混合动力汽车发展综述

 张  纯，曾庆玺，朱  浩

 （扬州大学机械工程学院，江苏  扬州  225127）

摘要：阐述了发展混合动力汽车的必要性，介绍了不同类型混合动力汽车的工作原理和优缺点；综述了混合动力汽车的国内外发展现状，指出了发展的关键性技术，并对混合动力汽车的发展进行了展望。

关键词：混合动力；新能源；汽车中图分类号：U46

0  引言

 近年来，随着PM2.5和雾霾事件的频发，机动车尾气排放问题越来越受到人们的关注。同时，石油属于不可再生资源，如何减少汽车对传统石油燃料的依赖，对于建设资源节约型社会至关重要。因此，面对环境污染和资源日益短缺的双重压力，电动汽车成为国内外研究的重点。但是，目前电动车的技术难点如充电时间长、行驶里程短、充电桩配套设备不完善等，使得电动汽车在短期内很难广泛普及。在此情况下，能够降低油耗同时减少尾气排放的混合动力电动汽车异军突起，成为国内外企业开发的热点。

 混合动力电动汽车(Hybrid-Electric Vehicle)是指车辆驱动系统由最少两个能同时运转的驱动系统联合驱动的车辆，车辆在行驶过程中的驱动力根据实际情况决定是由单个驱动系统提供还是共同提供。一般的混合动力汽车为油电混合动力汽车，驱动系统由传统内燃机（柴油机或汽油机）和电动机组成，通过驱动系统之间的良好匹配和优化控制，达到低排放和低油耗的目的。

1  混合动力电动汽车的分类

 混合动力电动汽车按动力系统布置分为串联式混合动力汽车(SHEV)、并联式混合动力汽车(PHEV)和混联式混合动力汽车(PSHEV)。

1.1  串联式混合动力汽车(SHEV)

 串联式混合动力系统中发动机、发电机和电动机为串联连接，如图1所示。车辆行驶过程中，发动机在最佳工况点附近运转，避免了怠速和低速工况，能够提高传递效率和降低尾气排放；发电机将发动机的机械能转化为电能传递到电动机或电池组，电动机为车辆行驶提供驱动力。在串联式混合动力系统中，电力驱动是唯一的驱动模式，但是能量由发动机输出到最终转化为驱动车辆行驶的驱动力，中间经过多次能量形式的转换，损失较大，降低了整车的燃油经济性。

 串联式混合动力系统结构简单，无需使用离合器和复杂的变速器，提高了车辆行驶的稳定性和乘客的舒适度，同时串联式混合动力系统无需应对城市内行驶频繁的起停、低速或怠速工况，因此目前应用串联式混合动力系统最广泛的车型为城市公交用车或大中型巴士。

1.2  并联式混合动力汽车( PHEV)

 并联式混合动力系统中发动机和电动机分别属于两套系统，如图2所示。发动机或电动机根据实际工况可同时或单独为车辆行驶提供驱动力。在并联式系统中，电动机在功能上可以作为电动机或发电机，用以平衡发动机所受的载荷，使发动机长期在稳定高效的工况下工作。由发动机输出的能量可直接传递至驱动桥上，因此减少了能量传输过程中的损耗，提高了系统的效率，保证了良好的燃油经济性。由于车辆中存在两套动力系统，且发动机与驱动桥是机械连接，需要传统汽车中的变速和减速装置，因此并联式混合动力系统结构更加复杂，生产成本高。

1.3  混联式混合动力汽车(PSHEV)

 混联式混合动力系统如图3所示。混联式混合动力系统是一种结合了串联式和并联式的综合驱动系统，能够充分发挥串联式和并联式的优点，以达到能量传递效率更高、尾气排放更低的目的，被认为是目前最理想的混合动力系统。混联式混合动力系统由发动机、电动机、发电机3大动力总成组成，系统工作时，由发动机输出的机械能一部分通过机械传动直接传递至车辆驱动桥，另一部分传递至发电机转化为电能，由发电机输出的电能传递至电动机或电池组，电能又由电动机转化为机械能通过动力复合装置传递至驱动桥。目前一般的动力复合装置多以行星齿轮为基本构造，当车辆起步或低速行驶时，发动机关闭，仅由电动机提供动力输出；当汽车高速行驶时，发动机运行，同时根据实际工况需要，发电机承担发电或调速的作用；当车辆制动时，系统也能够将机械能转化为电能储存在电池组中。

