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1、混合动力汽车原理及发展前景研究摘要：随着世界各国环境保护的措施越来越严格，替代燃油发动机汽车的方案也越来越多，例如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等。但目前最有实用性价值并已有商业化运转的模式，只有混合动力汽车。本文主要对混合动力汽车的结构和工作原理进行分析，并对其发展前景进行深入研究。而且本文分析了混合动力汽车的研究现状，介绍了混合动力汽车的主要结构形式与工作特点，指出了混合动力汽车目前需要解决的主要问题和采用的关键技术，并对其发展前景进行了预测。关键词：混合动力；工作原理；发展前景一、混合动力汽车概念1.1混合动力汽车的概念混合动力汽车（Hybrid Electrical Vehic
2、le，简称HEV）是指同时装备两种动力来源热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。混合动力汽车就是在纯电动汽车上加装一套内燃机，其目的是减少汽车的污染，提高纯电动汽车的行驶里程。混合动力汽车的燃油经济性能高，而且行驶性能优越，混合动力汽车的发动机要使用燃油，而且在起步、加速时，由于有电动马达的辅助，所以可以降低油耗。简单地说，就是与同样大小的汽车相比，燃油费用更低。而且，辅助发动机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力
3、，因此，车主在享受更强劲的起步、加速的同时，还能实现较高水平的燃油经济性。1.2混合动力汽车的分类（1）按照推进系统能量流和功率流的配置结构关系或动力传输路线分类分为： 串联式混合动力汽车(Series Hybrid Electric Vehicle，SHEV) 串联式混合动力系统：发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。尽管串 联式混合动力的结构简单，但它需要三个驱动装置：发动机、发电机和电动机。因而，该种混合方式的车辆的效率通常较低。如果串联式混合动力车设计时考虑到要爬长 坡，那么提供最大功率的驱动装置的尺寸就会
4、较大；如果用作短途运行，如当通勤车或购物车，相应的内燃机/发电机装置应采用较低的功率。 并联式混合动力汽车(Parallel Hybrid Electric Vehicle，PHEV) 并联式混合动力系统：采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮，可以采用发动机单独驱动、电动机单独驱动或者发动机和电动机混合驱动三种工作模式。当发动机提供的功率大于车辆所需驱动功率时或者当车辆制动时，电动机工作于发电机状态，给蓄电池充电。与串联式混合动力相比，它只需要两个驱动装置，即发动机和电动机。而且，在蓄电池放完电之前，如果要得到相同的性能，并联式比串联式的发
5、动机和电动机的尺寸要小。 混联式(串并联)混合动力汽车(Series-parallel Hybrid Electric Vehicle，SPHEV) 混联式混合动力系统：在结构上综合了串联式和并联式的特点。与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传输路线。尽管综合了串、并联的优点，但其结构复杂，成本高。然而，随着控制技术和制造技术的发展，一些现代混合动力电动汽车更倾向于选择这种结构。 复合式混合动力汽车(Complex Hybrid Electric Vehicle，CHEV) 复合式混合动力系统：其结构与混联式相似，二者主要区别是复合型中的电动机允许功率流双向流
6、动，而混联式中的发电机只允许功率流单向流动。双向流动的功率流可以有更多的工作模式。复合式混合动力电动汽车同样具有就够复杂、成本高的缺点，不过，现在有些新型的混合动力电动汽车也采用这种双轴驱动的复合式系统。 （2）按照两种不同的能量的搭配比例不同，混合动力车辆则有四种类型，即： 微混合，也称为“起停混合”（Micro hybrids） 在微混合动力系统中，电机仅作为内燃机的启动机/发电机使用。现在通常使用的启动机/发电机系统是指在传统内燃机的启动电机（一般为12V）上加装了皮带驱动启动电机（也就是常说的Belt-alternator Starter Generator，简称BSG系统）。该电机为
7、发电启动(Stop-Start)一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车，因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。 轻混合，也称辅助驱动混合（Mild hybrids） 与微混合相比，驱动车辆的两种动力源中，依靠电池-电机功率的比例增大，内燃机功率的比例相对减少。通常，此种混合动力系统采用集成启动电机（也就是常说的Integrated Starter Generator，简称ISG系统），车辆还是以发动机为主要动力来源，助动电机被安装在发动机和变速器之间，作为辅助动力来源与主要动力相联。
8、当行驶中需要更大驱动力时，它被用作电动机。当需要重新启动熄火的发动机时，它被用作为 一个起动机。其能够实现：在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；在行驶过程中，发动机等速运转，发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求 之间进行调节。 全混合（Full hybrids） 全混合动力系统是指既可以使用汽油引擎或电动机单独驱动车辆也可以同时使 用两种动力的汽车。它们普遍采用大容量电池以供给电动机做纯电动模式运行，同时 还具有动力切换装置用以发动机、电动机各自动力的耦合和分离。在起步、倒车、缓 加速（如频繁起步-停车）、低速行驶等情况下，车辆可以纯电动模式行驶；急加速时，电机和内燃机一
