混合动力汽车驱动系统的国内外研究现状.docx
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混合动力汽车驱动系统的国内外研究现状
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
1.1.121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（HybridElectricVehicle）[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，DaimlerChrysler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ZJK6700HEV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空气、改善环境的一项重要措施，特别是北京申办2008年奥运会成功，更为洁净型城市汽车提供了极佳的市场机遇。
随着石油资源的枯竭、人们环保意识的提高，电动汽车及混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这一点也是我国汽车界所有业内人士的共识。
我国政府已经在国家高技术研究发展计划（863计划）中专门有电动汽车重大专项（包括燃料电池整车、混合动力整车和纯电动车），北京申报成功2008年奥运会后，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将与国际汽车排放的要求同步，上海、广州也将一步和国际接轨。
在我国大中城市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源之一，因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通（如出租车）和城市之间的混合动力汽车在我国有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景[6]。
表1-1混合动力汽车销售量预测
区域
年份
混合动力汽车
传统燃油车
总数
美洲
2005
731600
1755840
18290000
2010
1827970
17532038
19360000
亚洲
2005
268500
7121500
7390000
2010
489660
7140340
7630000
欧洲
2005
226680
17883320
18110000
2010
621800
18026200
18648000
2混合动力汽车驱动系统
2.1混合动力汽车的定义[7,8]
国际电工技术委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）对混合动力车辆的定义为：
“在特定的工作条件下，可以从两种或两种以上的能量存储器、能量源或能量转化器中获取驱动能量的汽车。
其中至少一种存储器或转化器要安装在汽车上。
混合动力电动汽车至少有一种能量存储器、能量源或能量转化器可以传递电能。
串联式混合动力车辆只有一种能量转化器可以提供驱动力，并联式混合动力车辆则不止一种能量转化器提供驱动力。
”
混合动力汽车在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元（AuxiliaryPowerUnit,APU），其中APU是燃烧某种燃料的原动机或者由原动机驱动的发电机组，目前混合动力车辆所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或者燃气轮机，选择蓄电池组作为电能存储装置。
根据混合动力电动汽车零部件的种类、数量及其组合方式，可以将其动力系统分为三种基本结构类型：
串联式、并联式和混联式[9]，相应的混合动力车辆称为串联式混合动力电动汽车（SeriesHybridElectricVehicle,SHEV）、并联式混合动力电动汽车（ParallelHybridElectricVehicle,PHEV）、混联式混合动力电动汽车（Parallel-SeriesHybridElectricVehicle,PSHEV）。
2.2混合动力汽车驱动系统结构[1，8，10]
2.2.1串联式混合动力汽车（SHEV）
SHEV是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，采用“串联”的方式组成SHEV的驱动系统（如图2-1所示），其中SHEV所用的原动机一般为高效内燃机和高速燃汽轮机。
APU由原动机和发电机组成.两者可做成一体，发电机发出的电通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构进行动力输出[11]。
采用该种动力系统由于原动机与外界负载没有直接联系，可以在最佳工况点附近工作，因此可以实现高效率和低排放。
当汽车的功率需求较小时，APU发出的电能一部分用于驱动汽车，另一部分则给电池充电；当汽车的功率需求较大时，APU与电池组均向电动机提供电能以驱动汽车;制动时电动机充当发电机使用，将回收能量储存在电池中。
SHEV的工作原理是发动机带动发电机充电，其电能通过电流转换器直接输送到电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。
