混合動力電動汽車7

1、第4章 混合動力電動汽車混合動力汽車就是在純電動汽車上加裝一套內(nèi)燃機，其目的是減少汽車的污染，提高純電動汽車的行駛里程。混合動力汽車有串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種結(jié)構(gòu)形式。復(fù)合動力汽車亦稱混合動力汽車是指車上裝有兩個以上動力源，包括有電機驅(qū)動，符合汽車道路交通、平安法規(guī)的汽車，車載動力源有多種：蓄電池、燃料電池、太陽能電池、內(nèi)燃機車的發(fā)電機組，當前復(fù)合動力汽車一般是指內(nèi)燃機車發(fā)電機，再加上蓄電池的汽車。4.1 混合動力概念2003年，聯(lián)合國將“混合動力車的定義規(guī)定如下：所謂混合動力車是“為了推動車輛的革新，至少擁有兩個能量變換器和兩個能量儲存系統(tǒng)(車載狀態(tài))的車輛。TOYOTA 油電混合動力系統(tǒng)中的能量

2、轉(zhuǎn)換器為汽油發(fā)動機和電動機，能量儲存系統(tǒng)為汽油箱和HV蓄電池，符合聯(lián)合國對“混合動力車的定義。4.2 混合動力系統(tǒng)的種類混合動力車是汽車是使用兩個或兩個以上不同的動力源來推進車輛行駛的車輛，混合動力汽車的英文縮寫是HEV。HEV的根本結(jié)構(gòu)是在電動汽車EV和燃料電池電動車FCEV的根底上增加一套輔助動力系統(tǒng)-動力發(fā)電機組或某種原動機。原動機可以足內(nèi)燃機、燃氣輪機等熱機。按發(fā)動機和電動機的耦合方式不問，可分為串聯(lián)式混合動力汽車(SHFV)、并聯(lián)式混合動力汽車(PHEV)、混聯(lián)式中、并聯(lián)式混合動力汽車PSHEV三種形式1。串聯(lián)式：發(fā)動機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，電能通過電動機驅(qū)動車輪的形式。串聯(lián)式混合動力電動

3、汽車主要由發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機和蓄電池組等部件組成。發(fā)動機僅僅用于發(fā)電，發(fā)電機所發(fā)出的電能供給電動機，電動機驅(qū)動汽車行駛。發(fā)電機發(fā)出的局部電能向電池充電，來延長混合動力電動汽車的行駛里程。另外電池還可以單獨向電動機提供電能來驅(qū)動電動汽車，使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下行駛。并聯(lián)式：發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動車輪的方式。主動力是發(fā)動機，電動機只作為輔助動力起作用。并聯(lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、發(fā)電/電動機和蓄電池組等部件組成。并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)可以單獨使用發(fā)動機或電動機做為動力源，也可以同時使用電動機和發(fā)動機作為動力源來驅(qū)動汽車。 混聯(lián)式：最大限度發(fā)揮各自優(yōu)點的前提下把串聯(lián)混合動力和并聯(lián)混合

4、動力組成在一起構(gòu)成的系統(tǒng)。可以實現(xiàn)只用電動機行駛，還可以把發(fā)動機和電動機的驅(qū)動力相結(jié)合實現(xiàn)高效率行駛?；炻?lián)式混合動力電動汽車主要由發(fā)動機、發(fā)電機、電動機、行星齒輪機構(gòu)和蓄電池組等部件組成。豐田Prius所采用的混合驅(qū)動方式，它將發(fā)動機、發(fā)電機和電動機通過一個行星齒輪裝置連接起來。動力從發(fā)動機輸出到與其相連的行星架，行星架將一局部轉(zhuǎn)矩傳送到發(fā)電機，另一局部傳送到電動機并輸出到驅(qū)動軸。此時車輛并不是串聯(lián)式或者并聯(lián)式，而是介于串聯(lián)和并聯(lián)之間，充分利用兩種驅(qū)動方式的優(yōu)點?；旌蟿恿ο到y(tǒng)種類的比照 4.3 混合動力汽車分類及各類型的工作原理串聯(lián)混合動力電動汽車SHEV的結(jié)構(gòu)如上圖所示。它由發(fā)動機、發(fā)電機和

