【正文】 ................................................................ 37 動(dòng)力電池的情況 .................................................................. 38 本章小結(jié) ......................................................................................... 39 結(jié)論 ................................................................................................ 40 致謝 ................................................................................................ 41 參考文獻(xiàn) ......................................................................................... 42 1 第一章 緒論 插電式混合動(dòng)力汽車的研究背景 “能源、環(huán)境和安全成為二十一世紀(jì)汽車行業(yè)發(fā)展的三大主題”。在世界范圍內(nèi)，隨著能源危機(jī)的日益加劇和地球環(huán)境的逐漸惡化，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展遇到了由資 源和環(huán)境帶來(lái)的雙重挑戰(zhàn)。 在能源問(wèn)題中最為突出的是車用能源供應(yīng)體系對(duì)石化燃料的高度依賴。目前，石油成為全世界依賴度最深的能源，而汽車運(yùn)行材料幾乎全部依賴于石油的煉制品。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)對(duì)能源消耗分布的的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：全球的交通運(yùn)輸領(lǐng)域在石油的消耗占所有行業(yè)石油消耗量的一半以上，并且呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到 2020 年將占全球石油總消耗的 %65 以上。全球機(jī)動(dòng)車的保有量也在逐年增加，在 20xx 年的銷售統(tǒng)計(jì)中，已經(jīng)超過(guò)了十億輛，每年都在以三千萬(wàn)輛的速 度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉將達(dá)到三十五億輛。隨著全世界汽車保有量的持續(xù)高速增長(zhǎng)，汽車上日益增多的能源消費(fèi)與有限的石油資源供應(yīng)之間的矛盾日趨突出。中國(guó)的石油資源相對(duì)比較貧乏，從 1993 年起中國(guó)的石油已經(jīng)不能滿足本國(guó)的消費(fèi)需求，首度成為石油凈進(jìn)口國(guó)，此后石油的對(duì)外依存度以很快的速度逐年增加。20xx 年我國(guó)石油對(duì)外依存程度已經(jīng)高達(dá) %52 ，超過(guò)百分之五十的“安全警戒線” ，這意 味著中國(guó)能源已經(jīng)從 “比較安全” 向 “比較不安全” 方向轉(zhuǎn)變， 20xx 年甚至超過(guò)了美國(guó)，達(dá)到 56.%。隨著能源消費(fèi)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，我國(guó)石油的對(duì)外依賴度仍將不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)到 20xx 年將達(dá)到百分之六十， 2020年達(dá)到百分之六十五，對(duì)汽車行業(yè)而言，到 2020 年我國(guó)汽車用油缺口預(yù)計(jì)將達(dá)到數(shù)億噸 [1]。 環(huán)境污染方面最為突出的影響是由汽車尾氣排放而引起的大氣污染。據(jù)國(guó)家環(huán)境部門統(tǒng)計(jì)， 20xx 年，我國(guó)機(jī)動(dòng)車排放污染物總量高達(dá) 億噸，在這當(dāng)中，汽車排放的污染物總量最多。隨著人民生活條件的改善，道路的服務(wù)水平不斷提高，隨之而來(lái)的是汽車總量的迅速增加，汽車尾氣排放量將會(huì)急劇增多。目前，汽車尾氣排放已成為影響各城市大氣污染程度的關(guān)鍵因素之一。此外，能夠造成溫室效應(yīng)的二氧化碳?xì)怏w排放中，有百分之二十五是來(lái)自于汽車尾氣，我國(guó)的二氧化碳排放量已居全球第二位。汽車尾氣對(duì)大氣環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重，成為大氣環(huán)境污染中最為棘手和亟待解決的問(wèn)題之一 [2]。 發(fā)展和推廣使用新能源汽車也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源戰(zhàn)略安全和保持 汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。就目前的技術(shù)條件和制造水平而言，純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車存在一些關(guān)鍵技術(shù)上的難題而沒(méi)有得到推廣。