蓄电池组通过电流转换器串接在发动机和电动机之间，起到功率平衡的作用：
当发电机的发电功率大于电动机所需的功率时（如汽车减速滑行、低速行驶或者短时停车等工况）电流转换器控制发电机向电池充电；当发电机发出的功率低于电动机所需的功率时（如汽车起步、加速、高速行驶、爬坡等工况），电池则向电动机提供额外的电能。
可以看出，串联式的结构和工作原理都比较简单。
串联式在降低排放方面的效果显著，但其燃油经济性还有待提高。
这是因为虽然原动机的工况得到改善，但是经过发电机、控制器和电动机这几级功率递减，整个动力系统效率很难提高。
丰田Coster、日产的SHEV和法国雷诺的Espace概念车都是成功的串联式动力系统的范例，其结构值得借鉴。
2.2.2并联式混合动力电动汽车（PHEV）
PHEV结构的实质是在传统汽车中加装一套电力驱动装置，其驱动系统主要由发动机、电机和变速箱等组成。
发动机和电机都可以独立驱动汽车，是两套相互独立又相互关联的驱动系统。
因此，并联型混合动力电动汽车的驱动模式更加灵活，可以适用于更广的范围，特别适用于一些比较复杂的工况。
由于电机的数量和种类的不同、变速装置类型的多样、离合器的使用数量以及电机与离合器的位置不同的差别，并联式结构具有明显的多样性。
从PHEV的动力系统组成，可大致分为发动机-驱动系统（变速器和驱动桥）-驱动轮等，电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，可以：
①在发动机输出轴上进行组合；②在变速器（包括驱动桥）处进行组合；③在驱动轮处进行组合。
因此，PHEV的驱动力组合有以下不同的组合模式：
①发动机轴动力组合式PHEV
发动机轴动力组合式PHEV，亦称转速结合式PHEV，其只有发动机和电动/发电机两大动力设备，发动机和电动/发电机的动力在发动机轴上进行组合，然后通过由离合器、变速器、驱动桥和半轴组成的传统的驱动系统带动车轮行驶，故称为发动机轴动力组合式PHEV（如图2-2所示）。
它的驱动模式是以发动机驱动为基本的驱动模式，电动/发电机作为辅助动力，在发动机起动、车辆加速、爬坡时起辅助作用，与发动机组成混合驱动模式。
②动力组合器动力组合式PHEV
动力组合器动力组合式PHEV,亦称转矩结合式PHEV，其只有发动机和电动/发电机两大动力设备，发动机和电动/发电机的动力在动力组合器上进行组合，然后通过差速器和半轴带动车轮行驶，由于发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合，称为动力组合器动力组合式PHEV（如图2-3所示）。
它的驱动模式是以发动机驱动为基本的驱动模式，驱动电动机为辅助驱动模式，可以独立驱动PHEV，也可以和发动机组成混合驱动模式。
动力组合器动力组合式PHEV由于其转矩结合时，轴联方式的不同，又分为单轴式转矩结合式PHEV和双轴式转矩结合式PHEV[12]（如图2-4所示）
③驱动轮动力组合式PHEV
驱动轮动力组合式PHEV的发动机通过离合器、变速器和驱动桥独立地驱动PHEV的后驱动轮（前轮），驱动电动机通过减速器独立地驱动PHEV前驱动轮（后轮），故称为驱动轮动力组合式PHEV（如图2-5所示）。
它的驱动模式是以发动机驱动为基本的驱动模式，独立驱动后驱动轮，驱动电动机为辅助驱动模式，独立地驱动前驱动轮，可以和发动机组成混合4轮驱动模式。
2.2.3混联式混合动力电动汽车（PSHEV）
PSHEV是综合了SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。
由于电动/发电机必然是装在发动机的输出轴上，才能起发动机飞轮和起动机的作用，也才能保持发动机稳定运转并进行发电。
因此电动机的动力要与车辆驱动系统相组合，只有：
①在变速器（包括驱动桥）处进行组合；②在驱动轮处进行组合。
因此，PSHEV的驱动力组合有以下不同的组合模式：
①动力组合器动力组合式PSHEV
动力组合器动力组合式PSHEV亦称转矩结合式PSHEV，其有发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成。
在发动机的输出轴上，装有一个电动/发电机，电动/发电机一般只用于快速起动发动机和发电。
发动机和驱动电动机的动力在动力组合器上进行组合，然后通过差速器和半轴带动车轮行驶，故称为动力组合器动力组合式PSHEV（如图2-6所示）。
它的驱动模式是以发动机驱动为基本驱动模式，带动电动/发电机通过动力组合器驱动车辆行驶，驱动电动机能够以辅助驱动模式，通过动力组合器驱动车辆行驶，也可以在加速、爬坡时，与发动机组成混合驱动模式。
②驱动轮动力组合式PSHEV
驱动轮动力组合式PSHEV有发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成，在发动机的输出轴上，装有一个电动/发电机，电动/发电机一般只用于快速起动发动机和发电。
发动机通过离合器、变速器和驱动桥独立驱动PSHEV的后驱动轮（前轮），驱动电动机通过减速器独立地驱动PSHEV前驱动轮（后轮），故称为驱动轮动力组合式PSHEV（如图2-7所示）。
它的驱动模式与并联式驱动轮动力组合式PHEV相同，只是发动机可以带动电动/发电机为蓄电池组充电。
2.3混合动力汽车的特点及比较
