混合动力电动汽车7.docx

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混合动力电动汽车7

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第4章混合动力电动汽车

混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。

混合动力汽车有串联式和并联式两种结构形式。

复合动力汽车（亦称混合动力汽车）是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车，车载动力源有多种：

蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。

4.1混合动力概念

2003年，联合国将“混合动力车”的定义规定如下：

所谓混合动力车是“为了推动车辆的革新，至少拥有两个能量变换器和两个能量储存系统（车载状态）”的车辆。

TOYOTA油电混合动力系统中的能量转换器为汽油发动机和电动机，能量储存系统为汽油箱和HV蓄电池，符合联合国对“混合动力车”的定义。

4.2混合动力系统的种类

混合动力车是汽车是使用两个或两个以上不同的动力源来推进车辆行驶的车辆，混合动力汽车的英文缩写是HEV。

HEV的基本结构是在电动汽车（EV）和燃料电池电动车（FCEV）的基础上增加一套辅助动力系统--动力发电机组或某种原动机。

原动机可以足内燃机、燃气轮机等热机。

按发动机和电动机的耦合方式不问，可分为串联式混合动力汽车（SHFV）、并联式混合动力汽车（PHEV）、混联式（中、并联式）混合动力汽车（PSHEV）三种形式[1]。

串联式：

发动机驱动发电机发电，电能通过电动机驱动车轮的形式。

串联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、驱动电机和蓄电池组等部件组成。

发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。

发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。

另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。

并联式：

发动机和电动机共同驱动车轮的方式。

主动力是发动机，电动机只作为辅助动力起作用。

并联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电/电动机和蓄电池组等部件组成。

并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动机做为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。

混联式：

最大限度发挥各自优点的前提下把串联混合动力和并联混合动力组成在一起构成的系统。

可以实现只用电动机行驶，还可以把发动机和电动机的驱动力相结合实现高效率行驶。

混联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、电动机、行星齿轮机构和蓄电池组等部件组成。

丰田Prius所采用的混合驱动方式，它将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。

动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。

此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。

混合动力系统种类的对比

4.3混合动力汽车分类及各类型的工作原理

串联混合动力电动汽车

SHEV的结构如上图所示。

它由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。

在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。

蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。

当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。

由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。

2、并联式混合动力汽车的结构特点

并联式混合动力汽车的组成1、发动机2、电动机/发动机3、机械传动系统4、驱动电动机5、逆变器6、蓄电池组

PHEV是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。

如上图所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。

电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可以：

（1）在发动机输出轴处进行组合；

（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。

左图是一种电动机的动力在驱动轮处进行组合的驱动轮动力组合式PHEV，其驱动模式为：

1）以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；2）驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四驱动模式。

3、混联式混合动力汽车（PSHEV）的结构特点

1、发动机2、电动机/发动机3、变速器或减速器4、驱动桥5、逆变器6、驱动电动机7、蓄电池组

PSHEV是综合SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。

电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。

上图是一种发动机的动力与驱动电动机的动力在驱动轮处进行组合的方式，其驱动模式为：

1）以发动机驱动为基本驱动模式，带动电动机/发动机，并独立驱动后驱动轮；2）以驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；3）在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电动机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四轮驱动模式。