混合動(dòng)力汽車則具有較好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，還能有效的解決傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)帶來(lái)的能耗和排放問(wèn)題，因此得到各大汽車廠商的青睞，得到快速的推廣和應(yīng)用。表 詳細(xì)比較了混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車發(fā)展中的優(yōu)勢(shì)與不足 [4]。 表 純電動(dòng)汽車、燃料電池電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn) 2 近年來(lái)插電式混合動(dòng)力汽車（ Plugin Hybrid Electric Vehicle: PHEV） 是大家研究的一個(gè)新方向。插電式混合動(dòng)力汽車（ PHEV）是指具有大容量動(dòng)力電池并且可以利用外界電網(wǎng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行補(bǔ)充充電的混合動(dòng)力汽車。插電式混合動(dòng)力車輛可以僅在動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)時(shí)行駛較長(zhǎng)的里程，在動(dòng)力電池能量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)，切換到傳統(tǒng)的混合動(dòng)力模式下工作，因此它可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)零排放，而且還可以利用外部公用電網(wǎng)設(shè)施對(duì)車載動(dòng)力電池組進(jìn)行充電，減少燃油的消耗，降低車輛使用成本 [5]。 PHEV 能夠很好發(fā)揮傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車?yán)m(xù)駛里程遠(yuǎn)和電動(dòng)汽車零排放的優(yōu)點(diǎn)，集節(jié)能環(huán)保于一身。因此國(guó)內(nèi)外各大汽車制造廠商都把插電式 混合動(dòng)力汽車列為自己重點(diǎn)研發(fā)的項(xiàng)目，認(rèn)為其具有很好的應(yīng)用前景。 國(guó)外插電式混合動(dòng)力汽車（ PHEV）技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介 美國(guó)政府十分重視插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)，在 20xx 年其能源部就宣布了相關(guān)的插電式混合動(dòng)力汽車技術(shù)的研發(fā)與示范計(jì)劃。這項(xiàng)計(jì)劃大約為期三年（ 20xx~20xx 年），先后投入了 3000 萬(wàn)美元用以 PHEV 的研發(fā)，而且在不同地區(qū)進(jìn)行了實(shí)車道路運(yùn)行試驗(yàn)，不斷提高改進(jìn)電池性能，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在純電動(dòng)模式下行駛 40mile 的目標(biāo)。最具代表的車型是通用汽車公司在 20xx 年的底特律車展上發(fā)布的 Volt 概 念車。通用汽車公司在 20xx 年 9 月發(fā)布了的雪佛蘭 4 座插電式混合動(dòng)力汽車 Volt 的量產(chǎn)車型，在 20xx 年下半年該系列車型在美國(guó)底特律的整車工廠生產(chǎn)發(fā)售 [6]。 3 圖 美國(guó)插電式混合動(dòng)力汽車 Volt 雪佛蘭 Volt 電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和電池之間采用的是串聯(lián)的方式，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力不是直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛前行，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力用來(lái)為動(dòng)力電池發(fā)電，動(dòng)力電池通過(guò)線控傳動(dòng)技術(shù)帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪前進(jìn)。純電動(dòng)行駛里程約為 64km。 的鋰離子動(dòng)力電池組箱體采用 T 型結(jié)構(gòu)，長(zhǎng) 米，布置于車體中部和后排座椅下。 除 Volt 以外，美國(guó)開(kāi)發(fā)的插電式混合動(dòng)力汽車代表車型如下 [7]： ① 通用汽車公司的 Green Line 整車使用鋰離子電池作為電池組，其在純電動(dòng)狀態(tài)下續(xù)駛里程大約 15 mile（約 24 km）； ② 通用汽車公司的 Saturn Concept，在電動(dòng)汽車平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用“ EFlex”串聯(lián)方式，純電動(dòng)續(xù)駛里程達(dá) 34 mile（約 54km）； ③ 福特汽車公司的 Escape 混合動(dòng)力 SUV，采用功率為 10kw 的鋰電池組，純電動(dòng)續(xù)駛里程達(dá) 30 mile（約 48 km）。 