自從豐田普銳斯于1997年底作為量產(chǎn)混合動(dòng)力車投放日本市場(chǎng)后，近二十年來(lái)，已有大量混合動(dòng)力車型進(jìn)入日本市場(chǎng)。為了滿足2020年日本油耗標(biāo)準(zhǔn)，混合動(dòng)力汽車技術(shù)在節(jié)能和提高燃油效率方面起到了重要作用。本文總結(jié)了過(guò)去二十年來(lái)日本混合動(dòng)力車及其主要組件的發(fā)展情況，并描述了開發(fā)工程師為混合動(dòng)力技術(shù)發(fā)展所做的相關(guān)努力及遇到的挑戰(zhàn)。

1前言

自1997年末豐田·普銳斯作為批量投產(chǎn)的混合動(dòng)力乘用車上市以來(lái)，電動(dòng)車領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。在汽油車、柴油車等內(nèi)燃機(jī)汽車興盛的時(shí)期，電動(dòng)車因其零排放的優(yōu)越環(huán)境性能逐漸嶄露頭角，混合動(dòng)力車也以不遜于傳統(tǒng)車輛的動(dòng)力性能、寬敞自在的客艙空間和卓越的節(jié)能特點(diǎn)奠定了其在汽車領(lǐng)域的地位?；旌蟿?dòng)力車進(jìn)行推廣普及所面臨的主要問(wèn)題有：安裝混合動(dòng)力系統(tǒng)導(dǎo)致產(chǎn)品成本上升，乘用車造型的多樣化設(shè)計(jì)，以及電池及電動(dòng)系統(tǒng)的基本零部件如何確?？煽啃耘c耐久性。針對(duì)相關(guān)課題，日本各大整車廠都在著手研究，推動(dòng)著日本汽車產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)。

在2000年以后，隨著混合動(dòng)力汽車的不斷普及，兼用汽油燃料和充電電源的兩種能源的構(gòu)思，促使美國(guó)加利福尼亞大學(xué)等高校開展試驗(yàn)研究，推進(jìn)了混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品研發(fā)工作的飛速發(fā)展。

2010年以前，通常認(rèn)為電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力車都使用單一燃料來(lái)推動(dòng)節(jié)能并大幅改善尾氣排放，而插電式混合動(dòng)力車則是能使用汽油和充電電源等多個(gè)能源的車輛。2015年日本、美國(guó)、歐洲、中國(guó)等地的不少整車廠開始投放新車型。回顧19世紀(jì)末期混合動(dòng)力車的狀況，當(dāng)代汽車匯集了電力電子和蓄電池等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。

1995年起至2015年的20年間，電動(dòng)車技術(shù)領(lǐng)域迎來(lái)了全新的變革時(shí)代。本文對(duì)日本國(guó)內(nèi)過(guò)去20年的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行回顧，并結(jié)合研發(fā)專家的切身感受，對(duì)未來(lái)的技術(shù)動(dòng)向作出展望。

2回顧歷史

在汽車發(fā)展史中，混合動(dòng)力車其實(shí)很早就已登上歷史舞臺(tái)。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，美國(guó)與歐洲聯(lián)合生產(chǎn)了兼用汽油機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的混合動(dòng)力車。最早的混合動(dòng)力車是由斐迪南?保時(shí)捷（Ferdinand Porsche）在奧地利的Rohner公司制作的。這些混合動(dòng)力車當(dāng)時(shí)在歐洲被稱作混合系統(tǒng)（Mixte System），在美國(guó)則被稱作汽油電動(dòng)車（Petro Electric Vehicle），當(dāng)時(shí)并未用到“混合動(dòng)力車”這個(gè)稱謂。1903年奧地利的羅納保時(shí)捷公司制造出了串聯(lián)式混合動(dòng)力車，由美國(guó)電動(dòng)汽車公司W(wǎng)oods生產(chǎn)的“雙動(dòng)力（Dual Powered）”廣為人知。由于動(dòng)力系統(tǒng)重量、成本等指標(biāo)不斷增加，并考慮到維護(hù)保養(yǎng)的復(fù)雜性等因素，從而未能正式投產(chǎn)。隨著汽油機(jī)、柴油機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，混合動(dòng)力車的保有量逐漸減少。

