1.2.2 混合動力汽車

混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle, HEV）是傳統汽車與完全電動汽車（Purely Electric Vehicle）的折中：它同時利用傳統汽車的內燃機（可以設計得更小）與完全電動汽車的電機（PMSM或者異步電機）進行混合驅動（包含蓄電池與逆變器環節），減少了對化石燃料的需求，提高了燃油經濟性，從而達到節能減排和緩解溫室效應的效果。豐田普銳斯和本田音賽特是HEV生產的兩大巨頭。

當前普遍使用的燃油發動機汽車存在種種弊病，統計表明在占80%以上的道路條件下，一輛普通轎車僅利用了動力潛能的40%，在市區還會跌至25%，更為嚴重的是會排放廢氣污染環境。20世紀90年代以來，世界各國對改善環保的呼聲日益高漲，各種各樣的電動汽車脫穎而出。雖然人們普遍認為未來是電動汽車的天下，但是電池技術問題阻礙了電動汽車的應用。由于電池的能量密度與汽油相比差上百倍，遠未達到人們所要求的數值，專家估計在10年以內電動汽車還無法取代燃油發動機汽車（除非燃料電池技術有重大突破）。現實迫使工程師們想出了一個兩全其美的辦法，開發了一種混合動力裝置汽車。所謂混合動力裝置就是將電機與輔助動力單元組合在一輛汽車上做驅動力，輔助動力單元實際上是一臺小型燃料發動機或動力發電機組。形象一點說，就是將傳統發動機盡量做小，讓一部分動力由電池—電機系統承擔。這種混合動力裝置既發揮了發動機持續工作時間長、動力性好的優點，又可以發揮電機無污染、低噪聲的好處，二者“并肩戰斗”，取長補短，汽車的熱效率可提高10%以上，廢氣排放可改善30%以上。

混合動力就是指汽車使用燃油驅動和電力驅動兩種驅動方式，優點在于車輛起動和停止時，只靠電機帶動，不達到一定速度，發動機就不工作，因此，便能使發動機一直保持在最佳工況狀態，動力性好，排放量很低，而且電能的來源都是發動機，只需加油即可。

混合動力汽車的關鍵是混合動力系統，它的性能直接關系到混合動力汽車整車性能。經過十多年的發展，混合動力系統總成已從原來發動機與電機離散結構向發動機電機和變速器一體化結構發展，即集成化混合動力總成系統。混合動力總成以動力傳輸路線分類，可分為串聯式、并聯式和混聯式三種。

1）串聯。串聯式動力由發動機、發電機和電機三部分動力組成，它們之間用串聯方式組成SHEV動力單元系統，發動機驅動發電機發電，電能通過控制器輸送到電池和電機，由電機通過變速機構驅動汽車。小負荷時由電池驅動電機驅動車輪，大負荷時由發動機帶動發電機發電驅動電機。當車輛處于起動、加速、爬坡工況時，發動機、發電機組和電池組共同向電機提供電能；當電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅動電機，當電池組缺電時則由發動機—發電機組向電池組充電。串聯式結構適用于城市內頻繁起步和低速運行工況，可以將發動機調整在最佳工況點附近穩定運轉，通過調整電池和電機的輸出來達到調整車速的目的，使發動機避免了怠速和低速運轉的工況，從而提高了發動機的效率，減少了廢氣排放。但是它的缺點是能量幾經轉換，機械效率較低。

2）并聯。并聯式裝置的發動機和電機共同驅動汽車，發動機與電機分屬兩套系統，可以分別獨立地向汽車傳動系提供轉矩，在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動。當汽車加速爬坡時，電機和發動機能夠同時向傳動機構提供動力，一旦汽車車速達到巡航速度，汽車將僅僅依靠發動機維持該速度。電機既可以作電動機又可以作發電機使用，又稱為電動—發電機組。由于沒有單獨的發電機，發動機可以直接通過傳動機構驅動車輪，這種裝置更接近傳統的汽車驅動系統，機械效率損耗與普通汽車差不多，得到比較廣泛的應用。

3）混聯。混聯式裝置包含了串聯式和并聯式的特點。動力系統包括發動機、發電機和電動機，根據助力裝置不同，它又分為發動機為主和電機為主兩種。以發動機為主的形式中，發動機作為主動力源，電機為輔助動力源；以電機為主的形式中，發動機作為輔助動力源，電機為主動力源。該結構的優點是控制方便，缺點是結構比較復雜。豐田的普銳斯屬于以電機為主的形式。

功率型動力電池主要應用于混合動力汽車領域。國際上開發出了3.6~8A·h不同容量的功率型動力電池并實現量產，比功率大于4500W/kg。

中國已經開發出應用于混合動力汽車的6A·h三元高功率型動力電池，比能量達到108W·h/kg，比功率大于4000W/kg，循環壽命超過8000次（2C充放電）；6A·h磷酸鐵鋰高功率電池比能量達到79W·h/kg，比功率大于5600W/kg，循環壽命超過20000次（50%放電深度），已實現量產。

超級電容器在混合動力汽車領域實現了少量應用，主要分為雙電層電容器和鋰離子混合型電容器。

雙電層電容器方面，國外通過集流體表面處理技術、電極制造技術、正負極配比技術和電解液技術，將比功率從10kW/kg提高到了最高78kW/kg；鋰離子電容器方面，能量密度達到20W·h/kg，電壓區間為2～4V。

國內開發的鋰離子電容器，比能量達到100W·h/kg，比功率達到15kW/kg，壽命達到10萬次；研制的12000F雙電層電容器，比能量達到9.67W·h/kg，比功率達到8kW/kg。

2020年10月發布了《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，其中提出到2025年混合動力乘用車占比達到50%，2030年和2035年分別占75%和100%。HEV因無里程焦慮、油耗低和成本低，是目前消費者優先采用的節能車選擇。受雙積分政策、國六排放標準等多重因素影響，到2025年國內每年混合動力汽車銷量約200萬輛。

根據電壓平臺的不同，搭載鋰離子動力電池的HEV系統可以分為48V系統和高電壓系統。前者主要采用風冷或者自然冷卻方案，系統功率為10～13kW，整車節油率可達10%～15%，相應的電池容量大多為8～10A·h，功率密度在5000～6000W/kg；后者系統電壓在200～350V，電量在1～3kW·h（大多在1.5～2kW·h），電池容量在5～6A·h，放電深度（DOD）為30%～50%，2s峰值充放電功率可達到80～100kW，10s峰值充放電倍率達到60～80kW，采用風冷或者液冷實現散熱。

目前的高功率電池體系，采用5系二次球小顆粒三元材料為正極，高層間距石墨為負極，單面涂敷聚乙烯隔膜，匹配高電導率、低成膜阻抗電解液。應用于商用車的產品容量為25A·h，應用于乘用車的產品容量為6A·h，采用上述兩款電池的HEV電池系統分別在乘用車、重型貨車和燃料電池商用車上完成了驗證進入量產階段。重型貨車路試結果表明，采用25A·h-14.9kW·h的電池系統綜合節油率可達到15%～20%，壽命可達到80萬～100萬km；采用6A·h-2.1kW·h電池系統的乘用車綜合節油率可達38%。