混合動力汽車技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析

許文靖　張旭寧

摘要:社會對環(huán)境和節(jié)能的重視有力地促進(jìn)了混合動力車輛的發(fā)展。本文分析了國內(nèi)外混合動力汽車的研究現(xiàn)狀,介紹了混合動力汽車的主要結(jié)構(gòu)形式與工作特點(diǎn),指出了混合動汽車目前需要解決的主要問題和采用的關(guān)鍵技術(shù),并對其發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測。

關(guān)鍵詞:混合動力 汽車 內(nèi)燃機(jī) 電動機(jī) 控制

0 引言

隨著全球汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,石油資源供應(yīng)的日趨緊張,世界各國積極尋求代用燃料或者減少燃油的消耗量,大力開發(fā)新型節(jié)能環(huán)保汽車。在太陽能、電能等替代能源真正進(jìn)入實(shí)用階段之前,混合動力汽車因其低油耗、低排放的優(yōu)勢越來越受到人們的關(guān)注。

1 國內(nèi)外HEV技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外HEV的發(fā)展概況 21世紀(jì)后,各國加快了HEV的概念產(chǎn)品化的進(jìn)程,相繼推出了不同形式的HEV產(chǎn)品。豐田的Prius,本田的Insight,通用的Precept,福特的Prodigy,戴姆勒克萊斯勒的ESx3, 日產(chǎn)的Tino等都是具有代表性的車型,其中Prius和Insight己是成熟的產(chǎn)品,截止2008年12月,豐田Prius全球銷量已經(jīng)超過了100萬輛。

1.2 我國HEV的研發(fā)現(xiàn)狀 我國也非常重視混合動力電動汽車的研究與開發(fā),有關(guān)工作開始于上個世紀(jì)90年代。在“十五”期間,科技部組織北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、東風(fēng)汽車公司等國內(nèi)多家企業(yè)、高校和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān),確定了以燃料電池汽車(FCEV)、混合動力電動汽車(HEV)純電動汽車(BEV)車型為“三縱”,多能源動力總成控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)及其控制系統(tǒng)、動力蓄電池及其管理系統(tǒng)三種共性技術(shù)為“三橫”的“三縱三橫”的研發(fā)布局;之后,節(jié)能與新能源汽車的研發(fā)又被列入“十一五”863計劃重大項(xiàng)目。

2 混合動力系統(tǒng)的構(gòu)成及工作特點(diǎn)

混合動力驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合使用兩種動力裝置,一種是傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動機(jī),另一種是電動機(jī)。整個系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、動力分配裝置、發(fā)電機(jī)、蓄電池和電流逆變器等部分構(gòu)成。

通常,混合動力系統(tǒng)的動力傳遞方式有三種:串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。各自的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)如下。

2.1 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng) 如圖1所示,在串聯(lián)混合動力驅(qū)動(SHEV)系統(tǒng)中,所有發(fā)動機(jī)機(jī)械能都轉(zhuǎn)換為電能以驅(qū)動電動機(jī)。這種系統(tǒng)使發(fā)動機(jī)在效率最高的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作,因此能最大限度地改善燃油經(jīng)濟(jì)性和減少排放。

2.2 并聯(lián)式混合動力系統(tǒng) 并聯(lián)式(PHEV)結(jié)構(gòu)有內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)兩套驅(qū)動系統(tǒng)(見圖2)。發(fā)動機(jī)與電動機(jī)并聯(lián),兩者都可以驅(qū)動車輪,電動機(jī)還可以作為發(fā)電機(jī)給電池充電,不再需要額外的發(fā)電機(jī)。在車輛行駛時,系統(tǒng)以發(fā)動機(jī)為主要動力源,在車輛起步或加速時則使電動機(jī)工作,作為輔助驅(qū)動力。當(dāng)發(fā)動機(jī)效率低的低負(fù)荷工況時,則電動機(jī)功能轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)功能,向蓄電池充電。其次,在車輛制動或下坡減速行駛時,則通過制動能量回收系統(tǒng)進(jìn)行制動能量回收。

2.3 混聯(lián)式混合動力系統(tǒng) 混聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)(PSHEV)是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略是:在汽車低速行駛時,驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作;當(dāng)汽車高速穩(wěn)定行駛時,則以并聯(lián)工作方式為主。

3 混合動力汽車需要解決的問題和關(guān)鍵技術(shù)

