混合动力汽车综述及其发展趋势研究

李艳伟、林颖、宋百玲

（东北林业大学交通学院 150040)

1 背景分析

1.1 政策背景

随着汽车节能与新能源技术的发展，燃油经济性和排放性已经成为汽车发展的主流。2007年欧洲推出“新欧洲能源方法”，2017年我国发布《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》规定，“汽车制造商必须出售足够的电动或插电式混合动力汽车[1]。显然，发展新能源汽车，实现节能减排，已成为世界汽车工业持续发展要迫切解决的问题。

1.2 发展历史

1997年，日本丰田公司生产了第一辆产业化生产的混合动力汽车Priu。1999年，本田Insight正式上市。截止目前，本田、丰田和雷克萨斯等知名日本汽车品牌均在世界处于领先地位。1998年美国三大汽车公司推出了3款混合动力轿车——通用Precept、福特Prodigy、克莱斯勒Dodge ESX3。2004年，美国福特推出了Ford Escape混合动力版[2]。近年来，我国一汽集团生产的奔腾B70以及CA6120URHI混合动力客车在国内外均有很好的销量，混合动力汽车领域取得了较大进步。

2 混合动力汽车的结构类型

混合动力汽车（HEV） 是指同时装备热动力源与电动力源的汽车。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实际运行工况要求调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作。HEV按动力传输路线分类可分为串联式、并联式和混联式3种。

2.1 串联式混合动力

串联式混合动力系统由发动机、发电机和电动机3部分动力总成组成。车内只有一套电力驱动系统，发动机工作带动发电机给蓄电池充电，蓄电池中的电能经功率转换器传给电动机，电机提供驱动力[3]。串联式混动汽车的驱动力全部来自电动机，适合于城市道路中频繁起步和低速运行的状态。发动机不直接驱动车轮，在整个驱动过程中运转在低油耗的高效工作区域内，给蓄电池供电，串联混合动力系统可以减少油耗，其机械结构简单，可使传动系统简化；在公交车和卡车上有广泛的应用。但由于发动机的能量经过两次能量传递才到达车辆驱动轴，在传递的过程中能量流失多，机械效率低，需要大功率电机电池；高速路况下，油耗反而偏高。

2.2 并联式混合动力

并联混合动力系统由两个或多个独立的驱动系统联合，每个驱动系统至少与一个车载能源连接。大多在传统燃油车的基础上增加电动机、电池、电控而成[4]，当车辆需求转矩较大时，由电机和发动机共同工作为整车提供驱动力，需求转矩较少时，根据实际情况由电机和发动机单独给整车提供驱动力。适用于行驶工况变化较小的路况下。并联混合动力系统低速时可纯电模式驱动，高速时可以使用发动机直接驱动车辆，燃油效率较高；与串联相比，并联结构可采用功率相对较小的驱动电机和电池组，减少汽车的成本和质量。在纯电模式下，噪音低，使用成本小，在混动模式下，起步加速性能出色，但是发动机不能保证一直在最佳转速下工作，工况不能持久，而且油耗较高。

2.3 混联式混合动力

混联式混合动力系统又称动力分流系统。发动机和发电机的连接方式为串并联结合，发动机输出的功率一部分输送给车轮，一部分输送给发电机发电。它有2套驱动系统，有2个电机。一个电动机仅用于直接驱动车轮，另一个电机具有双重角色：当需要极限性能时，直接驱动车轮[5]；电力不足时，则充当发电机，给电池充电。因此混联式具有两种工作模式，当汽车工况变化剧烈行驶时，采用串联式工作，汽车在高速路段行驶时，采用并联式工作。混联式混合动力汽车结合了并联和串联两种结构的优点，在不同工况下都有工作效率高、污染气体排放低的特点。但由于其结构形式相对复杂，车总重量相对较大，由于工作模式多样化，其控制系统也相对复杂且要求严格，成本较高。

