【正文】 汽車”領域投入了超過100億美元的資金,并且以每年不少于10億美元的力度繼續(xù)開發(fā)。從美國政府對新一代汽車伙伴計劃(PNGV)的建立和執(zhí)行的情況來看,“綠色汽車”己成為跨國汽車公司和先進工業(yè)國家戰(zhàn)略發(fā)展的重要內(nèi)容,也對我國汽車產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整提供了有益的借鑒。經(jīng)過對各種新能源、新燃料、新動力的探索,電動汽車成為最主要的選擇之一。電動汽車主要包含純電動汽車(即EV)、混合動力電動汽車(即HEV)和燃料電池汽車(Fuel Cell Vehiele簡稱FCV)。純電動汽車是當前能滿足“零排放”要求的首選方案,電動汽車運行中沒有污染,如果發(fā)電廠以核能、水利、風能、太陽能或天然氣為能源發(fā)電,對大氣的污染會很小,而遠離城市的火力發(fā)電廠對人們生存環(huán)境的影響也可以控制。在市區(qū)內(nèi)行駛,電動汽車的能量效率比普通燃油汽車高40%左右；電動汽車也可以利用用電低谷時的電網(wǎng)富裕電能,這可以平衡電網(wǎng)的負載,提高電網(wǎng)能量的利用率。除此之外,電動汽車還具有低噪聲、低熱輻射、易操縱和易維護等優(yōu)點。因此,人們對電動汽車寄予了厚望。然而,由于電動汽車的關鍵技術一電池技術的制約,電動汽車的性能價格比遠遠不能達到推廣應用的標準。其主要障礙是:電池的能量密度極低,因此電池組的質量較大,導致電動汽車一次充電的續(xù)駛里程和動力性能無法達到目前內(nèi)燃機汽車的水平；此外,電動汽車空調(diào)和暖風的使用必須充分考慮其能量消耗對電動汽車續(xù)駛里程的影響,乘員的舒適性受到限制。充電站的投資巨大,電池組價格昂貴,循環(huán)壽命有限,頻繁更換電池的成本是難以接受的。這些問題在短期內(nèi)難以解決,嚴重的限制了汽車的實用化和商業(yè)化,產(chǎn)業(yè)化前景并不看好。燃料電池汽車具有極高的效率,低排放、低噪音的特點,其甲醇燃料具有廣泛的來源,并具有可再生的巨大優(yōu)勢,已成為世界各大汽車集團新世紀激烈競爭的焦點,被譽為21世紀改變?nèi)祟惿畹氖蟾呖萍贾?但產(chǎn)業(yè)化道路仍需要較長的時間。與電動汽車和燃料電池汽車相比,混合動力電動汽車一次性能源仍然是燃油,只是在電動機的輔佐下以更有效的方式將燃油的能量轉換為機械能而已,因而具有續(xù)駛里程長。機動性強等傳統(tǒng)燃油汽車的特點；在某些對汽車排放嚴格限制的地區(qū)(如環(huán)保示范區(qū)、旅游區(qū)等)可以關閉發(fā)動機,采用純電動方式行駛成為零排放的汽車；故混合電動汽車對電池的依賴程度低,可大幅度降低蓄電池組的體積和重量,串聯(lián)式混合電動汽車的電池重量僅為電動汽車電池的1/3,并聯(lián)式還可比串聯(lián)式再減少重量的1/3；由于混合動力汽車可以不從外部電源充電,因此可以節(jié)約大量的充電基礎設施投資,所以混合動力汽車的性價比明顯優(yōu)于電動汽車。據(jù)豐田公司介紹,該公司生產(chǎn)的RVA4EV電動汽車售價為495萬日元/輛,所裝載的鎳—金屬氫電池總質量達480Kg,而該公司安裝鎳一金屬氫電池的混合動力汽車售價僅為215萬日元/輛,其裝載的電池總質量僅為80Kg。根據(jù)國際機電委員會下屬的電力機動車技術委員會的建議,混合動力電動汽車是指由兩種能源或轉換器等作驅動能源,其中至少有一種能提供電能的車輛稱為混合動力電動汽車。根據(jù)這個定兩種以上的儲能義,混合動力電動汽車有很多種形式,有內(nèi)燃機和蓄電池混合,蓄電池和燃料電池混合,蓄電池和超大容量電容器混合,蓄電池和飛輪混合等。為了避免混淆,專家們采用內(nèi)燃機和蓄電池混合的動力來代表混合動力電動汽車。近年來,雖然許多國家都投入大量資金人力研究電動汽車,但目前為止動力電池和其它一些關鍵性技術還沒有取得有效地突破,動力電池的續(xù)駛里程和充電時間大大制約了電動汽車的發(fā)展和普及。因此,在電池問題解決之前,如何合理地選擇這些部件及有關參數(shù),使匹配達到最優(yōu),在相同蓄電池條件下,更好地滿足動力性要求和最大地增加續(xù)駛里程,一直是研究者們追求的目標。