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　　一.混合動力系統基礎知識

　　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(由傳統的汽油機或者柴油機產生)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，使得動力系統可以按照整車的實際運行工況要求靈活調控，而發動機保持在綜合性能最佳的區域內工作，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主要由控制系統、驅動系統、輔助動力系統和電池組等部分構成。

　　以串聯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，其能量輸出可以滿足車輛要求，輔助動力系統不需要工作。電池電量低于60%時，輔助動力系統起動：當車輛能量需求較大時，輔助動力系統與蓄電池組同時為驅動系統提供能量; 當車輛能量需求較小時，輔助動力系統為驅動系統提供能量的同時，還給蓄電池組進行充電。由于蓄電池組的存在，使發動機工作在一個相對穩定的工況，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，汽油發動機和電動機并聯工作，提供可與強大的汽油發動機相當的起步性能。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，或者單靠汽油發動機行駛，或者二者結合以取得最大的效率。比如在公路上巡航時使用汽油發動機。而在低速行駛時，可以單靠電機拖動，不用汽油發動機輔助。即使在發動機關閉時電動轉向助力系統仍可保持操縱功能，提供比傳統液壓系統更大的效率。

　　3.混合動力系統的分類

　　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：

　　a: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，最后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。

　　b:并聯式混合動力系統。并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。這種系統適用于多種不同的行駛工況，尤其適用于復雜的路況。該聯結方式結構簡單，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并聯式聯結方式。

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　　c:混聯式混合動力系統。混聯式混合動力系統的特點在于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，或采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系。與并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。此聯結方式系統復雜，成本高。Prius采用的是混聯式聯結方式。

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　　　　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占的比重，也就是常說的混合度的不同，混合動力系統還可以分為以下四類：

　　a: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啟動電機(一般為12V)上加裝了皮帶驅動啟動電機(也就是常說的Belt-alternator Starter Generator, 簡稱BSG系統)。該電機為發電啟動(Stop-Start)一體式電動機，用來控制發動機的啟動和停止，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的動力。在微混合動力系統里，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。

　　b:輕混合動力系統。代表車型是通用的混合動力皮卡車。該混合動力系統采用了集成啟動電機(也就是常說的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啟動和停止，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。

　　c:中混合動力系統。本田旗下混合動力的Insight, Accord 和Civic都屬于這種系統。該混合動力系統同樣采用了ISG系統。與輕度混合動力系統不同，中混合動力系統采用的是高壓電機。另外，中混合動力系統還增加了一個功能：在汽車處于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，目前技術已經成熟，應用廣泛。

　　d:完全混合動力系統。豐田的Prius 和未來的Estima屬于完全混合動力系統。該系統采用了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。

　　二.混合動力系統的研發需要解決很多技術問題，比如控制策略的設計、內燃機燃燒系統的優化、蓄電池的改進、傳動系統的匹配設計和新材料新工藝的應用等等。

　　1、控制系統

　　這里的控制系統是指汽車動力總成集中控制系統，它是整車正常行駛的核心單元。傳統內燃汽車的控制系統包括發動機的空燃比(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。混合動力汽車的控制還需要根據轉速、負荷及車速等信息和相關設備的狀態確定發動機與電動機的功率分配策略，即當汽車的負荷給定后，首先要確定發動機與電動機輸出功率的比例，以保證滿足汽車動力性、經濟性、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相適應的控制系統和控制策略。

　　混合動力汽車控制策略

　　由于各種混合動力電動汽車結構上的差異，因而需要不同的控制策略來調節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：

　　- 最佳的燃油經濟性

　　- 最低的排放

　　- 最低的系統成本

　　- 最好的驅動性能

　　混合動力電動汽車控制策略的設計主要考慮以下幾點：

　　(1) 優化發動機的工作點：基于最佳燃油經濟性、最低排放或者二者選其一，根據發動機的轉矩/轉速特性曲線確定最優工作點;

　　(2) 優化發動機的工作曲線：如果發動機需要發出不同的功率，相應的最優工作點就構成了發動機的最優工作曲線;

　　(3) 優化發動機的工作區：在轉矩/轉速特性曲線上，發動機有一個首選的工作區，在此工作區內，燃油效率最高;

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

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

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

　　(7)合適的蓄電池荷電狀態：蓄電池的容量須保持在適當的水平，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，應關閉發動機或使之怠速運轉;

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

　　(9) 分工適當：在驅動循環中，發動機和蓄電池應合理分擔汽車所需功率;

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

　　　　2、內燃機

　　經過100多年的發展，車用內燃機在動力性、經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、增壓中冷、可變進氣渦輪、高壓共軌和催化后處理等技術的應用，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展的關鍵技術，也是提高整車性能和降低成本的重要發展方向。自上世紀90年代以來，蓄電池的比能量、比功率、循環壽命等方面的問題就一直成為電動汽車發展的主要障礙;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(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Tino用鋰離子電池。

　　4、其它技術

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

　　三.混合動力汽車的優勢

　　“傳統汽車已經不可持續，日益嚴峻的能源短缺和環境問題，迫使我們不得不發展新能源汽車。”當前采用多元化技術開發不同車型已成為全球汽車行業的共識，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模化作為發展重點，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、技術成熟、不依賴基礎設施、產業繼承性好等優點。發展混合動力是解決節能環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，每年可節油1200萬噸。

　　混合動力汽車的優點是：1、采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優工況下工作。需要大功率內燃機功率不足時，由電池來補充;負荷少時，富余的功率可發電給電池充電，由于內燃機可持續工作，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，可關停內燃機，由電池單獨驅動，實現“零”排放。4、有了內燃機可以十分方便地解決耗能大的空調、取暖、除霜等純電動汽車遇到的難題。5、可以利用現有的加油站加油，不必再投資。6、可讓電池保持在良好的工作狀態，不發生過充、過放，延長其使用壽命，降低成本。