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混合动力电动汽车的研究进展与预测
发布时间:2008-11-26    信息发布:高新技术发展与产业化处    本信息已被浏览
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电动汽车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车等三大类。电动汽车在行驶的过程中,很少甚至没有排放污染,噪声低,热辐射小;可以应用多种能源,能够节省甚至不需要汽油和柴油,从而改变汽车对石油的依赖;毫无疑问,电动汽车是一种节能、环保和可持续发展的交通工具,具有广阔的发展前景。
混合动力汽车是介于内燃机汽车和纯电动汽车之间的一种车型。它是一种内燃机汽车向纯电动汽车“过渡”型的车辆,同时也是一种“独立”型车辆。它将发动机、电动机、能量储存装置(蓄电池、超级电容等)组合在一起,通过系统良好的匹配和优化控制,可以显著提高燃油经济性、降低排放。是目前为止,最具有产业化前景的电动汽车
本文将从混合动力电动汽车的分类,混合动力电动汽车的研究进展以及对今后发展的预测来为大家展示混合动力电动汽车的发展前景。
 
一、混合动力电动汽车的分类
混合动力汽车根据驱动系统结构形式可以分为:
l        串联式(SHEV)。结构特点是发动机带动发电机发电,发出的电能通过电机控制器输送给电机,由电机驱动汽车行驶,电池起到功率平衡的作用。适用于城市内中低速运行。
l        并联式(PHEV)。其结构有内燃机和电机两套装置,它们可以分开工作,也可以一起协调工作,共同驱动。可以在比较复杂的工况下使用,应用范围比较广。
l        混联式(SPHEV)。其结构特点是有二个电机、一套比较复杂的传动系统和一套智能化的控制系统,可以在串联混合模式下工作,也可以在并联混合模式下工作,同时兼顾了串联式和并联式的优点,能够使发动机、发电机和电机等部件进行更优化的匹配,实现更高的排放和油耗目标。
根据使用电池、电机与内燃机的搭配比例来看,可以分为:
l        微混合。也叫“起停混合”,电机和发动机的功率比很小,工作模式是遇到短时停车怠速时,使发动机停火取消怠速,当车辆再次行驶时,快速重新启动发动机。在制动时能够实现制动能量回收。可实现5%~10%的节能效果,成本提高5%左右。
l        轻度混合。一般采用集成起动电机(简称ISG系统)。车辆以发动机为主要动力源,电机作为辅助动力与发动机相联,在车辆发速和爬坡时,电机向发动机提供辅助驱动力矩,但是不能单独驱动车辆行驶,具有制动能量回收和发动机起停等功能。电机功率不超过发动机最大功率的15%,节油可达到10%~15%,成本提高20%左右。
l        中度混合。电机与发动机可以独立驱动车辆,低速、起步和倒车时能够纯电动行驶,加速和爬坡时发动机和电机共同驱动车辆,具有制动能量回收能力。电机功率为发动机最大功率的1540%,不同工况下节油15%~30%,成本提高30%左右。
l        全混合。结构型式与性能与中度混合基本相同,但是电机的功率要达到或超过发动机最大功率的40%,纯电动的车速比中度混合更高、续驶里程更远,不同工况下节油达30%~50%,成本提高30%~50%。
l        可外接电源充电混合(PIHEV)。该种型式的混合动力车辆是在串联式、并联式(电机和发动机能够独立驱动车辆)和混联式混合动力电动汽车的基础上,通过增加动力电池的用量,提高纯电动的续驶里程,由于可以利用电网的电来作为车辆的“燃料”,大大减轻了对石油的依赖,具有很好的环境效益,被认为是混合动力的重要发展方向。其特点是具有足够长的纯电动续驶里程,一般采用墙上取电来补充能源,只有当车载电能用尽后,才起动发动机驱动车辆。按照美国对可外接电源混合动力电动汽车的定义,纯电动续驶里程要不小于40英里64公里)。