混合動力汽車通過內(nèi)燃機和發(fā)動機的有機結合,具備了內(nèi)燃機汽車加油方便、續(xù)駛里程長和純電動汽車污染少、效率高的特點,成為當今世界汽車界競相開發(fā)的熱點。豐田的prius、本田的Insight、福特的Prodigy、克萊斯勒的ESX通用的Preeept、日產(chǎn)的Tino等都是具有代表性的車型,其中prius和Insight已是成熟的產(chǎn)品,并將繼續(xù)擴大生產(chǎn)規(guī)模,其它車型也將在2—3年推向市場。我國也非常重視混合動力電動汽車的研制與開發(fā),一些單位已進行了一些初步的工作,并取得了一定的成績,國家科技部已將其作為“十五” 863重大專項內(nèi)容。第一輛HEV是在20世紀初期由設計者將電動機和汽油發(fā)動機組合在一起而制成的。從那以后,混合驅動系統(tǒng)經(jīng)過不斷的發(fā)展己取得了相當大的進展。隨著科學技術發(fā)展,HEV已發(fā)展成為汽車電力驅動、化學電源、智能控制、計算機、新能源、新材料等工程技術中最新技術集成和綜合的產(chǎn)物。在國外,汽車發(fā)達國家由于受到石油資源和環(huán)境污染的巨大壓力,率先對電動汽車進行了研究,目前其混合動力電動汽車已達到了商品化程度。90年代以來,日本、美國、歐洲各大汽車公司紛紛開始研制混合動力型汽車。日本豐田汽車公司率先于1997年12月將混合動力型Prius轎車投放本國市場,2000年初又開始投放北美市場,并將月產(chǎn)由1000輛調(diào)升到月產(chǎn)2000輛,產(chǎn)品出現(xiàn)了供不應求局面,初戰(zhàn)告捷,不僅震動了全球汽車廠商,而且也大大鼓舞了豐田汽車公司的全體員工,豐田公司計劃到2008年時,混合動力汽車達到年產(chǎn)80萬輛,據(jù)國外專家預測在未來的十年內(nèi),可能有40%的汽車均將采用混合動力技術。除了豐田公司以外,本田公司也已投產(chǎn)Insight混合動力汽車。在美國環(huán)?？偸鹪u為2003年美國十大節(jié)能汽車中本田公司的Insight混合動力汽車第一名,第二名則為豐田汽車公司的Prius混合動力汽車。在美國,由政府動員全美所有有關的科研機構(包括軍工、航天部門)來進行電動汽車的研究,目標是新的節(jié)能車必須保持現(xiàn)有汽車的價格和性能,并且電動汽車包括混合動力電動車的購買者享有政府提供的各項稅費減免優(yōu)惠。在此情形下,美國能源部與三大汽車公司鑒訂了混合動力汽車開發(fā)合同(PNGV項目),克來斯勒投入8480萬美元,進行為期5年的研制開發(fā)工作,三大公司于1998年在北美國際汽車展上分別展出了混合動力汽車樣車,迄今己開發(fā)出多種形式的混合電動動力汽車,例如克萊斯勒的ESX福特的PZOOO、通用的Gent等。PNGV項目在HEV性能仿真、汽車集成動力模塊等技術領域取得了顯著成就。在歐洲,各大汽車廠商爭先恐后的推出了本公司研制的混合動力汽車。其HEV的突出代表是法國的Berlinge,在性價比上能與一般汽車相抗衡,代表了國際實用先進水平。法國雷諾公司研制的VERT和HYMNIE兩款混合動力汽車已進行了10,000公里的運行試驗。德國西門子和波許(BOSCH)等著名零部件公司也積極參與大汽車公司聯(lián)手開發(fā)混合動力汽車技術。我國對電動汽車的研究起步并不晚,但在規(guī)模上與投入力度上不能與發(fā)達國家相提并論。九十年代中期在有關專家的呼吁下,開始對混合動力電動汽車技術表示出了極大的關注,并積極著手研制開發(fā)樣車,例如廈門金龍汽車公司與清華大學合作,研制了串聯(lián)式混合動力中巴。現(xiàn)在投入混合動力電動汽茱研制工作的產(chǎn)、學、研單位已不下十余家,但大都規(guī)模較小,經(jīng)費短缺,技術較低,技術方案大多雷同,甚至重復。2000年以來,在國家科技部部署下,成立了國家863電動汽車重大專項小組,以東風汽車公司,中科院所屬的相關科研院所以及清華大學、華中科技大學等高校為主要成員單位對混合動力電動汽車展開了研制,目前已完成階段性的成果,并有部分樣車投入試運行。