5、驅(qū)動電動機三大動力總成組成，它們采用“串聯(lián)的方式組成驅(qū)動系統(tǒng)。在車輛行駛之初，蓄電池組處于電量飽和狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統(tǒng)不需要工作，蓄電池輸出的直流電經(jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動電動機、驅(qū)動電動機輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器、傳動軸及驅(qū)動橋驅(qū)動車輪。蓄電池組電量低于60%時，輔助動力系統(tǒng)起動，為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。當車輛能量需求較大時，輔助動力系統(tǒng)與蓄電池組同時為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量，發(fā)動機-發(fā)電機組產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟姾碗姵剌敵龅闹绷麟娊?jīng)控制器變?yōu)榻涣麟姾蠊┤腧?qū)動電動機。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動機工作在一個相對穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。 2

6、、并聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)特點 并聯(lián)式混合動力汽車的組成 1、發(fā)動機2、電動機/發(fā)動機3、機械傳動系統(tǒng)4、驅(qū)動電動機5、逆變器6、蓄電池組PHEV是由發(fā)動機與電動機、發(fā)動機或驅(qū)動電機兩大動力總成組成。如上圖所示，它們采用“并聯(lián)的方式組成驅(qū)動系統(tǒng)。電動機的動力要與車輛驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合，可以：1在發(fā)動機輸出軸處進行組合；2在變速器包括驅(qū)動橋處進行組合；3在驅(qū)動橋處進行組合。左圖是一種電動機的動力在驅(qū)動輪處進行組合的驅(qū)動輪動力組合式PHEV，其驅(qū)動模式為：1以發(fā)動機驅(qū)動為根本驅(qū)動模式，獨立驅(qū)動后驅(qū)動輪；2驅(qū)動電動機為輔助驅(qū)動模式，能獨立驅(qū)動前驅(qū)動輪；在混合驅(qū)動時，發(fā)動機驅(qū)動的后輪動力與驅(qū)動電機驅(qū)動的前

7、輪動力進行組合，成為混合四驅(qū)動模式。3、混聯(lián)式混合動力汽車PSHEV的結(jié)構(gòu)特點 1、發(fā)動機2、電動機/發(fā)動機3、變速器或減速器4、驅(qū)動橋5、逆變器6、驅(qū)動電動機7、蓄電池組PSHEV是綜合SHEV和PHEV結(jié)構(gòu)特點組成的，由發(fā)動機、電動機或發(fā)動機和驅(qū)動電機三大動力總成組成。電動機的動力要與車輛驅(qū)動系統(tǒng)相適合，可以在變速器包括驅(qū)動橋處進行組合，也可以在驅(qū)動輪處進行組合。上圖是一種發(fā)動機的動力與驅(qū)動電動機的動力在驅(qū)動輪處進行組合的方式，其驅(qū)動模式為：1以發(fā)動機驅(qū)動為根本驅(qū)動模式，帶動電動機/發(fā)動機，并獨立驅(qū)動后驅(qū)動輪；2以驅(qū)動電動機為輔助驅(qū)動模式，能獨立驅(qū)動前驅(qū)動輪；3在混合驅(qū)動時，發(fā)動機驅(qū)動的后

8、輪動力與驅(qū)動電動機驅(qū)動的前輪動力進行組合，成為混合四輪驅(qū)動模式。4.4 目前市面上常見的混合動力汽車的動力源動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機、電機、動力蓄電池、傳動系統(tǒng)等組成，采用較小的發(fā)動機與電驅(qū)動系統(tǒng)混合，在保證內(nèi)燃機接近最高效率的同時，降低發(fā)動機排放和噪音，延長續(xù)駛里程。目前HEV最常見的兩種動力源是內(nèi)燃機和電動機。一般情況下，內(nèi)燃機是前輪的驅(qū)動源，而電動機是兩個后輪的驅(qū)動源。車內(nèi)的電腦會根據(jù)不斷變化著的交通條件所需的動力情況，隨時作出反響，不需駕車人預(yù)先指令，即自動地選擇最為理想的驅(qū)動模式：或是由兩臺電動機進行后輪驅(qū)動：或是由一臺內(nèi)燃機進行前輪驅(qū)動；或是內(nèi)燃機和電動機同時驅(qū)動。當從靜止狀態(tài)起步時，

9、車上的電腦會首先選擇電動驅(qū)動模式，這是因為內(nèi)燃機在汽車起步后的第一公里期間內(nèi)，所用燃料的80都被作為廢氣排掉了，既浪費燃料又污染環(huán)境。當年速到每小時40公里時，電腦會自動選擇內(nèi)燃機驅(qū)動模式，同時內(nèi)燃機在工作時也對蓄電池組進行充電。如果駕駛員突然實施緊急加速，電腦那么會啟動電動機來協(xié)助內(nèi)燃機進行聯(lián)合驅(qū)動。而當?shù)退傩旭倳r，或者電腦判定蓄電池組的能量缺乏時，也會啟動內(nèi)燃機工作。當汽車減速時，電腦會對內(nèi)燃機起到制動作用，判定利用其制動能量對蓄電池組充電。此外電腦還操縱著例如制動裝置、防車輪抱死和方向控制等其他功能。在前后輪之間，內(nèi)燃機和電動機或是交替的、或是相繼的、或是同時的，不斷變化著的驅(qū)動方式，使

