第二節 混合動力汽車定義和分類

一、混合動力汽車定義

“hybrid”譯為混合，車尾部標有“hybrid”字樣的汽車即為混合動力汽車。混合動力汽車是個大的概念，范圍較廣，因為實用的混合動力汽車由內燃機和電機兩種動力混合作為輸出，所以稱為油電混合汽車，本書的“混合動力汽車”僅特指油電混合動力汽車。

從能量源來看，“油”可以代表汽油、柴油，甚至是天然氣，“電”是指以蓄電池、電容、儲能飛輪三種形式儲能，但三者儲存的能量都來源于內燃機帶動的發電機，即此時“電也是油”。

二、油電混合動力汽車分類

（一）按串并聯分類

傳統的混合動力汽車分為串聯式和并聯式。1997年后出現了一種同時具有串并聯特征的混合動力汽車，稱為混聯式混合動力汽車。

1．串聯式

串聯式混合動力汽車也稱為“增程式”電動汽車。圖1-14所示為串聯式混合動力汽車基本結構和簡化結構示意圖，串聯就是與車輪直接機械連接的僅是電機。串聯式混合動力汽車的工作方式就是用傳統內燃機直接通過發電機為電池充電，然后完全由電機提供的動力驅動汽車。其目的在于使內燃機長時間保持在最佳工作狀態，從而達到減排的效果。具體說內燃機輸出的機械能首先通過發電機轉化為電能，轉化后的電能一部分用來給蓄電池充電，另一部分經由電機和傳動裝置驅動車輪。和燃油車相比，這是一種內燃機輔助型的電動汽車，主要是為了增加車輛的行駛里程。由于在內燃機和發電機之間的機械連接裝置中設有離合器，它有一定的靈活性。盡管傳動結構簡單，但它需要三個驅動裝置：內燃機、發電機和電動機。如果串聯混合型電動汽車設計時考慮爬長坡，應提供較大功率，三個驅動裝置的尺寸就會較大。如果用作短途運行（如當通勤車用）或只是用于購物，相應的內燃機、發電機裝置功率較低。這種形式的好處是內燃機可以不受行駛狀態的影響，一直處于最佳工作狀態，對于改善排放大有好處，但轉換效率偏低。豐田曾經將這種串聯形式應用在考斯特上，并進行了批量生產。

工作過程：

1）純電動工況：蓄電池—→逆變器2—→電機2—→變速器—→車輪。

2）內燃機起動：蓄電池—→逆變器1—→電機1—→內燃機。

3）車輛原地發電：內燃機—→電機1—→逆變器1—→蓄電池。

4）行駛中串聯：內燃機—→電機1—→逆變器1—→蓄電池—→逆變器2—→電機2—→變速器—→車輪。

2．并聯式

圖1-15所示為并聯式混合動力汽車示意圖和簡化結構。所謂并聯式混合動力，就是說電機和內燃機并行排布，動力可以由兩者單獨提供或是共同提供。在并聯混合動力系統中，電動機同時也是發電機，其作用是讓內燃機盡量在最佳效率區間工作，從而達到節油的效果。并聯混合動力汽車受電機和電池能力的限制，仍然要以內燃機為主要動力。但由于保留了常規汽車的動力傳遞形式，在效率上更高。

并聯式和串聯式混合動力汽車的區別是，并聯式混合動力汽車采用內燃機和電機兩套獨立的驅動系統驅動車輪。內燃機和電機通常通過不同的離合器來驅動車輪，可以采用內燃機單獨驅動、電力單獨驅動或者內燃機和電機混合驅動三種工作模式。從概念上講，它是電力輔助型的燃油車，目的是為了降低排放和燃油消耗。當內燃機提供的功率大于驅動車輛所需的功率或者再生制動時，電機工作在發電機狀態，將多余的能量充入電池。與串聯式混合動力汽車相比，它只需兩個驅動裝置，即內燃機和電機，而且，在蓄電池放完電之前，如果要得到相同的性能，并聯式混合動力汽車的內燃機和電機的體積要比串聯式小。即使在長途行駛時，內燃機的功率可以達到最大，而電機的功率只需發出一半即可。

工作過程：

1）純電動工況：蓄電池—→逆變器—→電機—→離合器（斷開）—→變速器—→車輪。

2）內燃機起動：蓄電池—→逆變器—→電機—→離合器（接合）—→內燃機。

3）車輛原地發電：內燃機—→離合器（接合）—→電機—→逆變器—→蓄電池。

4）行駛中并聯：第一路為內燃機—→離合器（接合）—→變速器—→車輪，第二路為蓄電池—→逆變器—→電機—→變速器—→車輪。

5）能量回收：車輪—→變速器—→電機—→逆變器—→蓄電池。

3．混聯式

圖1-16所示為混聯式混合動力汽車簡化結構。混聯形式結合了并聯和串聯兩種形式的優點。其在并聯的基礎上，將發電機和電機分離開，這樣電機在運轉過程中也能進行充電，使車輛能以串聯和并聯兩種形式工作。目前的混合動力汽車基本屬于這種模式。具體說：混聯式混合動力汽車在結構上綜合了串聯式和并聯式的特點：與串聯式相比，它增加了機械動力的傳遞路線；與并聯式相比，它增加了電能的傳輸路線。盡管混聯式混合動力汽車同時具有串聯式和并聯式的優點，但其結構復雜、成本高，不過，隨著控制技術和制造技術的發展，現代混合動力汽車更傾向于選擇這種結構。

