混合动力电动汽车有望成为汽车工业的主导产品

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混合动力电动汽车的前期发展
混合动力电动汽车(HEV)，是在目前还找不到理想的高质量比能量和质量比功率的车载电源之前，电动汽车的发展暂时受到阻挠而发展起来的新型车型，HEV既是一种过渡型车型，也是一种独立型车型，在21世纪HEV将会得到迅速的发展。
1991年大众汽车公司推出济科牌混合动力电动微型汽车，车长3150mm、宽1600mm、高1480mm，可乘坐4人，整备质量78kg。采用0.636L，压缩比9.3:1、功率25kW/(6000r·min)的三缸汽油机和一台6kW/(1280r·min)的电动机共同组成的混合动力驱动系统。汽油机和电动机通过两个自动离合器和一个五档变速器，驱动桥驱动车辆行驶。当速度低于60km/h时，由动力电池组提供电能，车辆用电动机驱动，在速度为60km/h启动汽油机驱动桥驱动车辆行驶，当车辆加速或爬坡时，发动机与电动机共同组成混合驱动模式驱动车辆行驶。
    混合动力电动汽车HEV首先在欧洲出现，引起美国各大汽车公司的注意，为了减少对石油进口的依赖，改善对大气环境的污染，达到加州的排放标准的要求。在汽车工业领域内具有更强大的竞争力和更大的市场，必须在HEV的整车和关键技术方面夺取领导地位，1993年9月，美国政府机构和美国汽车研究会以及一些有关单位，共同联合成立“新一代汽车协调会”PNGV，美国政府通过PNGV与汽车界达成了多种合作研究、开发协议，并协调政府有关部门，国家实验室和三大汽车公司的人力、物力资源，其研究方向代表了三大汽车公司及其用户的利益。
PNGV提出新开发的概念车样车的所达到的标准为:在10年的时间内达到乘坐5～6人，整车质量898kg，燃料消耗量3L，0～96.56km/h，加速时间12s，行驶里程612km的目标。经过多年的研究、开发和试验等，美国三大汽车公司都推出了混合动力电动汽车HEV概念车或样车，通用汽车公司的概念车为precept概念车，福特汽车公司概念车为prodigy概念车，克莱斯勒汽车公司概念车为Dodge ESX3，基本上都是采用发动机为主，电动机为辅的配置方式，来达到上述标准的要求。
混合动力汽车的分类与特点

当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80％以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40％，在市区还会跌至25％，更为严重的是排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车(除非燃料电池技术有重大突破）。
现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置（HEV）的汽车。所谓混合动力装置就是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池-电动机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长，动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10％以上，废气排放可改善30％以上。
混合动力源电动车按照能量合成的的形式主要分为串联式(SHEV)和并联式（PHEV）两种。
串联式动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成，它们之间用串联的方式组成SHEV的动力单元系统。负荷小时由电池驱动电动机带动车轮转动，负荷大时则由发动机带动发电机发电驱动电动机。当电动车处如启动、加速、爬坡的工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机-发电机组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱动车轮。例如福特“新能级-2010”SHEV，其电池采用燃料电池，在城市市区行驶时全部由燃料电池驱动电动机，电动机通过减速器（变速器）和驱动桥驱动车轮，达到了“零排放”要求。当高速及爬坡时，则由发动机-电动机组和燃料电池组共同向电动机供电，驱动车轮。
