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　　一.混合動力系統(tǒng)基礎知識

　　1.混合動力汽車(Hybrid Electrical Vehicle, 簡稱HEV) 是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源(由傳統(tǒng)的汽油機或者柴油機產(chǎn)生)與電動力源(電池與電動機)的汽車。通過在混合動力汽車上使用電機，使得動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行工況要求靈活調(diào)控，而發(fā)動機保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，從而降低油耗與排放。

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　　2.混合動力車的工作原理

　　混合動力電動汽車的動力系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)和電池組等部分構(gòu)成。

　　以串聯(lián)混合動力電動汽車為例，介紹一下混合動力電動汽車的工作原理。

　　在車輛行駛之初，蓄電池處于電量飽滿狀態(tài)，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統(tǒng)不需要工作。電池電量低于60%時，輔助動力系統(tǒng)起動：當車輛能量需求較大時，輔助動力系統(tǒng)與蓄電池組同時為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量; 當車輛能量需求較小時，輔助動力系統(tǒng)為驅(qū)動系統(tǒng)提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。由于蓄電池組的存在，使發(fā)動機工作在一個相對穩(wěn)定的工況，使其排放得到改善。

　　混合動力汽車采用能夠滿足汽車巡航需要的較小發(fā)動機，依靠電動機或其它輔助裝置提供加速與爬坡所需的附加動力。其結(jié)果是提高了總體效率，同時并未犧牲性能。混合動力車設計成可回收制動能量。在傳統(tǒng)汽車中，當司機踩制動時，這種本可用來給汽車加速的能量作為熱量被白白扔掉了。而混合動力車卻能大部分回收這些能量，并將其暫時貯存起來供加速時再用。當司機想要有最大的加速度時，汽油發(fā)動機和電動機并聯(lián)工作，提供可與強大的汽油發(fā)動機相當?shù)钠鸩叫阅?。在對加速性要求不太高的場合，混合動力車可以單靠電機行駛，或者單靠汽油發(fā)動機行駛，或者二者結(jié)合以取得最大的效率。比如在公路上巡航時使用汽油發(fā)動機。而在低速行駛時，可以單靠電機拖動，不用汽油發(fā)動機輔助。即使在發(fā)動機關閉時電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)仍可保持操縱功能，提供比傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)更大的效率。

　　3.混合動力系統(tǒng)的分類

　　A、根據(jù)混合動力驅(qū)動的聯(lián)結(jié)方式，混合動力系統(tǒng)主要分為以下三類：

　　a:串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)一般由內(nèi)燃機直接帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的電能通過控制單元傳到電池，再由電池傳輸給電機轉(zhuǎn)化為動能，最后通過變速機構(gòu)來驅(qū)動汽車。在這種聯(lián)結(jié)方式下，電池就象一個水庫，只是調(diào)節(jié)的對象不是水量，而是電能。電池對在發(fā)電機產(chǎn)生的能量和電動機需要的能量之間進行調(diào)節(jié)，從而保證車輛正常工作。這種動力系統(tǒng)在城市公交上的應用比較多，轎車上很少使用。

　　b:并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)有兩套驅(qū)動系統(tǒng)：傳統(tǒng)的內(nèi)燃機系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)既可以同時協(xié)調(diào)工作，也可以各自單獨工作驅(qū)動汽車。這種系統(tǒng)適用于多種不同的行駛工況，尤其適用于復雜的路況。該聯(lián)結(jié)方式結(jié)構(gòu)簡單，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并聯(lián)式聯(lián)結(jié)方式。

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　　c:混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的特點在于內(nèi)燃機系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)各有一套機械變速機構(gòu)，兩套機構(gòu)或通過齒輪系，或采用行星輪式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，從而綜合調(diào)節(jié)內(nèi)燃機與電動機之間的轉(zhuǎn)速關系。與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，混聯(lián)式動力系統(tǒng)可以更加靈活地根據(jù)工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機的功率輸出和電機的運轉(zhuǎn)。此聯(lián)結(jié)方式系統(tǒng)復雜，成本高。Prius采用的是混聯(lián)式聯(lián)結(jié)方式。