“混合動(dòng)力車”一詞是從20世紀(jì)50年代到60年代期間逐漸為人所知。當(dāng)時(shí)在美國(guó)涌現(xiàn)出很多應(yīng)對(duì)未來(lái)能源短缺的措施?；旌蟿?dòng)力（hybrid）一詞原本是生物學(xué)用語(yǔ)，具有“異類混合”的意思。在20世紀(jì)40年代該詞被美國(guó)電氣學(xué)會(huì)微波導(dǎo)管所采用并成為工學(xué)用語(yǔ)。在1960年SAE關(guān)于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的論文中為汽車領(lǐng)域所采用。在1971年第2次國(guó)際電動(dòng)汽車研討會(huì)（EVS）中對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的具體命名開展了技術(shù)研討。

日本等地也受到國(guó)外趨勢(shì)的影響，開始加大對(duì)混合動(dòng)力技術(shù)的研究投入。1970年?yáng)|京車展上由豐田公司展出了蓄電池與燃?xì)廨啓C(jī)組合的混合動(dòng)力系統(tǒng)，一時(shí)廣受關(guān)注。但由于20世紀(jì)70年代的技術(shù)水平有限，受到電池能量密度、輸出密度、壽命性能等因素的制約，有諸多課題仍有待解決：如電機(jī)系統(tǒng)、電力電子控制等技術(shù)的實(shí)用化，以及如何大幅度削減成本等，因此中斷了混合動(dòng)力在乘用車上的實(shí)際應(yīng)用。

在該時(shí)代背景下，20世紀(jì)80年代日本國(guó)內(nèi)為了保護(hù)都市的空氣環(huán)境，開展了用甲醇汽車、電動(dòng)汽車替代城市柴油車的研發(fā)工作。1990年出現(xiàn)了大型巴士用混合動(dòng)力系統(tǒng)，這種柴油-電氣混合動(dòng)力系統(tǒng)（HIMR）可以為柴油機(jī)帶來(lái)扭矩補(bǔ)償。

1997年發(fā)布了批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力乘用車普銳斯，并在日本國(guó)內(nèi)開始銷售。該混合動(dòng)力系統(tǒng)（豐田混合動(dòng)力系統(tǒng)）的特征在于：具有使用行星齒輪的動(dòng)力分割機(jī)構(gòu)，具有發(fā)電電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩個(gè)電機(jī)?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)通常被分為串聯(lián)式混合動(dòng)力和并聯(lián)式混合動(dòng)力。普銳斯的混合動(dòng)力系統(tǒng)由于兼具兩者的特征，可被稱作串聯(lián)·并聯(lián)式混合動(dòng)力或者扭矩分割式混合動(dòng)力（圖1）。該混合動(dòng)力系統(tǒng)與大排量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行組合，可以應(yīng)用于縱置型發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

近期的動(dòng)向是日本國(guó)內(nèi)各家公司開始銷售各式各樣的混合動(dòng)力車。2010年日產(chǎn)銷售的風(fēng)雅混合動(dòng)力車配有1臺(tái)電機(jī)與2個(gè)離合器；2013年本田銷售的雅閣混合動(dòng)力車是串聯(lián)+并聯(lián)式混合動(dòng)力車；三菱汽車推出了歐藍(lán)德插電式混合動(dòng)力車。這些車型基本上都是串聯(lián)式混合動(dòng)力車，僅在高速行駛時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩作為驅(qū)動(dòng)力來(lái)源。在此之后，裝有并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的飛度混合動(dòng)力車，日產(chǎn)的奇駿混合動(dòng)力車和斯巴魯XV混合動(dòng)力車開始銷售。這些車型相對(duì)于以往的乘用車而言，在降低油耗方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，因此日本各大整車廠開始積極地向世界各國(guó)市場(chǎng)投放上述品牌的混合動(dòng)力車。歐美混合動(dòng)力乘用車的開發(fā)是由美國(guó)GM、戴姆勒克萊斯勒、BMW三家公司組成同盟，開發(fā)了具有2套行星齒輪的雙模式混合動(dòng)力系統(tǒng)。

為了延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛距離，通常將裝有汽油機(jī)的電動(dòng)汽車稱作增程式電動(dòng)汽車，是20世紀(jì)60年代后混合動(dòng)力車的一種概念車型。2000年以后，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校對(duì)插電式混合動(dòng)力車的實(shí)用性開展了研究。在2007年7月，豐田汽車的插電式混合動(dòng)力車在日本國(guó)內(nèi)開展了驗(yàn)證試驗(yàn)，并逐漸完善其新車認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。2011年采用鋰離子電池的混合動(dòng)力車投放到日本國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)。在2015年，不僅歐美整車廠，中國(guó)內(nèi)地也開始加快推動(dòng)插電式混合動(dòng)力車的市場(chǎng)投放。至此，開啟了插電式混合動(dòng)力車時(shí)代。

