混合動(dòng)力汽車發(fā)展綜述

吳瑞竹，肖繼學(xué)，宋春華，張漢中，廖 旋，殷 巧

（西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引 言

在石油資源供應(yīng)的日益缺乏和環(huán)境友好可持續(xù)發(fā)展的要求下，尋找新能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃料已成為國際共識(shí)。

近年來，我國機(jī)動(dòng)車保有量迅猛增長，其尾氣排放已成為影響城市大氣質(zhì)量最主要的污染源之一，嚴(yán)重影響和制約城市的可持續(xù)發(fā)展；因此，新能源汽車研究項(xiàng)目被國家列入了“863”重大科技課題。純電動(dòng)汽車雖然具有突出的環(huán)保優(yōu)勢，但是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究總體上處于起步階段[1]，受限于燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)，其動(dòng)力差、行駛路程短以及成本高等問題沒有得到解決。目前純電動(dòng)汽車的局限導(dǎo)致其很難市場化[2-3]。

作為傳統(tǒng)燃油汽車與純電動(dòng)汽車的過渡產(chǎn)品和折衷方案，混合動(dòng)力汽車（HEV）已經(jīng)成為國際范圍內(nèi)新型環(huán)保車輛開發(fā)的熱點(diǎn)[4]，具有很好的發(fā)展前景和市場潛力。

混合動(dòng)力汽車的定義是由2個(gè)以上的動(dòng)力源提供行車動(dòng)力，當(dāng)前一般的混合動(dòng)力汽車采取的是由內(nèi)燃機(jī)車發(fā)電機(jī)加上一個(gè)蓄電池發(fā)電機(jī)組成動(dòng)力系統(tǒng)。混合動(dòng)力汽車按動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可劃分為3種類型，即串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（SHEV）、并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）、混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（SPHEV）[5-8]。另外常見的有應(yīng)用廣泛的BSG（belt-driven starter generator）[9-10]皮帶傳動(dòng)，以及 ISG（integrated starter generator）[11-13]發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)扭矩疊加混合動(dòng)力。

混合動(dòng)力汽車按混合程度不同其技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也不同，往往混合程度越高，整車難度和成本也越高。

1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國非常重視混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研究與開發(fā)，在“十五”期間，科技部組織國內(nèi)多家高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)，確立了“三縱三橫”的發(fā)展布局。即以混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、純電動(dòng)汽車（BEV）和燃料電池汽車（FCEV）為“三縱”，以動(dòng)力控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和電池及其控制系統(tǒng)為“三橫”。之后，國家“863”計(jì)劃中專門確立了含混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的節(jié)能與新能源汽車的重大專項(xiàng)。在這樣的大環(huán)境下，我國混合動(dòng)力汽車的自主創(chuàng)新得到了重大發(fā)展。

1.1 國內(nèi)具有代表性的混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品

（1）中國長安 杰勛混合動(dòng)力轎車。杰勛混合動(dòng)力轎車是國內(nèi)第一款自主研發(fā)將中度混合技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并且量產(chǎn)的混合動(dòng)力轎車[14]。杰勛整車都采用自主研發(fā)的技術(shù)設(shè)計(jì)，擁有完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，獲得專利80余項(xiàng)，其中發(fā)明專利18項(xiàng)。長安建成了國內(nèi)第一條完全自主研發(fā)的混合動(dòng)力的生產(chǎn)線。

該車的動(dòng)力系統(tǒng)是由自主研發(fā)的1.5 L的高效發(fā)動(dòng)機(jī)和13kW的永磁同步無刷電機(jī)組合而成，續(xù)駛里程和整體動(dòng)力水平與2.0 L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車型相比基本相當(dāng)。節(jié)油在20%以上，排放限制達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

（2）一汽 奔騰B70。奔騰B70混合動(dòng)力版的動(dòng)力系統(tǒng)采用雙電機(jī)方案，屬于全混合結(jié)構(gòu)。該款混合動(dòng)力轎車成本是燃油型同款車的2～3倍，但隨著批量化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，成本將逐漸降低。

（3）上汽 榮威750。榮威750混合動(dòng)力版于2011年10月20日上市，價(jià)格為23.68萬元，比同排量同系車型高10%～40%左右。該款混合動(dòng)力轎車具備“智能停機(jī)零排放”和“環(huán)保與動(dòng)力性兼?zhèn)洹眱纱笸怀鎏攸c(diǎn)，最大續(xù)駛里程能達(dá)500 km，節(jié)油率為20%左右，采用的是BSG系統(tǒng)。

（4）奇瑞 A3ISG。奇瑞A3是柴油雙離合器并聯(lián)式混合動(dòng)力轎車，動(dòng)力系統(tǒng)匹配奇瑞ACTECO 1.3L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并匹配強(qiáng)混合動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了百公里3.01L的超低油耗。