4.4目前市面上常见的混合动力汽车的动力源

动力系统主要由发动机、电机、动力蓄电池、传动系统等组成，采用较小的发动机与电驱动系统混合，在保证内燃机接近最高效率的同时，降低发动机排放和噪音，延长续驶里程。

目前HEV最常见的两种动力源是内燃机和电动机。

一般情况下，内燃机是前轮的驱动源，而电动机是两个后轮的驱动源。

车内的电脑会根据不断变化着的交通条件所需的动力情况，随时作出反应，不需驾车人预先指令，即自动地选择最为理想的驱动模式：

或是由两台电动机进行后轮驱动：

或是由一台内燃机进行前轮驱动；或是内燃机和电动机同时驱动。

当从静止状态起步时，车上的电脑会首先选择电动驱动模式，这是因为内燃机在汽车起步后的第一公里期间内，所用燃料的80％都被作为废气排掉了，既浪费燃料又污染环境。

当年速到每小时40公里时，电脑会自动选择内燃机驱动模式，同时内燃机在工作时也对蓄电池组进行充电。

如果驾驶员突然实施紧急加速，电脑则会启动电动机来协助内燃机进行联合驱动。

而当低速行驶时，或者电脑判定蓄电池组的能量不足时，也会启动内燃机工作。

当汽车减速时，电脑会对内燃机起到制动作用，判定利用其制动能量对蓄电池组充电。

此外电脑还操纵着例如制动装置、防车轮抱死和方向控制等其他功能。

在前后轮之间，内燃机和电动机或是交替的、或是相继的、或是同时的，不断变化着的驱动方式，使得汽车始终保持其动力潜能的最大发挥，大大减少了燃料消耗和废气排放。

混合动力汽车的主要结构部件将选用铝、碳素纤维等轻质材料，尽量减少动力消耗。

混合动力汽车的结构设计也很新颖：

底极为完全平面式，座椅布置为3个前座和2个折叠式后座，将后座折起，即可提供—个宽大的载物空间。

座椅的高度可以自动调节，电视摄像机和装在仪表板上的显示屏代替了传统的后视镜……这一切都使驾驶员感到更方便，更舒适。

4.5混合动力汽车-优点

复合动力汽车的优点是：

1、采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。

需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。

2、因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。

3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现"零"排放。

4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。

5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。

6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。

复合动力电动汽车有两种基本的工作方式，即串联式、并联式和串并联（或称混联）式。

复合动力驱动汽车的缺点是：

有两套动力，再加上两套动力的管理控制系统，结构复杂，技术较难，价格较高。

由于"新一代汽车伙伴合作"（PNGV）计划的推动美国三大汽车公司对各种单元技术及其不同组织进行成百种方案的筛选、比较，认为采用复合动力是实现中级轿车百公里3升油耗的可行方案因此而受到更大的关注。

