引言
混合动力汽车(HEV)因采用不同能量转换装置作为混合动力源,能有效地提高燃油效率,从而成为解决环境污染和能源短缺最具市场潜力的车型之一。研究表明,当整车驱动总功率一定时,动力系统混合度的变化对整车的动力性影响不大[1]。但混合度关系着混合动力汽车动力总成的功率匹配,会影响整车最终的设计成本。本文结合解放牌并联式混合动力客车(HEB),根据动力系统元件的匹配方法,系统地研究混合动力客车动力系统主要元件的价格成本,估算其批量化生产后整车增加的成本与混合度选取的关系,着重阐述整车最大经济收益及增加成本的回报期限与混合度选取的关系。
1 混合度的定义
混合度是指混合动力汽车电系统功率与驱动总功率的比值。针对并联式混合动力驱动系统,混合度R定义[1～2]为
式中 Pm ———电动机功率,kW
Pe ———发动机功率,kW
2 混合动力系统成本分析
与传统客车相比,HEB相当于只增加了一套混合动力系统,主要包括电池组、电动机（含控制器）等动力总成。
2．1 电池组参数选择与混合度关系
混合动力汽车采用镍氢动力电池,单节电池参数如表1所示。
匹配时,电池组的电压等级应与电力系统电压等级和变化范围一致,同时电池组的最大充电和放电功率要满足电动机的功率要求。在车用电池的使用过程中,电池的最大电流不应超过200A,最高电压一般低于650V[3]。并且,并联式混合动力汽车混合度R不可能取值过高（一般 R %26lt;0.5）,现选取电动机的最大工作电流为150A,则电池组的额定电压为
式中 U0.battery ———电池组的额定电压,V
Im.max ———电动机最大工作电流,150 A
ηm ———电动机转换效率,取0.95
则电池单节数量为
式中 nmodule ———电池组单节数量,节
U0．module ———电池组的单节额定电压,12V
取混合动力汽车驱动系统总功率为160kW,亦即Pm + Pe =160 kW,结合式（1）,电池组单节数量与混合度关系为
2．2 混合动力车用 NiMH电池价格分析
电池的价格是制约电动汽车发展的一个重要原因,同样也是当前HEV价格居高不下的重要因素[2,4]。表2为车用 NiMH电池的技术参数。
可以看出,高容量NiMH电池价格有很大的变动。上述数据充分表明,随着车用NiMH电池技术的更加成熟及批量化生产,电池的价格将会大大降低。但因为电池技术的成熟及电池的批量化生产对电池价格的影响还不清楚,以上电池的预测价格可能会有很大的变动,甚至可能是保守的。
“十一五”期间,解放牌HEB（批量在万台以上）车用NiMH电池控制技术指标为:使用寿命1.5×105km,成本3元/(W.h)。
2．3 混合动力车用电机/ 控制器价格分析
HEV 车用电机/控制器的价格也会随电机的批量化生产和技术完善而降低。
通常,电机（含控制器）价格计算式为
式中 A 、B ———拟合系数,通过已知的电机功率价线性拟合求得
2．4 HEB的成本增加分析
HEB 相对于传统客车增加的成本,即成本差别,主要取决于电池、电机（含控制器）增加的成本,发动机减小的成本及整车系统其他的成本。即
式中 ΔC ———HEB 相对传统客车增加的成本,即成本差别, ＄
Cbattery ———HEB 车载 NiMH电池成本, ＄
Ce.h ———HEB 发动机相对传统客车发动机减少的成本, ＄
Csystem ———HEB 相对传统客车系统增加的其他成本,取 1300 ＄
经上述分析知,HEB整车成本受市场化影响的因素很大。北京2008年奥运会将会增大对HEB的需求,在2010年达2.6万辆,结合国外对混合动力系统元件的价格预测,2010年HEB整车增加成本分析如下:
取 NiMH电池的价格为:430＄/(kW.h),假定HEB运行时间为12年,NiMH电池最大使用寿命为6年[8],则电池需求成本可估算为
式中 Cap.battery ———NiMH电池容量,为 27 A.h
ζbatt ———车载电池组的置换系数,为2
ηc.b ———每 kW.h 的 NiMH 电池价格, 为430 ＄/ kW.h
由式(3)～(4) 可求得车载NiMH 电池需求成本估算为
根据式(5)，取A=467＄, B =2716＄/kW[5],,则车载交流电机的成本估算为
从而,车载交流电机（含控制器）需求成本估算为
HEB车载发动机相对于传统汽车发动机,功率会有一定的减小,成本也会相应减少,HEB车载发动机相对传统客车发动机减少的成本可估算为
式中 Pe.h ———HEB发动机相对传统客车发动机减少的功率,kW
ηc.e ———每 kW发动机估算成本,50＄/kW
另外,有
式中 Pe.c ———传统客车发动机功率,kW
则由式(11)～(12),可得HEB车载发动机相对传统发动机减少的成本估算为
综上,可得HEB整车相对于传统客车增加的成本估算为
可见,解放牌HEB估算的整车增加成本只是混合度R的函数。
3 混合度对整车经济效益的影响
以北京城市循环工况为例,结合上海、长春城市循环工况,分析混合度对整车燃油经济性、经济效益和回报期限的影响。