2.3.1串联式混合动力电动汽车的特点
1.串联式混合动力电动汽车（SHEV）的优点：
①SHEV可以类电动状态行驶，结构简单，易于控制。
②发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，能够保持在稳定、高效、低污染的状态下运转，将有害排放气体控制在最低范围所以发动机具有良好的经济性和低的排放指标。
③三大动力总成之间没有机械联系，有较大的自由度，可以独立地布置。
2.串联式混合动力电动汽车（SHEV）的缺点：
①驱动电动机的功率必须是能够克服SHEV在行驶过程中的最大阻力，驱动电动机的功率要求较大，外形尺寸也较大，质量较重。
②在发动机-发电机-驱动电动机系统中的热能-电能-机械能的能量转换过程中，能量损失较大，在动力电池组的充、放电过程中也存在能量损耗，能量转换总的综合效率要比内燃机汽车低。
③发动机-发电机组与动力电池组之间的匹配要求较严格，要根据动力电池组SOC的变化，自动起动或关闭发动机-发电机组，以避免动力电池组过放电，这就需要更大的电池容量。
2.3.2并联式混合动力电动汽车的特点
1.并联式混合动力电动汽车（PHEV）的优点：
①PHEV只有发动机和起动/发电机（或驱动电动机）两个动力总成，PHEV的两个动力总成（发动机和起动/发电机或发动机和驱动电动机）本身的功率等于50%～100%的车辆驱动功率，比SHEV的三个动力总成的功率、质量和体积要小很多。
②除摩擦损耗外，没有机械能-电能-机械能的转换过程，能量转换总的综合效率要比SHEV高。
③起动/发电机是PHEV的辅助动力，可以选择得较小。
与它们配套的动力电池组的容量也较小，使整车的整备质量大大地降低。
④发动机基本稳定在高效率、低污染的状态下运转。
2.并联式混合动力电动汽车（PHEV）的缺点：
①需要配备与内燃机汽车相同的传动系统，在总布置上基本与内燃机汽车相同，动力性能接近内燃机汽车。
发动机的工况会受到PHEV行驶工况的影响，发动机的有害气体的排放高于SHEV。
②发动机驱动模式需要装置离合器、变速器、传动轴和驱动器等传动装置，另外还有起动/发电机（驱动电动机）、动力电池组，以及动力组合器等装置，因此PHEV的多能源动力系统结构复杂，布置和控制也更加困难。
2.3.3混联式混合动力电动汽车的特点
1.混联式混合动力电动汽车（PSHEV）的优点：
①PSHEV是由三个动力总成组成，三个动力总成的（本身）功率可以等于50%～100%的车辆驱动功率，比SHEV的三个动力总成的功率、质量和体积要小很多。
②PSHEV可以有多种多样的驱动模式和混合驱动模式供选择，可以使PSHEV的节能最佳，有害气体的排放达到“超低污染”。
③驱动电动机可以给发动机提供额外的辅助动力，因此PSHEV的发动机功率可以选择得较小，燃料经济性比SHEV要高。
2.混联式混合动力电动汽车（PSHEV）的缺点：
①发动机的工况会受到SHEV行驶工况的影响，发动机的有害气体的排放高于SHEV。
②在PSHEV上需要配备两套驱动系统，发动机传动系统需要装备离合器、变速器、传动轴和驱动桥等传动总成。
另外还有起动/发电机、驱动电动机、减速器、动力电池组、以及为多能源动力组合或协调发动机与驱动电动机的专用装置。
因此PSHEV的多能源动力系统结构复杂，总布置也更加困难。
③多能源动力的匹配和组合有不同的组合形式，需装配一个复杂的多能源动力总成控制系统，才能达到高的经济性和“超低污染”的控制目标。
2.3.4混合动力汽车各种驱动类型的比较[10][11]
将传统的发动机与电动机进行混合，可以得到多种多样不同组合形式的混合动力汽车，它们都有各自的优缺点和适用范围。
表2-1对不同型式的混合动力汽车在燃油经济性、尾气排放和控制难易程度等方面作了比较。
表2-2对不同型式的混合动力汽车在驱动模式、传动效率、整车布置、适用条件和开发成本等方面进行了比较。
表2-1混合动力汽车类型的比较
串联式
并联式
混联式
公路行驶燃油经济性
较优
优
优
城市行驶燃油经济性
优
较优
优
无路行驶燃油经济性
较优
优
优
低排放性能
优
较优
较优
成本
低
较低
较低
复杂程度
简单
较复杂
复杂
控制难易程度
简单
较复杂
复杂
表2-2不同型式的混合动力汽车的特点
结构模式
串联式
并联式
混联式
动力总成
发动机、发电机、驱动电
发动机、电动/发电机
发动机、电动/发电机、驱
动机
动电动机
驱动模式
电动机驱动模式
发动机驱动模式、电动机
具有并联式的三种驱动
驱动模式、发动机-电动
模式外加电动机-电动机
机混合驱动模式
混合驱动模式
传动效率
能量转换效率较低
传动效率较高
传动效率较高
制动能量回收
能够回收制动能量
能够回收制动能量
能够回收制动能量
整车总布置
三大动力总成之间没有机
发动机驱动系统保持机械
三大动力总成之间采用机
械式连接装置,结构布置
式传动系统,发动机与电动
械装置连接,三大动力总成
的自由度较大,但三大动
机两大动力总成之间被不
的质量、尺寸都较小,能够
力总成的质量、尺寸都较
同的机械装置连接,结构复
在小型车辆布置,但结构
大,一般用在大型车上
杂,布置受到一定的限制
更加紧凑
适用条件
适用于大型客货车,适应
适用于中小型汽车,适应在
适用于各种类型的汽车,适
在路况较复杂的城市道路
城市道路和高速公路上行
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