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　　　　B、根據(jù)在混合動力系統(tǒng)中，電機的輸出功率在整個系統(tǒng)輸出功率中占的比重，也就是常說的混合度的不同，混合動力系統(tǒng)還可以分為以下四類：

　　a:微混合動力系統(tǒng)。代表的車型是PSA的混合動力版C3和豐田的混合動力版Vitz。這種混合動力系統(tǒng)在傳統(tǒng)內(nèi)燃機上的啟動電機(一般為12V)上加裝了皮帶驅(qū)動啟動電機(也就是常說的Belt-alternator Starter Generator, 簡稱BSG系統(tǒng))。該電機為發(fā)電啟動(Stop-Start)一體式電動機，用來控制發(fā)動機的啟動和停止，從而取消了發(fā)動機的怠速，降低了油耗和排放。從嚴格意義上來講，這種微混合動力系統(tǒng)的汽車不屬于真正的混合動力汽車，因為它的電機并沒有為汽車行駛提供持續(xù)的動力。在微混合動力系統(tǒng)里，電機的電壓通常有兩種：12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合動力系統(tǒng)。

　　b:輕混合動力系統(tǒng)。代表車型是通用的混合動力皮卡車。該混合動力系統(tǒng)采用了集成啟動電機(也就是常說的Integrated Starter Generator，簡稱ISG系統(tǒng))。與微混合動力系統(tǒng)相比，輕混合動力系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)用發(fā)電機控制發(fā)動機的啟動和停止，還能夠?qū)崿F(xiàn)：(1)在減速和制動工況下，對部分能量進行吸收;(2)在行駛過程中，發(fā)動機等速運轉(zhuǎn)，發(fā)動機產(chǎn)生的能量可以在車輪的驅(qū)動需求和發(fā)電機的充電需求之間進行調(diào)節(jié)。輕混合動力系統(tǒng)的混合度一般在20%以下。

　　c:中混合動力系統(tǒng)。本田旗下混合動力的Insight, Accord 和Civic都屬于這種系統(tǒng)。該混合動力系統(tǒng)同樣采用了ISG系統(tǒng)。與輕度混合動力系統(tǒng)不同，中混合動力系統(tǒng)采用的是高壓電機。另外，中混合動力系統(tǒng)還增加了一個功能：在汽車處于加速或者大負荷工況時，電動機能夠輔助驅(qū)動車輪，從而補充發(fā)動機本身動力輸出的不足，從而更好的提高整車的性能。這種系統(tǒng)的混合程度較高，可以達到30%左右，目前技術(shù)已經(jīng)成熟，應用廣泛。

　　d:完全混合動力系統(tǒng)。豐田的Prius 和未來的Estima屬于完全混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了272-650v的高壓啟動電機，混合程度更高。與中混合動力系統(tǒng)相比，完全混合動力系統(tǒng)的混合度可以達到甚至超過50%。技術(shù)的發(fā)展將使得完全混合動力系統(tǒng)逐漸成為混合動力技術(shù)的主要發(fā)展方向。

　　以上各種不同的混合方式，都能在一定程度上降低成本和排放。各大汽車廠商在過去的十幾年，通過不斷的研發(fā)投入，試驗總結(jié)，商業(yè)應用，形成了各自的混合動力技術(shù)之路，而在市場上的表現(xiàn)也是各具特色。

　　二.混合動力系統(tǒng)的研發(fā)需要解決很多技術(shù)問題，比如控制策略的設計、內(nèi)燃機燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化、蓄電池的改進、傳動系統(tǒng)的匹配設計和新材料新工藝的應用等等。

　　1、控制系統(tǒng)

