插电式混合动力汽车特征研究论文

日本美国HEV发展情况比较摘要：社会对环境和节能的重视有力地促进了混合动力电动车辆的发展。本文首先综述了日本、美国混合动力电动车的发展现状，介绍了它在日本、美国的发展情况，然后选取主要的商业化的和概念混合动力汽车，分别是本田Insight、丰田Prius、福特Prodigy、戴姆勒克莱斯勒ESX3、通用Precept，重点对比了它们的技术参数，最后展望了混合动力电动车的商业化前景及其发展趋势。关键词：混合动力 电动汽车 比较1 引言混合动力电动汽车（HEV）将内燃机、电动机与一定容量的蓄电池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。所以自从90年代以来，全球刮起了研究混合动力的风暴。日本丰田率先将混合动力车商品化，于1997年推出Prius，随后的时间里，多家日本汽车公司实现了多款混合动力的商品化。在美国，克林顿政府上台不久，为了开发新一代汽车，由美国政府促进，于1993年9月29日发起了新一代汽车伙伴计划即PNGV，目标是开发低油耗的混合动力汽车。然而该计划最终被废止，没有达到预订的2005年左右推出商品化的混合动力汽车的目标。2 日本混合电动汽车发展概况2.1 政府的发展规划日本汽车保有量占全球第二位，由于人口密集，国土狭小，石油100％依赖进口。因此，日本对EV\HEV的研发十分重视。早在1992年，日本政府宣布将允许投放市场20万辆电动车的计划，但是没有实现；2001年7月，日本开展了“低公害车开发普及行动”，将EV\HEV列为重点开发的低公害汽车之列，并制定了专门的政策，以促进EV\HEV的普及应用；2002年提出从2005年开始大幅度限制尾气排放，制定了《新长期排放限制》的标准，准备用于2005年以后销售新车的一项排放法规；2002年2月26日，日本中央环境审议会大气环境领域的一个专门委员会（环境大臣的咨询机构）提出了一份将要纳入这项法规的尾气排放标准的咨询提案。这项提案的内容包括将颗粒状物质（PM）含量比现行标准的要求最大削减85%，将氮氧化物（NOx）削减50%等一些内容，该法规的实施将进一步推动EV\HEV的发展。按照目前的发展速度，预计在2010年将达到210万辆。2.2 各大汽车公司所做的工作1）丰田丰田是全世界第一台正式批量生产的混合动力车的制造者，自从1997年开始，Prius就开始在日本销售，2000年起便在北美、欧洲及世界各地公开发售。目前，Prius已经在中国上市。到了2001年，丰田又在日本推出了Estima混合动力小货车、使用弱混合动力的皇冠豪华小轿车和Dyna混合动力轻型货车。丰田商业化的车型已经达到5款，表1是丰田主要销售的混合动力车型。年11月30日，丰田汽车正式宣布，丰田混合动力汽车累计已经超过了50万台，到今年十月末，全球已经接近销售了51.3万台。表2是丰田混合动力车型累积销售情况：为了在实现低排放的前提下，提高车辆的动力性，在2003年，丰田汽车把新一代的混合动力系统Hybrid Synergy Drive引入到了第二代的Prius上面。在2005年，他把这套系统的使用范围扩展到了对动力性能要求更高的SUV车型上——雷克萨斯的RX400h（日本名为Harrier Hybrid）和Highlander Hybrid（日本名为Kluger Hybrid）。2）本田在混合动力车方面，目前本田公司主要销售的两个品牌，一个是1999年推出的“INSIGHT”，一个是2001年推出的“CIVIC”。本田还在混合动力车的开发上，通过研究新型发动机、镍氢蓄电池等追求动力高效化；通过开发新型轻质铝车身、树脂油箱等谋求车辆的轻型化，使汽车达到每公升汽油可行驶35公里的世界最高水平，并且使汽车尾气排放达到世界最严格要求的标准。3 美国混合电动汽车发展概况3.1政府的发展规划1973年OPEC组织对西方国家石油禁运给美国政府敲响了警钟。1976年卡特总统签署EV/HEV研究开发和示范法案，授权美国能源部执行和管理EV/HEV研究计划，但是直到九十年代初电动车的研究在美国才真正开始。1990年10月布什总统签署清洁空气法严格规定了汽车排放的标准，同月加州政府也有了新的规定，即要求汽车制造商在加州销售的车辆中百分之二必须是零排放车辆，而当时只有纯电动汽车才可能达到零排放车辆的要求。1991年1月美国先进电池联合会成立，成员包括美国三大汽车制造商(福特、通用和克莱斯勒)以及美国电力研究院、美国能源部，正式开始了政府与企业联合开发电动汽车的新时期。1992年麻省州和纽约州正式采用了加州零排放车规定,同年布什总统正式签署能源政策法案，有关EV/HEV研发成为此法案的重要组成部分。根据此法案，联邦政府将第一笔经费拨给国防部从事EV/HEV的研发和示范。1993年，美国克林顿政府推出了新一代汽车伙伴计划即PNGV，要求联邦政府部门从1993到1995年度大量购买包括EV/HEV的替代燃油车。PNGV制订了10年开发计划，目标是80mpg(约3L/100km)的低油耗汽车。2002年1月9日，10年计划尚未结束，美国能源部部长斯潘塞·阿伯拉罕在各大汽车公司首脑参加的会议上宣布，根据总统布什的国家能源计划，降低美国对进口石油依赖性，决定成立一个新的汽车研究项目，叫做自由车(FreedomCAR)，该项目的长期目标是高效、价廉、无污染。研究先进、高效的燃料电池技术，用氢燃料作动力，不产生任何污染。改项目继续对电动汽车进行专项研究，但是重点是发展氢燃料电池电动车。3.2 PNGV概念车按照PNGV的时间表，在1999年以前为浓缩并集中技术目标阶段，1999～2001为生产概念车阶段，2001～2005年为生产性样车阶段。按照上述开发时间表，经过各参与单位的6年努力，PNGV的中期目标已经实现。在2000年底特律国际汽车展上福特和通用汽车公司展示了其柴油复合动力概念车，同年2月22日，戴姆勒克莱斯勒在华盛顿国家博物馆公布了其PNGV复合动力概念车。PNGV计划在2002年被终止，原因是80MPG的目标很高，而研制的新车在成本上并未取得很好的成果，不能满足用户在价格上的要求，也就是说，在短时期内不具有市场价值。更重要的是，PNGV仍然局限于用石油作为基本能源。因此要求新项目在这方面有新的突破，将着眼于新一代汽车能源，而不囿于现有技术和当前燃料资源。但是PNGV起到了全球EV/HEV技术开发领头人的作用，从其建立和执行情况来看，新一代汽车已经成为跨国汽车公司和工业国家战略发展的重要内容。