2混合动力汽车国内外发展现状

2.1  国内发展现状

 传统汽车领域，中国与发达国家始终存在很大差距，而在纯电动车领域，中外几乎处在相同起跑线上，这对于我国汽车行业是一个实现赶超的契机。混合动力汽车是从传统汽车向纯电动汽车的过渡车型，因此我国十分重视混合动力汽车的基础与工程应用研究。早在10年前，国家就组织相关部门进行校企联合合作研究，确立了燃料电池汽车( FCEV)、混合动力电动汽车( HEV)和纯电动汽车(BEV)3个重点研究方向，又确定了动力控制系统、驱动控制系统和电池及其控制系统3个研究重点，并且国家“863”计划中明确包含要突破混合动力汽车一些关键技术难点，在这种有利情况下，中国混合动力汽车的一些重大发展与创新是可以预见的。国产有代表性的先进的混合动力汽车有：

 (1)比亚迪秦：其配备有1.5T1的缸内直喷先进发动机，峰值功率达到了113 kW/5 200 r／min，峰值扭矩为240 N．m/(1 750 r/min～3 500 r／min)，由比亚迪自主开发生产的13 kWh铁电池组可以给驱动电机提供的峰值功率为110 kW。发动机和电池组二者同时工作时，输出的最大功率达到了217 kW，最大扭矩为440 N．m。当转换为纯电动驱动模式时，秦的续航里程达到了70 km，在仪表盘上有电量显示，充电口设置在后备箱，充电时，打开后备箱就可以在充电站充电，也可以选用民用电(220 V)充电。

 秦在一般工况下驱动动力由蓄电池提供给电动机，然而在能耗比较大的工况下，如加速爬坡时，它的发动机能够启动并驱动汽车，因此可以提供足够的动力。在制动时，制动能量可以以电能方式储存在动力电池组中，一般行驶状况下，90%使用纯电模式，10%使用燃油模式。

 (2)长安杰勋：长安汽车建成了国内首条自主研发的混合动力汽车生产线，杰勋完全为自主研发，且已取得80多项专利，但是，其装备的电机无法独自驱动汽车前进，就是说其任何工况下都需要发动机的驱动输出，所配有的电机只是在特殊工况下起辅助作用，所以，它仍然属于轻度混合汽车。杰勋的发动机排量为1.6 L，是在JL475Q1基础上对电喷及进排气系统进行过改良设计的，最大功率和扭矩分别可以达到72 kW和141 N．m;它所采用的蓄电池是金属氢化物镍蓄电池，工作电压达到146 V;同时它采用永磁同步内转子电机，能够为发动机额外提供12 kW的功率和69N-m的转矩。

 (3)上汽荣威550PLUG-IN:其许多关键技术均是由上汽自主研发，它的Green-motion三核混动引擎组表现出色，动力系统组成包括排量为1.5 L的内燃机、牵引电机和启动与发电一体机。该车具有智能控制策略，能够根据行驶状况来自发调节动力输出源．以求得在经济性和动力性上的平衡，其最大综合输出功率为148 kW，最大扭矩可达588 N. m。

2.2  国外发展情况

 目前，美国、日本和德国在混合动力汽车的研究领域处于领跑地位，这也与上述国家对混合动力汽车的大力支持密不可分，以美国为例，众多创新电动车企（如Tesla等）在6年前就从政府两次获得多达104亿美元的低息贷款，资以研究混动及纯电动汽车。正因如此，现今美国国内混动汽车的市场占有率已经达到3. 5%（要考虑到美国庞大的汽车数量基数）。日本与美国相比，是有过之而无不及。驰名世界的丰田普锐斯，是世界上技术最成熟、认可度最高的混动汽车，它的总销售量早已达到了100万辆，这是其他同类品牌所远不能比拟的。日本民众对这种新技术的认可度也是其他国家无法超越的，如今日本国内混动车市场占有率达到了11%。国外有代表性的先进的混合动力汽车有：