经过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的例子。

4.6对混合动力汽车高压电池组进行充电控制

绿色革命可能不久就将迎来一场重大胜利。

在大规模的电能成为“可储存”和“便携式”能源之时，能量效率将获得显著改善，而且可再生能源的推动工作也将取得进展。

可储存性和便携性是液体燃料的主要优势，而通过电池系统提供的电力则拥有提供一种可行替代方案的潜力。

电能可在几乎所有的耗能设备中使用，而且，电能也可以从几乎所有的可用能源来产生。

核能、太阳能、风能、地热能和液体燃料（汽油、柴油、乙醇、氢等等）都能很容易地转换成电能。

因此，与石油燃料相比，电力的重大优势是可以利用最具成本效益的解决方案随时随地产生能量。

　　对电能的规范化可以同时实现规模经济，并免除局部燃料消耗所需的基础设施。

优越的电能可储存性便于发电（效率最高，且不是“按需”型的），目前的情况大体如此。

例如：

风力发电和太阳能发电未必与峰值功率需求模式相吻合，而可储存特性则能缓解这个问题有所缓解。

优越的便携性允许电能作为汽车（耗能大户）的能源。

随着时间的推移，其他倾向于使用绿色能源的应用肯定将得益于此项技术。

　　电动汽车对电池系统的要求

　　电动汽车为绿色革命提供了一个巨大的发展机遇，原因有很多。

电动汽车采用电网电力取代了燃气动力。

电网电力的生成效率很高，可以从几乎所有的能源来获得。

此外，电动汽车的能源使用效率也高于燃油汽车。

大多数汽车在运行时将经历一个“加速、减速和空转”的连续周期。

相比之下，易变的负载（比如加速或减速）更有利于电动马达（而非燃油引擎），因为它在低速条件下提供了高转矩。

燃油引擎的工作效率只在一个很窄的速度/负载范围内达到最高，而且为满足峰值加速的需要，它必须是超大型的。

用于把汽油能量转换为动能的引擎效率通常为20%，而电动马达将电能转换为动能的过程中可以实现90%的典型效率。

此外，电动马达还无须在停靠时因为空转而无谓地消耗能量，而且电动系统还具备通过再生制动来恢复机械能的潜力。

通过电动汽车的典型能耗成本仅为0.013美元/英里这一事实，便能看出能量效率的整体改善情况。

　　遗憾的是，在现今的市场上，纯电动汽车还不是一种可行的解决方案，因为其行驶距离受限于车上所能储存的能量。

如今常见的电池组在充电8小时之后能够让一辆电动汽车行驶100英里。

而一个普通的汽车油箱则能为一辆标准汽车提供300英里的行驶距离，且只需几分钟的时间就能完成加油。

如果想得到美国消费者的广泛接受，那么电动汽车必须延长行驶距离和/或缩短再充电时间。

应运而生的解决方案是“油电混合动力车”，它把燃油引擎和电动传动系统组合起来，以提供足够的行驶距离，同时仍然拥有绿色能源的大多数好处。

油电混合动力车采用车载燃气引擎（用于电池充电），并在需要时在最有效的速度/转矩范围内操作该引擎。

　　毫无疑问，电动汽车的成功将有助于其它应用的高性能电池系统找到属于自己的生存空间，从而推进其价格的下降和性能的提升。

对于局部发电（包括小型光伏或风力发电系统），电池可以起到至关重要的平衡作用，且当可以使用电网电力时，它还能充当一个后备电源系统。

目前的电池系统相当昂贵而且庞大，且存在可靠性和安全方面的问题。

下一代电池系统将提供较高的能量密度，旨在实现外形较小、价格较低、可靠性和安全性更高的解决方案。

　　高电压电池组的设计挑战

　　对于大功率电池应用而言，锂离电池可作为首选的化学电池，主要因为它的能量密度高。

当今的电动汽车和油电混合动力车采用的是NiMH电池，如果采用锂离子电池将使其能量储存密度提高400%。

然而，为了使锂离子电池在多达数千次的充放电循环过程中保持可靠，电池系统必须解决诸多技术难题。

　　锂离子电池的性能取决于电池温度和使用期限、电池充电和放电速率以及充电状态（SOC）。

这些因素并不是独立的。

例如：

锂离子电池在放电时将产生热量，从而增加放电电流。

这有可能形成热失控状态，并导致灾难性故障的发生。

此外，把锂离子电池充电至100%SOC或放电至0%SOC将迅速降低其容量。

因此，必须将锂离子电池的操作限制在某个SOC范围内，比如20%至80%，此时的可用容量仅为规定容量的60%。

不仅如此，锂离子电池还具有平坦的放电曲线（图1），其中1%的SOC变化可能仅表现为数毫伏的电压差异。

为充分利用电池的可用电压范围，电池系统必须非常准确地监视电池电压（它直接对应于SOC）。

除了锂离子电池的敏感特性之外，把电池组合在一起的方法也是一个重要的考虑因素。

如欲从一个电气系统（比如用于给车辆加速所需的电气系统）来提供有效的功率，则需高达数百伏的电压。

举例来说，在1V电压条件下输送1kW功率需要1,000A电流，而在100V电压条件下输送1kW功率则仅需10A电流。

系统布线和互连线中的固有电阻将转换成IR损耗，因此设计师需采用切实可行的最高电压/最低电流。

4.7日本混合动力汽车产业发展策略

㈠出台税收优惠政策及奖励措施，促进混合动力汽车销售，拉动内需。

　　为应对金融危机冲击，扶持汽车产业，推动环保型汽车发展，拉动内需，09年日本推出购买环保车免除汽车购置税和重量税，同时减免汽车税等优惠政策。

另外，车龄超过13年旧车换购新车或直接购买环保车，给予一定的购车补助。

上述政策起到了良好经济效果，国民希望明年继续执行，日本政府正就此进行研究。

　　㈡政府大力扶持产业技术发展。

为促进混合动力汽车产业发展，尤其是核心技术——车载锂离子电池研发，日本经产省下属新能源产业技术综合开发机构（NEDO）成立了“AllJapan”体制。

该体制除丰田、日产等5家汽车企业外，三洋电机、GSYuasaCorporation等7家电池企业，京都大学、早稻田大学和东北大学等10家研究机构参加。

AllJapan在京都大学设立研发基地，常驻50多人，7年内投资210万亿日元，利用兵库县大型放射设备“Spring—8”等尖端设备，对电池材料老化等进行研究。

计划开发蓄电量为现在3倍车载锂离子电池，2015年混合动力汽车成本降低到现在的6分之1，2020年混合动力汽车一次充电行驶距离增加到现在3倍。

㈢规划长远发展战略，积极获取海外矿权。

铂是生产锂离子电池主要原料，南非铂储量约占全球总储量9成。

日本07年铂需求量54吨，98%依赖进口。

为确保燃料电池材料稳定供应，日本独立行政法人石油天然气金属矿物能源机构（JOGMEC）与加拿大探矿公司PlatinumGroupMetals就共同开发南非铂矿缔结协议。