10、得汽車始終保持其動力潛能的最大發(fā)揮，大大減少了燃料消耗和廢氣排放?；旌蟿恿ζ嚨闹饕Y(jié)構(gòu)部件將選用鋁、碳素纖維等輕質(zhì)材料，盡量減少動力消耗?；旌蟿恿ζ嚨慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計也很新穎：底極為完全平面式，座椅布置為3個前座和2個折疊式后座，將后座折起，即可提供個寬大的載物空間。座椅的高度可以自動調(diào)節(jié)，電視攝像機和裝在儀表板上的顯示屏代替了傳統(tǒng)的后視鏡這一切都使駕駛員感到更方便，更舒適。4.5 混合動力汽車-優(yōu)點復(fù)合動力汽車的優(yōu)點是：1、采用復(fù)合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機功率缺乏時，由電池來補充；負荷少時，充裕的功率可發(fā)電給電池充電

11、，由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。2、因為有了電池， 可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。3、在繁華市區(qū)，可關(guān)停內(nèi)燃機，由電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)"零"排放。4、有了內(nèi)燃機可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。5、可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資。6、可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長其使用壽命，降低本錢。復(fù)合動力電動汽車有兩種根本的工作方式，即串聯(lián)式、并聯(lián)式和串并聯(lián)或稱混聯(lián)式。復(fù)合動力驅(qū)動汽車的缺點是：有兩套動力，再加上兩套動力的管理控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)較難，價格較高。由于&

12、quot;新一代汽車伙伴合作"PNGV方案的推動美國三大汽車公司對各種單元技術(shù)及其不同組織進行成百種方案的篩選、比擬，認為采用復(fù)合動力是實現(xiàn)中級轎車百公里3升油耗的可行方案因此而受到更大的關(guān)注。經(jīng)過多年研究，混合動力電動汽車已開發(fā)出一些成功的例子。文檔來自于網(wǎng)絡(luò)搜索4.6 對混合動力汽車高壓電池組進行充電控制綠色革命可能不久就將迎來一場重大勝利。在大規(guī)模的電能成為“可儲存和“便攜式能源之時，能量效率將獲得顯著改善，而且可再生能源的推開工作也將取得進展?？蓛Υ嫘院捅銛y性是液體燃料的主要優(yōu)勢，而通過電池系統(tǒng)提供的電力那么擁有提供一種可行替代方案的潛力。電能可在幾乎所有的耗能設(shè)備中使用，而

13、且，電能也可以從幾乎所有的可用能源來產(chǎn)生。核能、太陽能、風(fēng)能、地熱能和液體燃料(汽油、柴油、乙醇、氫等等)都能很容易地轉(zhuǎn)換成電能。因此，與石油燃料相比，電力的重大優(yōu)勢是可以利用最具本錢效益的解決方案隨時隨地產(chǎn)生能量。對電能的標準化可以同時實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟，并免除局部燃料消耗所需的根底設(shè)施。優(yōu)越的電能可儲存性便于發(fā)電(效率最高，且不是“按需型的)，目前的情況大體如此。例如：風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電未必與峰值功率需求模式相吻合，而可儲存特性那么能緩解這個問題有所緩解。優(yōu)越的便攜性允許電能作為汽車(耗能大戶)的能源。隨著時間的推移，其他傾向于使用綠色能源的應(yīng)用肯定將得益于此項技術(shù)。電動汽車對電池系統(tǒng)的要求電

14、動汽車為綠色革命提供了一個巨大的開展機遇，原因有很多。電動汽車采用電網(wǎng)電力取代了燃氣動力。電網(wǎng)電力的生成效率很高，可以從幾乎所有的能源來獲得。此外，電動汽車的能源使用效率也高于燃油汽車。大多數(shù)汽車在運行時將經(jīng)歷一個“加速、減速和空轉(zhuǎn)的連續(xù)周期。相比之下，易變的負載(比方加速或減速)更有利于電動馬達(而非燃油引擎)，因為它在低速條件下提供了高轉(zhuǎn)矩。燃油引擎的工作效率只在一個很窄的速度/負載范圍內(nèi)到達最高，而且為滿足峰值加速的需要，它必須是超大型的。用于把汽油能量轉(zhuǎn)換為動能的引擎效率通常為 20%，而電動馬達將電能轉(zhuǎn)換為動能的過程中可以實現(xiàn) 90% 的典型效率。此外，電動馬達還無須在停靠時因為空轉(zhuǎn)