在日本，豐田是最早開(kāi)始研發(fā)混合動(dòng)力汽車（ HEV）的汽車公司。豐田公司的 Prius 是全球銷量最高的混合動(dòng)力汽車，該公司在 Prius 車型的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了插電式混合動(dòng)力汽車。 20xx 年，豐田公司推出了第三代 Prius 插電式混合動(dòng)力車型 。第三代 Prius 插電式混合動(dòng)力，整車搭載了高性能的鋰離子動(dòng)力電池，額定電壓為 345V，電池容量達(dá)到 hA15? ，可以通過(guò)普通的居民用電為其進(jìn)行補(bǔ)充充電。這款車在城市循環(huán)工況下純電動(dòng)行駛里程為 25 km，純電動(dòng)行駛時(shí)最高車速可達(dá) 100 km/h[8]。 本田公司也 是日本研發(fā)量產(chǎn)銷售混合動(dòng)力汽車最早的汽車制造商之一。本田公司開(kāi)發(fā)的 Insight 混合動(dòng)力汽車燃油效率很高，燃油經(jīng)濟(jì)性可達(dá) km/L3026 。接著本田公司在 20xx 年推出了思域混合動(dòng)力車 Civic Hybrid，該車型具有很好的動(dòng)力性和燃料經(jīng)濟(jì)性。 20xx 年 12 月，本田推出一款混合動(dòng)力版 Accord，該車配備先進(jìn)的燃料混合系統(tǒng)和可變氣缸管理技術(shù)，使得燃油經(jīng)濟(jì)性得到大幅度的提高 [9]。 歐洲各大汽車公司也十分重視插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)。法國(guó)雷諾汽車 公司研制的 Vert 和 Hymme 兩款插電式混合動(dòng)力汽車已在法國(guó)進(jìn)行了一萬(wàn)公里的道路運(yùn)行試驗(yàn)。瑞典的沃爾沃汽車公司開(kāi)發(fā)了一款插電式混合動(dòng)力卡車，該車型是基于沃爾沃 FL6 改裝而成的，最高車速達(dá) km/h90 。大眾汽車公司與德國(guó)政府制 4 定了共同開(kāi)發(fā)插電式混合動(dòng)力汽 車的新能源合作計(jì)劃， 20xx 年大眾公司成功研發(fā)出第六代高爾夫插電式概念車。奔馳汽車公司在 20xx 年法蘭克福車展上推出了 500SVersion 插電式混合動(dòng)力，該車純電動(dòng)行駛里程可達(dá) km30 。寶馬汽車公司也推出了插電式渦輪增壓柴油混合動(dòng)力概念車 —寶馬 Vision Efficient Dynamics[10]。 國(guó)內(nèi) PHEV技術(shù)發(fā)展概況 中國(guó)政府很早就認(rèn)識(shí)到新能源汽車對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和節(jié) 能環(huán)保的巨大促進(jìn)作用，1992 年，國(guó)家科工委第一次把電動(dòng)汽車列入國(guó)家重大攻關(guān)項(xiàng)目， 1996 年把電動(dòng)汽車列入國(guó)家“九五”重大產(chǎn)業(yè)研發(fā)項(xiàng)目?？萍疾吭凇笆濉币?guī)劃期間特別成立了 ―863 電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)”。作為純電動(dòng)汽車的前期產(chǎn)品，插電式混合動(dòng)力汽車在中國(guó)的研發(fā)處于剛剛起步階段，各大整車廠家都在積極進(jìn)行技術(shù)探索和產(chǎn)品引進(jìn)。在中國(guó)的汽車制造商中，比亞迪在汽車電池的研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新方面一直走在前列，在這次產(chǎn)業(yè)技術(shù)浪潮中走在了前列，成為國(guó)內(nèi)插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的領(lǐng)軍人物 [11]。 在開(kāi)始階段，比亞迪在 20xx 年推出了一款 TX2 雙模電動(dòng)車，這款汽車具有純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種模式，可以通過(guò)家庭電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充充電來(lái)在純電動(dòng)模式下運(yùn)行，也可以通過(guò)在加油站補(bǔ)充加油提高它的續(xù)航能力。駕駛者通過(guò)簡(jiǎn)單的操作，即可輕松實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)和混合動(dòng)力兩種模式之間的自由切換。此外，比亞迪還推出了 DM3F 雙模電動(dòng)車，該車使用比亞迪自主研發(fā)的鐵電池，這種電池的原材料廣泛、無(wú)污染、可回收，其耐熱性、抗壓性都已達(dá)到國(guó)家要求的使用標(biāo)準(zhǔn)，而且電池循環(huán)充電能力非常好，在 20xx 次充放電之后電池容量還能保持 %80 以上，在實(shí)際使用過(guò)程中可達(dá)到 4000 次左右。 20xx 年比亞迪推出了全新的插電式混合動(dòng)力汽車秦，該車 混合動(dòng)力模式下零到百公里加速時(shí)間僅為 秒，運(yùn)行最高車速可達(dá) km/h185 ，節(jié)油效果顯著，百公里油耗在 3L 以內(nèi)。