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混合动力汽车驱动系统的国内外研究现状
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1.1混合动力汽车提出背景
1.1.1 21世纪汽车工业面临的挑战[1]
内燃机汽车经过120多年的发展和壮大,为人类文明做出了巨大贡献,创造了难以计算的直接或间接经济利益。但是,随着内燃机汽车保有量的急剧增长,人们越来越认识到传统的内燃机汽车对人类环境带来的危害。传统燃油汽车排放所造成的空气质量日益恶化和石油资源的渐趋匮乏,环境保护的迫切性和石油储量日见短缺的压力,迫使人们重新考虑未来汽车的动力问题。
目前,世界上各种汽车的保有量超过7亿辆,每年新生产的各种汽车约5000万辆,按平均每辆汽车的年消耗10～15桶石油制品计算,汽车的石油消耗量每年达到80～100亿桶,约占世界石油产量的一半以上.石油资源的开采每年达到几十亿吨,经过长时期的现代化大规模地开采,石油资源日渐枯竭,按科学家预测,地球上的石油资源如果按目前的消耗水平,石油资源仅仅可以维持60～100年.21世纪以来,石油价格的上涨已对世界经济的发展形成了巨大的威胁,人类将面临更加严峻的石油资源的危机和挑战。
内燃机汽车上产生动力的同时,会产生燃烧废气,包括二氧化碳二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化合物(NOX)、碳氢化合物(HX)等有害气体,对大气环境造成污染,对人体造成伤害。内燃机汽车的噪声主要是燃烧噪声、进气和排气过程装配能够气体的空气动力性噪声,这些噪声随汽车的行驶,飘逸在其经过的环境中,在大城市中,汽车所产生的噪声会引起人们的神经系统和心血管系统功能的紊乱。目前只是在每台汽车上装置降低噪声的处理系统,以降低噪声,达到国家规定的标准。噪声降低的处理一般会因消耗一部分发动机的能量而降低内燃机的效率。
1.1.2 混合动力汽车的提出及其特点
经过对各种新燃料,新能源和新动力的探索,电动汽车成为最主要的选择之一。电动汽车包括纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCV)三种形式,它是理想的零排放或低排放车辆。纯电动汽车由于在发展中受到了技术上的制约,产业化前景并不看好。燃料电池汽车具有极高的效率、低排放、低噪音,其甲醇燃料有广泛的来源,并可再生等重大优势,已成为世界各大汽车集团新世纪激烈,竞争的焦点,被喻为21世纪改变人类生活的十大高科技之首,但产业化仍需较长时间。混合动力汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。
纯电动汽车是由蓄电池组提供电能,电动机驱动汽车行驶,它是满足零排放的最好汽车。电动汽车具有能源多样化、结构简单、维修使用方便等诸多优点,它的充电可以利用夜晚用电低谷时间完成,这可大大缓解供电、用电矛盾中对电力储备能力的要求。但至今纯电动汽车仍未达到广泛普及的实用阶段,最严重的问题是动力电池技术上的困扰,能量密度低、续驶里程短、充电时间长等,其性能价格比太低,远不能与现有内燃机汽车相竞争,用户难于接受,特别是充电站网的建设困难可能要大于研制、生产电动汽车本身。所谓混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle)[2,3],是车上装有内燃机和电动机两种动力源。将产生动力的部件与电能储存元件以不同的方式结合起来,可以形成不同类型的HEV。简而言之,HEV就是将传统的内燃机(又称辅助动力装置APU)、电力驱动和储能装置结合在一起。与常规的内燃机动力相比,混合动力的主要优点是,采用了高功率的能量储存装置(飞轮、超级电容器或蓄电池)向汽车提供瞬时能量,可以减小发动机尺寸、提高效率、降低排放。它较纯电动汽车有以下优点:
1.可以最大限度发挥内燃机汽车和纯电动汽车的双重优点；
2.辅助动力单元(APU)的选用使汽车的续驶里程和动力性能可以达到内燃机汽车的水平；
3.虽然内燃机会有排放产生,但由于其排量小,主要工作在最佳工况点附近,而大大减少了汽车变工况(特别是低速、怠速)时的排放,再由于可回收制动能量,可使混合动力汽车成为较低排放的节能汽车；
4.在一些对汽车排放严格限制的地区(如商业区、游览区、居民区等), 混合
动力汽车可以关闭APU,由纯电力驱动,成为零排放的电动汽车。
混合电动汽车基本上不改变现有的汽车产业结构,不改变现有能源(石油燃料)的体系,不改变用户对汽车的使用习惯,也是它能够迅速实现产业化的重要因素。专家们预测,在未来十年内将可能有40%的燃油汽车实现混合驱动。