3 代表性系统

3.1 通用VOLTEC系统

VOLTEC系统有2个电机，2套行星齿轮，多组离合器，实现了发动机和电机的工作均和输出轴解耦。此系统为双电机可同时驱动的系统，降低了双电机的功率。其次，2个电机的材料也不同，降低了系统的体积和成本[6]；此外，通过双排行星齿轮的组合，让系统的工作模式更加灵活，二代VOLTEC系统拥有两个纯电模式（单电机和双电机）和3个混动模式（图1）。这套系统通过离合器的切换，使发动机和两个电机在同一工况下有多种选择，无论在纯电行驶还是混动模式下，都可人为选择最小油耗工作模式。因为通用通过增加多组行星齿轮和离合器，组合出多种工况，结合电控，兼顾不同状态下的动力与节能。这套混动通过高效的动力分配，同时兼顾动力与节能，在目前各种的混动系统中处于领先，有良好的市场前景。

图1 VOLTEC混动系统原理图

3.2 丰田THS系统

丰田公司的 Prius汽车采用THS混动系统。该动力系统采用2个电机，一个发动机，一个行星齿轮组的动力分配机构。发动机的输出轴连接到行星齿轮的齿轮架上[7]，电机连接到太阳轮上，驱动电机与齿圈相连并输出到半轴上（图2）。在正常行驶状态下，电机可以在发电和驱动两种状态间自由切换。可以通过调整电机的功率和转速使发动机以经济转速运行；在起步和倒档时，发动机可不起动，仅由电机驱动；在制动时，驱动电机作为发电机向电池充电，同时提供制动扭矩。降低了车辆行驶的油耗，但是该驱动系统只有一种模式，行星齿轮将一直处于运行状态，无法与输出轴解耦，动力没有充分发挥。无法适配较大的车辆。

4 建议和展望

按照现在世界新能源汽车发展趋势，混合动力汽车作为一个过渡产品在未来拥有非常良好的市场前景。但是，混合动力汽车属于新兴研究方向，混合动力系统的动力分配、电池技术和能量管理系统非常复杂，仍有一系列复杂问题。

图2 丰田THS系统原理图

目前混合动力汽车广泛应用的车载电池仍有成本高或寿命短的缺陷，性价比低于纯燃油车；维修困难且成本高；混合动力汽车充电基础设施缺乏，难以高效充电。

从目前发展状况来看，国内混合动力汽车还处于起步阶段。我国混合动力汽车应以占领市场为突破口。因此提出以下建议：

（1）应大力发展混合动力电池组的研发。目前，要实现混合动力汽车市场化，蓄电池的比能量和能量密度、比功率和功率密度、深放电能力、充电效率、成本、环保及可回收性等均有较高的要求。电池技术的突破，是混合动力乃至电动汽车发展的必要条件。

（2）电动机及其控制器技术研发。电动机及其控制器的性能高低对混合动力的动力性和经济性均有较大的影响。电动机及其控制器的基本要求是：具有较宽的恒功率范围；功率密度高；具有较大的转速范围；快速的转矩响应特性；噪声小；成本低。

（3）想要突破老牌汽车企业对市场的垄断，需要国家政策的大力支持，例如：对购买国产混合动力汽车实施补贴制度，广泛添置电动汽车充电站等基础设施等。

[1]王哲.国内外新能源汽车发展现状及趋势[J].交通与港航,2015,2(6):13-14.

[2]戎喆慈.混合动力汽车现状与发展[J].农业装备与车辆工程,2008(7):5-8.

[3]于秀敏,曹珊,李君,等.混合动力汽车控制策略的研究现状及其发展趋势[J].机械工程学报,2006(11):10-16.

[4]钟博浩.并联式混合动力汽车能量分配研究[D].长春工业大学,2017.

[5]于永涛.混联式混合动力车辆优化设计与控制[D].吉林大学,2010.

[6]上通.雪佛兰沃蓝达(Volt)混合动力轿车4ET50无级电控自动变速器动力传递[J].汽车维修技师,2011(08):64-68.

[7]张金柱.丰田第二代混合动力系统(THSⅡ)[J].内燃机,2005(3):6-9+14.