在純電動(dòng)模式下，秦能夠達(dá)到將近 50 公里的行駛里程，能夠滿足人們?cè)谑袃?nèi)日常出行的需要。長(zhǎng)途旅行可以開(kāi)啟混合動(dòng)力模式，也可以采用 的黃金動(dòng)力總成單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，完美體現(xiàn) 了插電式混合動(dòng)力汽車的獨(dú)特優(yōu)勢(shì) [12]。 5 第二章 混合動(dòng)力汽車的分類和動(dòng)力耦合原理 混合動(dòng)力汽車的概念和動(dòng)力總成 國(guó)際電氣工程協(xié)會(huì)對(duì) “混合動(dòng)力車輛” 的定義為：以兩種或兩種以上儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)或者能量轉(zhuǎn)換裝置作為動(dòng)力源，至少有一種動(dòng)力源通過(guò)電能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)行駛的車輛 [13]。在這個(gè)比較寬泛的定義中，凡是具有多個(gè)動(dòng)力來(lái)源，且能夠采用電能驅(qū)動(dòng)的車輛都可以稱作混合動(dòng)力車輛，因此可以把混合動(dòng)力汽車分為油電混合、氣電混合、電電混合等多種不同的混合 行式。本文采用已被廣泛接受的傳統(tǒng) HEV概念： “混合動(dòng)力汽車” 是指以 “油電” 混合作為能源組合方式，整車采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的汽車。 動(dòng)力總成是混合動(dòng)力汽車最為核心的總成部件，它是汽車上用來(lái)存儲(chǔ)、傳遞和轉(zhuǎn)化能量并且為車輛提供符合驅(qū)動(dòng)要求功率的所有裝置或機(jī)構(gòu)的總稱，具體包括車載能源、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和其他輔助裝置四個(gè)部分。 （ 1） 車載能源一般是指汽車上用于存儲(chǔ)其他形式的能 量或把其他形式的能量進(jìn)行初始轉(zhuǎn)化進(jìn)而向動(dòng)力裝置提供最初機(jī)械能的部件或者總成。例如，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的車載載能源為油箱，燃料電池電動(dòng)汽車的車載能源由氫氣罐或儲(chǔ)氫金屬和燃料電池堆兩部分組成。 （ 2） 動(dòng)力裝置是用于把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為車輛行駛所需機(jī)械能的裝置，并直接作為傳動(dòng)系的輸入，如傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)，電動(dòng)汽車的電機(jī)。 （ 3） 傳動(dòng)系是用于調(diào)節(jié)和傳遞動(dòng)力裝置輸出的動(dòng)力，使之與汽車行駛時(shí)驅(qū)動(dòng)輪處要求的理想動(dòng)力達(dá)到較好的匹配的所有部件的總稱。傳動(dòng)系與動(dòng)力裝置配合工作，保證汽車能夠行駛在不同的工況條件下，同時(shí)能夠滿足車輛動(dòng)力性的要求 ，得到盡可能低的燃料經(jīng)濟(jì)性。 （ 4） 輔助裝置是指在汽車傳動(dòng)系中，用于從動(dòng)力裝置中獲取動(dòng)力，區(qū)別于直接驅(qū)動(dòng)車輛，主要用于維持汽車良好的調(diào)控特性、舒適性等所有部件的總稱。 插電式混合動(dòng)力汽車本身就是一種混合動(dòng)力汽車，主要區(qū)別在于它的車載動(dòng)力電池組能夠利用電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充充電，純電動(dòng)續(xù)駛里程比較長(zhǎng)，在動(dòng)力電池電量不足時(shí)，仍可以工作在混合動(dòng)力模式。因此，插電式混合動(dòng)力的動(dòng)力電池組的容量比較大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率比較大，而發(fā)動(dòng)機(jī)的排量相對(duì)于常規(guī)的混合動(dòng)力汽車來(lái)說(shuō)比較小。一般情況下，在動(dòng)力電池組經(jīng)過(guò)電網(wǎng)完成充電后，汽車在行駛時(shí)首先在 純電動(dòng)模式下工作，直至動(dòng)力電池組電量達(dá)到所規(guī)定的極限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，整車自動(dòng)切換到傳統(tǒng)的混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模式，而此時(shí)動(dòng)力電池組保持在一個(gè)較低電量的狀態(tài)，直至經(jīng)過(guò)下一次電網(wǎng)充電。 插電式混合動(dòng)力汽車按照動(dòng)力傳動(dòng)的路線以及發(fā)動(dòng)機(jī)和車載電源之間能量耦合的方式不同可以分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式，下文具體介紹幾種形式的插電式混合動(dòng)力汽車的工作原理和特點(diǎn)。 串聯(lián)結(jié)