混合動力技術

油、電混合動力系統

混合動力是一種區別於傳統車輛的新能源車輛技術，通常意義上是指油、電混合動力，即車輛在保留傳統內燃機的基礎上，配合使用電動機提供輔助動力，系統可按照整車實際運行工況要求而進行靈活調控，使得發動機始終保持在綜合性能最佳的工作區域，可有效降低其油耗與排放。油、電混合動力技術開展較早，是混合動力系統中應用最廣泛的一種，已有多款小型汽車產品投放市場，按照連接方式可以將其劃分為串聯式、並聯式和混聯式3種。

液壓混合動力系統

由發動機和液壓動力系統組成，其中液壓動力系統以液壓蓄能器作為可逆儲能元件，液壓泵、液壓馬達作為動力元件。按照動力驅動方式不同，液壓混合動力系統可以劃分為串聯式、並聯式和混聯式3種，其工作原理與油、電混合動力系統類似，而應用較廣泛的主要有串聯式和並聯式兩種。串聯式系統主要應用於輕、中型車，並聯式系統主要應用於中、重型車。

混合動力指在車輛動力系統中採用兩種不同動力源的一種技術， ^[1]  更側重於指油電混合動力。通常降低油耗的方法包括採用小排量發動機、減少怠速運行時間、進行發動機工作點優化、採用輔助能源或者替代能源以及減少摩擦損失和回收制動能量等，混合動力系統也主要是以這些為出發點而開發的。

混合動力汽車的燃油經濟性能較高，行駛性能優越，在起步、加速時，由於有電動馬達的輔助，可以降低油耗。輔助發動機的電動馬達可以在啓動的瞬間產生強大的動力，因此，車主可以享受更強勁的起步、加速，實現較高水平的燃油經濟性。

隨着世界各國環境保護的措施越來越嚴格，替代燃油發動機汽車的方案也越來越多，例如氫能源汽車、燃料電池汽車、混合動力汽車等。最有實用性價值並已有商業化運轉模式的，只有混合動力汽車。通常説的混合動力是指油電混合動力，即燃料（汽油、柴油）和電能的混合。

混合動力汽車的關鍵是混合動力系統，它的性能直接關係到混合動力汽車整車性能。經過十多年的發展，混合動力系統總成已從原來發動機與電機離散結構向發動機電機和變速箱一體化結構發展，即集成化混合動力總成系統。混合動力汽車是由電動馬達作為發動機的輔助動力來驅動汽車的。

混合動力總成按動力傳輸路線分類，可分為串聯式、並聯式和混聯式等三種。

（1）串聯式混合動力汽車Series Hybrid Electric Vehicle (SHEV) SHEV是由發動機、發電機和驅動電動機三大動力總成組成，發動機、發電機和驅動電動機採用“串聯”的方式組成SHEV的驅動系統。SHEV用發動機－發電機組均衡地發電，電能供應驅動電動機或動力電池組，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構驅動汽車，使SHEV的行駛里程得到延長。實際上SHEV的發動機－發電機組只能看作一種電能供應系統，發動機並不直接參與SHEV的驅動、

SHEV的發動機，可採用四衝程內燃機、二衝程內燃機、轉子發動機和燃氣輪機。發動機、發電機組，發動機的轉速控制在一定範圍內，不受SHEV運行工況的影響，經常保持在低能耗、高效率和低污染的狀態下運轉。

SHEV驅動系統的結構比較簡單，動力電池組、發動機－發電機組和驅動電動機在底盤上的佈置有較大的自由度，控制系統也比較簡單，因為只有唯一的電動機驅動模式，其特點是動力特性更加趨近於EV。SHEV必須裝置在一個大功率的發動機－發電機組，再用驅動電動機來驅動車輛。發動機、發電機和驅動電動機的功率都要求等於或接近於SHEV的最大驅動功率，在熱能→電能→機械能之間的轉換過程中，總效率低於內燃機汽車。三大動力總成的體積較大，質量也較重，還有龐大的動力電池組，使得在中小型汽車上佈置有一定的困難，一般適合大型客車採用。

小負荷時由電池驅動電動機驅動車輪，大負荷時由發動機帶動發電機發電驅動電動機。當車輛處啓動、加速、爬坡 工況時，發動機-電動機組和電池組共同向電動機提供電能；當電動車處於低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅動電動機，當電池組缺電時則由發動機-發電機組向電池組充電。串聯式結構適用於城市內頻繁起步和低速運行工況，可以將發動機調整在最佳工況點附近穩定運轉，通過調整電池和電動機的輸出來達到調整車速的目的。使發動機避免了怠速和低速運轉的工況，從而提高了發動機的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量幾經轉換，機械效率較低。

（2）並聯式裝置的發動機和電動機共同驅動汽車，發動機與電動機分屬兩套系統，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動。當汽車加速爬坡時，電動機和發動機能夠同時向傳動機構提供動力，一旦汽車車速達到行駛速度，汽車將僅僅依靠發動機維持該速度。電動機可以作為發電機使用，稱為電動－發電機組。由於沒有單獨的發電機，發動機可以直接通過傳動機構驅動車輪，這種裝置更接近傳統的汽車驅動系統，機械效率損耗與普通汽車差不多，得到比較廣泛的應用。

（3）混聯式裝置包含了串聯式和並聯式的特點。動力系統包括發動機、發電機和電動機，根據助力裝置不同，它又分為以發動機為主和以電機為主兩種。以發動機為主的形式中，發動機作為主動力源，電機為輔助動力源；以電機為主的形式中，發動機作為輔助動力源，電機為主動力源。該結構的優點是控制方便，缺點是結構比較複雜。

