3车辆混合驱动技术的研究状况副本讲解.docx
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3车辆混合驱动技术的研究状况副本讲解
车辆混合驱动技术的研究状况
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xxx
1.前言
19世纪，工业革命以来,世界工业包括汽车行业，得到了翻天覆地的发展。
20世纪，科学的发展与工业技术的进步，推进世界机械化的同时，也推进了能源的衰竭和加剧了气候暖化的问题。
21世纪，能源危机、环境污染必将成为世界难题。
对于汽车行业，新能源汽车的研究，必将会被受到极大地重视。
然而，新能源汽车的技术瓶颈使我们无法在较短的时间内解决我们的难题，作为新能源汽车的过度，混合动力汽车必将是我们现阶段研究中的重点内容之一。
通过对存量资源的调研，本文介绍了混合动力汽车中的混合驱动技术。
2.混合驱动技术概述
混合动力一般指油电混合动力技术，是燃料（汽油，柴油）和电能的混合。
混合动力驱动是指适用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动停止时，只靠电机带动，不达到一定的速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。
经过十多年的发展，混合动力驱动系统已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。
一般混合动力驱动有两种分类方法，一种是根据混合动力驱动的联结方式，可分为串联式、并联式和混联式等三种，另一种是根据电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，即混合度的不同分为微混合、轻混合、中混合和完全混合等四种。
下面将对其一一介绍。
2.1串联式（SHEV）
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，它们之间用串联方式组成SHEV动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车。
动力传输100％经直流恒电压链接。
这样一来，所有部件可以自由布置，柴油机在理想的恒速下运行，制动能量回收也成为可能（配置储能元件）。
图1-1串联式
小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。
当车辆处于启动、加速、爬坡工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当车辆处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。
串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。
使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。
但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。
2.2并联式（PHEV）
并联式装置是发动机和电动机共同驱动汽车，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。
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在发动机输出轴处进行组合；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输出轴上进行组合，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，称为发动机轴动力组合式PHEV。
2）动力组合器动力组合式PHEV
动力组合器动力组合式PHEV只有发动机和驱动电动机两大动力设备，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。
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。
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）。
在混合动力驱动模式时发动机与驱动电动机共同组成4轮驱动模式驱动PHEV的前驱动轮和后驱动轮。
由于在发动机与驱动电动机混合驱动时，发动机和驱动电动机的动力（牵引力）在驱动轮上组合，因此成为驱动轮动力组合式PHEV。
虽然PHEV有不同的结构模型，但都是以发动机为主要驱动模式。
发动机控制在低油耗、高效率和低污染的转速范围内稳定地运转。
发动机直接带动PHEV的驱动系统驱动PHEV行驶，采用传动效率高的机械传动系统，没有SHEV在热能→电能→机械能的转换过程中的能量损耗。
PHEV的发动机和驱动电动机两大动力总成都是驱动动力装置，在PHEV上可以实现发动机驱动模式、驱动电动机驱动模式和发动机－驱动电动机混合驱动模式等三种驱动模式。
发动机和发电机各自的功率，可以是PHEV的最大驱动功率的0.5～1倍，两大动力总成的功率可以叠加，因此可以采用较小功率的发动机和驱动电动机，使得整个动力总成的尺寸较小，质量较轻，造价也较低，可以应用在中小型PHEV上。
由于是以发动机驱动模式为主要驱动模式，其特点是动力特性更加趋近于内燃机汽车。
当汽车加速爬坡或需要较高功率阶段或起步时（零排放），电动机支援内燃机时，电动机和发动机同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。
同时经发电机回收制动能量成为可能。
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，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。
图1-2并联式
在较高行驶速度时用机械变速器能达到较好的系统效率。
与串联系统相比较，自由度控制受到限制，因为内燃机经变速器机械连接，因此工作点不能再自由选择。
2.3混联式（PSHEV）
混联式装置综合了串联式和并联式的优点。
动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。
以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。
图1-3混联式
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。
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，称为动力组合器组合式PSHEV。
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）。
在混合动力驱动模式时发动机与驱动电动机共同组成4轮驱动模式驱动PHEV的前驱动轮和后驱动轮。
由于在发动机与驱动电动机混合驱动时，发动机和驱动电动机的动力（牵引力）在驱动轮上组合，因此称为驱动轮动力组合式PSHEV。