并联式装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。例如大众汽车公司的高尔夫PHEV，发动机通过一边的离合器带动电动-发电机，输出扭力再通过另一边离合器驱动车辆行驶。静止启动时，电池向电动-发电机供电，此时电动-发电机就是发动机的启动机。发动机启动后，发动机一方面作为车辆单独的动力源驱动车轮，另一方面又带动电动-发电机发电向电池充电，此时与传统汽车一样。在市区行驶时，发动机关闭，一边离合器脱开，一边离合器接合，电池做为唯一能源向电动机供电，由电动机取代发动机驱动车轮。当电动车需要高速或高负荷时，发动机启动一边离合器闭合，发动机与电动-发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。
混合动力汽车的工作原理

混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。由于构造复杂，成本较高，在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是一种过渡产品。
HEV既要使用发动机作为动力，又要对发动机的节能和环保作出种种限制，使发动机的燃料消耗降低到最低，使发动机的有害气体的排放达到“超低污染”标准的要求。要用发动机的动力来保证HEV正常行驶时所需要的基本动力。采用控制发动机转速范围、降低发动机的最高转速、保持发动机稳定均衡地运转、并采取“开-关”的控制方式，使发动机避开启动、怠速和转速突然变化时，燃料燃烧不完全面引起的燃料经济性降低和增加有害废气的排放，从而控制发动机始终处于最佳状态下运转。另外，HEV还可以广泛地采用转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机作为HEV的发动机。
    HEV上是以电动机驱动作为发动机驱动的辅助动力，但又必须对电池组的质量和整车的整备质量进行限制，以减轻HEV的总质量。因此，一般电动/发电机只是在HEV发动机启动，车辆启动、加速或爬坡时起作用。电动/发电机又是发动机的飞轮，起调节发动机输出功率作用。电动/发电机还起发电机的作用，将发动机的动能转换为电能，储存到电池组中去。在HEV下坡或制动时，将汽车惯性动能转换为电能，储存到电池组中去。因此，HEV有了电动机的辅助作用，就可以使HEV达到节能和“超低污染”的要求。从20世纪90年代起，全世界又掀起研究开发和制造HEV的竞争热潮，21世纪HEV有可能成为汽车工业的主导产品。
HEV汽车在起步、行车、加速和停车时，由其控制系统自动判断和控制使用何种动力，使汽车的能源消耗和排放指标控制在最佳范围。汽车起步时因发动机的效率低，由电动机提供动力，在信号等待时，发动机会自动停止运行，避免了怠速空转的燃油消耗。汽车在正常行驶中控制发动机在最佳区域运行，一部分动力用于克服道路阻力，另一部分动力用于为电池充电。
当车辆起步加速或爬坡时，除机组所产生的电能，通过控制设备，输往驱动车轮的电动机，此外，蓄电池组也同时供电给驱动车轮的电动机，以保证车辆具有足够的牵引能力。当车辆在平坦道路上作等速运行时，只需发电机组(或蓄电池组)单独提供电能驱动车辆即可。当车辆减速时，发电机组产生的电能，通过控制设备，向蓄电池组充电；在车辆制动过程中，驱动车轮的电动机，将转变为发电机，并通过控制设备向蓄电池充电。此种能将车辆的动能转变为电能并加以回收的制动方式，被成为“再生制动”。
混合动力汽车通过将发动机、充电电池和电动机的最佳组合，既可以提高发动机工作效率，节省能源，又可以清洁排放，减少环境污染。这种车除发动机可对电池充电外，在减速时动力回收再生，制动器可以将机械能转换成电能，避免了能量的浪费。装用了混合动力系统的汽车燃料经济性比普通汽车可提高1倍，同时使能引起地球变暖的CO2排放量减少一半。
混合动力驱动车辆在运行中，能向蓄电池组补充电能，因此，没有必要像电动车(电瓶车)那样，必须停歇在车库(或充电站点)内花很长时间充电。混合动力驱动的车辆具有节能、低排放、低噪音等优点，并且保持了传统的由内燃机驱动的汽车续驶里程长的固有特点，混合动力驱动的车辆不论在小轿车或大型车辆(如:公共汽车)领域中，均将有巨大的发展潜力和看好的市场前景。
