混合动力汽车结构\原理及发展前景研究分析

摘要：本文对几种新能源汽车进行了分析比较，对混合动力汽车进行分类介绍，图文并茂的展示了混合动力汽车的基本驱动原理，对混合动力汽车的发展前景进行了研究，给我国混合动力汽车的发展指明了方向。

关键词：新能源 混合动力 驱动 排放

地球上的石油资源总有一天会枯竭，若没有新能源或替代能源，到那时汽车将寸步难行。为此，人类一直在寻求新能源或试图找到新的方法以减少对石油资源的依赖。目前新能源汽车有纯电动汽车，燃料电池汽车，、燃气汽车和混合动力汽车。纯电动汽车可以实现零排放，动力性、经济性、安全性和可靠性可以达到或接近普通内燃机汽车，能满足一定续驶里程的要求。但作为动力源的蓄电池成本高，寿命短，体积和比重大，充电时间长。所以，目前还没有哪一种蓄电池能完全满足电动汽车的要求。燃料电池电动汽车的工作原理是使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中与大气中的氧发生化学反应从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。燃料电池电动汽车可以减少二氧化碳气体的排放，有利于人类居住环境还可以减少人类对石油资源的依赖。虽然燃料电池电动汽车有诸多优点，但还有许多不完善之处，例如，制造、储存、运输、灌装较困难，氢气价格过高，建立“加氢站”投资过大。燃气汽车可以降低排放，降低噪音，提高汽车的动力性和经济性，但是气体液化技术将提高成本，一次充气续驶里程短，燃用天然气或液化石油气将使发动机功率下降。混合动力电动汽车HEV（Hybrid-ElectrICVehicel）是指汽车使用汽油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆启动停止时，只靠发电机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零”排放。有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。可以利用现有的加油站加油，不必再投资。可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。比较而言，混合动力电动汽车更适应目前阶段应用需求。

1 混合动力电动汽车的分类

1.1 按照推进系统能量流和功率流的配置结构关系或动力传输路线分类分为：

1.1.1 串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV)

串联式混合动力系统：发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。尽管串联式混合动力的结构简单，但它需要三个驱动装置：发动机、发电机和电动机。因而，该种混合方式的车辆的效率通常较低。如果串联式混合动力车设计时考虑到要爬长坡，那么提供最大功率的驱动装置的尺寸就会较大；如果用作短途运行，如当通勤车或购物车，相应的内燃机/发电机装置应采用较低的功率。

1.1.2 并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV)

并联式混合动力系统：采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮，可以采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式。当发动机提供的功率大于车辆所需驱动功率时或者当车辆制动时，电动机工作于发电机状态，给蓄电池充电。与串联式混合动力相比，它只需要两个驱动装置，即发动机和电动机。而且，在蓄电池放完电之前，如果要得到相同的性能，并联式比串联式的发动机和电动机的尺寸要小。

1.1.3 混联式(串并联)混合动力汽车(Series-parallel Hybrid Electric Vehicle，SPHEV) 混联式混合动力系统：在结构上综合了串联式和并联式的特点。与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传输路线。尽管综合了串、并联的优点，但其结构复杂，成本高。然而，随着控制技术和制造技术的发展，一些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。

1.1.4 复合式混合动力汽车(Complex Hybrid Electric Vehicle，CHEV)

复合式混合动力系统：其结构与混联式相似，二者主要区别是复合型中的电动机允许功率流双向流动，而混联式中的发电机只允许功率流单向流动。双向流动的功率流可以有更多的工作模式。复合式混合动力电动汽车同样具有就够复杂、成本高的缺点，不过，现在有些新型的混合动力电动汽车也采用这种双轴驱动的复合式系统。

1.2 按照两种不同的能量的搭配比例不同，混合动力车辆则有四种类型，即：

1.2.1 微混合，也称为“起－停混合”（Micro hybrids）

在微混合动力系统中，电机仅作为内燃机的启动机/发电机使用。现在通常使用的启动机/发电机系统是指在传统内燃机的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternator Starter Generator，简称BSG系统）。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。

