2.1 混合動(dòng)力汽車的類型與特點(diǎn)

2.1.1 混合動(dòng)力汽車的定義與分類

（1）混合動(dòng)力汽車的定義

從狹義上講，混合動(dòng)力汽車指同時(shí)裝備兩種動(dòng)力源——熱動(dòng)力源（傳統(tǒng)的汽油機(jī)或柴油機(jī)）與電動(dòng)力源（蓄電池與電動(dòng)機(jī)）的汽車。通過(guò)在混合動(dòng)力汽車上使用電動(dòng)機(jī)，使動(dòng)力系統(tǒng)可按整車的實(shí)際運(yùn)行工況要求靈活調(diào)控，同時(shí)使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，以降低油耗與排放。

從廣義上講，混合動(dòng)力汽車指裝備有兩種具有不同特點(diǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的車輛。這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置中有一個(gè)是車輛的主要?jiǎng)恿υ矗芴峁┓€(wěn)定的動(dòng)力輸出，滿足汽車穩(wěn)定行駛的動(dòng)力需求，內(nèi)燃機(jī)是目前的首選。另外還有一個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)裝置，它具有良好的變工況特性，能進(jìn)行功率平衡、能量再生與存儲(chǔ)，目前應(yīng)用最多的是電混合系統(tǒng)。

混合動(dòng)力汽車一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和輔助電源3大部分組成。

1）發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車的主要?jiǎng)恿υ?，可以廣泛地采用四沖程內(nèi)燃機(jī)（包括汽油機(jī)和柴油機(jī)）、二沖程內(nèi)燃機(jī)（包括汽油機(jī)和柴油機(jī)）、轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等。采用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)就可以組成不同的混合動(dòng)力系統(tǒng)。

2）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車的輔助動(dòng)力源?；旌蟿?dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可以是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)和特種電動(dòng)機(jī)等。隨著技術(shù)發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)很少采用，多數(shù)采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的“混合”是混合動(dòng)力汽車動(dòng)力“混合”的另一種形式。采用不同的電動(dòng)機(jī)可以組成不同的混合動(dòng)力系統(tǒng)。

3）輔助電源?；旌蟿?dòng)力汽車可以裝備各種不同的蓄電池和超級(jí)電容等作為輔助電源。只有在混合動(dòng)力汽車起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)時(shí)才使用。

（2）混合動(dòng)力汽車的分類

混合動(dòng)力汽車分類方法較多，這里主要介紹6種分類方法，見表2-1-1。

表2-1-1 混合動(dòng)力汽車的分類

（續(xù)）

2.1.2 混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn)

混合動(dòng)力汽車將內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、能量存儲(chǔ)裝置（蓄電池）等組合在一起，通過(guò)參數(shù)匹配和優(yōu)化控制，可充分發(fā)揮內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的不足?；旌蟿?dòng)力汽車是當(dāng)今最具實(shí)際開發(fā)意義的低排放和低油耗汽車。

相較傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，混合動(dòng)力汽車具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）可使內(nèi)燃機(jī)在最佳的工況區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行，避免或減少了內(nèi)燃機(jī)變工況下的不良運(yùn)行，使內(nèi)燃機(jī)的排放和油耗大為降低。

2）在人口密集的商業(yè)區(qū)、居民區(qū)等地可用純電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)汽車，實(shí)現(xiàn)零排放。

3）可通過(guò)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，因此可配備功率較小的內(nèi)燃機(jī)，并可通過(guò)電動(dòng)機(jī)回收汽車減速和制動(dòng)時(shí)的能量，進(jìn)一步降低汽車的能量消耗和排放。

相較純電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力汽車具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）由于有內(nèi)燃機(jī)作輔助動(dòng)力，蓄電池的數(shù)量和質(zhì)量可減少，因此汽車自重可減小。

2）由于采用輔助動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，混合動(dòng)力汽車的續(xù)駛里程和動(dòng)力性可達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平。