本文的一下部分，将对这三款HEV和Prius、Insight进行详细的对比分析。4 日美主要混合电动汽车对比4.1基本参数对比图1是日美5款HEV的外形图，它们分别是：①日本本田公司推出的Insight；②日本丰田公司推出的Prius；③福特Prodigy；④戴姆勒克莱斯勒ESX3；⑤通用Precept。①②是已经商业化的HEV，尤其是Prius，目前在全球的总销量已经突破30万辆。③④⑤是PNGV计划的HEV概念车，在本文的前面部分已经有所介绍。这五种车型，分别代表了日本和美国的HEV发展最高的技术，拿它们来进行对比，是最具有代表性的。表3列出了这5款HEV的基本参数：注：CAFE工况下的燃油经济性是换算过的，是45％的HWY工况和55％的CITY工况之和，其中Precept的燃油经济性最好，达到了80MPG（约3L/100km）。4.2 燃油经济性的对比分析电机能量使用比率＝纯电动行驶所消耗的电能/电机和内燃机共同工作消耗的能量，也可以把电机能量使用比率理解成纯电动比例。图2所示的是它们的电机能量使用比率，再对比图3，可以发现HEV的然油经济性与纯电动比例之间没有直接关系。本田Insight，戴姆勒—克莱斯勒ESX3和福特Prodigy纯电动比例在23％以下，所以称之为轻混合动力电动汽车（MHEV）。而丰田Prius和通用Precept则超过了39％，所以称他们为重混合动力电动汽车（FHEV）。图3比较了五款HEV的燃油经济性，采用的是单位质量在单位里程上消耗的能量（UCE）单位是kj/km/kg。此外在测试燃油经济性时，每辆车外加300磅的负荷。所以这样测试出的UCE能更好的反映HEV在载重时的经济性。图2和图3也大致反映了UCE和纯电动比例之间的关系。若把这五种车分为两类：汽油车和柴油车，则他们的燃油经济性和纯电动比例有着正比的关系。4.3 与参照车型燃油经济性的比较拿这五种HEV和具有相同动力性传统内燃机汽车（CV）相比较，分析他们各自所获得的燃油经济性。选取下列汽车作为对比的基准：丰田1.8升的Corolla，1.6升的本田CivicHX和3.0升的福特Taurus。表4反映了它们所获得更多好燃油经济性。与CV比较，HEV从以下三个方面提高了燃油经济性：a)更有效地转换燃料能量(如动力系统改进和改革，内燃机始终工作在中等负荷状态);b)降低汽车对能源的需求(如轻量化、降低各种阻力);c)采取制动蓄能的方法回收能量。在表4中，HEV与CV相比较，Prius和Insight获得的经济性低于100％，PNGV概念车获得的经济性都超过了100％，尤其是Precept更是达到了204.9％。PNGV概念车比Prius和Insight获得了更好的燃油经济性，是因为PNGV概念车目标是追求最高的燃油经济性，不必考虑成本的限制，更多的采用了新型复合材料，更大程度上减轻了车重，采用了电喷柴油发动机，更多的提高了燃油经济性。而Prius和Insight是商业化的HEV，需要综合考虑燃油经济性和成本。所以单从经济性来说，PNGV的概念车要更好。5 结束语混合动力技术的先进性和实现的现实性，节能、环保效果明显，采用混合动力汽车是现阶段解决环保和能源问题最为切实可行的方案。但是，由于混合动力汽车是在牺牲了部分环保利益的基础上，可以满足目前人们对汽车环保的基本要求，在结构上两套系统电池/电机和内燃机同时安装于本来只装一套系统的汽车上，不仅加大了汽车本身的重量，也提高了对整体工艺及控制等方面的要求。除了和纯电动汽车（BEV）一样受目前蓄电池技术的限制之外，混合动力的能量来源仍然是石油，这决定了混合动力不是电动汽车发展的最终形式。美国PNGV计划的废止和FreedomCAR计划的重点是发展燃料电池汽车正说明了这一点。但是，目前日本的几大公司的混合动力汽车的热销说明，混合动力汽车是传统汽车时代向氢燃料电池汽车时代的过渡车型技术，虽然不是长远之计，但据估计，仍有20年以上的较长市场周期。可以充分利用现有内燃汽车生产能力，推动传统汽车工业的改造发展。总之，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。A compare for HEV between America and JapanAbstract: People have paid more attentions to environment pollution and energy resource saving. This paper gives a brief review for Hybrid Electric Vehicles（HEV）development of current situation between America and Japan. Then, we chose two commercially available gasoline hybrid cars (Toyota Prius and Honda Insight) and three PNGV diesel hybrid prototypes (Ford Prodigy, GM Precept, and DaimlerChrysler ESX3) and compared there characteristics. Finally we discussed and predicted the future of HEV in business production.Keywords: HEV EV Compare[参考文献]1 Antoni Szumanowski原著、陈清泉、孙逢春编译，混合电动车辆基础，北京理工大学出版社，20012 陈小复，PNGV及其概念车，世界汽车，2000年第8期3 殷德双、陈潼，丰田Prius混合动力电动汽车技术特征分析，上海汽车，2004.124 陈清泉，电动车的现状和趋势，机械制造与自动化，2003.25 Feng An、 Anant Vyas、John Anderson and Danilo Santini，Evaluating Commercial and Prototype HEVs，SAE paper，2001.SP–16076 Anthony G. Grabowski、Arun K. Jaura，Ford's PRODIGY Hybrid Electric Vehicle Powertrain Weight Reduction Actions，SAE paper，2001.SP–1598