混合动力汽车不加重(HEV)，其动力系统包括内燃机和电池组，兼备了内燃机汽车和电动汽车优点，它将内燃机、电动机与一定容量的储能器件通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标能满足当前苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。与传统内燃机汽车相比，其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，可以提高效率、节省能源、降低排放，因此经济性和排放性明显改善，技术经济可行性较强。较之纯电动汽车，其主要优点:续驶里程和动力性可达到内燃机汽车的水平；空调、真空助力、转向助力及其它辅助电器，借助原动机动力，无需消耗电池组有限电能，从而保证了乘坐的舒适性；而且混合动力汽车技术难度相对较小，成本也相对较低。混合动力汽车介于传统汽车和纯电动汽车、燃料电池汽车之间，是一种承前启后的，在经济和技术方面都趋于成熟的电动汽车产品。
混合动力汽车的市场运用情况
    自1995年起，世界各大汽车生产厂商已将研究的重点转向了混合动力汽车的研究开发。日本丰田汽车公司开发了混合动力轿车。美国三大汽车公司均开发了包括轿车、面包车、货车在内的混合动力汽车。目前，混合动力汽车技术及市场均被看好。日本国内拥有的混合动力电动汽车已超过7万辆，预汁在2010年将达到210万辆。美国通用公司将在5年内销售100万辆混合动力汽车。目前本丰田汽车公司是走在混合动力汽车研发展前沿的汽车公司，开发的混合动力汽车已达到实用化水平。1997年，丰田推出了世界上第一款批量生产的混合动力汽车，其后又在2001年相继推出了混合动力面包车和皇冠轿车。到2002年底，丰田汽车公司生产的混合动力汽车在日本国内和海外的累计销量均突破了10万辆，现在已经在全世界20多个国家上市销售。丰田混合动力系统 (THS)电子控制装置的特点是:可分别利用电能、汽油或两者组合同时工作。根据车速和负荷情况，THS可以控制每种能源所提供的功率比例，以保证汽车按最有效的模式运行。在车辆的行驶过程中，乘客对THS的转换是感觉不到的。THS系统的关键部分是功率分流装置。该装置利用一套行星齿轮组将发动机功率直接传递到车的前轮和发电机上。电控式变速器将汽油机、发电机和电动机的功率输出加以混合，从而达到汽车加速和减速的需要。2002年，丰田混合动力面包车投产，其混合动力系统采用了世界首次批量生产的电动4轮驱动及4轮驱动力/制动力综合控制系统，它给混合动力汽车的行驶性能带来了革命性的改进。所有这些都表明丰田公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界同业前列。丰田汽车公司计划2012年在其全部汽车产品上采用汽油电力混合动力发动机，以提高燃油经济性和降低排放污染。
    据统计，美国市场上售出混合动力汽车接近7万辆，2002年美国的混合动力汽车市场规模达到35000辆。美国已有近20个城市在试用混合动力公共汽车。欧洲各大汽车厂商也纷纷推出了混合动力汽车。法国BE集团先后推出了贝灵格型和萨拉型混合动力汽车。排放量较同类普通汽车降低35%，一次行程可高达1000km。
国内90年代末期开始了混合动力汽车的研发工作。1999年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客车。2001年底，国家863电动汽车科技攻关项目正式启动，第一批项目中主要是混合动力车，目前正在进行当中。一汽和东风汽车集团联合所在地的高校和研究所，在各自客车底盘上，研发混合驱动公共汽车和大型客车。此外，东风电动汽车公司还承担了混合动力轿车的研究开发。十五目标是攻克关键技术、推出新产品，主要研究内容包括:发动机、电动机、蓄电池等各种单元技术；各系统的电子控制技术和整车的动力系统优化与控制技术，应节省燃料50%，排放下降80%；制动能量回收技术，应能回收30%制动能量。