　　這里的控制系統(tǒng)是指汽車動力總成集中控制系統(tǒng)，它是整車正常行駛的核心單元。傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車的控制系統(tǒng)包括發(fā)動機的空燃比(或噴油量)控制、點火控制和怠速控制，以及變速器的檔位變換和換檔感覺控制等?；旌蟿恿ζ嚨目刂七€需要根據(jù)轉(zhuǎn)速、負荷及車速等信息和相關設備的狀態(tài)確定發(fā)動機與電動機的功率分配策略，即當汽車的負荷給定后，首先要確定發(fā)動機與電動機輸出功率的比例，以保證滿足汽車動力性、經(jīng)濟性、排放性等性能指標的要求。為了滿足混合動力汽車的包括駕駛性等的要求，需要設計與混合動力系統(tǒng)相適應的控制系統(tǒng)和控制策略。

　　混合動力汽車控制策略

　　由于各種混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)上的差異，因而需要不同的控制策略來調(diào)節(jié)和控制功率流在不同元件間的流動，其目的是為了達到以下四個主要目標：

　　- 最佳的燃油經(jīng)濟性

　　- 最低的排放

　　- 最低的系統(tǒng)成本

　　- 最好的驅(qū)動性能

　　混合動力電動汽車控制策略的設計主要考慮以下幾點：

　　(1) 優(yōu)化發(fā)動機的工作點：基于最佳燃油經(jīng)濟性、最低排放或者二者選其一，根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線確定最優(yōu)工作點;

　　(2) 優(yōu)化發(fā)動機的工作曲線：如果發(fā)動機需要發(fā)出不同的功率，相應的最優(yōu)工作點就構(gòu)成了發(fā)動機的最優(yōu)工作曲線;

　　(3) 優(yōu)化發(fā)動機的工作區(qū)：在轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性曲線上，發(fā)動機有一個首選的工作區(qū)，在此工作區(qū)內(nèi)，燃油效率最高;

　　(4) 最小的發(fā)動機動態(tài)波動：應控制發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速以避免波動，從而使發(fā)動機的動態(tài)波動達到最小;

　　(5) 限制發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速：當發(fā)動機低速運行時，燃油效率很低，因而當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于某一下限值時，應關閉發(fā)動機;

　　(6) 減少發(fā)動機的開/關次數(shù)：頻繁地開/關發(fā)動機，引起油耗和排放增加;

　　(7)合適的蓄電池荷電狀態(tài)：蓄電池的容量須保持在適當?shù)乃?，以便在汽車加速時提供足夠的功率，在汽車制動或下坡時能回收能量。若蓄電池的容量過高，應關閉發(fā)動機或使之怠速運轉(zhuǎn);

　　(8)安全的蓄電池電壓：在放電、發(fā)電機充電或制動回收充電時，蓄電池的電壓揮發(fā)生很大變化，應避免蓄電池電壓過低或過高，否則蓄電池會產(chǎn)生永久性破損，因而蓄電池管理很關鍵;

　　(9) 分工適當：在驅(qū)動循環(huán)中，發(fā)動機和蓄電池應合理分擔汽車所需功率;

　　(10) 在某些城市或地區(qū)混合動力電動汽車以純電動模式工作效率最高，這種轉(zhuǎn)變可以通過手動或自動來實現(xiàn)。

　　　　2、內(nèi)燃機

　　經(jīng)過100多年的發(fā)展，車用內(nèi)燃機在動力性、經(jīng)濟性及排放控制方面獲得了很大改善。近年來電控燃油噴射、排氣再循環(huán)、增壓中冷、可變進氣渦輪、高壓共軌和催化后處理等技術(shù)的應用，更使汽車的性能飛速提高，因此，作為一種成熟的動力設備，內(nèi)燃機在混合動力電動汽車上的應用難度不大。由于可移動性能好、比功率大、熱效率也較高，因此，內(nèi)燃機仍然是影響整車效率和性能的關鍵設備。

