2.4　混合能源系統

混合能源系統是指由兩種或兩種以上的儲能器、能源或轉換器作驅動能源，其中至少有一種能提供電能的系統。目前最常見的混合能源系統有動力電池+超級電容、動力電池+燃料電池、動力電池+內燃機等幾種類型。

2.4.1　動力電池+超級電容構成的混合能源系統

當采用動力電池+超級電容的混合能源系統時，所選的動力電池必須能夠提供高比能量，因為超級電容本身比動力電池具有更高的比功率和更高效回收制動能量的能力。由于超級電容器的工作電壓比較低（即使采用多個電容器組合使用，工作電壓通常也小于100V），所以需要在動力電池和超級電容之間加一個DC/DC功率轉換器。如圖2-14所示為典型的動力電池+超級電容構成的混合能源系統的結構。

2.4.2　動力電池+燃料電池構成的混合能源系統

雖然燃料電池具有非常高的比能量，但比功率低并且難以實現再生能量回收，因此動力電池+燃料電池的混合動力系統是目前燃料電池汽車最常見的結構型式，其中動力電池的選擇用于彌補燃料電池的缺點。如圖2-15所示為典型的動力電池+燃料電池構成的混合能源系統的結構形式。

2.4.3　動力電池+內燃機能源系統

同時采用內燃機和電動機作為動力來源的汽車，兩種動力裝置可以單獨交替使用或同時使用。由于電動機的低速轉矩特性較好，主要用在擔負汽車低速負荷范圍內工作；而內燃機則是用以滿足汽車加速和高速大負荷工作的需要。即汽車在低速行駛時，多余的能量會變成電能儲存起來；高速行駛時，電動機會自動工作，補充動力，以此達到最佳的節能效果。研究表明，與傳統的單動力內燃機系統相比，混合動力系統汽車無論在燃料經濟性或降低排氣污染方面都有相當程度的改善。

內燃機+電動機的混合動力系統按其結構形式來說，主要分為串聯式和并聯式兩種。

串聯式混合動力系統由串聯起來的內燃機、發電機和電動機三個動力總成組成。內燃機輸出的機械能由發電機轉換成電能，再由電動機將電能轉換為機械能用于驅動汽車，或同時用部分電能向蓄電池充電。其優點是內燃機可以固定在效率最高、排放污染物最少的工況點上；其缺點是系統的綜合效率較低，這是因為在兩次能量轉換的過程中必然會伴隨著能量的損失，另外其三個動力總成會給結構布置工作帶來困難并會使制造成本增加。

并聯式混合動力系統其內燃機和電動機是并聯連接的。在這種系統中，因為電動機也可作為發電機使用向蓄電池充電，所以不需要再裝備一臺發電機，從而使設備結構得到了簡化。與串聯式混合動力系統相比，并聯式混合動力系統有許多優點。首先，由于內燃機的機械能是直接輸入后橋的，中間沒有能量的轉換，因此系統的傳動效率較高，燃料消耗也較少；其次，只有內燃機和電動機兩個動力總成，不需要安裝發電機，因此汽車的總重量和制造成本都將大大減少；此外，假定汽車所要求的最大功率為P，則汽車動力總成的功率總和往往是在P～2P之間。由于設備功率較小，故附加的設備費用也較小。

內燃機和電動機可有多種結合方式，并聯式混合動力系統也有雙軸式并聯混合動力系統、單輪式并聯混合動力系統以及并聯式復合動力系統等多種不同的結構形式。

據有關資料介紹，德國大眾汽車公司曾用高爾夫牌轎車的底盤進行并聯式混合動力系統的開發。該系統在發動機與飛輪之間及飛輪與變速器之間各裝設一個電控液壓操縱離合器，同時將飛輪設計成飛輪-電動機/發電機的復合結構。若發動機側的離合器處于分離狀態，則汽車由蓄電池提供動力，依靠電動機驅動。在制動時，汽車的動能靠復合飛輪轉化為電能送回蓄電池。若兩個離合器均結合，此時汽車由發動機驅動，異步電動機的轉子將起飛輪的作用；若汽車需要更大的動力輸出，發動機和電動機可同時工作，使汽車獲得最大動力。而且飛輪-電動機/發動機復合機構還可作為啟動機和交流發電機使用。由于兩套動力系統可由計算機控制使其各自在最適宜的條件下工作，因此混合動力系統的燃料經濟性和排放性都比較理想。