3．1 成本增加与燃油经济性关系分析
针对不同的混合度,HEB 整车增加成本及燃油经济性提高也不同,图2所示为解放牌HEB以不同混合度在北京循环工况行驶时,估算的整车增加成本与整车燃油经济性的提高变化曲线。可见,要使整车燃油经济性提高,必然伴随着HEB整车成本的增加。但当HEB可以批量化生产时,一定的增加成本可以使整车的燃油经济性有较大的提高。
3．2 成本增加与估算经济收益关系分析
假定HEB客车一年运行250d,每天运行8h,报废期限为12年,在北京、上海、长春运行的平均车速分别为13.53、13.35、14.3km/h。
以北京循环工况为例,估算HEB的最终经济收益(假定柴油价格为4元/L)，见表4；表5为HEB在北京、上海、长春循环工况运行的最终估算经济收益对比表。图3所示为三城市估算的经济收益随混合度变化曲线。
可以看出:
（1）对应相同的混合度R,HEB在三城市循环工况的最终估算经济收益并不相同,主要原因是由于城市工况的差别,基于城市工况的燃油经济性也各不相同,从而使得节约的油耗和成本收益有较大差异。当混合度R%26lt;0.4时,HEB整车运行相对上海的经济收益最大,而北京收益最小。
(2) 随混合度R的增大, HEB在上海、北京、长春工况运行的估算经济收益均是先增大后减小。
从而可得出:由于HEB的批量化生产降低了整车增加的成本,使得HEB在城市工况循环的最终估算经济收益比较显著,且与整车燃油经济性的提高有相同的变化趋势。
3.3 增加成本与回报期限关系分析
混合动力汽车是传统汽车与全电动汽车结合的产物,混合动力技术也只是向燃料电池技术的过渡。研究表明,燃料电池技术可预计在2020年左右成熟[5],到时燃料电池汽车也将进入市场并被人们接受,因此混合动力汽车增加成本的回报期限也应是其进行市场化目标的一个考虑因素。
以北京循环工况为例,估算HEB整车增加成本的回报期限(年)如表6所示；表7为HEB分别对应北京、上海、长春工况的整车增加成本的回报期限表。
图4所示为估算的HEB整车增加成本的回报期限变化曲线。可以看出:
(1) 在HEB动力系统混合度R相同的情况下,HEB整车增加成本估算的回报期限随工况的不同而不同。当混合度R%26lt;0.4时,对应在北京工况,估算的回报期限最长,而在上海工况最短。
(2) HEB在三城市循环工况下的整车增加成本的回报期限随混合度R的增大而增长。这在高混合度时表现的更加明显,主要是因为随着混合度R的增加,整车对燃油经济性的改善减弱所致。
(3) HEB整车增加成本的估算回报期限最短约为2年,即使在混合度R为0.5时,也未超过5年。
从而可得出:当HEB可以批量化生产时,估算的整车增加成本回报期限并不长;同时,如果考虑整车增加成本的回报期限,混合度R的选取应越小越好。
4 结束语
通过对HEB动力系统主要元件的价格进行分析,确定了HEB整车估算的最终经济收益、增加成本的回报期限与混合度选取之间的关系,结果表明:随混合度变化,估算的HEB整车经济收益结果是乐观的,并随技术成熟与批量化生产的实现,整车成本会明显降低而燃油经济性可得到较大改善。
参 考 文 献
1 曾小华.混合动力客车节能机理与参数设计方法研究D. 长春:吉林大学 ,2006.
2 Antoni Szumanowski. 混合电动车辆基础M. 北京:北京理工大学出版社 ,2001.
3 初亮.混合动力总成的控制算法和参数匹配研究D. 长春:吉林大学 ,2002.
4 曾小华 ,王庆年 ,王伟华. 混合动力汽车动力电池容量特性J. 农业机械学报 ,2004,35(6) :12～13.
5 Panayoyis Christidis,Hector Hernandez,Aliki Georgakaki,et al.Hybrids for road transport statusand prospects of hybrid technology and the regeneration of energy in road vehiclesC.JRC-IE-2,2005.
6 Henry K Ng,Anant D,Santini D J.The prospects for hybrid electric vehicles C.SAE Paper 1999-01-2942,1999.
7 Lipman T E,Delucchi M A.Hybrid electric vehicle design retail and lifecycle cost analysis C.UCD-ITS-RRC03-01,2003.
8 Feng An,Frank Stodolsky,Anant Vyas,et al.Scenario analysis of hybrid class3-7 heavy vehiclesC. SAE Paper2000-01-0989,2000
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