3從研發(fā)人員的視角看待混合動(dòng)力車的普及

從混合動(dòng)力車派生出插電式混合動(dòng)力車，研發(fā)過(guò)程中將會(huì)面臨更加繁多的技術(shù)挑戰(zhàn)。具體而言，比如“降低成本”、“小型化與輕量化”、“提高可靠性”等，這些都會(huì)促進(jìn)零部件技術(shù)的重大飛躍。

3.1蓄電設(shè)備

1990年采用貯氫合金的鎳氫電池得以推廣，1991年日本國(guó)內(nèi)使用鋰離子電池作為日常生活用二次電池，并對(duì)這些電池未來(lái)能否用于汽車驅(qū)動(dòng)電源而開展了熱烈的學(xué)術(shù)討論。作為其它可選的蓄電設(shè)備，還有飛輪電池和超級(jí)電容電池（圖2）。

鎳氫電池（Ni-MH）在正極貯存氫氧化鎳，在負(fù)極貯有氫合金，其電解液是氫氧化鉀水溶液等堿性水溶液?？梢赃M(jìn)行以大電流的狀態(tài)進(jìn)行充電及放電，在SOC（電池的充電狀態(tài)）50%附近使用具有壽命長(zhǎng)、安全性高的特點(diǎn)，目前正用作混合動(dòng)力車用蓄電設(shè)備的主流電池?；旌蟿?dòng)力車的電源采用多個(gè)電池芯直接排列連接的方式，以滿足高電壓的需求。在使用多個(gè)電池芯直接排列連接時(shí)，有一項(xiàng)課題是要使每個(gè)電池芯的電壓均衡化，但SOC變高會(huì)導(dǎo)致充電效率降低，因而Ni-MH最大的特點(diǎn)就在于無(wú)需使用特別的均衡化電路，也可以確保電壓的均衡化。圖3所示為安裝在車輛上的示例。

鋰離子電池在正極上配備有含鋰過(guò)渡金屬氧化物，負(fù)極則是石墨材料等，電解液采用溶解了鋰鹽的有機(jī)電解液。充電放電反應(yīng)僅憑鋰離子在負(fù)極活性物質(zhì)和正極活性物質(zhì)之間進(jìn)行解析就可以實(shí)現(xiàn)。由于沒有溶解析出反應(yīng)，因此具有壽命較長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。在安全設(shè)計(jì)方面，為了防止其處于過(guò)度充電的狀態(tài)，因此設(shè)置有電池芯的電壓監(jiān)視、抑制電池芯間電壓差波動(dòng)等電路。由于是現(xiàn)有能量密度最高的電池，因而逐漸為電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力車等多種車型所采用。

飛輪電池是將電能作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的動(dòng)能進(jìn)行儲(chǔ)存，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行放電（圖4），并采用了與電機(jī)類似的結(jié)構(gòu)。由于材料物性和設(shè)計(jì)上決定了其特性，因而充電與放電上無(wú)需進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)長(zhǎng)期使用可以保持其可靠性和使用性能，因此目前對(duì)飛輪電池的研究得以開展。同時(shí)為了降低飛輪電池的旋轉(zhuǎn)阻力，還有將其置于真空容器中，使用非接觸式磁力軸承的應(yīng)用范例（圖5）。但由于其自我放電特性較差，因此，目前尚無(wú)應(yīng)用于乘用車用混合動(dòng)力系統(tǒng)的電源。

作為汽車的候補(bǔ)蓄電設(shè)備，對(duì)電容蓄電的實(shí)用化開展了研究。雙電層電容器（EDLC）由電解液和活性炭電極構(gòu)成，充電時(shí)電解液中的離子通過(guò)雙電層吸附于活性炭表面并儲(chǔ)存電能（圖6）。由于該蓄電設(shè)備的充電放電不伴隨化學(xué)反應(yīng)，因此，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中可以保持可靠性和使用性能。使用電容器的蓄電系統(tǒng)被燃料電池車作為輔助電源系統(tǒng)所采用，近年來(lái)，也作為怠速啟停的輔助電源被量產(chǎn)車所采用。

3.2電機(jī)·發(fā)電機(jī)

電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)用電機(jī)，以往主要是使用帶電刷的直流電機(jī)或者感應(yīng)電機(jī)。1982年發(fā)明了釹磁鐵（NdBFe磁鐵），可以獲得3倍于以往鐵氧體磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度，而且還可大幅減小體積、實(shí)現(xiàn)高效化。之后，通過(guò)改進(jìn)磁鐵制造工藝等，磁能積得以大幅度地提升，現(xiàn)在可以達(dá)到的最大磁能積超過(guò)50MGOe（圖7），電機(jī)小型化會(huì)面臨使繞組溫度上升的耐熱性問(wèn)題。

