|
1、研究的目的和意义
我国在“八五”、“九五”期间重点发展电动汽车项目，在整车技术、电机电控和动力电池等方面形成了一定的技术积累，在一些关键技术上具有自主的知识产权，但整体水平较低，尤其在先进的能量管理系统以及整车综合管理控制系统方面，与发达国家相比，差距很大。开展混合动力多能源动力总成控制系统课题的研究，对于促进我国混合动力汽车的开发，提高我国混合动力汽车的技术水平，缩短与发达国家的差距，实现我国汽车工业跨越式发展具有重要意义。
本项目的研究对提高混合动力轿车整车动力性、经济性和排放性，确保车辆安全性和可靠性，具有重要意义。多能源动力总成控制系统是混合动力轿车的核心技术，该技术的成熟必将推动混合动力汽车早日市场化。
混合动力汽车既具有内燃机动力性好、反应快和工作时间长的优点，又有电动机无污染和低噪声的好处, 达到了发动机和电动机的最佳匹配。由于混合动力系统本身具有充电功能，因此不需要建设配套的充电基础设施，；蓄电池的要求，与纯电动汽车相比也大大降低。因此混合动力汽车在技术、经济和环境等方面具有很好的综合优势。
多能源动力总成控制系统是混合动力车辆的神经中枢，集现代电力电子技术、网络总线技术、微处理器技术和现代控制技术等于一体。目前国际上普遍采用基于CAN总线的控制器网络负责总成系统的控制管理，主控制器负责驾驶信息的理解和能量管理策略，各子系统控制器负责相应子系统信息采集和能量策略的执行。这种分布式控制系统，与传统的集中控制系统相比，系统结构清晰，可靠性高，易扩展，是一种全新的控制模式。
北京已经申报成功2008年奥运会，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将在2003年与国际汽车排放的要求同步，直接采用欧III标准（不通过欧II标准过渡），上海、广州也将一步和国际接轨。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，其中轿车尾气排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源，因此混合动力轿车的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轿车，在我国有着独特的发展条件和广阔的应用前景。
2、国内外研究现状
我国在“八五”、“九五”期间重点发展电动汽车项目，在整车技术、电机电控和动力电池等方面形成了一定的技术积累，在一些关键技术上具有自主的知识产权，但整体水平较低，尤其在先进的能量管理系统以及整车综合管理控制系统方面，与发达国家相比，差距很大。
在我国，对CAN总线的应用研究已经起步，清华大学、北京航空航天大学等单位在CAN为控制局域网络方面开展了富有成效的研究。目前国内在整车网络体系构建、信息接口规范等方面的研究也才刚刚起步，离发达国家现有的技术水平差距较大。
国外电动汽车的研究开发已有一百多年的历史，但真正取得突飞猛进的发展是最近十来年时间，而混合动力汽车的研究开发还不到十年。目前，许多国家都制订了严格的汽车排放法规和节能标准，有些国家提出的目标是汽车达到或接近零排放，例如美国加州就有法案规定，到2003年在加洲销售的车辆其中10%的车辆必须是无污染的零排放车辆。各国的汽车制造企业和相关的研究机构都加大了投入力度，把研究降低排放的技术和开发绿色环保汽车作为自己的立足之本和生存之道。因此，世界上各个大的汽车公司都看好混合动力汽车，相继开发出各种混合动力汽车产品，以便在未来的竞争中处于有利的地位。例如日产公司的Tino混合动力轿车，本田公司的Insight混合动力轿车，通用公司的Precept1.3混合动力轿车，福特公司的Prodigy混合动力轿车，戴母勒－克莱斯勒公司的ESX3-1.5混合动力轿车，丰田公司推出它的王牌车型“Prius”混合动力轿车已经在世界各地销售了近6万辆。日本本田汽车公司2000年推出的混合动力轿车Insight在美国已经销售了8000多辆。在混合动力大客车方面，较为典型的有日本三菱的HEV无阶梯公共汽车，美国的DE40LF和ORION混合动力大客车都有较好的性能价格比，都准备在2002年推向市场。早在1997年12月的电动汽车国际会议上，绝大多数汽车工程师认为，在未来10年内世界上生产的汽车中至少有40%是混合动力汽车。日本丰田汽车公司宣称到2010年，将生产混合动力汽车180万辆。有专家认为，混合动力汽车的研发，已不再是汽车工业的一次简单的技术革新，而是一次新的汽车工业革命。
