混合動(dòng)力汽車發(fā)展綜述
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張 純，曾慶璽，朱 浩
（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）
摘要：闡述了發(fā)展混合動(dòng)力汽車的必要性，介紹了不同類型混合動(dòng)力汽車的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)；綜述了混合動(dòng)力汽車的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，指出了發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)，并對(duì)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；新能源；汽車中圖分類號(hào)：U46
0 引言
近年來，隨著PM2.5和霧霾事件的頻發(fā)，機(jī)動(dòng)車尾氣排放問題越來越受到人們的關(guān)注。同時(shí)，石油屬于不可再生資源，如何減少汽車對(duì)傳統(tǒng)石油燃料的依賴，對(duì)于建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)至關(guān)重要。因此，面對(duì)環(huán)境污染和資源日益短缺的雙重壓力，電動(dòng)汽車成為國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。但是，目前電動(dòng)車的技術(shù)難點(diǎn)如充電時(shí)間長(zhǎng)、行駛里程短、充電樁配套設(shè)備不完善等，使得電動(dòng)汽車在短期內(nèi)很難廣泛普及。在此情況下，能夠降低油耗同時(shí)減少尾氣排放的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車異軍突起，成為國內(nèi)外企業(yè)開發(fā)的熱點(diǎn)。
混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Hybrid-Electric Vehicle)是指車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由最少兩個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的車輛，車輛在行駛過程中的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)實(shí)際情況決定是由單個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供還是共同提供。一般的混合動(dòng)力汽車為油電混合動(dòng)力汽車，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（柴油機(jī)或汽油機(jī)）和電動(dòng)機(jī)組成，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的良好匹配和優(yōu)化控制，達(dá)到低排放和低油耗的目的。
1 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的分類
混合動(dòng)力電動(dòng)汽車按動(dòng)力系統(tǒng)布置分為串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(SHEV)、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(PHEV)和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(PSHEV)。
1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(SHEV)
串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)為串聯(lián)連接，如圖1所示。車輛行駛過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工況點(diǎn)附近運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了怠速和低速工況，能夠提高傳遞效率和降低尾氣排放；發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能傳遞到電動(dòng)機(jī)或電池組，電動(dòng)機(jī)為車輛行駛提供驅(qū)動(dòng)力。在串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電力驅(qū)動(dòng)是唯一的驅(qū)動(dòng)模式，但是能量由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出到最終轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)車輛行駛的驅(qū)動(dòng)力，中間經(jīng)過多次能量形式的轉(zhuǎn)換，損失較大，降低了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。
串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需使用離合器和復(fù)雜的變速器，提高了車輛行駛的穩(wěn)定性和乘客的舒適度，同時(shí)串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)無需應(yīng)對(duì)城市內(nèi)行駛頻繁的起停、低速或怠速工況，因此目前應(yīng)用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)最廣泛的車型為城市公交用車或大中型巴士。
1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車( PHEV)
并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別屬于兩套系統(tǒng)，如圖2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)根據(jù)實(shí)際工況可同時(shí)或單獨(dú)為車輛行駛提供驅(qū)動(dòng)力。在并聯(lián)式系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)在功能上可以作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，用以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)所受的載荷，使發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在穩(wěn)定高效的工況下工作。由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量可直接傳遞至驅(qū)動(dòng)橋上，因此減少了能量傳輸過程中的損耗，提高了系統(tǒng)的效率，保證了良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。由于車輛中存在兩套動(dòng)力系統(tǒng)，且發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)橋是機(jī)械連接，需要傳統(tǒng)汽車中的變速和減速裝置，因此并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。
