[科普中国]-混合动力技术

混合动力指在车辆动力系统中采用两种不同动力源的一种技术，目前更侧重于指油电混合动力。

分类油、电混合动力系统

混合动力是一种区别于传统车辆的新能源车辆技术，通常意义上是指油、电混合动力，即车辆在保留传统内燃机的基础上，配合使用电动机提供辅助动力，系统可按照整车实际运行工况要求而进行灵活调控，使得发动机始终保持在综合性能最佳的工作区域，可有效降低其油耗与排放。油、电混合动力技术开展较早，是目前混合动力系统中应用最广泛的一种，已有多款小型汽车产品投放市场，按照连接方式可以将其划分为串联式、并联式和混联式3种。

液压混合动力系统

由发动机和液压动力系统组成，其中液压动力系统以液压蓄能器作为可逆储能元件，液压泵、液压马达作为动力元件。按照动力驱动方式不同，液压混合动力系统可以划分为串联式、并联式和混联式3种，其工作原理与油、电混合动力系统类似，而目前应用较广泛的主要有串联式和并联式两种。串联式系统主要应用于轻、中型车，并联式系统主要应用于中、重型车。

特点混合动力指在车辆动力系统中采用两种不同动力源的一种技术，1目前更侧重于指油电混合动力。通常降低油耗的方法包括采用小排量发动机、减少怠速运行时间、进行发动机工作点优化、采用辅助能源或者替代能源以及减少摩擦损失和回收制动能量等，混合动力系统也主要是以这些为出发点而开发的。

混合动力汽车的燃油经济性能较高，行驶性能优越，在起步、加速时，由于有电动马达的辅助，可以降低油耗。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，因此，车主可以享受更强劲的起步、加速，实现较高水平的燃油经济性。

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。目前最有实用性价值并已有商业化运转模式的，只有混合动力汽车。通常说的混合动力是指油电混合动力，即燃料（汽油、柴油）和电能的混合。

原理混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力汽车是由电动马达作为发动机的辅助动力来驱动汽车的。

分类混合动力总成按动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式等三种。

（1）串联式混合动力汽车Series Hybrid Electric Vehicle (SHEV) SHEV是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成SHEV的驱动系统。SHEV用发动机－发电机组均衡地发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，电能通过控制器输送到电池或电动机，由电动机通过变速机构驱动汽车，使SHEV的行驶里程得到延长。实际上SHEV的发动机－发电机组只能看作一种电能供应系统，发动机并不直接参与SHEV的驱动、

SHEV的发动机，可采用四冲程内燃机、二冲程内燃机、转子发动机和燃气轮机。发动机、发电机组，发动机的转速控制在一定范围内，不受SHEV运行工况的影响，经常保持在低能耗、高效率和低污染的状态下运转。

SHEV驱动系统的结构比较简单，动力电池组、发动机－发电机组和驱动电动机在底盘上的布置有较大的自由度，控制系统也比较简单，因为只有唯一的电动机驱动模式，其特点是动力特性更加趋近于EV。SHEV必须装置在一个大功率的发动机－发电机组，再用驱动电动机来驱动车辆。发动机、发电机和驱动电动机的功率都要求等于或接近于SHEV的最大驱动功率，在热能→电能→机械能之间的转换过程中，总效率低于内燃机汽车。三大动力总成的体积较大，质量也较重，还有庞大的动力电池组，使得在中小型汽车上布置有一定的困难，一般适合大型客车采用。

小负荷时由电池驱动电动机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电动机。当车辆处启动、加速、爬坡 工况时，发动机-电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时则由发动机-发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，可以将发动机调整在最佳工况点附近稳定运转，通过调整电池和电动机的输出来达到调整车速的目的。使发动机避免了怠速和低速运转的工况，从而提高了发动机的效率，减少了废气排放。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。

（2）并联式装置的发动机和电动机共同驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电动机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到行驶速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电动机可以作为发电机使用，称为电动－发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。

（3）混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为以发动机为主和以电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。