我国在“八五”和“九五”期间都有计划地开展了电动汽车的关键技术攻关和整车研制，在此基础上也开展了混合动力电动汽车的若干技术领域的开发。清华大学、华南理工大学、广州电车公司等单位分别试制了混合动力样车。但从技术水平上看，国内目前还处于探索的初级阶段，开发的样车只是在原有的电动汽车上简单加载发动机和发电机组，技术集成度较低，缺乏高度智能化的控制系统和能量管理系统，两种动力源缺乏同一协调，这与真正意义上的混合动力汽车，与国外的先进水平相比还有很大差距。
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）中专门列有电动汽车重大专项（包括燃料电池整车、混合动力汽车车和纯电动车），总经费8.8亿，其中混合动力汽车的开发目标是，5年内实现产业化。这是我国汽车工业史上一次史无前例的大投入，足见我国政府在新一次汽车革命机遇面前的决心。“一汽”集团和“二汽”集团已于2002年1月分别启动了混合动力客车和混合动力轿车的开发研究。
3、主要研究内容
通过该项目的研究，建立能源、动力系统及整车其它系统的标准化通讯协议及接口；开发适用于混合动力车动力总成控制和整车综合管理的主控制器，建立以主控制器为主节点的、基于CAN总线的、分布式管理控制网络。通过该总线网络，主控制器对混合动力车动力链的各个环节进行管理、协调和监控，优化整车动力性、经济性和排放性，确保车辆安全性和可靠性。
具体包括以下内容：
(1)通过对混合动力系统各单元的输出外特性进行分析和实验研究，提高整车的动力性、经济性，降低整车排放。使各系统根据车辆行驶工况协同工作，
(2)内燃机和电动机的动力优化分配算法及其实时性和可靠性
(3)制动能量回馈策略研究
(4)CAN总线应用层的信息规范，基于CAN总线的多能源优化管理算法；
(5)动力总成系统的故障诊断、处理策略和算法。
(6)动力总成控制器硬件设计、软件设计和可靠性研究
4、社会效益、经济效益以及风险分析
据有关专家预计，未来10年，在世界新生产的汽车中混合动力电动汽车将达到40%。由此可见，混合动力电动汽车的研究与开发是历史的必然。 从二十世纪七十年代起欧洲各国就开始研究混合动力电动汽车。九十年代，各国在总结纯电动汽车开发经验以及市场化过程中所发现问题的基础上，逐步认识到混合动力电动汽车所具有的产业化优势，因此将其作为重要发展方向而投入大量资金进行攻关和产业化。
目前，我国有关电动汽车的16项国家标准陆续发布，更加严格的汽车排放标准即将推行，这些均为“十·五”期间混合动力电动汽车开发和产业化奠定了基础。
混合电动汽车的巨大市场，意味着多能源动力总成控制系统的产业化前景将非常广阔。
当前，虽然混合型电动汽车的成本比现有内燃机汽车成本要高，但随着国家更严厉的排放标准的出台，以及国家相应配套政策的制订，混合电动汽车将得到推广应用。其潜在用户首推公交汽车，然后就是城市出租车、单位用车、旅游景点用车、私家车等。另外，燃料电池电动汽车、纯电动汽车等都是多能源动力总成控制系统的潜在用户。
未来10年中，新生产的汽车中混合动力电动汽车将达到40%。那么我国每年将生产几十万辆，按照每辆汽车控制系统售价4000元计算，每年将有新增几十亿元的产值，其经济效益非常可观。
国外电动汽车的研究开发已有一百多年的历史，但真正取得突飞猛进的发展是最近十来年时间，而混合动力汽车的研究开发还不到十年。目前，许多国家都制订了严格的汽车排放法规和节能标准，有些国家提出的目标是汽车达到或接近零排放，例如美国加州就有法案规定，到2003年在加洲销售的车辆其中10%的车辆必须是无污染的零排放车辆。各国的汽车制造企业和相关的研究机构都加大了投入力度，把研究降低排放的技术和开发绿色环保汽车作为自己的立足之本和生存之道。因此，世界上各个大的汽车公司都看好混合动力汽车，相继开发出各种混合动力汽车产品，以便在未来的竞争中处于有利的地位。