3）借助內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力，可驅(qū)動(dòng)空調(diào)、真空助力器、轉(zhuǎn)向助力器及其他輔助電器，不用消耗蓄電池組有限的電能，從而保證了駕駛和乘坐的舒適性。

表2-1-2對(duì)不同類型的混合動(dòng)力汽車在燃油經(jīng)濟(jì)性、尾氣排放和控制難易程度等方面做了比較。

表2-1-2 不同類型的混合動(dòng)力汽車類型的比較

表2-1-3對(duì)不同類型的混合動(dòng)力汽車在驅(qū)動(dòng)模式、傳動(dòng)效率、整車布置、適用條件等方面進(jìn)行了比較。

表2-1-3 不同類型的混合動(dòng)力汽車特點(diǎn)的比較

2.1.3 插電式混合動(dòng)力汽車

插電式混合動(dòng)力汽車又稱外接充電式混合動(dòng)力汽車（Plug-in Hybrid-Electric Vehicle，PHEV）。

PHEV是在混合動(dòng)力汽車上增加了純電動(dòng)行駛工況，并且加大了動(dòng)力電池容量，使PHEV采用純電動(dòng)工況可行駛50～90km，超過(guò)這一里程，則必須起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，采用混合驅(qū)動(dòng)模式。PHEV的動(dòng)力電池容量一般達(dá)5～10kW·h，約是純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池容量的30%～50%，是一般混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池容量的3～5倍，可以說(shuō)它是介于混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車之間的一種過(guò)渡性產(chǎn)品。

與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車和一般混合動(dòng)力汽車（HEV）對(duì)比（表2-1-4），PHEV更多依賴動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)汽車，因此其燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步提高，二氧化碳和氮氧化物排放更少。

表2-1-4 內(nèi)燃機(jī)汽車改為HEV和PHEV后的性能對(duì)比

插電式混合動(dòng)力汽車從結(jié)構(gòu)上可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種。

串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)如圖2-1-1所示。串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車只依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)僅作為動(dòng)力源。典型的串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車，如通用公司研發(fā)的雪佛蘭沃蘭達(dá)增程型電動(dòng)車。

并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)如圖2-1-2所示。該結(jié)構(gòu)承續(xù)了中混、強(qiáng)混型油電混合動(dòng)力汽車的設(shè)計(jì)思路，由可連接電網(wǎng)的充電器為動(dòng)力電池充電，通過(guò)動(dòng)力電池向電動(dòng)機(jī)供電作為動(dòng)力輸出的一條路徑，另一條路徑是由內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)向傳動(dòng)系統(tǒng)傳輸動(dòng)力。典型的并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車，如本田雅閣和思域混合動(dòng)力版等。

圖2-1-1 串聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

混聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)如圖2-1-3所示。混聯(lián)插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)在于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)各有一套機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，兩套機(jī)構(gòu)或通過(guò)齒輪系，或采用行星齒輪式結(jié)構(gòu)接合在一起，從而綜合調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。低速時(shí)，只靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛，速度提高時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)配合驅(qū)動(dòng)。與并聯(lián)系統(tǒng)相比，混聯(lián)系統(tǒng)可更加靈活地根據(jù)工況來(lái)調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的功率輸出和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。典型的混聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車，如比亞迪的F3DM雙模電動(dòng)車。

圖2-1-2 并聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

圖2-1-3 混聯(lián)插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)

2.1.4 混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)

混合動(dòng)力汽車是集汽車、電力驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)控制、新能源及新材料等技術(shù)于一體的高新集成產(chǎn)物，它的研究涉及多個(gè)領(lǐng)域，其關(guān)鍵技術(shù)主要有動(dòng)力電池及動(dòng)力電池管理、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和整車能量管理等。

（1）動(dòng)力電池及動(dòng)力電池管理系統(tǒng)