目前东风电动车辆股份有限公司开发出混合动力汽车。其中，EQ720OHEV型混合动力轿车以风神蓝鸟轿车为平台，以满足未来城市公务、出租用车需求为目标，最大限度利用东风公司现有产品平台及社会资源开发而成，实现产品系列化、通用化、标准化设计。主要技术参数:最高车速160km/h， 锂离子电池。EQ6110V型混合动力城市公交车采用混联方案，专为2008年北京奥运会公交用车而开发。主要性能参数:采用东风康明斯6BTA型柴油机(最大转矩488N·m，额定转速2200r/min； 中科院电工所研制的交流电机，纯电池电动运行最高车速31km/h； 最大功率27kW，最大电流 119A； 发动机和电机混合驱动最高车速72km/h
天津清源电动车辆有限公司开发出混合动力中型客车。其主要技术特点:使用燃油和电力双能源，同时兼顾了传统汽车的方便性和电动汽车的环保性能；排放达到欧Ⅲ标准，燃油经济性提高15%以上，适于城市和城际之间的公共交通。
深圳明华环保汽车有限公司开发出混合动力电动轻型客车。其技术特点:采用并联式混合动力系统，内燃机采用达到欧II排放标准的柴油机，电动机采用国际先进的异步交流电机，具有变频调速的矢量控制系统；自身反充功能:内燃机做动力源驱动车辆行驶中可同时通过电动机/发电机功能互换将发动机用作发电机为车载蓄电池组充电以补充能量，提高电驱动续驶里程。
第一汽车集团公司、美国电动车(亚洲)公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合作推出一款混合动力轿车--CA718OAE。该款串联式的混合动力轿车属中高档，13kW汽油机，l5kW直流电机，144V(105Ah)铅酸电池，4×2前驱动形式，最高车速可达135km/h。
混合动力汽车面临的问题
混合动力汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的发动机。所面临的关键性技术和需要解决的问题包括以下几个方面。一是内燃机与电机最优耦合功率分配比的控制和实现、功率分配装置及其与变速器一体化的设计。混合动力汽车发动机频繁启动、关闭，使驱动系统和附件的电能管理变得复杂，因此需要先进的检测和控制系统；现有的以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油转化为有用功的同时，需要提高转化效率，同时还要满足严格的排放标准。二是电池性能的提高。能量存储装置---要具有较高的比功率，以满足汽车加速和爬坡时对大功率的需要；同时，要有较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造成本。三是减小电力电子器件尺寸、减轻质量和降低制造成本。混合动力汽车的产业化发展，依赖于上述电动汽车配套的一次或二次动力电池技术进步或突破，也有赖于传统内燃机技术提高，更重要的是完善驱动系统、控制系统的系统集成。
混合动力汽车的前景与展望
大家都知道，我国的石油仅占世界石油资源的2%，而我国人口数量却占世界总量的22%，那么我国的人均石油资源仅占世界的1/10，在这样的情况下，我们必须想办法节约能源，减少我国大量汽车所消耗的资源，混合动力汽车是一个时代的产物，这是其一。其二，汽车业的发展给环境保护带来比较大的压力，汽车不仅是废气的排放，而且噪声都会影响我们城市的环境，发展混合动力汽车，环境污染可以减轻，为我们提供一个更好的生存环境作出进一步的贡献。其三，汽车业是我们国家经济发展的一个重要的支柱，根据一般的说法，房地产业投资一百块钱可以拉动180到220块钱，汽车业大概投资一百块钱可以拉动150到170块钱，当然从投入产出表的分析来看，交通运输工具业，交通运输业在影响力系数在第三位，所以对我们国家的经济发展是非常重要的。
总之，混合动力车辆已成为一股不可阻档力量，在改变着汽车产品的结构和构成，并大量的走向实用化。据《Auto Mfg ＆ Production》（汽车制造与生产）期刊报导，预计2005年，世界汽车市场上，混合动力车辆将达75万辆，2010年达100万辆，2015年将在世界汽车市场占15％，2020年占25％这是相当大的混合动力车辆数量的比例。我们粗略估计，2020年全球汽车如果产量在1亿辆，那么，混合动力车将是2500万辆了。总之，混合动力车辆在相当一段时间内前景广阔，并受市场欢迎，逐渐成为汽车行业的主导产品。