联结方式A、根据混合动力驱动的联结方式，混合动力系统主要分为以下三类：

一是串联式混合动力系统。串联式混合动力系统一般由内燃机直接带动发电机发电，产生的电能通过控制单元传到电池，再由电池传输给电机转化为动能，最后通过变速机构来驱动汽车。在这种联结方式下，电池就象一个水库，只是调节的对象不是水量，而是电能。电池对在发电机产生的能量和电动机需要的能量之间进行调节，从而保证车辆正常工作。这种动力系统在城市公交上的应用比较多，轿车上很少使用。

二是并联式混合动力系统。并联式混合动力系统有两套驱动系统：传统的内燃机系统和电机驱动系统。两个系统既可以同时协调工作，也可以各自单独工作驱动汽车。这种系统适用于多种不同的行驶工况，尤其适用于复杂的路况。该联结方式结构简单，成本低。本田的Accord和Civic采用的是并联式联结方式。

三是混联式混合动力系统。混联式混合动力系统的特点在于内燃机系统和电机驱动系统各有一套机械变速机构，两套机构或通过齿轮系，或采用行星轮式结构结合在一起，从而综合调节内燃机与电动机之间的转速关系。与并联式混合动力系统相比，混联式动力系统可以更加灵活地根据工况来调节内燃机的功率输出和电机的运转。此联结方式系统复杂，成本高。Prius采用的是混联式联结方式。

混合度B、根据在混合动力系统中，电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重，也就是常说的混合度的不同，混合动力系统还可以分为以下四类：

一是微混合动力系统。代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机（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，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。从严格意义上来讲，这种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。在微混合动力系统里，电机的电压通常有两种：12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合动力系统。

二是轻混合动力系统。代表车型是通用的混合动力皮卡车。该混合动力系统采用了集成启动电机（也就是常说的Integrated Starter Generator，简称ISG系统）。与微混合动力系统相比，轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止，还能够实现：（1）在减速和制动工况下，对部分能量进行吸收；（2）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。轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。

三是中混合动力系统。本田旗下混合动力的Insight, Accord 和Civic都属于这种系统。该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30%左右，技术已经成熟，应用广泛。

四是完全混合动力系统。丰田的Prius 和未来的Estima属于完全混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。

以上各种不同的混合方式，都能在一定程度上降低成本和排放。各大汽车厂商在过去的十几年，通过不断的研发投入，试验总结，商业应用，形成了各自的混合动力技术之路，而在市场上的表现也是各具特色。

应用现状混合动力技术作为目前提高车辆动力性和燃油经济性的重要技术手段，越发受到各国政府和生产商的重视。虽然混合动力技术已经应用在不少车辆领域，但在大力研发和推广上还存在着很多难点，主要包括：

1)电池组系统性能。油、电混合动力车辆对电池系统的要求较高，要求其具有存储量大、功率高、寿命长、充电时间短等特点，但目前混合动力车用电池依然存在成本高、寿命短等缺陷，而在延长现有电池寿命、降低成本、研发新型电池等方面尚有不少技术难点难以突破。

2)系统控制策略。混合动力系统作为典型的多动力源输入与多目标控制系统，其在优化能量分配、制动能量回收、合理匹配动力系统参数以及协同控制等方面过程十分复杂。其控制策略在研发过程中不但要考虑不同工况下车辆的燃油经济性和动力性，还要兼顾各零部件可靠性、寿命及整车成本等多方面因素，技术难度大，是混合动力技术研究的核心内容及难点所在。

3)车辆成本及质量。混合动力车辆较同等普通车辆而言，成本大幅度增加，这让普通用户难以接受；同时，混合动力装置质量大，导致整机质量增大，这在一定程度上会影响车辆的节能效率。因此，如何在保证车辆可靠性基础上，减轻整机质量和最大限度降低制造成本是目前研发过程中的一大难点。为此，在混合动力技术发展过程中，未来还要着力研究以下问题：研制适用于混合动力车辆的新型低成本、高寿命电池以及其他关键部件，增强与传统车辆的市场竞争力；切实解决混合动力系统的能量管理和协同控制问题，研制先进的检测系统；开展混合动力车辆轻量化研究，减轻整机质量，降低成本，提高节能效率。此外，必须指出：液压储能与电动储能结合的复合式混合动力系统结合了液压混合动力系统及油、电混合动力系统两者的优点，是未来混合动力发展的新方向2。

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学