混合動力汽車綜述

李亞文 金洋 劉勝權(quán) 嚴(yán)行

摘 要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和世界人口的增加、人民生活水平的提高，人均能源消耗將會高速增加，環(huán)境污染會變得更加嚴(yán)重。開發(fā)新的替代能源、提高熱能轉(zhuǎn)換效率和節(jié)約能源被認(rèn)為是解決或緩解環(huán)境污染和保障能源供給的有效辦法。汽車燃油發(fā)動機(jī)是消耗礦石能源和制造環(huán)境污染的大戶，研發(fā)替代燃油發(fā)動機(jī)的新動力勢所必然。替代燃油發(fā)動機(jī)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。但目前最有實用性價值并已有商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)的模式，只有混合動力電動汽車。本文介紹了混合動力電動汽車（HEV）的概念、HEV動力總成的組成及型式。

關(guān)鍵詞：混合動力電動汽車；串聯(lián)；并聯(lián)；混聯(lián)；驅(qū)動模式

根據(jù)國際機(jī)電委員會下屬的電力機(jī)動車技術(shù)委員會的建議，混合動力電動汽車是指由兩種和兩種以上的儲能器、能源或轉(zhuǎn)換器作驅(qū)動能源，其中至少有一種能源提供電能的車輛稱為混合動力電動汽車。本文介紹的是既有內(nèi)燃機(jī)又有電動機(jī)驅(qū)動的混合動力電動汽車?；旌蟿恿﹄妱悠嚨年P(guān)鍵是混合動力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動力汽車整車性能。經(jīng)過十多年的發(fā)展，混合動力系統(tǒng)總成已從原來發(fā)動機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動機(jī)、電機(jī)和變速器一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動力總成系統(tǒng)。

1混合動力總成分類

混合動力總成按照驅(qū)動系統(tǒng)能量流和功率流的配置結(jié)構(gòu)關(guān)系，可分為串聯(lián)式（兩種）、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

1.1串聯(lián)式動力由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)三部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)的方式組成SHEV的動力單元系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機(jī)，由電動機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動汽車。小負(fù)荷時由電池驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動車輪，大負(fù)荷時由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動電動機(jī)。當(dāng)車輛處啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機(jī)-電動機(jī)組和電池組共同向電動機(jī)提供電能；當(dāng)電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機(jī)，當(dāng)電池組缺電時則由發(fā)動機(jī)-發(fā)電機(jī)組向電池組充電。

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運(yùn)行工況，可以將發(fā)動機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點(diǎn)是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機(jī)械效率較低。

1.2并聯(lián)式系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)和電動機(jī)共同驅(qū)動汽車，發(fā)動機(jī)與電動機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)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(qū)動又可以單獨(dú)驅(qū)動。當(dāng)汽車加速爬坡時，電動機(jī)和發(fā)動機(jī)能夠同時向傳動機(jī)構(gòu)提供動力，一旦汽車車速達(dá)到巡航速度，汽車將僅僅依靠發(fā)動機(jī)維持該速度。電動機(jī)既可以作電動機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用，又稱為電動-發(fā)電機(jī)組。由于沒有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動機(jī)可以直接通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動車輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通汽車差不多，得到比較廣泛的應(yīng)用。

1.3混聯(lián)式系統(tǒng)包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)。動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，根據(jù)助力裝置不同，它又分為發(fā)動機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。以發(fā)動機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為主動力源，電機(jī)為輔助動力源；以電機(jī)為主的形式中，發(fā)動機(jī)作為輔助動力源，電機(jī)為主動力源。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是控制方便，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

2混合動力車輛類型

按照兩種不同的能量的搭配比例不同，混合動力車輛則有四種類型，即：

2.1 微混合（micro hybrids），有時也叫“起-停混合”，其特點(diǎn)是采用低電壓和低功率的電動機(jī)，電動機(jī)不驅(qū)動車輪，只是使用大功率的起動機(jī)，在內(nèi)燃機(jī)起動時，將其曲軸旋轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。內(nèi)燃機(jī)的起動更加輕松可靠；汽車在減速、制動時還可以使內(nèi)燃機(jī)熄火，電動機(jī)則通過再生制動發(fā)電給蓄電池充電回收部分能量，這樣都可以達(dá)到節(jié)省燃油的效果。

2.2 輕度混合（mild hybrids）動力電動汽車的特點(diǎn)是采用高電壓和低功率的電動機(jī)，在汽車加速是，電動機(jī)作為輔助動力使用。這樣內(nèi)燃機(jī)的排量就可以減小。

2.3全混合（full hybrids）也稱強(qiáng)混合（Strong Hybrid），特點(diǎn)是可以只使用內(nèi)燃機(jī)或電動機(jī)驅(qū)動車輛，也可二者同時驅(qū)動。當(dāng)然，這需要裝備較大體積、較高電壓的電池。下面要介紹的豐田Prius即屬此類。

2.4 外電源插座充電混合動力汽車（PHEV） ，PHEV是Plug-in Hybrid Electric Vehicle的縮寫。PHEV是指可以使用家用電源插座（例如220V電源）對混合動力車電池充電的混合動力汽車，同時這種混合動力汽車應(yīng)能單獨(dú)依靠電池就能行駛較長距離，但需要時仍然可以像通常的全混合動力汽車一樣工作。例如有一輛可以單獨(dú)靠電池行駛50km的PHEV，可利用電池行駛40km，到旅程終點(diǎn)后，插入電源對電池充電；如果旅程超過50km，則開始的50km可以用電池來行駛，超過50km后則可以以通常的混合動力方式行駛，到了旅程終點(diǎn)則再插入電源對電池充電。

目前由于電池尺寸、重量以及其他因素使得PHEV的成本很高，但是隨著電池和混合動力技術(shù)的進(jìn)步，PHEV可能會成為未來的一種汽車。

3結(jié)束語

內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)結(jié)合。啟動時電動機(jī)提供額外的扭矩，協(xié)助加速；剎車或下坡時，電動機(jī)能把部分動能反過來轉(zhuǎn)換成電能，存儲到電池中。在啟動停止頻繁的市內(nèi)交通里，這樣就能節(jié)省能源。而且，在電動機(jī)的支持下，內(nèi)燃機(jī)可以盡可能多的以省油的模式以最優(yōu)化的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。為了節(jié)能和環(huán)保，替代純內(nèi)燃動力的新一代動力系統(tǒng)，與遙不可及的燃料電池車相比，混合動力是非?，F(xiàn)實的選擇。

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（作者單位：武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院）