根据用途不同可分为:
l        混合动力电动乘用车。
l        混合动力客车(公交车)。
l        混合动力货车。
l        混合动力特种车。
较之纯电动汽车,混合动力电动汽车具有如下的优点:整备质量小;汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机汽车的水平;保证驾乘舒适性。
较之内燃机汽车,混合动力电动汽车则具有如下的优点:可使原动机在最佳的工况区域稳定运行,从而降低排放和油耗;在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆,实现零排放;可以回收汽车减速和制动时的能量,进一步提高燃油经济性。
混合动力电动汽车所能达到的动力性、经济性和排放指标使其成为缓解汽车需求与环境污染及石油短缺日益矛盾尖锐的最现实的技术途径。特别是近几年,随着以丰田Prius为代表的一批混联式全混合动力电动汽车和本田Insight为代表的并联式轻度混合动力电动汽车的推出,产业化和商业化的前景一片光明。然而,其中动力电池组的寿命仍然是一个不可回避的问题,系统的复杂性和成本也是影响其市场竞争力的主要因素。
 
二、混合动力电动汽车研究进展
1)国外混合动力汽车研究进展
由于技术相对成熟,节能和环保效果明显,混合动力汽车得到快速发展,并在各国优惠政策的鼓励下,逐步进入商业化推广应用阶段。
目前已上市的混合动力轿车基本上由日本公司生产销售,包括日本丰田公司Prius、本田公司InsightCivic和日产公司Tino等。丰田公司Prius轿车于1997年首次上市,截止到目前已累计销售总量达50多万辆,占混合动力汽车销售的65%,其中有一半是在北美市场售出的。按照丰田公司的计划,2010年丰田公司的混合动力汽车销售量占整个销售量的10%,达到100万辆。
世界各大汽车公司也开始大力发展混合动力轿车,福特、通用、戴克、大众、雪铁龙、雷诺和宝马等公司也在同步开展数十款混合动力汽车的开发,并即将推向市场。
与此同时,混合动力商用车也得到了快速发展,特别是混合动力公交客车。其中最具代表性的是在纽约投入示范运行的OrionBusVI客车、NovaBus客车、日野HIMR客车以及MAE公司开发的低地板串联混合动力客车。
2)国内混合动力汽车研究进展
“十五”期间,我国电动汽车重大科技专项以开发混合动力汽车为重点,设立了混合动力汽车、多能源动力总成、驱动电机、动力电池系统等多个课题,采取整车牵头、零部件配合、产学研相结合的模式,开展了混合动力汽车及关键零部件的研究。“十五”期间,直接由863计划资助的整车企业有4家,参与其中的高校、科研院所和企业有几十家。“十一五”国家又启动了节能与新能源汽车重大项目,其投入大大超过的十五期间的投入。在大规模投入下,国内混合动力电动汽车研发和产业化取得了显著进展。
目前,混合动力电动汽车技术已成功攻克混合动力的主要关键技术,在混合动力客车控制策略建模与仿真、机电耦合方案、CAN总线技术、整车控制策略、AMT技术、强电安全技术、电机和电池试验与匹配控制、多能源台架试验技术、整车试验和评价标准制定等方面进行了深入的研究,各项技术指标到达到世界先进水平。在混合动力客车关键零部件研发方面,基本上形成了协作研发体系。整车技术方面,实现了以AMT技术为核心的机电耦合装置的技术突破,在整车协调控制和能量分配策略方面形成了成熟的技术。在动力电池、驱动电机等关键零部件技术、电子控制技术和系统集成技术上取得了较大进展,其中镍氢动力电池产品的技术取得突破,建立了小批量生产体系,产品并批量应用于混合动力客车上。