出特性；具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩和恒功率区；快速的转矩响应特征；在转矩/转速特性的较宽范围内具有高的效率；再生制动时的能量回收效率高；能在不同的工作条件下可靠地工作。

控制策略

对于混合动力汽车，动力总成控制技术是整车的控制中心，它集现代电力电子技术、网络总线技术、微处理器技术和现代控制技术为一体。目前国际上普遍采用CAN总线的控制器网络负责控制系统的数据传输，实现系统各控制单元的信息资源共享：主控制器负责驾驶信息的处理和系统转矩管理，电池管理系统负责电池状态信息的监控及管理，电机控制器负责电机状态信息的执行及管理。这种分布式控制管理，与传统的集中控制相比，系统结构清晰、可靠性高、易扩展因而是一种全新的控制模式。动力总成系统的建模是开发平台的核心，也是控制策略研究的前提。目前普遍采用Matlab/Simulink软件，建立总成系统的动力学模型，其中包括电机、发动机、电池和车辆动力学子模型。目前，这些公布的模型通用性还很有限，并不完全适合各种车辆的仿真研究，必须予以修正。

HEV开发中最关键的环节之一是根据不同的混合动力系统制定和优化控制策略。根据开发目的、使用环境及价格水平的不同，可选择采用串联或并联型式且其动力混合的轻重程度也不同，因而控制策略也各具特色。国外通过系统建模仿真对此进行了大量的理论匹配研究。混合动力系统的精确运转依赖于优化控制的实现，而控制系统的开发是混合动力汽车的最关键技术。控制系统的功能首先是依据采集到的速度、负荷等数据，计算出对应的转矩，计算出以最高效率为基点分配到电机与发动机的转矩值；即电机与发动机最佳功率分配，然后根据动力系统各单元的状态给出电机和发动机的控制参数，驱动执行器完成控制任务。在执行器设计中，功率分配装置的设计及与变速器的一体化设计是关键的设计工作。因为它要根据控制器的指令，正确地进行发动机的功率向驱动车辆和驱动发电机功率的分解。因此，混合动力系统的开发不仅在于电子技术、计算理论与算法和软件技术，而且在执行部件的设计与制造方面都是难度较大的工作。

参考文献:

[1]陈清泉,孙逢春,译现代电动汽车技术北京理工大学出版社,2002.

[2]张云清，赵景山美国“新一代汽车合作计划”(PNGV)及其涉及的关键高新技术科技进步与对策2001.1.60~68.

[3]徐卫国.混合电动汽车的发展状况及前景初探.汽车科技,2001,(6):7~9.

[4]混合动力汽车在我国发展状况及市场前景.机械管理开发,2009.6(108).

[5] 李国洪.混合动力汽车控制策略与动力电池系统的研究，中国知网(硕士论文).

[6]王军,申金升,国内外混合动力电动汽车开发动态及发展趋势公路交通科技2000.2.