9、起驱动车辆，并具有制动能量回收的能力。与轻混合系统相比，驱动 车辆的两种动力源中，依靠电池-电机功率的比例更大，内燃机功率的比例更小。 插电式混合（Plugin hybrids） 插电式混合动力系统通过接入家用电源为系统中配备的充电电池充电，充电后可仅凭充电电池作为电动汽车行驶。另外，在充电电池的剩余电量用完后，并不是切换至发动机行驶模式，而是通过发动机旋转发电机，利用由此产生的电力为蓄电池充电，继续用电动机行驶，从而形成了串联方式的插电式混合动力车。这种混合动力汽车比全混合动力汽车有较长纯电动行驶里程。该系统电机功率比例与纯电动情况基本相同 （或稍小），内燃机功率比例与全混合系统基本相同，电
10、池容量一般比全混合系统的大，比纯电动车辆的小。 （3）按照运行模式的不同，混合动力车分为： 单一模式混合动力 双模式混合动力（Two-mode Hybrids） 双模式混合动力系统的核心实质上是一个电控可调变速箱。它利用现有的传动系统，配有两个电动机，可以在两种混合动力运行模式之间实现自如切换。 第一种模式适用于低速度和负荷较小的情况，这时汽车可以按照三种方式操控：仅使用电力驱动，或仅使用发动机驱动，或发动机和电力驱动的任意组合。如果在交 通拥挤，时停时走的状态下，仅使用电力驱动，延长发动机的关闭时间，则可以实现 完全意义上的节油。 第二种模式主要适用于高速公路驾驶，除电力驱动辅助外，发动机可
11、以在必要时启动全部8个汽缸，比如超车、拖载或爬坡时。第二种模式整合了尖端电子控制技术Active Fuel ManagementTM随选排量技术、凸轮调整以及进气阀延迟启闭系统，使发 动机的动力输出更加灵活、有效。在双模式混合动力系统下，精准的控制机构将决定汽车在特定的行驶状态下采用何种驱动方式。控制机构输入功率将取决于行驶时所需的扭矩，并向发动机和电动机发出相应的指令。发动机和电动机将扭矩传送到变速箱中的一系列齿轮，利用与传统自动变速箱类似的原理将扭矩放大，从而推动汽车前进。但与传统的持续型可变变速箱不同的是，双模式混合动力电子控制系统并不使用皮带或传送带。两种模式之间是同步切换，即切换模式
12、时无需改变发动机速度，从而实现平稳加速。四、混合动力汽车的发展前景研究4.1混合动力汽车的市场应用自1995年起，世界各大汽车生产商已将研究的重点转向了混合动力汽车的研究开发。日本丰田汽车公司开发了混合动力轿车。美国三大汽车公司均开发了包括轿车、面包车、货车在内的混合动力汽车。目前，混合动力汽车技术及市场均被看好。日本国内拥有的混合动力电动汽车已超过7万辆，预计在2010年将达到210万辆。美国通用公司将在5年内销售100万辆混合动力汽车。目前日本丰田汽车公司是走在混合动力汽车研发前沿的汽车公司，其后又在2001年相继推出了混合动力面包车和皇冠轿车。到2002年底，丰田汽车公司生产的混合动力汽
13、车在日本国内和海外的累计销量均突破了10万辆，现在已经在全世界20多个国家上市销售。丰田混合动力系统（THS）电子控制装置的特点是：分别利用电能、汽油或两者组合同时工作。根据车速和负荷情况，THS可以控制每种能源所提供的功率比例，以保证汽车按最有效的模式运行。在车辆的行驶过程中，乘客对THS的转换是感觉不到的。THS系统的关键部分是功率分流装置。该装置利用一套行星齿轮组将发动机功率直接传递到车的前轮和发电机上。电控式变速器将汽油机、发动机和电动机的功率输出加以混合，从而达到汽车加速和减速的需要。2002年，丰田混合动力面包车投产，其混合动力系统采用了世界首次批量生产的电动四轮驱动力/制动力综合
14、控制系统，它给混合动力汽车的行驶性能带来了革命性的改进。所有这些都表明丰田公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界同行前列。丰田汽车公司计划在2012年在其全部汽车产品上采用汽油电力混合动力发动机，以提高燃油经济性和降低排放污染。据统计，美国市场上售出混合动力汽车接近7万辆，2002年美国的混合动力汽车市场规模达到35000辆。美国已有近20个城市在试用混合动力公共汽车。欧洲各大汽车厂商也纷纷推出了混合动力汽车。法国BE集团先后推出了贝灵格型和萨拉型混合动力汽车。排放量较同类普通汽车降低35%，一次行程可高达1000km。国内90年代末期开始了混合动力汽车的研发工
15、作。1999年，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作研制成功国内第一辆混合动力轻型客车。2001年底，国家863电动汽车科技公关项目正式启动，第一批项目中主要是混合动力车，目前正在进行当中。一汽和东风汽车集团联合在所在地的高校和研究所，在各自客车底盘上，研发混合驱动公共汽车和大型客车。此外，东风电动汽车公司还承担了混合动力轿车的研究开发。十五目标是攻克关键技术、推出新产品，主要研究内容包括：发动机、电动机、蓄电池等各种单元技术；各系统的电子控制技术和整车的动力系统优化与控制技术，应节省燃料50%，排放下降80%；制动能量回收技术，应能回收30%制动能量。目前东风电动车辆股份有限公司开发出的混合动力汽车。其中，EQ7200 HEV型混合动力轿车以风神蓝鸟轿车为平台，以满足未来城市公务、出租用车需求为目标，最大限度利用东风公司现有产品平台及社会资源开发而成，实现产品系列化、通用化、标准化设计。主要技术参数：最高车速160km/h，锂离子电池。EQ6110V型混合动力城市公交车采用混联 方案，专为2008年北京奥运会公交用车而开发。主要性能参数：采用东风康明斯6BTA型柴油机（最大转矩488Nm，额定转速2200r/min）；中科院电工所研制的交流发电机，纯电池电动运行最高车速72km/h。天津清源电动车辆有限公司开发出混合动力中型客车。其主要技术特点：使用燃油和电力双能源，