1.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(PSHEV)
混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖3所示�；炻�(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是一種結(jié)合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的綜合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到能量傳遞效率更高、尾氣排放更低的目的，被認(rèn)為是目前最理想的混合動(dòng)力系統(tǒng)。混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)3大動(dòng)力總成組成，系統(tǒng)工作時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能一部分通過機(jī)械傳動(dòng)直接傳遞至車輛驅(qū)動(dòng)橋，另一部分傳遞至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，由發(fā)電機(jī)輸出的電能傳遞至電動(dòng)機(jī)或電池組，電能又由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能通過動(dòng)力復(fù)合裝置傳遞至驅(qū)動(dòng)橋。目前一般的動(dòng)力復(fù)合裝置多以行星齒輪為基本構(gòu)造，當(dāng)車輛起步或低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，僅由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力輸出；當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，同時(shí)根據(jù)實(shí)際工況需要，發(fā)電機(jī)承擔(dān)發(fā)電或調(diào)速的作用；當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)也能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池組中。
2混合動(dòng)力汽車國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
傳統(tǒng)汽車領(lǐng)域，中國與發(fā)達(dá)國家始終存在很大差距，而在純電動(dòng)車領(lǐng)域，中外幾乎處在相同起跑線上，這對(duì)于我國汽車行業(yè)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)趕超的契機(jī)。混合動(dòng)力汽車是從傳統(tǒng)汽車向純電動(dòng)汽車的過渡車型，因此我國十分重視混合動(dòng)力汽車的基礎(chǔ)與工程應(yīng)用研究。早在10年前，國家就組織相關(guān)部門進(jìn)行校企聯(lián)合合作研究，確立了燃料電池汽車( FCEV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車( HEV)和純電動(dòng)汽車(BEV)3個(gè)重點(diǎn)研究方向，又確定了動(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)3個(gè)研究重點(diǎn)，并且國家“863”計(jì)劃中明確包含要突破混合動(dòng)力汽車一些關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，在這種有利情況下，中國混合動(dòng)力汽車的一些重大發(fā)展與創(chuàng)新是可以預(yù)見的。國產(chǎn)有代表性的先進(jìn)的混合動(dòng)力汽車有：
(1)比亞迪秦：其配備有1.5T1的缸內(nèi)直噴先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，峰值功率達(dá)到了113 kW/5 200 r／min，峰值扭矩為240 N．m/(1 750 r/min～3 500 r／min)，由比亞迪自主開發(fā)生產(chǎn)的13 kWh鐵電池組可以給驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的峰值功率為110 kW。發(fā)動(dòng)機(jī)和電池組二者同時(shí)工作時(shí)，輸出的最大功率達(dá)到了217 kW，最大扭矩為440 N．m。當(dāng)轉(zhuǎn)換為純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，秦的續(xù)航里程達(dá)到了70 km，在儀表盤上有電量顯示，充電口設(shè)置在后備箱，充電時(shí)，打開后備箱就可以在充電站充電，也可以選用民用電(220 V)充電。
秦在一般工況下驅(qū)動(dòng)動(dòng)力由蓄電池提供給電動(dòng)機(jī)，然而在能耗比較大的工況下，如加速爬坡時(shí)，它的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)汽車，因此可以提供足夠的動(dòng)力。在制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量可以以電能方式儲(chǔ)存在動(dòng)力電池組中，一般行駛狀況下，90%使用純電模式，10%使用燃油模式。
(2)長(zhǎng)安杰勛：長(zhǎng)安汽車建成了國內(nèi)首條自主研發(fā)的混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)線，杰勛完全為自主研發(fā)，且已取得80多項(xiàng)專利，但是，其裝備的電機(jī)無法獨(dú)自驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)，就是說其任何工況下都需要發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)輸出，所配有的電機(jī)只是在特殊工況下起輔助作用，所以，它仍然屬于輕度混合汽車。杰勛的發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.6 L，是在JL475Q1基礎(chǔ)上對(duì)電噴及進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行過改良設(shè)計(jì)的，最大功率和扭矩分別可以達(dá)到72 kW和141 N．m;它所采用的蓄電池是金屬氫化物鎳蓄電池，工作電壓達(dá)到146 V;同時(shí)它采用永磁同步內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，能夠?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)額外提供12 kW的功率和69N-m的轉(zhuǎn)矩。
(3)上汽榮威550PLUG-IN:其許多關(guān)鍵技術(shù)均是由上汽自主研發(fā)，它的Green-motion三核混動(dòng)引擎組表現(xiàn)出色，動(dòng)力系統(tǒng)組成包括排量為1.5 L的內(nèi)燃機(jī)、牽引電機(jī)和啟動(dòng)與發(fā)電一體機(jī)。該車具有智能控制策略，能夠根據(jù)行駛狀況來自發(fā)調(diào)節(jié)動(dòng)力輸出源．以求得在經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性上的平衡，其最大綜合輸出功率為148 kW，最大扭矩可達(dá)588 N. m。
