混合动力汽车需要解决的问题和面临的挑战

混合动力汽车需要解决的问题和面临的挑战
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：
其一，混合动力汽车发动机频繁起动、关闭，使驱动系统和附件（如空调和动力转向等）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。

其二，能量存储装置（电池）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，能量存储装置必须采用热能控制管理，要有较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造成本。

其三，电力电子器件必须减小尺寸、减轻质量和降低制造成本。

其四，需要建立更先进的驱动系统数学模型（包括静态和动态的），这是计算机仿真和分析的基础。

其五，制定完善的混合动力汽车相关标准和法规，为混合动力汽车的市场化奠定基础。

1）混合动力单元技术：混合动力汽车的动力可以同时来自热力发动机和电动机。

在混合动力汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元，与传统汽车发动机相比，其作用发生了变化。

在并联混合动力汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部分动的功能，因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的热力发动机；在串联混合动力汽车上,混合动力单元驱动1台发电机产生电能,由于汽车的行使与发动机没有直接的联系，因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动机，且其运行工况可以固定于较小的高功率区。

当前，混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和燃料电池。

其在燃料的使用方面出现了很大的变化，除了汽油外，还有天然气、液化气和酒精等代用燃料。

提高混合动力单元的燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多的要求，例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭，并降低起动时的排放等。

混合动力汽车的主要目标就是降低排放，所以，控制混合动力单元的排放将是今后研究的重点。

目前对混合动力单元的研究主要集中于以下几个方面。

一是燃烧系统的优化，通过观察燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程，发现形成NOX的机理，从而改进燃烧系统。

二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统。

三是代用燃料的研究。

从目前的研究表明，压燃直喷式柴油发动机将是首选的混合动力单元。

2）能量存储技术：目前运用于混合动力汽车上的能量储存
装置主要还是高能蓄电池。

除此之外，虽然超级电容器、飞轮电池等新型能量储存装置也在研究开发范畴，但是近期最有希望进入实用化的还是高能蓄电池。

现在，银氢电池和铿离子电池已可达到混合动力汽车的使用要求。

银氢电池已广泛地应用于电动汽车、计算机、医疗器械以及其它领域。

该电池技术的关键是，其能够储存氢的合金应该是一种能够稳定地经受无数次循环反复使用的材料。

银氢电池容量大，可以循环使用，但主要缺陷是成本高，效率低，同时还需要控制氢的损失。

铿离子电池电压高,能量密度高，有更高的功率，且充电时间短。

目前该电池还处于实验室阶段，正在进行其基本性能和寿命的试验。

从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面。

一是研究电池内部的连接、检测、监控以及便于将整个电池子系统安装在汽车上的支撑机构。

二是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。

这是因为，适用于混合动力汽车的电池需要有较高的比功率，要达到的目标是，
功率与能量比值大于20W∕Wh;使用寿命达到10年；至少循环使用12万次。

三是电池的热能管理及剩余电量管理。

由于电池的工作温度不可能覆盖汽车运行的工作温度范围，为了保证电池系统的统一，减少各电池单元之间的不平衡，所以需要有一个有效的热能控制系统。

此外，电池的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。

3）汽车集成电力电子模块：随着汽车技术的发展，传统汽车越来越依赖于复杂的电子技术，例如防抱死制动系统、安全气囊和发动机微机控制等先进控制系统等。

这种趋势在混合动力汽车上将得到更加充分的体现。

混合动力汽车完全由电子控制器来分配功率，要能够在适当的时间控制各相应子系统输入和输出适当数量和类型的功率。

为了满足汽车高速开关控制的要求，混合动力汽车还需要具有高功率密度、低损耗的开关、电容和电感等。

同时，混合动力汽车还要没有一些分立装置，例如专用的集成电路、模拟和数字集成电路以及其它功率电子装置。

混合动力汽车对智能
化的要求导致其控制的复杂性，因此要求控制装置采用高速运
行的半导体芯片，其功率密度高，散热性能较好。

在混合动力汽车进入实用化的过程中，一个关键性的部件是汽车集成电力电子模块。

它采用现代电子集成技术，将复杂的电力电子系统集成在一个单一封装内，能够给汽车提供大约IOOkW 的功率，其功率范围为IOkW—100kW。

该模块能够实现对整车的控制，例如，控制电机的输入和输出功率、发动机的输出功率和能量储存系统的离合，同时还能控制再生制动能量的回收与释放，确定电池的充电状态、判断是否对电池充电，以及优化控制发动机的起动以减少排放。