随着石油供应的日趋紧缺和环境污染的日益加剧，电动车这种以电能为动力的交通工具凭借其节能、环保的优点日渐成为业界关注的焦点[1]。20世纪80年代以来, 许多发达国家纷纷投入巨资研发电动汽车，我国的“863 计划”也已明确将电动汽车作为重点攻关项目。目前，我国电动汽车的研发水平与发达国家基本上处在同一起跑线上，在某些方面甚至超过国外[2]。2005年，我国第一代混合动力商品车通过论证和验收[3]。 法国、日本、美国、德国等都经过试验和示范运行，开发出具有商品化水平的纯电动汽车，如法国PSA 公司的标志P106 和雪铁龙AX 电动轿车，日本丰田汽车公司的RAV-4EV 电动轿车，美国通用汽车公司的EV1 电动轿车等。我国也将电动汽车的研究开发列入“八五”、“九五”国家科技攻关项目，并于1996年6月建成广东汕头国家电动汽车试验示范基地。“十五”期间，国家科技部将电动汽车项目列入国家“863”重大专项。成了资助电池、电机及其控制系统、整车控制系统以外，重点资助北京市（北京理工大学牵头）进行纯电动大客车的研发和示范运行。2005 年6 月21日由国家发改委正式批准，14辆铅酸电池纯电动公交大客车在北京公交121 路线投入商业化运行。另一个课题资助天津清源动力公司（中国汽车技术研究中心）进行纯电动轿车的研究开发和示范运行。其中有5辆纯电动轿车于2005年初首次出口到美国[4]。 虽然电动汽车具有很多优点，但是它不能取代传统的燃气动力模式，而混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型，其发展方向是真正零排放、无污染，不消耗燃油的燃料电池车辆。现在混合动力汽车在欧美国家及日本已形成产业化[3]，而国内还处于起步阶段，没有形成产业化。 2.混合动力技术的分类及原理 混合动力电动汽车（HybridElectric Vehicle，简称HEV）是将电力驱动与辅助动力（APU）结合起来，充分发挥二者各自的优势及二者相结合产生优势的车辆。辅助动力可以采用燃烧某种燃料的原动机，如内燃机、燃气轮机等或其他动力发电机组。根据混合动力系统连接方式的不同，混合动力汽车主要可以分为三种结构形式，即串联、并联和混联，它们各有优势。 2.1串联 串联式混合动力系统示意图如图1所示。串联结构的特征是以电力形式进行复合，发动机直接驱动发电机对储能装置和牵引电机供电，电动机用来驱动车轮，储能装置起着发动机输出和电动机需求之间的调节作用。其优点是发动机的运行独立于车速和道路条件，适用于车辆频繁起步、加速和低速运行。发动机在最佳工况点附近运转，避免了怠速和低速工况，从而提高了效率，提高了排放性能。但在机械能与电能的转化过程中有效率损失，很难达到明显降低油耗的目的，目前主要用于城市大客车，在轿车中很少见。 2.2并联 并联式混合动力系统示意图如图2所示。并联结构的特征是以机械形式进行复合，发动机通过变速并联混合动力系统示意图装置和驱动桥直接相连，电机可同时用作电动机或发电机以平衡发动机所受的载荷，使其能在高效率区域工作。但是由于发动机和驱动桥机械连接，在城市工况时，发动机并不能运行在最佳工况点，车辆的燃油经济性比串联时要差。 其中转速复合装置类似于差速器，这种结构形式在实际中很难被采用，因为这种结构需要发动机和电动机的输出转矩时刻保持相等；单轴转矩复合式车辆驱动系中机械功率的联合是在发动机曲轴输出端处实现的，变速器为单轴输入，本田Insight属于这种形式；双轴转矩复合式的机械功率的联合是在变速器的输出轴处实现的，发动机和电机采用不同的变速系统，变速器为双端输入；华沙工业大学设计的混合动力系统属于这种形，这种结构也可以实现无级变速，但是不能实现发动机输出转矩和电机输出转矩的直接叠加。 在牵引力复合式系统中，机械功率的联合是在驱动轮处通过路面实现的，具有两套独立的驱动系，可以实现全轮驱动，主要适用于SUV，丰田的THS—C系统就属于这种形式。