除了部件布置的灵活性以外，缺点是结构非常复杂，开发费用高，电动机要求高。
至于自由控制程度，与并联系统一样受到限制。
另一方面，发动机工作点范围不能自由选择，而在使用串联系统的情况下是可能的。
丰田的PRIUS属于以电机为主的形式。
另外，根据在车辆混合动力驱动系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类：
2.4微混合动力系统。
代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。
这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternatorStarterGenerator,简称BSG系统）。
该电机为发电启动（Stop-Start）一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。
从严格意义上来讲，这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。
在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：
12v和42v。
其中42v主要用于柴油混合动力系统。
2.5轻混合动力系统
代表车型是通用的混合动力皮卡车。
该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的IntegratedStarterGenerator，简称ISG系统）。
与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：
（1）在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；
（2）在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。
轻混合动力系统的混合度一般在20％以下。
2.6中混合动力系统
本田旗下混合动力的Insight,Accord和Civic都属于这种系统。
该混合动力系统同样采用了ISG系统。
与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。
另外，中混合动力系统还增加了一个功能：
在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。
这种系统的混合程度较高，可以达到30％左右，目前技术已经成熟，应用广泛。
2.7完全混合动力系统
丰田的Prius和未来的Estima属于完全混合动力系统。
该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。
与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50％。
技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。
以上各种不同的混合方式，都能在一定程度上降低成本和排放。
各大汽车厂商在过去的十几年，通过不断的研发投入，试验总结，商业应用，形成了各自的混合动力技术之路，而在市场上的表现也是各具特色。
3.世界各国混合动力驱动技术的研究现状
3.1日本混合动力汽车的发展现状
从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在发展混合动力汽车方面，日本居世界领先地位。
目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。
1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。
到2012年时，其所有的车型将全部装上混合动力发动机。
丰田汽车公司在实现混合动力系统的低能耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前列。
3.2美国混合动力汽车的发展现状
美国的三大汽车公司只是小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，日本的混合动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。
美国能源部与三大汽车公司于1993年签订了混合动力电动汽车开发合同，进行为期5年的研发工作，并于1998年在北美国际汽车展上展出了样车。
在此基础上，现已推出3款混合动力概念车：
通用Precept、福特Prodigy、戴-克DodgeESX3。
2004年，通用汽车公司与戴-克汽车公司对外宣布双方将在开发混合动力电动汽车的技术领域携手，共同推进此项技术的发展。
3.3我国电动汽车的发展现状
目前我国各大汽车集团都在进行混合动力电动汽车研发，多数以混合动力电动客车为主，这种研发方向符合我国国情，有利于我国电动汽车的研究发展。
一汽研发的红旗HQ3将于2006年投产；东风集团的混合动力公交车已于2005年7月完成最终产品定型样车试验并通过验收；长安集团具有完全自主知识产权的羚羊混合电动车已产出样车，其装备混合动力技术的长安CV9已经下线；奇瑞集团成立了国家节能环保汽车工程技术研究中心，将在2006年下半年重点推出第一自主品牌真正意义上的混合动力车，代号为“BSG”的混合动力车；吉利集团旗下的上海华普汽车已与同济大学汽车学院签署合作协议，预计3年内完成混合动力轿车商业化生产；深圳五洲龙汽车有限公司也表示，中国规模最大、投放车辆最多的混合动力示范运营线路即将在深圳市龙岗区开通；而广州本田更是紧跟丰田的步伐，于2006年中下旬推出国产雅阁混合动力车。
上汽集团与通用签署协议，将联手开发混合动力轿车和公交客车。
来自中兴汽车的消息，中兴汽车与美国在“汽车混合动力技术、转子发动机技术及飞行汽车技术”等方面有着雄厚的技术实力的梅尔莱普顿集团签订了合作意向书，正式介入“油汽混合动力技术”领域。
与此同时，新能源汽车作为未来汽车的主要发展方向，国家一向给予支持和鼓励。
如《汽车产业发展政策》、《“十二五”汽车产业发展规划》等政策和文件都鼓励清洁汽车、代用燃料及汽车节油技术的发展。
4.混合驱动技术的发展趋势
综上所述，发动机的工作点完全由驱动系统像变速器和驱动桥的传动比以及变矩器的特性等这样的结构参数决定。
相反，混合驱动系统打开了可变控制的广阔空间。
对于一个用适当的容量能量储存的混合动力系统，内燃机工作点的分离，能使内燃机从行驶工况大范围的变化变成工作在恒速的理想情况，因此，经过技术改进到混合动力技术降低燃料消耗和排放的“时限跳跃”是可以预期的。
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。
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。
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。
参考文献
[1]王芄。
现代混合驱动技术讨论。
中国客车，2008版。
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