　　3、蓄電池

　　蓄電池是混合動力電動汽車發(fā)展的關鍵技術(shù)，也是提高整車性能和降低成本的重要發(fā)展方向。自上世紀90年代以來，蓄電池的比能量、比功率、循環(huán)壽命等方面的問題就一直成為電動汽車發(fā)展的主要障礙;對于混合動力電動汽車來說，由于電動比例較高，因此同樣面臨著蓄電池技術(shù)改進的問題：第一，比能量相對不足，因而成本較高，比能量值越高，汽車經(jīng)濟性越好;第二，蓄電池的壽命相對較短，蓄電池壽命一般為充放電1000次左右，比整車壽命低得多，若在汽車十幾年的生命周期頻繁更換蓄電池的話，混合動力汽車的運營成本將大大提高。另外，蓄電池的應用還涉及到充電時間較長、電池荷電狀態(tài)(SOC)判別等問題這些都不同程度影響整車性能。目前，在混合動力電動汽車上使用的蓄電池主要是鉛酸電池、鎳氫電池(MH-Ni)和鋰離子電池，如克萊斯勒ESX2采用鉛酸電池，豐田Prius和本田Insight用鎳氫電池日產(chǎn)Tino用鋰離子電池。

　　4、其它技術(shù)

　　電動機技術(shù)、轉(zhuǎn)矩合成技術(shù)和新材料應用技術(shù)對于混合動力汽車系統(tǒng)也都起著舉足輕重的作用。比如，電動機技術(shù)涉及電機的工作效率和能量回收策略等問題;轉(zhuǎn)矩合成器將發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和電動機轉(zhuǎn)矩耦合輸出，對系統(tǒng)運行平穩(wěn)性和可靠性有重大影響;材料技術(shù)的應用主要指輕質(zhì)高強度材料的選擇這對提高汽車性能極為有利。

　　三.混合動力汽車的優(yōu)勢

　　“傳統(tǒng)汽車已經(jīng)不可持續(xù)，日益嚴峻的能源短缺和環(huán)境問題，迫使我們不得不發(fā)展新能源汽車?！碑斍安捎枚嘣夹g(shù)開發(fā)不同車型已成為全球汽車行業(yè)的共識，但是只有混合動力汽車才是最有效的路線。

　　國外幾大汽車巨頭已將混合動力汽車規(guī)?；鳛榘l(fā)展重點，比如豐田已投放8種混合動力車型，累計銷售達200萬輛以上，僅去年就實現(xiàn)年銷售100萬輛混合動力汽車，計劃到2020年，為所有的車型提供混合動力。

　　混合動力相對于純電動汽車具有價格低、技術(shù)成熟、不依賴基礎設施、產(chǎn)業(yè)繼承性好等優(yōu)點。發(fā)展混合動力是解決節(jié)能環(huán)保最行之有效的途徑。每輛混合動力車成本多1.5萬元，但行駛6萬公里就能賺回，如果中國保有的6200萬輛轎車都采用混合動力，每年可節(jié)油1200萬噸。

　　混合動力汽車的優(yōu)點是：1、采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。需要大功率內(nèi)燃機功率不足時，由電池來補充;負荷少時，富余的功率可發(fā)電給電池充電，由于內(nèi)燃機可持續(xù)工作，電池又可以不斷得到充電，故其行程和普通汽車一樣。2、因為有了電池，可以十分方便地回收制動時、下坡時、怠速時的能量。3、在繁華市區(qū)，可關停內(nèi)燃機，由電池單獨驅(qū)動，實現(xiàn)“零”排放。4、有了內(nèi)燃機可以十分方便地解決耗能大的空調(diào)、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。5、可以利用現(xiàn)有的加油站加油，不必再投資。6、可讓電池保持在良好的工作狀態(tài)，不發(fā)生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。