（5）奇瑞 A5BSG。奇瑞A5BSG是一款并聯(lián)式混合動(dòng)力轎車，與傳統(tǒng)轎車相比，該車在城市路況可節(jié)省燃油10%～15%，減少二氧化碳排放量約12%，成本增加了25%～30%。

（6）東風(fēng) EQ7200HEV。東風(fēng)EQ7200HEV是東風(fēng)汽車公司的重大戰(zhàn)略項(xiàng)目，同時(shí)也是“863”項(xiàng)目的重大專項(xiàng)。該款混合動(dòng)力轎車以EQ7200-II為基礎(chǔ)，采用電控自動(dòng)變速箱與創(chuàng)新型并聯(lián)機(jī)電耦合的方案。

（7）比亞迪 F6DM雙模電動(dòng)汽車。比亞迪 F6DM雙模電動(dòng)汽車采用的是EV（純電動(dòng)）+HEV的模式，其續(xù)駛里程為純電動(dòng)模式100 km+混合動(dòng)力模式330km，最高時(shí)速為160km/h。成本增加5萬元左右，量產(chǎn)后可降低到增加3萬元左右。

除上述車型以外，還有多家汽車公司正積極研發(fā)混合動(dòng)力汽車，吉利和江淮汽車也已分別擁有上市的ISG和BSG混合動(dòng)力車型。

綜合來看，國內(nèi)混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品因?yàn)榇罅苛悴考貏e是先進(jìn)的作用于混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力復(fù)合裝置都需要進(jìn)口，從而很難壓低成本，因此還沒有出現(xiàn)能夠量產(chǎn)的中度混合以上的混合動(dòng)力汽車。BSG低度混合和SHEV等結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的車型較多，但是其節(jié)油性能并不是很好。

另外我國在混合動(dòng)力客車的研發(fā)上取得了一定成果，當(dāng)前在北京、大連、上海、昆明等地推廣混合動(dòng)力客車較多。

1.2 國內(nèi)混合動(dòng)力汽車技術(shù)

國內(nèi)混合動(dòng)力技術(shù)主要集中在低、中度混合的研發(fā)（BSG、ISG+離合器+MT），較發(fā)達(dá)國家相對(duì)落后，只有比亞迪的雙?；旌蟿?dòng)力模式較為先進(jìn)。

國內(nèi)如吉利也在模仿豐田Prius制造雙ISG+行星輪系混合形式的混合動(dòng)力汽車，但仍處于研發(fā)階段，較之Prius的成熟技術(shù)仍有很大差距。

2 國外發(fā)展情況

美國、日本和德國是主要的混合動(dòng)力研發(fā)國家，掌握很多成熟先進(jìn)的混合動(dòng)力技術(shù)以及產(chǎn)品[15-16]。

美國福特、日產(chǎn)北美和Tesla公司在2009年獲得80億美元的貸款用于混合動(dòng)力和純電動(dòng)汽車的研發(fā)，同年又從奧巴馬政府的綠色新政獲得24億美元的支持。2009年美國混合動(dòng)力汽車銷量達(dá)到29.03萬輛，占其本國汽車市場2.8%的份額。

日本政府對(duì)混合動(dòng)力汽車研發(fā)的支持起步更早，豐田普銳斯（Prius）是世界最早的量產(chǎn)混合動(dòng)力汽車，其銷量超過100萬輛，遠(yuǎn)超世界其他混合動(dòng)力汽車。當(dāng)前日本混合動(dòng)力汽車市場占有率已經(jīng)接近10%。

2.1 國外具有代表性的混合動(dòng)力汽車產(chǎn)品

（1）美國通用 別克君威EcoHybrid。別克君威EcoHybrid采用BSG混合動(dòng)力模式，BSG電機(jī)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端輪系處，36V鎳氫電池布置在后備箱。較普通車型，百公里油耗從9.8L降低到了8.3L。

（2）福特 Escape SUV。福特Escape SUV采用雙ISG+行星輪系的混合動(dòng)力形式，電池采用300 V鎳氫電池?；旌蟿?dòng)力百公里油耗6.32L，燃油經(jīng)濟(jì)性較普通車型提高了25%以上。

（3）凱迪拉克 Escalade。凱迪拉克Escalade采用雙ISG+行星輪系和發(fā)動(dòng)機(jī)的雙?；旌夏Ｊ?，該車工作模式分為兩種。在兩種模式下汽車均可以在純電動(dòng)、混合動(dòng)力以及純?nèi)加湍Ｊ较鹿ぷ?，不同的是在低速輕負(fù)荷模式下發(fā)動(dòng)機(jī)有4個(gè)缸在運(yùn)作，而在高速大負(fù)荷模式下發(fā)動(dòng)機(jī)有8個(gè)缸在運(yùn)作。

