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1、第4章 混合动力电动汽车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。混合动力汽车有串联式和并联式两种结构形式。复合动力汽车（亦称混合动力汽车）是指车上装有两个以上动力源，包括有电机驱动，符合汽车道路交通、安全法规的汽车，车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发电机组，当前复合动力汽车一般是指内燃机车发电机，再加上蓄电池的汽车。4.1 混合动力概念2003年，联合国将“混合动力车”的定义规定如下：所谓混合动力车是“为了推动车辆的革新，至少拥有两个能量变换器和两个能量储存系统(车载状态)”的车辆。TOYOTA 油电混合动力系统
2、中的能量转换器为汽油发动机和电动机，能量储存系统为汽油箱和HV蓄电池，符合联合国对“混合动力车”的定义。4.2 混合动力系统的种类混合动力车是汽车是使用两个或两个以上不同的动力源来推进车辆行驶的车辆，混合动力汽车的英文缩写是HEV。HEV的基本结构是在电动汽车（EV）和燃料电池电动车（FCEV）的基础上增加一套辅助动力系统-动力发电机组或某种原动机。原动机可以足内燃机、燃气轮机等热机。按发动机和电动机的耦合方式不问，可分为串联式混合动力汽车(SHFV)、并联式混合动力汽车(PHEV)、混联式（中、并联式）混合动力汽车（PSHEV）三种形式1。串联式：发动机驱动发电机发电，电能通过电动机驱动车轮
3、的形式。串联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、驱动电机和蓄电池组等部件组成。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，使混合动力电动汽车在零污染状态下行驶。并联式：发动机和电动机共同驱动车轮的方式。主动力是发动机，电动机只作为辅助动力起作用。并联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电/电动机和蓄电池组等部件组成。并联式驱动系统可以单独使用发动机或电动机做为动力源，也可以同时使用电动机和发动机作为动力源来驱动汽车。 混联式：最大限度发挥各自优点的前提
4、下把串联混合动力和并联混合动力组成在一起构成的系统。可以实现只用电动机行驶，还可以把发动机和电动机的驱动力相结合实现高效率行驶。混联式混合动力电动汽车主要由发动机、发电机、电动机、行星齿轮机构和蓄电池组等部件组成。丰田Prius所采用的混合驱动方式，它将发动机、发电机和电动机通过一个行星齿轮装置连接起来。动力从发动机输出到与其相连的行星架，行星架将一部分转矩传送到发电机，另一部分传送到电动机并输出到驱动轴。此时车辆并不是串联式或者并联式，而是介于串联和并联之间，充分利用两种驱动方式的优点。混合动力系统种类的对比 4.3 混合动力汽车分类及各类型的工作原理串联混合动力电动汽车SHEV的结构如上图
5、所示。它由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，它们采用“串联”的方式组成驱动系统。在车辆行驶之初，蓄电池组处于电量饱和状态，其能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作，蓄电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机、驱动电动机输出的转矩经变速器、传动轴及驱动桥驱动车轮。蓄电池组电量低于60%时，辅助动力系统起动，为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，发动机-发电机组产生的交流电经整流器变为直流电和电池输出的直流电经控制器变为交流电后供入驱动电动机。由于蓄电池组的存在，使发动机工作在一个相对稳定的