對(duì)此，通過(guò)在磁鐵材料中添加鏑（Dy）等物質(zhì)來(lái)提高耐熱性，但由于資源產(chǎn)出國(guó)不均衡，在市場(chǎng)流通性上面臨著一系列問(wèn)題。目前正積極推進(jìn)擺脫及節(jié)約使用稀土的相關(guān)研究開發(fā)。最終，在磁鐵制造時(shí)通過(guò)有效利用晶界擴(kuò)散工藝和磁阻力矩，推進(jìn)了降低磁鐵用量的技術(shù)開發(fā)?，F(xiàn)在的混合動(dòng)力車主要采用內(nèi)置式永磁PM電機(jī)。

電機(jī)的繞組大致分為分布式繞組和集中式繞組，驅(qū)動(dòng)電機(jī)多使用分布式繞組，發(fā)電機(jī)和并聯(lián)式混合動(dòng)力多采用集中式繞組?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)由電機(jī)及安裝有發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系來(lái)構(gòu)成，小型化是其面臨的課題。將繞組截面形狀由原來(lái)的細(xì)圓線改為扁平線，提高了繞組的占空系數(shù)。特別是分布式繞組將其扁平繞組制成三維彎曲形狀，采用將繞組末端進(jìn)行編織的結(jié)構(gòu)，可以大幅度地實(shí)現(xiàn)繞組小型化（圖8）。此外，電機(jī)制造過(guò)程中積極推進(jìn)自動(dòng)化生產(chǎn)，從而大幅度地提高了工藝水平。

為了提高效率，一方面需要降低繞組的電阻損失（銅損），另一方面還要降低電機(jī)定子的損失（鐵損）。鐵損是由于磁場(chǎng)變化所產(chǎn)生的，因此絕大多數(shù)的電機(jī)損失是在高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的。為了降低鐵損，通過(guò)使電磁鋼板變薄可以有效降低鐵損。鋼板制造廠壓延技術(shù)以及鋼板加工廠高速?zèng)_壓技術(shù)的進(jìn)步，為鋼板的薄化處理提供了技術(shù)支持。

在混合動(dòng)力車普及的背景下，希望借此聯(lián)合磁鐵、電線、電磁鋼板等相關(guān)材料制造廠對(duì)基礎(chǔ)工藝的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

3.3電力電子技術(shù)及其控制

電機(jī)系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換電路是構(gòu)成逆變器的重要模塊，從20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用IGBT。對(duì)于具有較大功率輸出要求的逆變器，采用了可以高速切換且損失相對(duì)較小的IGBT，以此實(shí)現(xiàn)高效的逆變器電力轉(zhuǎn)換。

初期的混合動(dòng)力在系統(tǒng)控制ECU上采用16比特微處理器，之后隨著采用32比特微處理器來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)控制，該處理器目前也逐漸被混合動(dòng)力系統(tǒng)采用。

逆變器的冷卻方式可分為空冷、水冷兩類，通常根據(jù)系統(tǒng)發(fā)熱量來(lái)進(jìn)行選用。通常而言，水冷是更為有效的方式。飛度混合動(dòng)力車使用的智能動(dòng)力單元（IPU）就是一種空冷式逆變器。

在車用逆變器開發(fā)之初，幾乎沒有能與電壓、電流規(guī)格匹配的裝置，因此需要開發(fā)專用裝置。在當(dāng)時(shí)的開發(fā)環(huán)境下，也沒有可以用計(jì)算機(jī)自由地演示熱分布的分析工具，設(shè)計(jì)人員根據(jù)通常條件下的計(jì)算分析結(jié)果制作試制產(chǎn)品，然后再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。現(xiàn)在由于有了熱能分析的軟件，加之計(jì)算機(jī)性能的提高，設(shè)計(jì)人員可以利用CAE來(lái)開展研發(fā)工作。

需要開發(fā)構(gòu)成逆變器的平滑電容器。例如在市場(chǎng)上銷售的電解電容的壽命期限為10000小時(shí)左右，不能滿足混合動(dòng)力系統(tǒng)的要求。由于車輛需要使用10年甚至20年，因而需要根據(jù)實(shí)際使用的電流值來(lái)計(jì)算出使用壽命，然后開發(fā)出適宜的產(chǎn)品。