（4）通用雪弗蘭 VOLT。該車采用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)（SHEV），發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化后再傳遞給驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電池采用16 kW·h鋰電池，用220 V電源3.5h可將電池充滿，純電池驅(qū)動(dòng)可以行使64km，同時(shí)也可在行使中使用發(fā)動(dòng)機(jī)充電。若使用汽油，通過能源轉(zhuǎn)換后，每升汽油可驅(qū)動(dòng)17km，超過傳統(tǒng)汽車的2倍。

（5）BMW X5 X7。BMW X5是寶馬公司首款搭載其BMW ActiveHybrid系統(tǒng)的車型。其混合動(dòng)力形式為ISG+AT，鋰電池包布置在后備箱內(nèi)，電機(jī)串聯(lián)在變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)之間，在車頂還配置有太陽能轉(zhuǎn)化板。BMW ActiveHybrid X7鋰電池安裝在輪拱之間的行李箱內(nèi)，維持了寶馬代表性的50∶50重量分配特點(diǎn)。

（6）奔馳 S400 BlueHybrid。奔馳S400 BlueHybrid為奔馳首款搭載鋰電池的量產(chǎn)車型。采用ISG+AT混合動(dòng)力模式，采用鋰電池組，梅賽德斯公司將電池組與汽車溫控系統(tǒng)進(jìn)行整合，采用全新設(shè)計(jì)的鋰電池單元組、電池管理及檢測系統(tǒng)等。

（7）豐田 Prius（普銳斯）。豐田Prius于1997年10月底誕生，是世界上最早實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車，其全球銷量早已經(jīng)超過了100萬輛。最新一代Prius混合動(dòng)力系統(tǒng)采用雙ISG+行星輪系混合動(dòng)力模式，電池使用200 V鎳氫電池，豐田Prius是一款技術(shù)非常成熟的混合動(dòng)力汽車。

（8）本田 Civic Hybrid。本田CivicHybrid車型采用ISG+CVT混合模式，是本田新一代混合動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)、ISG與CVT串聯(lián)起來，橫向布置在機(jī)艙內(nèi)。

2.2 國外混合動(dòng)力汽車技術(shù)

美國通用汽車公司掌握成熟的BSG技術(shù)和并聯(lián)混合動(dòng)力（PHEV）技術(shù)；美國福特主要致力于雙ISG+行星輪系混合動(dòng)力汽車的研發(fā)，技術(shù)也已成熟；克萊斯勒面向高端的串聯(lián)式PHEV研發(fā)，技術(shù)趨于成熟。

法國標(biāo)致雪鐵龍主要面向柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力研發(fā)，主要采用BSG+ISG+AMT+離合器混合形式，技術(shù)成熟。德國大眾奧迪的ISG和PHEV技術(shù)也趨于成熟；奔馳BSG和ISG成熟，雙?；旌宪囆驼谘邪l(fā)；寶馬X系列采用ISG+AT混合動(dòng)力形式，7系混合動(dòng)力已上市[17]。

日本豐田的雙ISG+行星輪系混合動(dòng)力技術(shù)非常成熟完善，占有大量市場；本田的ISG+CVT混合動(dòng)力技術(shù)成熟[18]。

總體來看，美國和日本都以汽油混合動(dòng)力為主，美國以中高端大排量車型的混合動(dòng)力研發(fā)為主，日本以豐田和本田為代表的ISG+行星輪系和ISG+CVT為主。而歐洲主要以柴油混合動(dòng)力車型和少量的低排量汽油混合動(dòng)力車型為主。

3 目前混合動(dòng)力汽車面臨的主要問題

混合動(dòng)力汽車面臨的主要難點(diǎn)有2個(gè)：（1）電池組系統(tǒng)，包括電池和電池管理系統(tǒng)兩個(gè)部分；（2）動(dòng)力分配裝置和能量管理系統(tǒng)。

3.1 電池組系統(tǒng)

電池組系統(tǒng)包括電池和電池管理系統(tǒng)2部分[19]。

混合動(dòng)力汽車對(duì)電池的要求是存儲(chǔ)量大、功率高、壽命長和充電所需時(shí)間短。同時(shí)成本要盡可能壓縮，要經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高效。鎳氫電池和鋰離子電池是目前主要能達(dá)到混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車對(duì)電池系統(tǒng)要求的兩種電池，但它們?nèi)杂谐杀靖呋驂勖痰娜毕荨?/p>

電池管理系統(tǒng)的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測電池參數(shù)并評(píng)估其使用狀態(tài)（SOC），為駕駛員提供電池狀態(tài)信息；能防止電池過充、過放、過流、過壓、溫度過高，其實(shí)時(shí)監(jiān)測的精準(zhǔn)程度直接決定著動(dòng)力電池組的使用效率和壽命，一個(gè)合格的電池管理系統(tǒng)能夠在充分發(fā)揮電池優(yōu)越性能的同時(shí)，保證電池性能，延長電池壽命。同時(shí)這也意味著能降低混合動(dòng)力汽車的行駛成本。