力爭在近年內(nèi)完成提高核心竟爭能力,建設公共技術平臺、推進商品化示范運營等一系列產(chǎn)業(yè)化工作。近些年來國內(nèi)汽車公司也著手研發(fā)HEV?！笆濉彪妱悠囍卮髮ｍ椉航?jīng)開花結果,己經(jīng)開發(fā)了紅旗牌混合動力轎車FIG1一2Hongqi。2002年,長安公司著手研發(fā)混合動力汽車,經(jīng)過4年的努力,長安公司己掌握了混合動力汽車的核心技術,建立起了19項企業(yè)標準,形成了自己的產(chǎn)品開發(fā)流程和項目管理模式,并推出我國首款具有實用價值的混合動力汽車長安CV9。比亞迪公司也于2007年推出他們的首款混合動力電動汽車F3DM。這些HEV開發(fā)的成功,使我國HEV技術躍上了一個新臺階,標志著我國的HEV技術達到了新的水平。 HEV 關鍵技術的研究HEV的關鍵技術包括車身結構設計、發(fā)動機的設計、電機及其控制技術、儲能元件、動力系統(tǒng)參數(shù)匹配、多能源控制策略以及HEV的仿真技術。只有將這些關鍵技術合理運用到一起才是HEV能夠推廣的關鍵所在。 車身與結構設計HEV車身的設計有兩種基本方法，一種是改造現(xiàn)有車輛，二是針對不同技術要求進行專門設計。根據(jù)原有車輛進行改裝，就是要在原有燃油汽車的結構基礎上，增加一套儲能元件電動機驅動系統(tǒng)。由于可以采用原有的汽車底盤，對于小批量的生產(chǎn)和試驗而言，這種方法確實比較經(jīng)濟實惠，但對于絕大部分改裝汽車而言，自重過大、質量分配不均等缺點是其難敵克服的，而且會對汽車的動力性能產(chǎn)生負面影響。HEV大部分有特定的設計目的，這種特定設計的車型使得HEV與改裝車相比有很大的優(yōu)勢，它使得設計者可以靈活地布置和整合各子系統(tǒng)，使之能夠高效地運行。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，HEV由于有發(fā)動機和電機兩套驅動系統(tǒng)，所以在結構設計方面相對靈活。 發(fā)動機技術概述發(fā)動機是HEV的主要動力源，要求其燃油經(jīng)濟性好、排放低。經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，車用發(fā)動機在動力性、經(jīng)濟性以及排放方面有了很大的改進，特別是近年來增壓中冷、電控燃油噴射、排氣再循環(huán)、高壓共軌、可變進氣渦輪、和催化后處理等技術的研制，使得發(fā)動機的性能較之以前有很大提升。作為一種非常成熟的動力元件，發(fā)動機在HEV上的應用難度不大。 電機及其控制技術純電動車對驅動電機的要求與串聯(lián)式系統(tǒng)相似，電機要求體積小、效率高、有較好的控制性能。在并聯(lián)和混聯(lián)式結構系統(tǒng)中要求電機能夠適應頻繁的起停和電動/發(fā)電狀態(tài)的切換。在并聯(lián)系統(tǒng)輕度復合的結構中，對電機功率要求不高，可采用與發(fā)動機曲軸同軸的布置結構，進一步減小了電機的體積和重量。 儲能元件為了提高HEV動力系統(tǒng)的能量利用率和整車的動力性能，在選擇合適的輔助動力元件的基礎上，還需要裝備比能量密度較大、而且能夠瞬時提供較大功率的儲能元件。目前應用較多的主要有鉛酸電池、鎳氫電池、鏗離子電池和超級電容等?，F(xiàn)在的超級電容表現(xiàn)出的儲能密度為每千克5至6瓦時。超級電容器的面積是基于多孔炭材料，該材料的多孔結夠允許其面積達到2000m2/g，通過一些措施可實現(xiàn)更大的比表面積。超級電容器電荷分離開的距離是由被吸引到帶電電極的電解質離子尺寸決定的。該距離比傳統(tǒng)電容器薄膜材料所能實現(xiàn)的距離更小。這種龐大的表面積再加上非常小的電荷分離距離使得超級電容器較傳統(tǒng)電容器而言有驚人大的靜電容量，這也是其“超級”所在。 動力系統(tǒng)參數(shù)匹配（1）根據(jù)性能指標和整車參數(shù)的設計要求，合理運用汽車理論的相關原理、公式計算各動力系統(tǒng)主要部件的參數(shù)。（2）在工況分析的基礎上對電動汽車進行設計是一種比較成熟的方法，工況分析的主要項目包括：典型工況、特殊工況和工況適應性分析。