在汽车集成电力电子模块设计和制造过程中所面临的问题有以下几点。

其一，散热技术。

发动机舱的温度范围为-40℃—225℃,对电力电子模块来说，环境条件相当恶劣。

由于模块封装中芯片密度的增加，热量密度也会增加，因此散热技术和散热材料的研究对模块的正常工作和电子元件的寿命都很重要。

其二，减小封装体积和质量。

要实现这一目标，需要研究采用新型材料和先进工艺制造的电容器并要进行传热效率高的封装，改善金属基体的结构组成，并需要运用高温焊接技术等。

其三，降低制造成本，提高系统的可靠性。

4）电力驱动系统和汽车附件：要使混合动力汽车的动力性、经济性、舒适性、安全性和便利性达到广大消费者所能接受的水平，必须要有高效、经济的电力驱动系统和汽车附件。

然而，这些系统中的有些部件在传统汽车中没有相应件，所以需要重新设计开发，在开发的同时，要考虑到系统的综合性能、成本和维修性能。

4.1）电机：在混合动力汽车上，电机的作用是将由发电机或储能装置提供的电能转换为用于驱动车轮的机械能。

与传统汽车不同的是，电机在低速时可以提供满载转矩，而发动机则必须要等到“暴跳如雷”时才能够输出满载扭矩。

这样就使混合动力汽车具有出色的起步加速性能。

此外，用于混合动力汽车的电机还必须要具有良好的可控性和容错能力以及低噪
声、高效率，同时具有对电压波动不敏感等性能。

用于混合动力汽车的电机类型有交流感应电机、永磁电机
和开关磁阻电机。

具有代表性的是交流感应电机，但这种电机
与生俱来就很难解决其功率和效率之间的矛盾，因此，需要研
究出能够用于混合动力汽车的具有更高效率和功率密度的永磁
电机、开关磁阻电机等先进电机来替代目前使用的交流感应电机。

同时对电机的控制方法和冷却系统的研究也应继续深入。

4.2）再生制动：这种混合动力汽车能够回收制动时消耗的一部分能量。

当混合动力汽车制动时，电机变成了发电机，利用汽车的动能来产生电能，并能够存储在蓄电池中以备后用。

在混合动力汽车上，有许多能量形式可以作为再生制动的储能装置，例如高速飞轮、超大电容器、弹力装置以及各种热系统等。

当然，传统的摩擦制动还是必要的，这样就需要考虑如何将两套制动装置合理利用、合理控制的问题。

制动时，由电子控制的再生制动系统和摩擦制动系统同时作用，制动性能将明显提高。

4.3）汽车附件：任何款式汽车要得到用户的喜爱都必须要考虑汽车的舒适性。

虽然汽车空调等附件能提高汽车的舒适性，但所消耗的能量将占很大的比例。

若不减少这些负载，它们将会对汽车的燃料经济性产生巨大的影响。

所以，能否在汽车舒适性得到提高的同时，改善燃料经济性是目前要创新研究的课题。

传统汽车上的各个附件系统都是围绕发动机设计的，不适用于混合动力汽车的驱动系统。

例如，传统汽车的附件（如空调、动力转向等）由发动机驱动，但由于混合动力汽车的发动机并不一直工作，就需要设计和生产能独立提供动力的附件。

再如，由于混合动力汽车发动机频繁的起动和关闭，使其对驱动系统和附件的电能管理变得复杂，需要有更为先进的监测和控制系统。

所以，适用于混合动力汽车附件的研究和发展主要有以下几个方面：一是建立乘客舒适性模型，能够方便驱动和辅助系统的设计；二是研究新型车身蒙皮和挡风玻璃材料，更好利用太阳能，从而降低空调系统的能量消耗；三是设计新颖的汽车制热制冷控制策略，能够既改善舒适性又提高燃料经济性；四是开发新型独
立式汽车空调，以提高效率、减小体积并实现智能化控制。