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）中专门列有电动汽车重大专项（包括燃料电池整车、混合动力汽车车和纯电动车），总经费8.8亿，其中混合动力汽车的开发目标是，5年内实现产业化。
北京已经申报成功2008年奥运会，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表示北京市将在2003年与国际汽车排放的要求同步，直接采用欧III标准（不通过欧II标准过渡），上海、广州也将一步和国际接轨。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，其中轿车尾气排放为城市汽车尾气排放污染的主要污染源，因此混合动力轿车的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轿车，在我国有着独特的发展条件和广阔的应用前景。
混合动力汽车（HEV），是指在同一辆汽车中同时采用内燃机和电动机作为其动力装置，通过先进的控制系统，使两种动力装置有机协调配合，实现最佳能量分配，达到低能耗、低污染和高度自动化的新型汽车。其主要优越性表现在如下方面。
在汽车启动和低速运行时，控制系统可选择由电池通过电动机提供动力，发挥电动机的低速大扭距特性，从而避开内燃机的低效率和极差的排放区。由于电动机可以在很短的时间内启动汽车，因此在怠速工况（如等红灯）时，控制系统可完全关闭内燃机，由此可以节省大量不必要的燃油消耗。据统计，在天津市区，怠速工况的燃油消耗约占总燃油消耗的20%左右。
在高速大负荷运行时，选择内燃机提供动力，并使其运行在最佳油耗和最佳排放区。内燃机提供的富余动力，可由电动机发电至蓄电池。在瞬间加速时，电动机可为内燃机提供瞬间辅助动力，由此降低车辆对内燃机储备功率的要求，进而可采用小型更高效的内燃机。
据统计，汽车在城市道路行驶中，其能量消耗大致为：道路阻力消耗51%，传动装置消耗15％，制动器消耗34%。对于传统内燃动力汽车，制动能量全部由刹车片摩擦发热消耗掉。对于混合动力汽车，在刹车制动时，通过对电机、刹车系统和电池管理系统的协调控制，使电动机工作在发电机状态而产生制动力矩，向蓄电池高效率回收制动能量，可显著提高整车能量利用率。
根据丰田公司的测试结果，1998年推出市场的Prius混合动力轿车，百公里油耗可降低50%，相应CO2排放下降了一半，CO、HC和Nox只有传统内燃机轿车排放量的1/10。
本项目采用分布式控制网络，结合模块化思想，并采用CAN总线。降低了整体开发难度。主控模块采用集成度高的32位微处理器，提高了系统的可靠性。申请者及课题组在纯电动轿车主控制器、发动机及整车控制系统软硬件开发、开发平台、动态建模技术、自适应控制技术、控制参数匹配标定等方面具有良好的基础。本项目的主要风险在于可靠性和成本的矛盾，如何结合市场需要，开发低成本高可靠性产品，是值得重视的问题。
与世界先进国家相比，我国发展混合动力电动汽车的必要性和紧迫性更加突出。我国石油资源并不丰富，我国机动车污染问题十分严重。这些都迫使我们严肃考虑，我国不能走先进国家汽车污染治理的老路，而应该通过跨越式发展，直接进入电动汽车发展期，迅速改变我国的环保面貌。
从汽车产业的发展看，我国在传统汽车技术上落后世界发达国家30年，而电动汽车技术的差距要小得多，我国将电动汽车作为汽车产业结构调整和跨越式发展的“切入点”，有利于我国在激烈的国际竞争中确立自己的地位，在电动汽车特别是混合动力电动汽车的若干领域形成适合中国市场特点的自主技术优势，与世界汽车工业同步发展。
从发展时机来说，我国汽车工业正面临进入WTO的冲击，国际竞争态势十分严峻，急需通过体制创新、技术创新和产业结构调整提高生存和竞争能力，为了防止决策失误造成的投资损失，现在不失时机地抓紧开发混合动力电动汽车并实现产业化，其必要性不言自明。
由上可知：在目前这种迫切的形势下，开发混合动力电动汽车是解决当今汽车所造成的能源与环境负面效应的最佳和最现实的办法，其对社会、经济可持续发展的意义十分巨大。
|
