数学与统计学院 信息与计算科学01班
李兵 20092257
摘要
能源和环境问题正在向常规能源汽车提出严峻的挑战。进入新世纪以来，以混合动力、纯电动、燃料电池等为代表的新一代节能环保汽车正在全球范围内掀起一场汽车技术革命。持续增长的汽车消费、迅速增长的石油消费和日益严峻的环保压力，要求中国汽车产业必须走清洁化和节能化道路。中国制定和实施系统的节能环保汽车的激励政策，具有很强的现实意义。
前言
1.1 背景
以内燃机为动力的汽车是人类使用最广泛的一种交通工具，其排除的废气是大气受到污染的主要来源之一。特别自上世纪60年代以来。随着世界各国汽车保有量的急剧增加，由汽车排气
造成的大气污染也愈加严重，汽车作为一个流动的排污源，在人口高度集中的城市和交通运输繁忙的工矿地区到处散发着大量的废气，严重威胁着居民和职工的健康，破坏着生态平衡。因此，汽车排污公害已经发展成为当今世界的一个严峻问题。
1.2 各国主要汽车厂商关于节能环保汽车的战略和发展方向
世界主要汽车厂商在研究开发清洁节能汽车时普遍采用多项技术兼顾、某项技术有所侧重的发展策略。
（一）美国。在未来节能清洁汽车技术的方向选择上，美国正由以往的注重燃料电池技术的单一化格局向多种技术共进的多元化格局转变。多年以来，美国节能清洁汽车的发展重点主要在燃料电池汽车上，氢+燃料电池模式是清洁节能汽车的最终解决方案，但燃料电池汽车目前价格太高、氢燃料的存储和运输比较困难，国际汽车界普遍认为2020年以后，燃料电池汽车才能真正得到大规模的商业应用。近些年，美国开始重视混合动力汽车和先进柴油车的发展，目前，美国是最大的混合动力汽车市场。先进柴油车在美国发展也很快，过去3年美国先进柴油车的销售增长了56%。预计在燃料电池汽车大规模商业运行以前，混合动力汽车和先进柴油车会保持较快的发展。
（二） 欧洲。欧盟在立足先进柴油技术基础上，近年来开始加大对燃料电池、混合动力、生物柴油等多种节能环保技术的投入力度。过去15年欧盟节能环保汽车的发展重点在先进柴油车上，并且获得了成功，不仅在技术上获得了突破，使柴油车的气体污染物排放大为减少，而且由于先进柴油车价格明显低于相对其他节能环保车，先进柴油车在市场上也获得了很大的扩展，2004年欧盟新增商用车中几乎100%是柴油车，新增轿车中50%是柴油车。从欧盟下一步的发展方向上看，一方面继续提高柴油车的技术水平，使其满足更加严格排放标准。另一方面积极开拓其他的节能环保汽车领域，包括：采用新型技术，提高汽油汽车的效率，比如通过采用汽油直喷技术，将普通汽油汽车的效率提高10%~15%；研发混合动力和燃料电池汽车；积极发展可再生能源，特别是生物柴油，现今德国生物柴油的年产量为200万吨，欧盟计划到2010年将可再生能源占能源的总消耗比例提高到12%。2004年欧洲新增轿车中有一半是先进柴油车，同时，欧洲的汽车厂商并没有忽视其他清洁节能技术的研究开发工作。
（3）日本。日本多年来始终在节能环保汽车的研发与产业化方面处于世界先进水平，在技术路线的选择上也呈现出多种技术共同发展的态势，但其在混合动力技术的产业化进程上取得的成就更加突出。特别是日本丰田公司和本田公司在混合动力汽车的技术研发和国际市场
的推广上处于领先位置。以日本国内市场为例，由于日本国土面积狭小，居民以公共交通为主，家用轿车的年行驶里程较短，混合动力汽车经济激励弱的特点更为明显。根据丰田公司的估计，普通的家用轿车大体上需要10年的时间才能够收回增加的购车成本。所以尽管日本的混合动力技术比较先进，但混合动力汽车在本国市场上表现平平，每年销售混合动力汽车不及日本汽车市场的1%。尽管目前的市场表现不是太好，但混合动力汽车技术相对成熟，使用传统燃料，技术的进一步成熟以及市场份额扩大带来的规模效益会逐渐减低混合动力汽车的成本，混合动力发展的潜力还很大。
1.3 对未来节能环保汽车技术应用前景的基本判断
汽车业界普遍认同的一个观点是，燃料电池技术是内燃机技术最好的替代物，代表了汽车未来的发展方向。但如果将发展燃料电池汽车的几个制约因素考虑进来，则会发现燃料电池汽车目前和今后一段时间尚不具备商业化的条件。最乐观的预测，以纯氢为燃料的燃料电池汽车的商业化生产至少还需15年以上的时间，即使在一定程度上实现了商业化，也会是以一种高成本的方式。在环保意识不断高涨、油价涨多跌少、消费者追求高性价比的大形势下，融合了纯电动汽车和燃油汽车优点的混合动力汽车，较好地满足了汽车低排放、低油耗、高
性价比的综合要求，较好地解决了汽车节能与环保问题，因而逐渐成为世界各大汽车生产企业开发的热点。中国能源比较紧缺，环境保护压力很大，而且大城市交通普遍拥堵，汽车必须频繁制动，混合动力车比较适合中国的国情，在中国市场的前景也被看好。但考虑到若干制约因素，特别是成本和价格因素，对尚属于发展中国家的中国来说，混合动力车在中国市场的成长还需要一个时期的培育。 柴油车由于有很好的节油效果，成本和价格也比较适中，在国际上是已经大规模商业化的成熟技术，国内的产业基础也比较好。因此在混合动力汽车和燃料电池汽车无法大规模商业化之前，柴油车将是实现中国汽车节能非常现实的技术选择。即使将来混合动力汽车和燃料电池汽车进入商业化阶段，柴油车仍是中国实现汽车节能的重要途径。未来相当长的一个时期内（至少到2020年前），全球节能环保车的技术格局将汽呈现出多元化发展、多种技术相互融合、阶段性不均衡发展、强强联合、政府扶持的态势。一是多元化发展的格局。国际汽车新能源技术的总体格局是不同技术路线（先进柴油、醇类、纯电动、混合动力、燃料电池、生物质能等）呈现多元化发展的¡°百花齐放¡±格局。对于国际汽车厂商而言，多元化发展也意味着不会轻易放弃任何一种可能的技术路线。二是多种技术融合发展。不同技术路线之间并不是绝对的相互排斥，而是一种你中有我，我中有你的融合与互动关系。如汽油与电动的混合动力技术、柴油与电动的混合动力技术、混合动