1.2 混合动力汽车在国内外的研究现状及应用前景
20世纪90年代以来，国外所有知名汽车公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力汽车实用车型的研制和开发；很多公司采用了包括现代电子、精密机械、控制技术、新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术，使不少样车的主要动力性指标达到了燃油汽车的水平。进入21世纪后，各国加快了HEV的概念产品化的进程，相继推出了不同形式的HEV产品，Toyata的Prius，Honda的Insight，Daimler Chrysler的ESX3，Ford的Prodigy，Nissan的Tino，GM 的Precept等都是具有代表性的车型；其中Prius和Insight已是成熟的产品，并在继续扩大生产规模，其它车型也将在近几年内推向市场。很多车型都显示出了优良的环保与节能性能。随着电动汽车、混合动力电动汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低，混合动力电动汽车的市场份额正逐渐增大，使其已成为重点发展的新型汽车[4]。
2005年11月23日在北京开幕的国际清洁汽车技术展览会上， 世界主要汽车制造商展出了最新的清洁汽车， 主要是混合动力汽车， 证明了现在业内人士基本认同混合动力汽车的发展地位。传统内燃机传动是功率与效率的折中。提高功率则降低效率,反之亦然。丰田油气混合动力系统不是采取折中的方案， 而是让两者协同起来， 即混合协同驱动（HSD）。自1997年第一辆Prius诞生以来，就引起车坛震荡。2003年第二代Prius下线。2005年又推出了第三代Prius。丰田公司展出的第三代Prius混合动力轿车， 动力系统仍旧采用THS混联式结构[5]。
我国目前也非常重视混合动力电动汽车的研究与开发，一些单位的起步研究工作正在展开，国家科技部已将其作为“十五”863重大专项的内容。
我国有关电动汽车的研制开始于20世纪90年代。从1996年开始，广东省科委统一协调组织研制电动汽车，并取得了可喜的进展。中国远望（集团）总公
司与北京理工大学、国防科技大学和河北胜利客车厂等单位联合，于1996年3月研制成功了51座YW6120型电动大客车。在此基础上，我国混合动力汽车的研制也有了一定的进展。1998年，清华大学与厦门金龙公司合作研制了混合动力客车；同年，江苏理工大学承担了江苏省科委下达的重点工业科技攻关项目——混合动力公交轻型客车ZJK6700 HEV串联式混合动力的研制，目前样车的研制工作已经结束。一汽在2001年4月19日闭幕的第3届北京国际清洁车展推出一款混合动力轿车——红旗CA7180AE。该轿车是由一汽汽研所、美国电动车亚洲７公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作完成的，属串联式结构的中高档车型。清华大学与沈阳金杯客车制造有限公司在2001年３月签订了“SY6480混动力电动客车的研制与开发”合作项目的合同。深圳明华环保汽车有限公司于2001年4月推出了混合动力电动环保汽车MH6720，引起社会各界关注；该车采用的是并联式混合动力系统，发动机为87KW；电机为312V、充电次数大于500次；异步交流电机平均功率为36KW;满载最高车速为90Km/h；最大爬坡度为33%；续驶行程可达1080Km，纯电机驱动时为100Km；百公里等速油耗7.69L；乘客数为22；其尾气排放达欧洲标准，噪声指标也大大低于国产普通中巴车。东风汽车公司承接“863”混合动力研制项目现已完成，并已于最近推出混合动力电动客车样车，整车性能良好。我国通过国家“八五”、“九五”甚至“十五”电动汽车的科技攻关，在HEV方面已经积累了一定的技术基础和经验。国内的混合动力轿车与国外水平仍有较大差距。上海华普推出了搭载自主混合动力发动机的海尚305，号称是国内第一款自主混合动力技术的轿车，但距离 Prius重混合度技术仍有很大差距，进入市场之前还有很长的路要走。
在能源和环保的压力下，世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域，但是由于技术和经济上存在的各种困难，电动汽车还有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此日本、美国等多家汽车公司已经和正向市场推出各种混合动力汽车产品，世界主要地区汽车销售量及混合动力汽车销售量预测如表1-1（单位：辆）。预测表明到2010年全球混合动力汽车年产可达294万辆。从国内市场来看，由于经济的持续快速增长，城市规模不断扩大，各大城市政府已纷纷将推广使用清洁燃料汽车作为净化