工況分析的目的是獲取車輛能量和動力的需求，根據(jù)車輛的能量和動力需求分析可以得出動力系統(tǒng)的系統(tǒng)能量和動力性能的最低需求，并對其各主要部件提出合理的參數(shù)要求，設計出符合使用條件的車輛。（3）常見的是以仿真軟件ADVISOR為平臺，針對混合動力系統(tǒng)的各主要元件，建立相應的模塊，通過仿真確定各動力元件的參數(shù)，并判斷其對整車性能的影響。 多能源控制策略HEV與傳統(tǒng)汽車相比最大的改進就是動力源的增加，這就導致了在HEV中能量流動方向的多樣性。多能源控制策略的目標是解決HEV行駛過程中所需的功率和能量何時或用何種方法由車上何種形式的動力源來提供能量的管理策略問題?？刂撇呗允?HEV 的根基，因為其直接控制著能量在車輛內(nèi)部的流動方式，從而對車輛的動力性、經(jīng)濟性以及排放指標產(chǎn)生影響。 HEV 的仿真技術在研究和開發(fā)HEV的部件以及選擇最佳系統(tǒng)構型時，要求設計者能夠盡可能的縮小研究范圍，縮短研發(fā)周期和減少成本的投入，找到技術的關鍵點。在選擇技術方案時，采用計算機對混和動力系統(tǒng)和各部件進行建模和仿真，通過其性能分析進一步對系統(tǒng)進行評估。仿真技術的應用，大大降低了產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，是HEV技術發(fā)展的一個重要環(huán)節(jié)。第二章 混合動力汽車驅動系統(tǒng)方案研究混合動力車輛的定義為:“在特定的工作條件下,可以從兩種或兩種以上的能量存儲器、能量源或能量轉化器中獲取驅動能量的汽車。其中至少一種存儲器或轉化器要安裝在汽車上。混合動力電動汽車至少有一種能量存儲器、能量源或能量轉化器可以傳遞電能?！被旌蟿恿ζ囼寗酉到y(tǒng)是指汽車上所有的用于存儲、轉化和傳遞能量并使汽車獲得運動能力的部件的總稱。主要包括車載能源、原動機和傳動系統(tǒng)三個部分。車載能源是在驅動系統(tǒng)中用于能源存儲或用于能源存儲并進行能源的初始轉化以向原動機直接供能的所有部件的總稱,由能源存儲系統(tǒng)或能源存儲和轉化調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成,例如油箱。原動機是指驅動系統(tǒng)中用于把其他行駛的能量轉化為可以直接驅動車輪轉動的機械能的裝置,比如普通車輛上的發(fā)動機,純電動汽車上的電動機等。傳動系統(tǒng)是用于傳遞和調(diào)節(jié)原動機輸出機械能,并輸送給車輛驅動車輪,實現(xiàn)車輛正常行駛的所有部件的總稱。主要包括離合器、減速/變速器、傳動軸、主減速器、差速器、半軸以及驅動車輪等。目前混合動力電動汽車根據(jù)驅動系統(tǒng)配置和組合方式不同,主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。本章接下來將系統(tǒng)介紹三種驅動形式。串聯(lián)式(Series Hybrid Electric vehicle,簡稱SHEV):串聯(lián)式混合動力電動汽車由發(fā)動機、發(fā)電機、電池組、驅動電動機和控制器等主要部件組成。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電,發(fā)電機所發(fā)出的電能供給電動機,電動機驅動汽車行駛。發(fā)動機和發(fā)電機組成一個系統(tǒng),當發(fā)動機發(fā)出的功率超過汽車行駛所需要的功率時,發(fā)電機發(fā)出的部分電能向電池充電,來延長混合動力電動汽車的行駛里程。另外,電池還可以單獨向電動機提供電能來驅動電動汽車,使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下行駛。在串聯(lián)式混合動力電動汽車上,由發(fā)動機帶動發(fā)電機所產(chǎn)生的電能和電池輸出的電能,共同輸出到電動機來驅動汽車行駛,電動機的電力驅動是唯一的驅動模式。雖然串聯(lián)式混合動力電動汽車各部