6、工况，使其排放得到改善。 2、并联式混合动力汽车的结构特点 并联式混合动力汽车的组成 1、发动机2、电动机/发动机3、机械传动系统4、驱动电动机5、逆变器6、蓄电池组PHEV是由发动机与电动机、发动机或驱动电机两大动力总成组成。如上图所示，它们采用“并联”的方式组成驱动系统。电动机的动力要与车辆驱动系统相结合，可以：（1）在发动机输出轴处进行组合；（2）在变速器（包括驱动桥）处进行组合；（3）在驱动桥处进行组合。左图是一种电动机的动力在驱动轮处进行组合的驱动轮动力组合式PHEV，其驱动模式为：1）以发动机驱动为基本驱动模式，独立驱动后驱动轮；2）驱动电动机为辅助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；在
7、混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四驱动模式。3、混联式混合动力汽车（PSHEV）的结构特点 1、发动机2、电动机/发动机3、变速器或减速器4、驱动桥5、逆变器6、驱动电动机7、蓄电池组PSHEV是综合SHEV和PHEV结构特点组成的，由发动机、电动机或发动机和驱动电机三大动力总成组成。电动机的动力要与车辆驱动系统相适合，可以在变速器（包括驱动桥）处进行组合，也可以在驱动轮处进行组合。上图是一种发动机的动力与驱动电动机的动力在驱动轮处进行组合的方式，其驱动模式为：1）以发动机驱动为基本驱动模式，带动电动机/发动机，并独立驱动后驱动轮；2）以驱动电动机为辅
8、助驱动模式，能独立驱动前驱动轮；3）在混合驱动时，发动机驱动的后轮动力与驱动电动机驱动的前轮动力进行组合，成为混合四轮驱动模式。4.4 目前市面上常见的混合动力汽车的动力源动力系统主要由发动机、电机、动力蓄电池、传动系统等组成，采用较小的发动机与电驱动系统混合，在保证内燃机接近最高效率的同时，降低发动机排放和噪音，延长续驶里程。目前HEV最常见的两种动力源是内燃机和电动机。一般情况下，内燃机是前轮的驱动源，而电动机是两个后轮的驱动源。车内的电脑会根据不断变化着的交通条件所需的动力情况，随时作出反应，不需驾车人预先指令，即自动地选择最为理想的驱动模式：或是由两台电动机进行后轮驱动：或是由一台内燃
9、机进行前轮驱动；或是内燃机和电动机同时驱动。当从静止状态起步时，车上的电脑会首先选择电动驱动模式，这是因为内燃机在汽车起步后的第一公里期间内，所用燃料的80都被作为废气排掉了，既浪费燃料又污染环境。当年速到每小时40公里时，电脑会自动选择内燃机驱动模式，同时内燃机在工作时也对蓄电池组进行充电。如果驾驶员突然实施紧急加速，电脑则会启动电动机来协助内燃机进行联合驱动。而当低速行驶时，或者电脑判定蓄电池组的能量不足时，也会启动内燃机工作。当汽车减速时，电脑会对内燃机起到制动作用，判定利用其制动能量对蓄电池组充电。此外电脑还操纵着例如制动装置、防车轮抱死和方向控制等其他功能。在前后轮之间，内燃机和电动
10、机或是交替的、或是相继的、或是同时的，不断变化着的驱动方式，使得汽车始终保持其动力潜能的最大发挥，大大减少了燃料消耗和废气排放。混合动力汽车的主要结构部件将选用铝、碳素纤维等轻质材料，尽量减少动力消耗。混合动力汽车的结构设计也很新颖：底极为完全平面式，座椅布置为3个前座和2个折叠式后座，将后座折起，即可提供个宽大的载物空间。座椅的高度可以自动调节，电视摄像机和装在仪表板上的显示屏代替了传统的后视镜这一切都使驾驶员感到更方便，更舒适。4.5 混合动力汽车-优点复合动力汽车的优点是：1、采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机
11、功率不足时，由电池来补充；负荷少时，富余的功率可发电给电池充电，由于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行程和普通汽车一样。2、因为有了电池， 可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。3、在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现零排放。4、有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。5、可以利用现有的加油站加油，不必再投资。6、可让电池保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。复合动力电动汽车有两种基本的工作方式，即串联式、并联式和串并联（或称混联）式。复合动力驱动汽车的缺点是：有两套动力，再加上两套动力的管理控制
