混合動(dòng)力汽車技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景分析

摘要:社會(huì)對(duì)環(huán)境和節(jié)能的重視有力地促進(jìn)了混合動(dòng)力車輛的發(fā)展。本文分析了國(guó)內(nèi)外混合動(dòng)力汽車的研究現(xiàn)狀，介紹了混合動(dòng)力汽車的主要結(jié)構(gòu)形式與工作特點(diǎn)，指出了混合動(dòng)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(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞:混合動(dòng)力 汽車 內(nèi)燃機(jī) 電動(dòng)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(guó)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(yáng)能、電能等替代能源真正進(jìn)入實(shí)用階段之前，混合動(dòng)力汽車因其低油耗、低排放的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

1 國(guó)內(nèi)外HEV技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外HEV的發(fā)展概況 21世紀(jì)后，各國(guó)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(wàn)輛。

1.2 我國(guó)HEV的研發(fā)現(xiàn)狀 我國(guó)也非常重視混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研究與開發(fā)，有關(guān)工作開始于上個(gè)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(guó)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(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)純電動(dòng)汽車(BEV)車型為“三縱”，多能源動(dòng)力總成控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)、動(dòng)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(jì)劃重大項(xiàng)目。

2 混合動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)成及工作特點(diǎn)

混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合使用兩種動(dòng)力裝置，一種是傳統(tǒng)的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，另一種是電動(dòng)機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng) 如圖1所示，在串聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)(SHEV)系統(tǒng)中，所有發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械能都轉(zhuǎn)換為電能以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這種系統(tǒng)使發(fā)動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng) 并聯(lián)式(PHEV)結(jié)構(gòu)有內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(見圖2)。發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，兩者都可以驅(qū)動(dòng)車輪，電動(dòng)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(shí)，系統(tǒng)以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ矗谲囕v起步或加速時(shí)則使電動(dòng)機(jī)工作，作為輔助驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)效率低的低負(fù)荷工況時(shí)，則電動(dòng)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(dòng)或下坡減速行駛時(shí)，則通過制動(dòng)能量回收系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

2.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng) 混聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的控制策略是:在汽車低速行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)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(shí)，則以并聯(lián)工作方式為主。

3 混合動(dòng)力汽車需要解決的問題和關(guān)鍵技術(shù)

目前，混合動(dòng)力汽車所需要解決的問題包括以下幾個(gè)方面:其一，進(jìn)行動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，維修比較困難，售價(jià)相對(duì)較高。其四，建立更先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。

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

3.1 混合動(dòng)力單元技術(shù) 在混合動(dòng)力汽車上，熱力發(fā)動(dòng)機(jī)又被稱為混合動(dòng)力單元。為提高燃料經(jīng)濟(jì)性，對(duì)混合動(dòng)力單元必然提出更多的要求，例如要求混合動(dòng)力單元能夠快速起動(dòng)和關(guān)閉等。目前對(duì)混合動(dòng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制定和優(yōu)化其控制策略，國(guó)外通過系統(tǒng)建模仿真對(duì)此進(jìn)行了大量的匹配理論研究。控制系統(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(jì)算出對(duì)應(yīng)的要求輸出功率:計(jì)算出以最高效率為基點(diǎn)的分配到內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)上的功率值，即實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)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(dòng)電動(dòng)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(dòng)機(jī)的控制參數(shù)。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器完成這兩個(gè)層次的工作控制。在執(zhí)行器設(shè)計(jì)中，功率分配裝置的設(shè)計(jì)及其與變速器的一體化設(shè)計(jì)是關(guān)鍵的部件設(shè)計(jì)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(dòng)車輛功率和驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)功率的分解。

3.3 能量存儲(chǔ)技術(shù) 在電動(dòng)汽車上，蓄電池的開發(fā)和充放電特性的研究是關(guān)鍵。現(xiàn)在，鎳氫電池和鋰離子電池己可達(dá)到混合動(dòng)力汽車的使用要求，但仍有價(jià)格高或壽命不長(zhǎng)等缺陷。從發(fā)展看，能量?jī)?chǔ)存裝置的研究應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面:一是研究電池內(nèi)部的連接、檢測(cè)、監(jiān)控。二是電池設(shè)計(jì)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(dòng)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(wàn)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(dòng)力汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放，因此需要有效的測(cè)試方法和控制裝置。

4 發(fā)展前景分析

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

當(dāng)前HEV所面臨的主要技術(shù)問題還很多。盡管從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看只是一種過渡車型，但HEV在近20-30年內(nèi)會(huì)很有發(fā)展前景，這一點(diǎn)是毫無(wú)疑問的。汽車行業(yè)專家預(yù)言，不久的將來(lái)，新生產(chǎn)的汽車中HEV將占40%以上。我國(guó)的汽車工業(yè)應(yīng)順應(yīng)科技發(fā)展趨勢(shì)，抓住HEV這塊市場(chǎng)，在國(guó)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):

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