3.2 動(dòng)力分配裝置和能量管理系統(tǒng)

動(dòng)力分配裝置的作用是將混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)以及發(fā)電機(jī)結(jié)合在一起[20]，實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動(dòng)方式的組合，以達(dá)到針對(duì)不同路況進(jìn)行不同組合的目的。其要求是能快捷、高效地實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)零件的組合和分離。

能量管理系統(tǒng)就是綜合分析電池的荷電狀態(tài)、內(nèi)燃機(jī)（或燃料電池）的最佳工況、電機(jī)及發(fā)電機(jī)的效率等信息，針對(duì)不同路況自動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同的最優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)組合，使汽車在任何路況下都維持最佳工作狀態(tài)。

混合動(dòng)力汽車由于加上了電池系統(tǒng)，使得其動(dòng)力分配裝置復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于純?nèi)加蛣?dòng)力汽車[21]，事實(shí)上，實(shí)時(shí)地根據(jù)外界情況自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)組合極為困難，因此要研發(fā)出高性能的能量管理系統(tǒng)非常具有挑戰(zhàn)性。

4 我國混合動(dòng)力汽車發(fā)展思路

按照現(xiàn)在世界電動(dòng)汽車發(fā)展趨勢，混合動(dòng)力汽車作為一個(gè)過渡產(chǎn)品在未來的30～40年內(nèi)擁有非常良好的市場前景，隨著技術(shù)發(fā)展，如混聯(lián)型（SPHEV）等擁有高混合度、高環(huán)保節(jié)能性能、高工況適應(yīng)性的車型將占領(lǐng)主要市場。

從目前我國電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r來看，消費(fèi)者能夠在理念上認(rèn)可混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車，但是卻只有很少數(shù)人愿意購買，主要是因?yàn)閲鴥?nèi)混合動(dòng)力汽車在成本、性能和方便性上的劣勢。因此，我國混合動(dòng)力汽車應(yīng)該以努力占領(lǐng)市場為突破口?；旌蟿?dòng)力汽車動(dòng)力分配、電池技術(shù)和能量管理系統(tǒng)非常復(fù)雜，由此產(chǎn)生一系列問題，其一是成本過高，性價(jià)比低于純?nèi)加推?；其二是維修困難，更復(fù)雜的汽車系統(tǒng)需要更高素質(zhì)的維修人才；其三是混合動(dòng)力汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的缺乏，使得給電池充電非常麻煩。相對(duì)世界上其他汽車技術(shù)先進(jìn)的國家，我國的汽車產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，部分發(fā)動(dòng)機(jī)等主要零部件甚至需要從國外進(jìn)口。因此，想要突破豐田Prius等高性價(jià)比成熟的混合動(dòng)力汽車對(duì)市場的壟斷，就需要國家政策的大力支持，例如對(duì)購買國產(chǎn)混合動(dòng)力汽車實(shí)施補(bǔ)貼制度，廣泛添置電動(dòng)汽車充電站等基礎(chǔ)設(shè)施等。除了政策上的支持，最主要的是要在關(guān)鍵技術(shù)上取得突破創(chuàng)新，因此提出以下3點(diǎn)建議。

（1）首先應(yīng)大力發(fā)展混合動(dòng)力電池組的研發(fā)，比亞迪掌握的電池組技術(shù)在性能上已經(jīng)能基本滿足要求，目前應(yīng)著力于降低電池成本，盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

（2）繼續(xù)大力發(fā)展應(yīng)用于城市公交車的混合動(dòng)力系統(tǒng)。由于國內(nèi)技術(shù)相對(duì)落后，小型家用混合動(dòng)力汽車難以在近期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。因此將混合動(dòng)力模式應(yīng)用于城市公交車，從混合動(dòng)力客車的研發(fā)中積累經(jīng)驗(yàn)解決問題是一條很好的途徑。

（3）著力于動(dòng)力復(fù)合裝置的研發(fā)。無論是對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力（PHEV）還是混聯(lián)式混合動(dòng)力（SPHEV），其動(dòng)力復(fù)合裝置都是至關(guān)重要的。只要擁有自主開發(fā)的高效能的動(dòng)力復(fù)合裝置，就可以大大削減混合動(dòng)力汽車的生產(chǎn)成本，極大地促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

未來電動(dòng)汽車將逐步取代燃油汽車占領(lǐng)汽車市場，在這之前，市場將被各種耗油少、高效能、高環(huán)保性的混合動(dòng)力車型占領(lǐng)。所以盡早占領(lǐng)市場份額至關(guān)重要，我國應(yīng)加速混合動(dòng)力汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化速度。

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