12、系统，结构复杂，技术较难，价格较高。由于新一代汽车伙伴合作（PNGV）计划的推动美国三大汽车公司对各种单元技术及其不同组织进行成百种方案的筛选、比较，认为采用复合动力是实现中级轿车百公里3升油耗的可行方案因此而受到更大的关注。经过多年研究，混合动力电动汽车已开发出一些成功的例子。4.6 对混合动力汽车高压电池组进行充电控制绿色革命可能不久就将迎来一场重大胜利。在大规模的电能成为“可储存”和“便携式”能源之时，能量效率将获得显著改善，而且可再生能源的推动工作也将取得进展。可储存性和便携性是液体燃料的主要优势，而通过电池系统提供的电力则拥有提供一种可行替代方案的潜力。电能可在几乎所有的耗能设备中使
13、用，而且，电能也可以从几乎所有的可用能源来产生。核能、太阳能、风能、地热能和液体燃料(汽油、柴油、乙醇、氢等等)都能很容易地转换成电能。因此，与石油燃料相比，电力的重大优势是可以利用最具成本效益的解决方案随时随地产生能量。对电能的规范化可以同时实现规模经济，并免除局部燃料消耗所需的基础设施。优越的电能可储存性便于发电(效率最高，且不是“按需”型的)，目前的情况大体如此。例如：风力发电和太阳能发电未必与峰值功率需求模式相吻合，而可储存特性则能缓解这个问题有所缓解。优越的便携性允许电能作为汽车(耗能大户)的能源。随着时间的推移，其他倾向于使用绿色能源的应用肯定将得益于此项技术。电动汽车对电池系统的
14、要求电动汽车为绿色革命提供了一个巨大的发展机遇，原因有很多。电动汽车采用电网电力取代了燃气动力。电网电力的生成效率很高，可以从几乎所有的能源来获得。此外，电动汽车的能源使用效率也高于燃油汽车。大多数汽车在运行时将经历一个“加速、减速和空转”的连续周期。相比之下，易变的负载(比如加速或减速)更有利于电动马达(而非燃油引擎)，因为它在低速条件下提供了高转矩。燃油引擎的工作效率只在一个很窄的速度/负载范围内达到最高，而且为满足峰值加速的需要，它必须是超大型的。用于把汽油能量转换为动能的引擎效率通常为 20%，而电动马达将电能转换为动能的过程中可以实现 90% 的典型效率。此外，电动马达还无须在停靠时
15、因为空转而无谓地消耗能量，而且电动系统还具备通过再生制动来恢复机械能的潜力。通过电动汽车的典型能耗成本仅为0.013美元/英里这一事实，便能看出能量效率的整体改善情况。遗憾的是，在现今的市场上，纯电动汽车还不是一种可行的解决方案，因为其行驶距离受限于车上所能储存的能量。如今常见的电池组在充电8小时之后能够让一辆电动汽车行驶100英里。而一个普通的汽车油箱则能为一辆标准汽车提供300英里的行驶距离，且只需几分钟的时间就能完成加油。如果想得到美国消费者的广泛接受，那么电动汽车必须延长行驶距离和/或缩短再充电时间。应运而生的解决方案是“油电混合动力车”，它把燃油引擎和电动传动系统组合起来，以提供足够
16、的行驶距离，同时仍然拥有绿色能源的大多数好处。油电混合动力车采用车载燃气引擎(用于电池充电)，并在需要时在最有效的速度/转矩范围内操作该引擎。毫无疑问，电动汽车的成功将有助于其它应用的高性能电池系统找到属于自己的生存空间，从而推进其价格的下降和性能的提升。对于局部发电(包括小型光伏或风力发电系统)，电池可以起到至关重要的平衡作用，且当可以使用电网电力时，它还能充当一个后备电源系统。目前的电池系统相当昂贵而且庞大，且存在可靠性和安全方面的问题。下一代电池系统将提供较高的能量密度，旨在实现外形较小、价格较低、可靠性和安全性更高的解决方案。高电压电池组的设计挑战对于大功率电池应用而言，锂离电池可作为首选的化学电池，主要因为它的能量密度高。当今的电动汽车和油电混合动力