這就需要混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本零部件在設(shè)計(jì)要求上，與汽油車具有同樣出色的耐久性。負(fù)責(zé)開發(fā)的技術(shù)人員一邊應(yīng)用新技術(shù)、尋找臨界點(diǎn)；一邊搞試制。整個(gè)過(guò)程對(duì)于整車廠的電氣、電子、電池等開發(fā)技術(shù)人員而言是莫大的經(jīng)驗(yàn)和資產(chǎn)。

4大勢(shì)所趨下的混合動(dòng)力車

所謂混合動(dòng)力車到底是什么？混合動(dòng)力車能否成為未來(lái)汽車動(dòng)力總成的主流？再次面對(duì)這些根本性問(wèn)題，是思考混合動(dòng)力車未來(lái)的入口?；旌蟿?dòng)力車的特征如下：①可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳油耗工況下運(yùn)行，②在制動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)回收能量的系統(tǒng)技術(shù)，并且在低速、輕負(fù)荷時(shí)可以以EV狀態(tài)行駛，具有低噪聲等明顯優(yōu)勢(shì)（圖9）。

在2013年，世界上已經(jīng)擁有汽車11億輛，無(wú)論何時(shí)何地都能補(bǔ)充燃料是行駛的價(jià)值所在。在此意義上，混合動(dòng)力車是兼用發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和電氣動(dòng)力系統(tǒng)的車輛，在使用上不受制約。混合動(dòng)力車普及方面，應(yīng)重視油耗成本是否超過(guò)電動(dòng)系統(tǒng)的成本，因此原油價(jià)格、汽油價(jià)格的變化，對(duì)于混合動(dòng)力車的銷售來(lái)說(shuō)，是不可回避的重要影響因素。2015年原油價(jià)格雖然下降到每桶40美元，但是沒有直接給銷售帶來(lái)影響，由此可見混合動(dòng)力車已在市場(chǎng)上占據(jù)一席之地。

5今后展望

現(xiàn)在的混合動(dòng)力系統(tǒng)可以在內(nèi)燃機(jī)的最大效率點(diǎn)處開始工作，并且通過(guò)能量回收可以有效提升系統(tǒng)的效率，但是電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)不能局限于系統(tǒng)效率的提高，還有優(yōu)良的響應(yīng)性和控制性能。現(xiàn)在的混合動(dòng)力車還需要驅(qū)動(dòng)軸和差速齒輪等機(jī)械要素的介入來(lái)向車軸傳輸電功率，可以說(shuō)沒有完全發(fā)揮出其高速響應(yīng)性的功能。主要的驅(qū)動(dòng)力還是來(lái)自內(nèi)燃機(jī)，應(yīng)在如牽引控制等追求即時(shí)響應(yīng)的領(lǐng)域，開發(fā)可以直接驅(qū)動(dòng)的輪內(nèi)電機(jī)等混合動(dòng)力技術(shù)，從而進(jìn)一步提高車輛運(yùn)動(dòng)性能。

此外，必須認(rèn)識(shí)到混合動(dòng)力車的發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器等行駛系統(tǒng)是電傳線控系統(tǒng)，進(jìn)而可以為駕駛員支援和自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)作出貢獻(xiàn)。

作為混合動(dòng)力車的派生車型，即兼用充電電力的插電式混合動(dòng)力車開始銷售，可以自由地區(qū)分使用液體燃料和電能。這可以適應(yīng)世界各地的能源實(shí)際狀況，由用戶靈活選擇。為了使插電式混合動(dòng)力車成為市場(chǎng)的主流，需要解決一系列技術(shù)課題，如電池系統(tǒng)的小型化，降低成本和提高充電的便利性等。2006年MIT公布了磁共振無(wú)線電力傳輸技術(shù)，各方面開始推進(jìn)無(wú)線供電技術(shù)的開發(fā)。將來(lái)如果開發(fā)出車輛行駛過(guò)程中的無(wú)線供電技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，可以用更小的電池容量實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離EV行駛范圍，進(jìn)一步提高節(jié)能效果，降低二氧化碳排放量。

此外，最近由于使用了大量的可再生能源，會(huì)導(dǎo)致晴天時(shí)電力系統(tǒng)容量不足或系統(tǒng)不穩(wěn)定。雖然可以停止使用可再生能源，但是混合動(dòng)力車和電動(dòng)汽車的保有量飛速增長(zhǎng)，就會(huì)給用戶帶來(lái)誘惑，對(duì)于電力系統(tǒng)而言需要考慮車輛可控制的負(fù)荷和系統(tǒng)的穩(wěn)定化。因此從事汽車技術(shù)工作的人員，不能局限于車輛本身，還要關(guān)注能源政策的變化，基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)步，努力成為混合動(dòng)力研發(fā)領(lǐng)域的多面手。