15、而無謂地消耗能量，而且電動系統(tǒng)還具備通過再生制動來恢復(fù)機械能的潛力。通過電動汽車的典型能耗本錢僅為0.013美元/英里這一事實，便能看出能量效率的整體改善情況。遺憾的是，在現(xiàn)今的市場上，純電動汽車還不是一種可行的解決方案，因為其行駛距離受限于車上所能儲存的能量。如今常見的電池組在充電8小時之后能夠讓一輛電動汽車行駛100英里。而一個普通的汽車油箱那么能為一輛標準汽車提供300英里的行駛距離，且只需幾分鐘的時間就能完成加油。如果想得到美國消費者的廣泛接受，那么電動汽車必須延長行駛距離和/或縮短再充電時間。應(yīng)運而生的解決方案是“油電混合動力車，它把燃油引擎和電動傳動系統(tǒng)組合起來，以提供足夠的行駛距

16、離，同時仍然擁有綠色能源的大多數(shù)好處。油電混合動力車采用車載燃氣引擎(用于電池充電)，并在需要時在最有效的速度/轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)操作該引擎。毫無疑問，電動汽車的成功將有助于其它應(yīng)用的高性能電池系統(tǒng)找到屬于自己的生存空間，從而推進其價格的下降和性能的提升。對于局部發(fā)電(包括小型光伏或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng))，電池可以起到至關(guān)重要的平衡作用，且當可以使用電網(wǎng)電力時，它還能充當一個后備電源系統(tǒng)。目前的電池系統(tǒng)相當昂貴而且龐大，且存在可靠性和平安方面的問題。下一代電池系統(tǒng)將提供較高的能量密度，旨在實現(xiàn)外形較小、價格較低、可靠性和平安性更高的解決方案。高電壓電池組的設(shè)計挑戰(zhàn)對于大功率電池應(yīng)用而言，鋰離電池可作為首選的化

17、學(xué)電池，主要因為它的能量密度高。當今的電動汽車和油電混合動力車采用的是NiMH電池，如果采用鋰離子電池將使其能量儲存密度提高400%。然而，為了使鋰離子電池在多達數(shù)千次的充放電循環(huán)過程中保持可靠，電池系統(tǒng)必須解決諸多技術(shù)難題。鋰離子電池的性能取決于電池溫度和使用期限、電池充電和放電速率以及充電狀態(tài)(SOC)。這些因素并不是獨立的。例如：鋰離子電池在放電時將產(chǎn)生熱量，從而增加放電電流。這有可能形成熱失控狀態(tài)，并導(dǎo)致災(zāi)難性故障的發(fā)生。此外，把鋰離子電池充電至100% SOC或放電至0% SOC將迅速降低其容量。因此，必須將鋰離子電池的操作限制在某個SOC范圍內(nèi)，比方20%至80%，此時的可用容量僅

18、為規(guī)定容量的60%。不僅如此，鋰離子電池還具有平坦的放電曲線(圖1)，其中1%的SOC變化可能僅表現(xiàn)為數(shù)毫伏的電壓差異。為充分利用電池的可用電壓范圍，電池系統(tǒng)必須非常準確地監(jiān)視電池電壓(它直接對應(yīng)于SOC)。 除了鋰離子電池的敏感特性之外，把電池組合在一起的方法也是一個重要的考慮因素。如欲從一個電氣系統(tǒng)(比方用于給車輛加速所需的電氣系統(tǒng))來提供有效的功率，那么需高達數(shù)百伏的電壓。舉例來說，在1V電壓條件下輸送1kW功率需要1,000A電流，而在100V電壓條件下輸送1kW功率那么僅需10A電流。系統(tǒng)布線和互連線中的固有電阻將轉(zhuǎn)換成IR損耗，因此設(shè)計師需采用切實可行的最高電壓/最低電流。4.7