5）混台动力汽车仿真技术：在研究和开发混合动力汽
车的部件和选择最佳结构时，需要设计和制造者能够很快缩小研究范围，找到技术的突破口。

技术方案选择阶段，在系统选择上，可依靠高效的建模工具计算机，通过交替使用候选的子系统进行模拟仿真，从而找到最佳的方案。

计算机模型为每个候选子系统提供了详细规格和设计参数，从而方便了设计者的工作，而且还有助于为设计和制造样车制定工程目标和计划。

目前，国外用于混合动力汽车的仿真软件很多，例如，“SIMPLEV”、a CarSi w、“HVEC”、“CSM”、“HEV”和"V-Elph"等。

各大汽车生产厂家也有各自的仿真软件。

在众多的汽车仿真软件中，"ADVISOR”是专门为帮助美国能源部(DOE)管理混合动力电动汽车计划(PNGV)而开发的混合动力汽车仿真软件。

“ADVISOR”可通过简单的物理模型和经过性能测试的各总成去建立实际的或想象中的汽车。

其主要功能在于能够对还未制造的汽车进行性能预测，即能够提供制造一辆汽车需要确定的性能参数包括加速性和爬坡性能，燃料经济性以及排放性能等。

目前，国内还没有较系统和成熟的混合动力汽车仿真软
件，因此，这也是我国汽车工业应该研究的一个方面。

在仿真技术的研究与软件开发中，应该遵循的目标，一是精确，即能够使不同结构的动力传动系统间的比较具有意义；二是快速，即能快速进行汽车分析和空间研究设计，例如对多维变量参数的研究和优化等；三是灵活，即能对不同控制策略和结构组成的汽车进行评价；四是共享，即能够与潜在的合作者共享，并推动混合动力汽车的发展和促进公众的了解；五是实用，即能针对各种车型建模，例如，包括传统汽车、电动汽车、串联式和并联式混合动力汽车等；六是使用方便,即使用者对汽车建模没有经验也能快速掌握。

6）混合动力汽车标准和法规的制定：虽然混合动力汽车作为一种新型的汽车，目前还处于试验和研究开发阶段，但是，最近几年国外汽车公司已经有一些实用的混合动力汽车推向了市场。

例如，戴勒姆一克莱斯勒汽车公司的
“Citadel”和“ESX3”；福特汽车公司的“Escape”和“Prodigy"；通用汽车公司的“Precept”；丰田汽车公司
的“Prius”、“Coaster”和“HV-M4”等。

由于混合动力汽车与传统汽车相比有着很多的不同点，尤其它包含了两套驱动
系统，因此，为了迎接混合动力汽车时代的到来，全面将混合
动力汽车推向市场，需要有一系列试验标准和完善的检测技
术。

为了推动中国混合动力汽车的市场化，制定出完善的混合
动力汽车的标准和法规是当务之急。

其中包括与混合动力汽车
相关术语的定义、混合动力汽车的结构参数和评价指标以及混
合动力单元、电动机/发电机、能量存储装置、电子设备以及整车的性能测试标准等。

目前，国际上负责电动汽车和混合动力汽车标准和法规制定的组织有国际电工委员会(IEC)、国际标准化组织(ISO)、美国汽车工程师协会(SAE)等。

对我国来说，由于混合动力汽车已处于实验阶段，各项标准的制定工作也应该相应开始进行。

目前，我国电动车协会已开始筹备电动汽车和混合动力汽车相关标准和法规的制定工作，2000年10月，在北京召开专家会议，讨论了有关标准的草案，为正式标准的出台作准备。

考虑到今后将出
现的多种动力驱动的汽车共存的情况，汽车标准的制定也将需要考虑传统汽车、混合动力汽车和纯电动汽车之间的可比性和通用性。

进入新世纪，出现一种最新的，采用燃料电池取代内燃机和电池混合驱动的新一代混合动力电动汽车，这可能成为向燃料电池电动汽车过渡的一种好办法。

特别要指出的是，近年混合动力电动汽车，不仅在轿车，MPV上应用，而且扩充到大客车，SUV,微型客车，大型货车以尽等车上应用，几乎覆盖了汽车产品所有领域使人眼花瞭亮。