工作過程：

1）純電動工況：蓄電池—→逆變器2—→電機2—→主減速器—→車輪。

2）內燃機起動：蓄電池—→逆變器1—→電機1—→行星排太陽輪（內齒輪固定或轉動）—→行星架—→內燃機。

3）車輛原地發電：內燃機—→行星排內齒圈（內齒輪固定）—→太陽輪—→電機1—→逆變器1—→蓄電池。

4）行駛中串聯：內燃機—→行星排內齒圈（內齒輪轉動）—→太陽輪—→電機1—→逆變器1—→蓄電池—→逆變器2—→電機2—→主減速器—→車輪。

5）行駛中并聯：內燃機—→行星排的行星架—→行星排內齒圈—→主減速器—→車輪，同時加上串聯過程中電機2的輸出。

（二）按照混合度分類

混合度指電機功率占動力系統總功率的百分比（動力系統總功率為蓄電池給電機的功率和發動機的功率和），分為微混、輕度混、中度混合、重度混合四種。

1．微混

混合度小于等于5%的稱為微混合動力，“微混”也稱“停起”（Stop-Start）式。在交通擁堵的城市，可以實現節油率5%～10%。微混合動力車型的電機基本不具備驅動車輛的功能，一般是用作迅速起動發動機，實現停起功能。

例如Smart for two mhd就屬于這種類型。優點是汽車結構改變很小、成本增加不多、易于實現；有可能成為乘用車的標準設置。主要缺點是當停車需要空調時，不起作用；推廣“停起式”結構，需要提高公眾的節能意識。學術界有人認為“停起式”算不上混合動力系統，這并不是因為混合度的問題，而是因為沒有電機和發動機共同驅動的過程。

2．輕混

混合度在5%～15%的為輕度混合動力。在這種類型中，發動機依然是主要動力，平時主要使用發動機動力，電機在汽車加速爬坡時提供輔助動力，同時具有制動能量回收和停起功能。

別克君越ECO-Hybrid屬于這種混合類型。發動機排量可減少10%～20%，節油率可達到10%～15%；技術難度相對較小，成本增加也不多。

輕混合動力汽車的特性：車輛停止時，關閉發動機；起步和加速時電機起輔助發動機作用；減速/制動時，發動機依據傳統電控發動機系統控制策略而執行斷油模式，并將獲得的再生制動能量充入蓄電池；技術結構較簡單、成本低、應用廣泛。

3．中混

混合度在15%～40%的為中度混合動力，電機可以單獨驅動汽車，其他與輕混相同。

4．重混

混合度在40%以上的為重度混合動力。汽車起步、倒車和低速行駛時為純電動行駛；在小負荷時串聯，發動機驅動汽車；中負荷以發動機驅動為主；在大負荷或急加速時電機和發動機同時驅動汽車；具有制動能量回收和停起功能；電機的功率約為發動機功率的50%，節油率可達到30%～50%；技術難度較大，成本增加多。典型的車型是豐田普銳斯（Prius）。

（三）按能否外接電源進行充電分類

按能否外接電源進行充電，分為混合動力（Hybrid Electric Vehicle，HEV）和插電式混合動力（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）兩種，如圖1-17所示。

1．混合動力系統（HEV）

混合動力系統（HEV）不能外接充電，蓄電池的電能下降到一定數值，比如60%時，由發動機工作帶動高壓發電機給蓄電池充電，這種充電大多數情況下是在發動機處于高效率工況時。

2．插電式混合動力系統（PHEV）

插電式混合動力系統是根據歐美人駕車習慣而來，能外接充電，更有利于節能減排。國外研究機構根據資料統計得出結論，法國城鎮居民80%以上日均駕車里程少于50km，美國汽車駕駛者也有60%以上日均行駛里程少于50km，80%以上日均行駛里程少于90km。因此，在車輛上安裝一套大的電池組，使其電量足以撐過這一行程，就可以在大部分日常行駛中達到零排放。

插電式混合動力的特征是可由電能單獨驅動，并配備一個大容量的可外部充電的蓄電池組，顯著的特性是可通過停車場的380V或家庭220V交流電源進行充電，也可通過充電站的直流充電樁進行快速充電。插電式混合動力汽車電機的功率接近發動機，可實現較長距離的純電動行駛，電池容量依純電動行駛里程來選定，電池成本增加較多，節油率在不計電能時最大可達到100%。