1.2.2 轻混合，也称辅助驱动混合（Mild hybrids）

与微混合相比，驱动车辆的两种动力源中，依靠电池-电机功率的比例增大，内燃机功率的比例相对减少。通常，此种混合动力系统采用集成启动电机（也就是常说的 Integrated Starter Generator，简称ISG系统），车辆还是以发动机为主要动力来源，助动电机被安装在发动机和变速器之间，作为辅助动力来源与主要动力相联。当行驶中需要更大驱动力时，它被用作电动机。当需要重新启动熄火的发动机时，它被用作为一个起动机。其能够实现：在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。

1.2.3 全混合（Full hybrids）

全混合动力系统是指既可以使用汽油引擎或电动机单独驱动车辆也可以同时使用两种动力的汽车。它们普遍采用大容量电池以供给电动机做纯电动模式运行，同时还具有动力切换装置用以发动机、电动机各自动力的耦合和分离。在起步、倒车、缓加速（如频繁起步-停车）、低速行驶等情况下，车辆可以纯电动模式行驶；急加速时，电机和内燃机一起驱动车辆，并具有制动能量回收的能力。与轻混合系统相比，驱动车辆的两种动力源中，依靠电池-电机功率的比例更大，内燃机功率的比例更小。

1.2.4 插电式混合（Plug－in hybrids）

插电式混合动力系统通过接入家用电源为系统中配备的充电电池充电，充电后可仅凭充电电池作为电动汽车行驶。另外，在充电电池的剩余电量用完后，并不是切换至发动机行驶模式，而是通过发动机旋转发电机，利用由此产生的电力为蓄电池充电，继续用电动机行驶，从而形成了串联方式的插电式混合动力车。这种混合动力汽车比全混合动力汽车有较长纯电动行驶里程。该系统电机功率比例与纯电动情况基本相同（或稍小），内燃机功率比例与全混合系统基本相同，电池容量一般比全混合系统的大，比纯电动车辆的小。

1.3 按照运行模式的不同，混合动力车分为单一模式混合动力和双模式混合动力（Two-mode Hybrids）

双模式混合动力系统的核心实质上是一个电控可调变速箱。它利用现有的传动系统，配有两个电动机，可以在两种混合动力运行模式之间实现自如切换。第一种模式适用于低速度和负荷较小的情况，这时汽车可以按照三种方式操控：仅使用电力驱动，或仅使用发动机驱动，或发动机和电力驱动的任意组合。如果在交通拥挤，时停时走的状态下，仅使用电力驱动，延长发动机的关闭时间，则可以实现完全意义上的节油。第二种模式主要适用于高速公路驾驶，除电力驱动辅助外，发动机可以在必要时启动全部8个汽缸，比如超车、拖载或爬坡时。第二种模式整合了尖端电子控制技术，Active Fuel ManagementTM随选排量技术、凸轮调整以及进气阀延迟启闭系统，使发动机的动力输出更加灵活、有效。在双模式混合动力系统下，精准的控制机构将决定汽车在特定的行驶状态下采用何种驱动方式。控制机构输入功率将取决于行驶时所需的扭矩，并向发动机和电动机发出相应的指令。发动机和电动机将扭矩传送到变速箱中的一系列齿轮，利用与传统自动变速箱类似的原理将扭矩放大，从而推动汽车前进。但与传统的持续型可变变速箱不同的是，双模式混合动力电子控制系统并不使用皮带或传送带。两种模式之间是同步切换，即切换模式时无需改变发动机速度，从而实现平稳加速。

2 混合动力汽车的工作原理

以混联方式为例，为大家简单介绍下混合动力汽车的工作原理。

当汽车启动时，油电混合动力系统仅使用由HV蓄电池提供能量的电动机的动力启动，这时发动机并不运转。因为发动机不能在低旋转带输出大扭矩，而电动机可以灵敏、顺畅、高效地进行启动。对于发动机而言，在低速－中速带的效率并不理想，而另一面，电动机在低速-中速带性能优越。因此，在用低速-中速行驶时，油电混合动力系统使用HV蓄电池的电力，驱动电动机行驶。

油电混合动力系统采用发动机，使它在能产生最高效功率的速度带驱动。由发动机产生的动力直接驱动车轮，依照驾驶状况部分动力被分配给发电机。由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发动机。利用发动机和电动机这一双重传动系统，发动机产生的动力以最小消耗被传向地面。