插电式混合动力电动汽车本身是一种混合动力电动汽车，区别在于其车载的动力电池组可以利用电力网（包括家用电源插座）进行补充充电，具有较长的纯电动续驶里程，必要时仍然可以工作在混合动力模式。

因此，与混合动力电动汽车相比，它具有较大容量的动力电池组、较大功率的电机驱动系统以及较小排量的发动机。

该类电动汽车具有的特点为：

插电式混合动力汽车(PHEV)与电量保持型混合动力汽车相似，但它具有一个更大容量的能量存储系统并通过电力电子接口与电网连接。PHEV的能量存储系统可进行车载充电也可通过电源座充电。与电量保持型混合动力汽车相比，PHEV可以在电池供电模式下工作更长时间。

对于日常通勤的特定距离，PHEV可以工作在纯电动模式，内燃机用于提供长距离行驶所需的额外动力。有时这种类型的汽车被称作“范围延长器”。PHEV从外部电网获得的能量取代了内燃机燃烧燃料而得的能量。相比其他能量完全来自矿物质燃料的混合动力汽车，PHEV具有更好地利用替代燃料的潜力。

PHEV结构与电量保持型混合动力汽车相似。串联结构是最简单的结构，也高度适合PHEV。由于电池的高能量存储能力，内燃机和发电机的尺寸不需要与牵引电机的峰值功率匹配。车载充电接口与纯电动汽车相似，需要与电网相连。串联式PHEW的结构如下图所示。并联和串联结构与常规混合动力结构相似，但是PHEV可与电网连接。

PHEV在大多数行驶过程中使用电池组储存能量，从而减少了空气和噪声污染以及排放。PHEV主要是电动的，维护成本低。当电网处于负荷高峰时，PHEW还可以平复电力需求。插电式混合动力汽车的额外电量可以在电网高负荷需求时填补电网。这就是著名的“车辆-电网”能力。当电网处负荷低谷期时，车辆再充电。