A、根據混合動力驅動的聯結方式，混合動力系統主要分為以下三類：

一是串聯式混合動力系統。串聯式混合動力系統一般由內燃機直接帶動發電機發電，產生的電能通過控制單元傳到電池，再由電池傳輸給電機轉化為動能，最後通過變速機構來驅動汽車。在這種聯結方式下，電池就象一個水庫，只是調節的對象不是水量，而是電能。電池對在發電機產生的能量和電動機需要的能量之間進行調節，從而保證車輛正常工作。這種動力系統在城市公交上的應用比較多，轎車上很少使用。

二是並聯式混合動力系統。並聯式混合動力系統有兩套驅動系統：傳統的內燃機系統和電機驅動系統。兩個系統既可以同時協調工作，也可以各自單獨工作驅動汽車。這種系統適用於多種不同的行駛工況，尤其適用於複雜的路況。該聯結方式結構簡單，成本低。本田的Accord和Civic採用的是並聯式聯結方式。

三是混聯式混合動力系統。混聯式混合動力系統的特點在於內燃機系統和電機驅動系統各有一套機械變速機構，兩套機構或通過齒輪系，或採用行星輪式結構結合在一起，從而綜合調節內燃機與電動機之間的轉速關係。與並聯式混合動力系統相比，混聯式動力系統可以更加靈活地根據工況來調節內燃機的功率輸出和電機的運轉。此聯結方式系統複雜，成本高。Prius採用的是混聯式聯結方式。

B、根據在混合動力系統中，電機的輸出功率在整個系統輸出功率中佔的比重，也就是常説的混合度的不同，混合動力系統還可以分為以下四類：

一是微混合動力系統。代表的車型是PSA的混合動力版C3和豐田的混合動力版Vitz。這種混合動力系統在傳統內燃機上的啓動電機（一般為12V）上加裝了皮帶驅動啓動電機（也就是常説的Belt-alternator Starter Generator, 簡稱BSG系統）。該電機為發電啓動(Stop-Start)一體式電動機，用來控制發動機的啓動和停止，從而取消了發動機的怠速，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的汽車不屬於真正的混合動力汽車，因為它的電機並沒有為汽車行駛提供持續的動力。在微混合動力系統裏，電機的電壓通常有兩種：12v 和42v。其中42v主要用於柴油混合動力系統。

二是輕混合動力系統。代表車型是通用的混合動力皮卡車。該混合動力系統採用了集成啓動電機（也就是常説的Integrated Starter Generator，簡稱ISG系統）。與微混合動力系統相比，輕混合動力系統除了能夠實現用發電機控制發動機的啓動和停止，還能夠實現：（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，發動機等速運轉，發動機產生的能量可以在車輪的驅動需求和發電機的充電需求之間進行調節。輕混合動力系統的混合度一般在20%以下。

三是中混合動力系統。本田旗下混合動力的Insight, Accord 和Civic都屬於這種系統。該混合動力系統同樣採用了ISG系統。與輕度混合動力系統不同，中混合動力系統採用的是高壓電機。另外，中混合動力系統還增加了一個功能：在汽車處於加速或者大負荷工況時，電動機能夠輔助驅動車輪，從而補充發動機本身動力輸出的不足，從而更好的提高整車的性能。這種系統的混合程度較高，可以達到30%左右，技術已經成熟，應用廣泛。

四是完全混合動力系統。豐田的Prius 和未來的Estima屬於完全混合動力系統。該系統採用了272-650v的高壓啓動電機，混合程度更高。與中混合動力系統相比，完全混合動力系統的混合度可以達到甚至超過50%。技術的發展將使得完全混合動力系統逐漸成為混合動力技術的主要發展方向。

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，通過不斷的研發投入，試驗總結，商業應用，形成了各自的混合動力技術之路，而在市場上的表現也是各具特色。

混合動力技術作為提高車輛動力性和燃油經濟性的重要技術手段，越發受到各國政府和生產商的重視。雖然混合動力技術已經應用在不少車輛領域，但在大力研發和推廣上還存在着很多難點，主要包括：

1)電池組系統性能。油、電混合動力車輛對電池系統的要求較高，要求其具有存儲量大、功率高、壽命長、充電時間短等特點，但混合動力車用電池依然存在成本高、壽命短等缺陷，而在延長現有電池壽命、降低成本、研發新型電池等方面尚有不少技術難點難以突破。

2)系統控制策略。混合動力系統作為典型的多動力源輸入與多目標控制系統，其在優化能量分配、制動能量回收、合理匹配動力系統參數以及協同控制等方面過程十分複雜。其控制策略在研發過程中不但要考慮不同工況下車輛的燃油經濟性和動力性，還要兼顧各零部件可靠性、壽命及整車成本等多方面因素，技術難度大，是混合動力技術研究的核心內容及難點所在。

3)車輛成本及質量。混合動力車輛較同等普通車輛而言，成本大幅度增加，這讓普通用户難以接受；同時，混合動力裝置質量大，導致整機質量增大，這在一定程度上會影響車輛的節能效率。因此，如何在保證車輛可靠性基礎上，減輕整機質量和最大限度降低製造成本是研發過程中的一大難點。為此，在混合動力技術發展過程中，未來還要着力研究以下問題：研製適用於混合動力車輛的新型低成本、高壽命電池以及其他關鍵部件，增強與傳統車輛的市場競爭力；切實解決混合動力系統的能量管理和協同控制問題，研製先進的檢測系統；開展混合動力車輛輕量化研究，減輕整機質量，降低成本，提高節能效率。此外，必須指出：液壓儲能與電動儲能結合的複合式混合動力系統結合了液壓混合動力系統及油、電混合動力系統兩者的優點，是未來混合動力發展的新方向 ^[2]  。