一般行驶时剩余能量充电

油电混合动力系统采用发动机，使它在能产生最高效功率的速度带驱动。由发动机产生的动力直接驱动车轮，依照驾驶状况部分动力被分配给发电机。由发电机产生的动力用来驱动电动机和辅助发动机。利用发动机和电动机这一双重传动系统，发动机产生的动力以最小消耗被传向地面。

在需要强劲加速力（如爬陡坡及超车）时，HV蓄电池也提供电力，来加大电动机的驱动力。通过发动机和电动机双动力的结合使用，油电混合动力系统得以实现与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能。

减速行驶时

在踩制动器和松油门时，TOYOTA油电混合动力系统使车轮的旋转力带动电动机运转，将其作为发电机使用。减速时通常作为摩擦热散失掉的能量，在此被转换成电能，回收到HV蓄电池中进行再利用。

停车时

在停车时，发动机、电动机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费能量。当HV蓄电池的充电量较低时，发动机将继续运转，以给HV蓄电池充电。另外有时因与空调开关连动，发动机会仍保持运转。

3 混合动力电动汽车的发展前景

3.1 技术应用和推广

由于混合动力汽车仅需装用纯电动汽车1/10的动力电池容量，整车有较为接近市场的性/价比，因此它仍将是近期实现产业化的主要电动汽车种类。考虑到我国国情，目前仍应大力推广使用混合动力大客车，进一步降低制造成本，减少油耗和排放；在混合动力电动汽车方面，首先在乘用车上推广使用具有怠速停车功能和启动电机，发电机一体化的轻度混合动力轿车技术，将其应用到使用率较高的领域，如城市出租车；其次是在城市公交车辆上推广应用具有制动能量回收功能的混合动力，逐步扩大其应用范围。

混合动力电动汽车技术基本成熟，以BSG和ISG为代表的轻度混合动力汽车具备产业化条件。2007年11月底，10辆奇瑞BSG混合动力轿车率先销售到奇瑞出租车公司，计划单车运行10万公里以上。12月13日，由长安汽车集团自主研发的首款量产混合动力轿车杰勋HEV，在长安汽车第五工厂正式下线，长安集团计划于2009年生产该款混合动力车3000辆，2010年将达5000辆。

清华大学与清能华通共同研发的“Micro哈里”采用了自主研发的新型四轮智能驱动技术和高性能锂离子动力蓄电池，最高车速65km/h，0km/h~30km/h加速时间4.5s，百公里能耗5kWh，续航里程大于120km。

从09上海车展可以看到企业在新能源产品的巨大投入，23款新能源中，有9款为混合动力电动汽车。

3.2 目前需要攻关的难题

非常重要的课题之一就是汽车电池的老化。车载充电电池一般要求使用5年以上，或使用100000km以上，而且还必须保证能够稳定使用。汽车电池必须避免在使用过程中过早老化，导致频繁充电的情况发生。

要确保电池的长期使用可靠性，需要对电池单元及单元串联而成的电池组进行电力及热量方面的管理。这就要进行极其精细的控制，比如监视单元温度及电压或电流，估算充电率、确认健全度（容量缩小度）以及优化控制充放电，管理单元温度，发现故障时转化状态、切断系统等。行驶控制系统方面，目前也正全力实施行驶马达/逆变器、发电马达/逆变器、充电电池、变速箱、车外信息及发动机等的联动及能源/功率管理以及基于模型还在进一步研究开发。

总之，与传统型汽车相比，混合动力汽车充分吸取了电力／热力系统中最大的优势，在节能和排放上胜出一筹；与纯电动汽车相比，HEV的电压和功率等级与电动车类似，但蓄电池容量大大减小，因而其造价成本低于电动汽车。HEV在近2O一3O年内会很有发展前景，这一点是毫无疑问的。汽车行业专家预言，不久的将来，新生产的汽车中HEV将占40％以上。我国的汽车工业应顺应科技发展趋势，抓住HEV这块市场，在国外产品涌入之前，集中科研力量攻关，迅速开发出自己的产品。

参考文献

[1]关文达.《汽车构造》（第二版）.清华大学出版社,北京.

[2]腾讯汽车.《汽车电控技术发展:混动车电动车的未来》.

[3]中国汽车技术论坛http://bbs.qichejishu.com.

[4] http://zhidao.baidu.com/question/38902724.html.

[5].cn/z/hevevchina/.

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