 (1)通用君越Eco-Hybrid:其装备了2.5 LEC()智能先进发动机，同时选用了镍氢蓄电池驱动的电机辅助系统。在一些高能耗工况如加速爬坡等情况下，电动机能够适时激活，给予发动机必要的辅助动力，达到节能减排的目的；但在能耗相对较低的情况下，发动机会给蓄电池组进行自动充电。该汽车还带有制动能量回收系统，所回收能量也存储在电池组中。通过测试，该款混动汽车的综合油耗减少了近16%，由原来的9.8 L/100 km减少到8.2 L/100 km，百公里等速油耗(90 km／h)低至5.5 L。

 (2)丰田Prius：其采用大胆的革命性技术升级，新普锐斯将油电混动系统的几大优点（低油耗、强动力、超强静谧性和低排放）再次提升到了一个新的高度。在外形上，全新普锐斯的风阻系数低至0. 25左右，而且全面技术升级后的新普锐斯在油耗方面达到了新低，百公里等速油耗在4.3 L左右。在所配备的电池组一电动机系统的辅助下，它的1.8 L排量发动机能够实现2.4 L排量的动力性能。0. 25的极小风阻系数，不仅降低了油耗更有利于控制噪声，即便在高速行驶时，全新的混动技术可以把内燃机的转速控制在一个相对低的范围里，以此来保持其静谧性。它还可以以纯电动模式驱动行驶，此时，发动机不工作，这也有效减少了噪声污染，在此情况下也同时实现了尾气的“零排放”。

 (3)雷克萨斯LS 600 hL:其采用了5.0 L直喷V8汽油内燃机与电池组一电动机系统配合工作，作为一款豪华高档车，二者同时工作可以产出高达328 kW的超强动力，于此同时，其油耗却更类似于3.5 L排量的发动机，这向世人展示了豪华车型的绿色可持续发展的汽车设计思想。

 对于新能源汽车而言，混合动力汽车的角色仅是现阶段的过渡产品，在纯电动汽车技术并不成熟、成本居高不下的情况下，混合动力汽车是目前油耗最低、最环保的绿色车型。于此同时，我们也看到，混动车的成本较普通车型还是较高，因此在国内的购买人群依旧不足，所以还需要国家大力扶持。

3  混合动力系统的关键性技术

 随着混合动力汽车的逐渐普及，对混合动力技术的发展提出了新的要求，其关键性技术包括以下几个方面：

 (1)先进的内燃机技术。与传统的内燃机车辆一样，混合动力汽车同样需要先进的内燃机技术，以提高发动机的燃油经济性和降低尾气排放。

 (2)电池组存储技术。基于目前电池存储技术的发展，如何提高电池组的存储容量依然是发展混合动力系统甚至发展电动车的关键环节。提高电池组存储容量可以有效降低车辆油耗，降低尾气排放，使混合动力汽车的优势进一步提升。

 (3)混合动力控制单元技术。混合动力汽车通常由发动机和电动机共同驱动，是对动力系统匹配的优化设计，可以实现多能源的合理匹配和管理，满足车辆在不同工况下均能达到能量利用最大化和油耗最低化的要求。

4混合动力技术的发展前景

 随着能源和环境问题的社会关注度提升，新能源汽车成为未来汽车发展的方向和目标，而在电动汽车未能普及的情况下，混合动力汽车势必成为一种新的发展趋势。混合动力汽车既结合了传统内燃机汽车与电动汽车的优点，同时又克服了两者的不足，既提高了整车的燃油经济性，降低了尾气排放量，又大大提高了相比于电动汽车的续航里程和便捷性，降低了生产成本。相信在未来电动车普及之前，混合动力汽车以油耗低、效率高、环保性能好等优点占领汽车市场。