日方4年内负担320万美元勘探费用，获取37%矿权。

㈣产业技术密集度领先世界。

由于混合动力汽车市场广阔，日本化工界大企业纷纷投资车载电池研发领域。

其中，宇部興産、三菱化学等研发电解液，三菱化学、日亜科学工業、住友化学研发正极材料，旭化成、三菱樹脂、宇部興産等研发隔离板，日立化成工業、三菱化学、昭和電工等研发负极材料。

目前研究已经有所突破，比如锂离子电池正极普遍用钴材料，但钴属于稀有元素且价格昂贵，可以运用磷酸铁锂来替代。

磷酸铁锂可以通过回收废铁及下水污泥中的磷在普通水泥厂加工生产。

㈤完善普及混合动力汽车相关配套设施。

为方便混合动力汽车用户为汽车充电，日本石油企业正抓紧完善配套设施。

新日本石油和出光兴产等正开始进行电动汽车充电设施的实证实验。

9月以后加油站等放置快速充电器，考察用户使用情况及方便程度。

研究如何实施与电动汽车普及相适应的相关配套服务。

另外，部分加油站还配置太阳电池，将太阳电池与充电器连接，利用太阳光产生的电力驱动汽车。

㈥建立车载电池回收市场，削减电池成本。

混合动力汽车普及所面临的阻力之一是电池成本过高，目前约占汽车总成本一半左右。

如果能够建立车载电池回收市场，将会大大削减车载电池成本，从而有利于混合动力汽车普及。

据测算，车载锂离子电池使用若干年后，蓄电能力会下降2成左右。

但汽车淘汰下来的锂电池可再用于住宅用蓄电池。

日产、住友商事计划2010年下半年起，在家庭和办公楼设置可再利用的车载锂电池，利用晚间比较便宜的电力充电后供用户白天使用。

4.8全球混合动力汽车市场

08年全球混合动力汽车需求量48万辆，JP摩根证券预测，2020年将增至1128万辆，相当于08年23倍，占汽车总销量13.3%。

按地区分布看，北美349万辆，欧洲346万辆，中国197万辆，日本70万辆。

　　混合动力汽车增长将会带动电池等相关产业。

08年全球汽车电池市场规模约800亿日元，2020年将增至1万零540亿日元。

再加上其他零部件及发动机等主要部件，预计每年混合动力汽车相关产业市场规模约2万多亿日元。

混合动力汽车增长还将带来一场新的产业技术革命。

随着车体轻量化，以钢铁为主材料的车身可能会被碳素纤维所取代，传统的锻轧和焊接工艺可能向一次成型和粘合方向转化。

　　三、日本混合动力汽车市场

日本丰田、本田、三菱、马自达等多家企业均抓紧开拓混合动力汽车市场。

目前市场上正热销的两款车型分别为丰田Prius和本田Insight。

其中Prius标准型每升汽油可行驶35.5公里，售价205万—327万日元之间。

Insight每升汽油可行驶30公里，售价189万日元。

丰田公司1997年第一代Prius开始销售以来，累计销量已突破100万辆。

08年丰田汽车全球混合动力汽车销量43万辆，计划2010年代早期实现年销量100万辆。

为此，丰田和松下各出资60%和40%成立注册资本130亿日元的PanasonicEVEnergy株式会社，生产混合动力车用电池。

目前混合动力车用电池年产量可供70万辆车使用，2011年扩大至110万辆。

为刺激消费拉动内需，日本今年推出旧车换购新车及购买环保车补助金政策，及换购环保车减免税政策，混合动力汽车销售旺盛，5月份新车销量中，混合动力汽车共销售21601辆，约占12%，首次超过汽车总销量1成。

09年4—9月，混合动力汽车销量占汽车销售总量8.9%。

其中，丰田Prius共销售11万6298辆，并连续4个月位居新车销售排行榜榜首。

　　据预测，2011年日本混合动力汽车年度市场占有率将超过20%。