2.2 國外發(fā)展情況
目前，美國、日本和德國在混合動(dòng)力汽車的研究領(lǐng)域處于領(lǐng)跑地位，這也與上述國家對(duì)混合動(dòng)力汽車的大力支持密不可分，以美國為例，眾多創(chuàng)新電動(dòng)車企（如Tesla等）在6年前就從政府兩次獲得多達(dá)104億美元的低息貸款，資以研究混動(dòng)及純電動(dòng)汽車。正因如此，現(xiàn)今美國國內(nèi)混動(dòng)汽車的市場(chǎng)占有率已經(jīng)達(dá)到3. 5%（要考慮到美國龐大的汽車數(shù)量基數(shù)）。日本與美國相比，是有過之而無不及。馳名世界的豐田普銳斯，是世界上技術(shù)最成熟、認(rèn)可度最高的混動(dòng)汽車，它的總銷售量早已達(dá)到了100萬輛，這是其他同類品牌所遠(yuǎn)不能比擬的。日本民眾對(duì)這種新技術(shù)的認(rèn)可度也是其他國家無法超越的，如今日本國內(nèi)混動(dòng)車市場(chǎng)占有率達(dá)到了11%。國外有代表性的先進(jìn)的混合動(dòng)力汽車有：
(1)通用君越Eco-Hybrid:其裝備了2.5 LEC()智能先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)選用了鎳氫蓄電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)輔助系統(tǒng)。在一些高能耗工況如加速爬坡等情況下，電動(dòng)機(jī)能夠適時(shí)激活，給予發(fā)動(dòng)機(jī)必要的輔助動(dòng)力，達(dá)到節(jié)能減排的目的；但在能耗相對(duì)較低的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)給蓄電池組進(jìn)行自動(dòng)充電。該汽車還帶有制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，所回收能量也存儲(chǔ)在電池組中。通過測(cè)試，該款混動(dòng)汽車的綜合油耗減少了近16%，由原來的9.8 L/100 km減少到8.2 L/100 km，百公里等速油耗(90 km／h)低至5.5 L。
(2)豐田Prius：其采用大膽的革命性技術(shù)升級(jí)，新普銳斯將油電混動(dòng)系統(tǒng)的幾大優(yōu)點(diǎn)（低油耗、強(qiáng)動(dòng)力、超強(qiáng)靜謐性和低排放）再次提升到了一個(gè)新的高度。在外形上，全新普銳斯的風(fēng)阻系數(shù)低至0. 25左右，而且全面技術(shù)升級(jí)后的新普銳斯在油耗方面達(dá)到了新低，百公里等速油耗在4.3 L左右。在所配備的電池組一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的輔助下，它的1.8 L排量發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)2.4 L排量的動(dòng)力性能。0. 25的極小風(fēng)阻系數(shù)，不僅降低了油耗更有利于控制噪聲，即便在高速行駛時(shí)，全新的混動(dòng)技術(shù)可以把內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在一個(gè)相對(duì)低的范圍里，以此來保持其靜謐性。它還可以以純電動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)行駛，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，這也有效減少了噪聲污染，在此情況下也同時(shí)實(shí)現(xiàn)了尾氣的“零排放”。
(3)雷克薩斯LS 600 hL:其采用了5.0 L直噴V8汽油內(nèi)燃機(jī)與電池組一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)配合工作，作為一款豪華高檔車，二者同時(shí)工作可以產(chǎn)出高達(dá)328 kW的超強(qiáng)動(dòng)力，于此同時(shí)，其油耗卻更類似于3.5 L排量的發(fā)動(dòng)機(jī)，這向世人展示了豪華車型的綠色可持續(xù)發(fā)展的汽車設(shè)計(jì)思想。
對(duì)于新能源汽車而言，混合動(dòng)力汽車的角色僅是現(xiàn)階段的過渡產(chǎn)品，在純電動(dòng)汽車技術(shù)并不成熟、成本居高不下的情況下，混合動(dòng)力汽車是目前油耗最低、最環(huán)保的綠色車型。于此同時(shí)，我們也看到，混動(dòng)車的成本較普通車型還是較高，因此在國內(nèi)的購買人群依舊不足，所以還需要國家大力扶持。
3 混合動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)
隨著混合動(dòng)力汽車的逐漸普及，對(duì)混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求，其關(guān)鍵性技術(shù)包括以下幾個(gè)方面：
(1)先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車輛一樣，混合動(dòng)力汽車同樣需要先進(jìn)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低尾氣排放。
(2)電池組存儲(chǔ)技術(shù)。基于目前電池存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，如何提高電池組的存儲(chǔ)容量依然是發(fā)展混合動(dòng)力系統(tǒng)甚至發(fā)展電動(dòng)車的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。提高電池組存儲(chǔ)容量可以有效降低車輛油耗，降低尾氣排放，使混合動(dòng)力汽車的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提升。
(3)混合動(dòng)力控制單元技術(shù)�；旌蟿�(dòng)力汽車通常由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)匹配的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多能源的合理匹配和管理，滿足車輛在不同工況下均能達(dá)到能量利用最大化和油耗最低化的要求。
4混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展前景
隨著能源和環(huán)境問題的社會(huì)關(guān)注度提升，新能源汽車成為未來汽車發(fā)展的方向和目標(biāo)，而在電動(dòng)汽車未能普及的情況下，混合動(dòng)力汽車勢(shì)必成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)�；旌蟿�(dòng)力汽車既結(jié)合了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車與電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了兩者的不足，既提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性，降低了尾氣排放量，又大大提高了相比于電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和便捷性，降低了生產(chǎn)成本。相信在未來電動(dòng)車普及之前，混合動(dòng)力汽車以油耗低、效率高、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)占領(lǐng)汽車市場(chǎng)。