目前,混合動力汽車所需要解決的問題包括以下幾個方面:其一,進(jìn)行動力分配裝置和能量管理系統(tǒng)的研究。其二,開發(fā)具備高比能量和高比功率經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電池。其三,混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高,維修比較困難,售價相對較高。其四,建立更先進(jìn)的驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(包括靜態(tài)和動態(tài)的),進(jìn)行計算機(jī)仿真分析。

具體來講要進(jìn)行下面幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究:

3.1 混合動力單元技術(shù) 在混合動力汽車上,熱力發(fā)動機(jī)又被稱為混合動力單元。為提高燃料經(jīng)濟(jì)性,對混合動力單元必然提出更多的要求,例如要求混合動力單元能夠快速起動和關(guān)閉等。目前對混合動力單元的研究主要集中于:一是燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化;二是尾氣處理技術(shù),主要研究高效的尾氣催化系統(tǒng);三是代用燃料的研究。

3.2 控制策略技術(shù) HEV產(chǎn)品開發(fā)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是根據(jù)不同的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)制定和優(yōu)化其控制策略,國外通過系統(tǒng)建模仿真對此進(jìn)行了大量的匹配理論研究?？刂葡到y(tǒng)的開發(fā)首先是根據(jù)采集到的速度和負(fù)荷等數(shù)據(jù),計算出對應(yīng)的要求輸出功率:計算出以最高效率為基點(diǎn)的分配到內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)上的功率值,即實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)的最優(yōu)功率分配比;然后,根據(jù)功率分配比,求出驅(qū)動電動機(jī)的功率值和其它有關(guān)數(shù)據(jù),給出內(nèi)燃機(jī)的控制參數(shù)和電動機(jī)的控制參數(shù)。同時,驅(qū)動執(zhí)行器完成這兩個層次的工作控制。在執(zhí)行器設(shè)計中,功率分配裝置的設(shè)計及其與變速器的一體化設(shè)計是關(guān)鍵的部件設(shè)計工作。因?yàn)樗鶕?jù)控制器的指令,正確地進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)功率向驅(qū)動車輛功率和驅(qū)動發(fā)電機(jī)功率的分解。

3.3 能量存儲技術(shù) 在電動汽車上,蓄電池的開發(fā)和充放電特性的研究是關(guān)鍵?，F(xiàn)在,鎳氫電池和鋰離子電池己可達(dá)到混合動力汽車的使用要求,但仍有價格高或壽命不長等缺陷。從發(fā)展看,能量儲存裝置的研究應(yīng)該包括以下幾個方面:一是研究電池內(nèi)部的連接、檢測、監(jiān)控。二是電池設(shè)計和制造方面的改進(jìn),降低制造成本,改善電池的性能和提高壽命。適用于混合動力汽車的電池需要有較高的比功率,要達(dá)到的目標(biāo)是,功率與能量比值大于20W/wh;使用壽命達(dá)到10年;至少循環(huán)使用12萬次。三是電池的熱能管理及剩余電量管理。此外,電池的剩余電量直接影響混合動力汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放,因此需要有效的測試方法和控制裝置。

4 發(fā)展前景分析

從目前的發(fā)展來看,以計算機(jī)技術(shù)和自動控制技術(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)等在混合動力汽車上的逐漸應(yīng)用,將進(jìn)一步促進(jìn)混合動力汽車的發(fā)展。與傳統(tǒng)型汽車相比,混合動力汽車充分吸取了電力/熱力系統(tǒng)中最大的優(yōu)勢,在節(jié)能和排放上勝出一籌;與純電動汽車相比,HEV的電壓和功率等級與電動車類似,但蓄電池容量大大減小,因而其造價成本低于電動汽車。

當(dāng)前HEV所面臨的主要技術(shù)問題還很多。盡管從長遠(yuǎn)來看只是一種過渡車型,但HEV在近20-30年內(nèi)會很有發(fā)展前景,這一點(diǎn)是毫無疑問的。汽車行業(yè)專家預(yù)言,不久的將來,新生產(chǎn)的汽車中HEV將占40%以上。我國的汽車工業(yè)應(yīng)順應(yīng)科技發(fā)展趨勢,抓住HEV這塊市場,在國外產(chǎn)品涌入之前,集中科研力量攻關(guān),迅速開發(fā)出自己的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn):

[1] 張金柱.混合動力汽車結(jié)構(gòu)、原理與維修[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2008.

[2] 過學(xué)迅,張杰山,胡朝峰. 日美混合動力汽車發(fā)展的比較研究[J].上海汽車2006.3:7-10.