混合动力汽车发展研究_杨永春

186混合动力汽车发展研究 杨永春 新疆交通职业技术学院

摘要：本文对混合动力汽车的国内外研究现状做了简要的分析和阐述，并对混合动力汽车的前景及发展趋势做了概括说明，提出我国混合动力汽车的发展前景和需解决的汽车技术难点。

作者简介：杨永春.女.1972年1月生,籍贯:新疆,1996年毕业于太原重型机械学院机械专

业(本科)，1996-2002年在新疆联合机械集团公司从事技术员工作.2002年攻读硕士研究生，2005年毕业于新疆农业大学环境科学系(研究生)，2005年7月在新疆交通职业技术学院从事教师工作,研究生学历,职称：工程师，高校讲师。

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 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HEV 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、 187

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2～3 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。 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/ 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。 188

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 ND 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