19、日本混合動力汽車產(chǎn)業(yè)開展策略出臺稅收優(yōu)惠政策及獎勵措施，促進混合動力汽車銷售，拉動內(nèi)需。 為應(yīng)對金融危機沖擊，扶持汽車產(chǎn)業(yè)，推動環(huán)保型汽車開展，拉動內(nèi)需，09年日本推出購置環(huán)保車免除汽車購置稅和重量稅，同時減免汽車稅等優(yōu)惠政策。另外，車齡超過13年舊車換購新車或直接購置環(huán)保車，給予一定的購車補助。上述政策起到了良好經(jīng)濟效果，國民希望明年繼續(xù)執(zhí)行，日本政府正就此進行研究。政府大力扶持產(chǎn)業(yè)技術(shù)開展。 為促進混合動力汽車產(chǎn)業(yè)開展，尤其是核心技術(shù)車載鋰離子電池研發(fā)，日本經(jīng)產(chǎn)省下屬新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)NEDO成立了“All Japan體制。該體制除豐田、日產(chǎn)等5家汽車企業(yè)外，三洋電機、GS Yua

20、sa Corporation等7家電池企業(yè)，京都大學(xué)、早稻田大學(xué)和東北大學(xué)等10家研究機構(gòu)參加。 All Japan在京都大學(xué)設(shè)立研發(fā)基地，常駐50多人，7年內(nèi)投資210萬億日元，利用兵庫縣大型放射設(shè)備“Spring8等尖端設(shè)備，對電池材料老化等進行研究。方案開發(fā)蓄電量為現(xiàn)在3倍車載鋰離子電池，2021年混合動力汽車本錢降低到現(xiàn)在的6分之1，2021年混合動力汽車一次充電行駛距離增加到現(xiàn)在3倍。 規(guī)劃長遠開展戰(zhàn)略，積極獲取海外礦權(quán)。 鉑是生產(chǎn)鋰離子電池主要原料，南非鉑儲量約占全球總儲量9成。日本07年鉑需求量54噸，98%依賴進口。為確保燃料電池材料穩(wěn)定供給，日本獨立行政法人石油天然氣金屬礦物

21、能源機構(gòu)JOGMEC與加拿大探礦公司Platinum Group Metals就共同開發(fā)南非鉑礦締結(jié)協(xié)議。日方4年內(nèi)負擔320萬美元勘探費用，獲取37%礦權(quán)。 產(chǎn)業(yè)技術(shù)密集度領(lǐng)先世界。由于混合動力汽車市場廣闊，日本化工界大企業(yè)紛紛投資車載電池研發(fā)領(lǐng)域。其中，宇部興産、三菱化學(xué)等研發(fā)電解液，三菱化學(xué)、日亜科學(xué)工業(yè)、住友化學(xué)研發(fā)正極材料，旭化成、三菱樹脂、宇部興産等研發(fā)隔離板，日立化成工業(yè)、三菱化學(xué)、昭和電工等研發(fā)負極材料。目前研究已經(jīng)有所突破，比方鋰離子電池正極普遍用鈷材料，但鈷屬于稀有元素且價格昂貴，可以運用磷酸鐵鋰來替代。磷酸鐵鋰可以通過回收廢鐵及下水污泥中的磷在普通水泥廠加工生產(chǎn)。 完善普

22、及混合動力汽車相關(guān)配套設(shè)施。為方便混合動力汽車用戶為汽車充電，日本石油企業(yè)正抓緊完善配套設(shè)施。新日本石油和出光興產(chǎn)等正開始進行電動汽車充電設(shè)施的實證實驗。9月以后加油站等放置快速充電器，考察用戶使用情況及方便程度。研究如何實施與電動汽車普及相適應(yīng)的相關(guān)配套效勞。 另外，局部加油站還配置太陽電池，將太陽電池與充電器連接，利用太陽光產(chǎn)生的電力驅(qū)動汽車。 建立車載電池回收市場，削減電池本錢。 混合動力汽車普及所面臨的阻力之一是電池本錢過高，目前約占汽車總本錢一半左右。如果能夠建立車載電池回收市場，將會大大削減車載電池本錢，從而有利于混合動力汽車普及。 據(jù)測算，車載鋰離子電池使用假設(shè)干年后，蓄電能力會下降2成左右。但汽車淘汰下來的鋰電池可再用于住宅用蓄電池。日產(chǎn)、住友商事方案2021年下半年起，在家庭和辦公樓設(shè)置可再利用的車載鋰電池，利用晚間比擬廉價的電力充電后供用戶白天使用。4.8 全球混合動力汽車市場08年全球混合動力汽車需求量48萬輛，JP摩根證券預(yù)測， 2021年將增至1128萬輛，相當于08年23倍，占汽車總銷量13.3%