與純電動(dòng)汽車的工作狀況不同，混合動(dòng)力汽車上的動(dòng)力電池組常處于非周期性的充放電循環(huán)。這就要求動(dòng)力電池必須具有快速充放電和高效充放電的能力，即混合動(dòng)力汽車所用動(dòng)力電池在具有高能量密度的同時(shí)，更重要的是要具有高功率密度，以便在加速和爬坡時(shí)能提供較大的峰值功率。動(dòng)力電池的性能和壽命與其充放電歷史、工作溫度等因素密切相關(guān)，過(guò)充電和過(guò)放電會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)力電池性能，甚至造成動(dòng)力電池?fù)p壞。因此，通過(guò)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池工作過(guò)程和工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)行準(zhǔn)確的剩余電量預(yù)測(cè)和電量、電壓標(biāo)定，對(duì)提高動(dòng)力電池能效、延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命具有非常重要的意義。

（2）電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)是混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)單元之一，其選用原則為性能穩(wěn)定、質(zhì)量輕、尺寸小、轉(zhuǎn)速范圍寬、效率高、電磁輻射量小、成本低等。另外，電動(dòng)機(jī)的峰值功率要具有起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)能力、電驅(qū)動(dòng)能力、整車加速能力、最大再生制動(dòng)能力等。目前，混合動(dòng)力汽車使用的電動(dòng)機(jī)主要有直流永磁電動(dòng)機(jī)、永磁無(wú)刷同步電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。在交流電動(dòng)機(jī)中，最具代表性的是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，而這種電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了其功率和效率之間的矛盾很難解決，應(yīng)盡量采用具有高效率、高功率密度、結(jié)構(gòu)緊湊的永磁電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等先進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)

由于混合動(dòng)力汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)頻繁起停，為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)從追求高功率變?yōu)樽非蟾咝剩⒐β实恼{(diào)峰任務(wù)交由電動(dòng)機(jī)承擔(dān)。

（4）動(dòng)力耦合裝置

在并聯(lián)和混聯(lián)系統(tǒng)中，機(jī)械的動(dòng)力耦合裝置是耦合發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)功率的關(guān)鍵部件，它不僅具有很大的機(jī)械復(fù)雜性，而且直接影響整車控制策略，因此是混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前采用的動(dòng)力耦合方式有轉(zhuǎn)矩結(jié)合式（單軸式和雙軸式）、轉(zhuǎn)速結(jié)合式和驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式。

（5）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車上，電力驅(qū)動(dòng)是唯一的驅(qū)動(dòng)模式，因此控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。并聯(lián)、混聯(lián)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中有發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力源，兩個(gè)動(dòng)力源存在多種配合工作模式，如純電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+電動(dòng)機(jī)輔助、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)+發(fā)電機(jī)充電等。根據(jù)汽車行駛需要，動(dòng)力系統(tǒng)在這些工作模式間自動(dòng)切換。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略要能通過(guò)實(shí)時(shí)分析汽車的行駛狀況、發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性及動(dòng)力電池SOC等信息，決定混合動(dòng)力汽車的工作模式，確定發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)的合理工況點(diǎn)。即需要對(duì)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的起步、模式切換、換檔等動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行控制。

整車系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)包括：

動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配。

整車能量控制系統(tǒng)。

再生制動(dòng)系統(tǒng)。

車用數(shù)據(jù)總線。

先進(jìn)車輛控制技術(shù)。

關(guān)鍵零部件技術(shù)主要包括：

混合動(dòng)力汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)。

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其控制技術(shù)。

動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)技術(shù)。

混合動(dòng)力汽車用自動(dòng)變速器技術(shù)。

當(dāng)前混合動(dòng)力所面臨的主要技術(shù)問(wèn)題包括：

提高能量存儲(chǔ)裝置（動(dòng)力電池）的比功率和壽命。

建立更先進(jìn)、更有效的電子控制和檢測(cè)系統(tǒng)。

電子器件必須減小尺寸、減輕質(zhì)量。