力与燃料电池技术相融合。三是阶段性不均衡发展。从时间序列来看，短期内（2010年前），先进柴油技术是技术相对成熟、适合规模化生产的先进适用技术，混合动力处于产业化初始阶段，而燃料电池、纯电动等技术还无法实质性地进入产业化阶段。中期来看（2010年左右），混合动力汽车有望进入大规模商业化阶段，成为产业化条件相对成熟的替代性技术，市场份额会出现较快的增长。长期来看（2020年以后），燃料电池有可能进入规模化生产阶段，但市场化前景仍存在一定的不确定性（主要取决于燃料电池堆和氢存储系统的成本降低方面能否取得突破性进展）。四是强强联合。强强联合正在成为节能清洁发动机技术发展的一个新趋势。新能源汽车研发投入巨大，如混合动力汽车和燃料电池汽车的研发投入都在10亿美元以上，为了分摊研发成本并提高该项技术上的竞争优势，一些大型的跨国汽车公司开始强强联合，组成新能源汽车研发的技术联盟。
总之，在今后的国内外汽车市场上，纯电动汽车由于造价高、能量低、重量大、体积大、续行里程短、还需要建设地面充电检测设施等缺点，其适用范围十分有限；先进柴油汽车将是混合动力和燃料电池汽车取得优势地位之前的过渡时期的佼佼者，近、中期有很大的增长空间，但并不是最理想的长远解决方案；混合动力汽车将在未来15年左右的时间内逐步呈现出较强的发展势头，但其增长过程将是缓慢而曲折的；燃料电池汽车代表着未来汽车新能源技
术的发展方向，但受多种因素影响，15年内难以完全商业化。
二．关于混合动力电动汽车
现在世界对节能少排的要求越来越高，人们越来越关注其它燃料的汽车和电动汽车的开发。使用电动汽车可实现无污染，并可利用煤碳、水力等其它非石油资源，因此，无疑是解决问题的最有效途径。但是，由于电动汽车的关键部件之一的电池其能量密度、寿命、价格等方面的问题，使得电动汽车的性价比无法与传统的内燃机汽车相抗衡。尽管目前具有世界先进水平的电动汽车的性能与内燃机汽车可不相上下，但过高的成本使其难以商品化。在这种环境下，融合内燃机汽车和电动汽车优点的混合动力电动汽车异军突起，在世界范围内成为新型汽车开发的热点。可以相信，在电动汽车的储能部件———电池没有根本性突破以前，使用混合动力电动汽车是解决排污和能源问题最具现实意义的途径之一。混合动力电动汽车是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元（APU），其中APU是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前HEV所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃汽轮机。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置 （蓄电池）组合在一起，它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低排放和低油耗汽车。
目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构形式，根据其驱动系统的配置和组合方式不同，分为串联式、并联式和混联式3种组合方式，各自的结构形式和特点如下。
1.串联式驱动系统
串联式驱动系统的示意图如图，由原动机和发电机组成，通常将这两个部件集成为一体。原动机带动发电机发电，其电能通过控制器直接输送到电动机，由电动机产生驱动力矩驱动汽车。电池实际上起平衡原动机输出功率和电动机输入功率的作用：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、低速行驶或短时停车等工况），控制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现代商用车 （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。
2.并联式驱动系统
并联式驱动系统结构示意图如图所示，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小。与串联式结构相比，发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量的利用率相对较高，这使得并联式燃油经济性比串联式的高。并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工况。由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响，因此不适于汽车行驶工况变化较多、较大；相比于串联结构式，需要变速装置和动力复合装置，传动机构较为复杂。
3.混联式驱动系统
混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，其结构示意图如图。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混 联式驱动系统的控制策略是：在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主。混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统在最优状态工作，所以更容易实现排放和油耗的控制目标。
图为混联式驱动系统结构简图
混合动力电动汽车发展主要要解决以下几个方面的问题：
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