以锰酸锂、磷酸铁锂动力电池为代表的锂电池产品也在安全性方面取得重大突破,并开始了在混合动力客车上的应用研究。开关磁阻电机攻克了扭矩波动和振动噪声大的技术难题,在混合动力客车产品上得到成功应用。在科研能力方面,如东风兴建了企业电动汽车工程研究中心,建成了电子控制试验室、电机试验室、电池试验室、多能源动力系统台架试验室及动力总成动态模拟实验室,满足了混合动力客车的研发需要。在产业化方面东风公司先后承担11项国家863项目;已完成混合动力客车EQ6110HEVEQ6110HEV1EQ6122HEV5种车型共14种变型车的开发,其中4种车型已完成产品的公告申请工作。已完成重、中、轻3种混合动力轿车品种的开发,2009年将推出量产的自主品牌混合动力轿车。了一汽与哈工大等单位联合自主研发了解放牌混合动力城市客车性能样车,并通过了国家认证试验。同时还对混合动力轿车进行了研发。长安公司开发了同轴ISG轻度混合动力轿车,奇瑞公司开发了BSGISG两种机电耦合方案的混合动力轿车。此外,还有近20家由地方支持或自筹资金的企业从事混合动力汽车开发。
三、未来预测
1)混合动力汽车技术发展趋势
混合动力汽车将先进的发动机、电机、能量储存装置、电控系统结合起来,它综合了发动机驱动和电力驱动系统的优点,克服了电动汽车关于动力电池、续驶里程等方面的难题,在提供与目前传统的燃油发动机几乎同样的动力性的同时,其燃油经济性得到很大改善,有害排放大大降低甚至接近零排放的水平。
混合动力汽车技术发展表现出明显的模块化和平台化趋势:
在结构上的平台化。发电机组+驱动电机+储能装置,构成了混合动力系统的基本技术平台。通过换用不同的发电机组即APU,是从汽、柴油内燃机到气体燃料发动机各种不同的能源动力转化装置,形成油—电、气—电等各种不同混合动力系统,促进动力系统的平稳过渡与转型。
二是控制系统的模块化。从只具备自动启停、怠速关机功能的“微混合”、以并联式混合动力发动机为主体的“轻混合”和以混联式为特征的“强混合”,随着电功率的比例逐步提高,混合程度不断提高,最终过渡到可充电式的串联式“全混合”方式
2)混合动力产业发展趋势
从国内外研究的成果和经验来看,电动汽车产业发展路线需要考虑诸多的因素,大体归纳于4点:经济性、应用方便性、资源可获得性和环境友好性,这4点在应用的过程中往往是矛盾的,需要综合考虑,达到效果最佳。通过对混合动力电动汽车的优缺点、技术成熟度和技术瓶颈等分析,综合考虑经济性、应用方便性、资源可获得性和环境友好性,我国的混合动力电动汽车能够预见的发展分为短期、中期和长期三个阶段:
1)短期(5年)发展阶段:
l        混合动力汽车大批量产业化,年产量达到百万辆级,占到汽车总产量的10%以上。由于世界各国的油耗标准越来越严格,中高档的汽车或驱动功率大的汽车将会把混合度较大的混合动力系统作为标准配置或选配;低档汽车或驱动功率较小的汽车将会把混合度较小的混合动力系统作为标准配置或选配。可外接电源充电混合动力汽车随着电池技术进步和电池价格的下降,产量将会逐步加大。按照日本丰田公司的计划,在2008年后,丰田公司全系列的乘用车都可以选配混合动力系统。
2)中期(510年)发展阶段:
l        使用代用燃料混合动力汽车和可外接电源充电混合动力汽车将会占到混合动力汽车总量的三分之一,混合动力汽车将会占到汽车总产量的30%以上。
3)长期(10年~20年)发展阶段:
l        由于石油资源日益枯竭,汽油和柴油的价格高企,加上排放法规的日益严格使得燃油汽车的制造成本也提高很多,传统的燃油汽车包括代用燃料汽车产量将会下降到汽车总产量的25%。混合动力汽车呈大幅度増长势态,占到汽车总产量的50%。
 
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