電動車輛相關技術問題系統詳解

三、混合動力汽車（HEV）

1.定義 目前，關于“混合動力”的定義比較多，一般比較通行的是：一輛汽車，同時擁有兩種、或兩種以上的動力裝置（也有的用“能源裝置”術語，但不夠嚴謹），其中有一種必須是電能動力。

而一般來說，除了電力之外的動力，另一種都是車用內燃機。所以“混合動力”又常被稱作“油電混合”。

2.基本工作原理

與純電動車和燃料電池車（以及單純太陽能汽車等）方案相比，可以說混合動力采用的是一種不那么激進的“中庸之道”。

其全部能源歸根結底還是來自車載燃油，燃油還是通過傳統熱力學過程由熱機轉化成機械能。

也就是說，混合動力整車的能源利用率不會高于車載內燃機的最佳熱效率。

其節能減排的基本出發點是：優化發動機的工作區間。

（可以類比無級變速器。無級變速器可以在某功率下尋求燃油消耗率最小的工作點，而混合動力可以將發動機控制在整個萬有特性圖中的最經濟點。）

例如，發動機的最經濟工作點是：n=2000rpm，Pe=40Kw。

當車輛負荷較輕時，比如，僅需要20Kw的功率。此時，發動機仍工作在最經濟點，輸出40Kw功率；多余的20Kw由電系統回收，儲存在電池中。（或者發動機完全關閉，單純由電系工作。）

轉速和車速的協調由傳動系的傳動比實現，所以很多HEV配置無級變速器。

當車輛負荷較大時，比如，需要60Kw的功率。此時，發動機仍工作在最經濟點，輸出40Kw功率；不足的20Kw由電系統提供，電池對外放電。（或者發動機完全關閉，單純由電系工作。）

混合動力技術能夠提高燃油經濟性和排放性的具體原因，可參閱《汽車理論》第二章 第五節。

就目前技術水平而言，與常規動力車輛相比，混合動力車輛的油耗可以降低一半左右，排放污染物水平減少的幅度更大。

3.技術類型

混合動力車輛，根據“油”與“電”的不同組合方式，有串聯、并聯和混聯之分。較常見的是前兩者。

（1）所謂“串聯”，就是發動機-發電機-電動機-車輛傳動裝置…成線形串成一列。在發電機和電動機之間是蓄電池端口，由控制器控制。能量基本流程：

①發動機工作在最經濟點，燃油的化學能由內燃機轉化成機械能（或者關閉發動機，完全由電池提供能源）；

②帶動發電機全部轉化成電能；

③如果發電量不足，則由電池補充；如果發電量超過需求，則將多余的部分儲存在電池中；

④電能經過電池的調節后傳遞給電動機，再次轉化成機械能；

⑤機械能帶動車輛傳動系統，提供驅動輪驅動力…

由于所有能量都要經過發電-電動的反復轉換，效率較差；而且由于串行布置，所有動力總成都要滿足車輛最大功率的需求，體積和質量都難以控制。

但串聯式方案由于發動機和驅動輪之間沒有直接的聯接，發動機工作不受行駛環境和駕駛員意圖的影響，容易控制在理想工作點，整套控制系統也較簡單（相對并聯和混聯）。

目前，如果選用效率較高的發電機和電動機，串聯式混合動力車輛的效能還是可以接受的。

（2）所謂“并聯”，指的是“油”和“電”都可以單獨驅動汽車行駛。它的核心電系是一個在控制器控制下的電機，可以適時的充當電動機或者發電機。

①發動機工作在最經濟點，燃油的化學能由內燃機轉化成機械能（或者關閉發動機，完全由電池提供能源）；

②如果該功率不足，則電池放電，電機對外輸出機械功，在動力合成裝置的協調下該機械功與來自內燃機的機械功匯合，共同驅動車輛；如果發動機功率過剩，那么動力合成裝置將一部分功率分配給電機，電機發電，將剩余的能量儲存起來；

③從動力合成裝置輸出的機械功驅動車輛…

很顯然，并聯式方案更復雜，而且發動機與驅動輪存在機械連接，對控制器的要求更高。

但其最大的優點是效率高。驅動輪輸出功率中的很大一部分直接來自發動機，而不需要發電-電動的轉換。另外，由于內燃機和電機的功率是相加后共同滿足行駛需求，它們各自的額定功率都可以遠小于整車的功率需求，可以做到小型化、輕量化，這對于許多小型車輛而言是必須的。

（3）還有一種“混聯”。從理論上說，其綜合性能最佳；但系統組成非常龐大，傳動布置非常困難，對控制系統的要求也非常高。在此不多介紹。

4.特點總結

總之，混合動力技術的優點包括：

（1） 所采用的動力總成都是對已有技術的繼承，需要完全重新研制的設備不多。

（2） 由于所有能源從本質上還是來自車載燃油，能夠比較準確的定量評價對燃油經濟性和排放性的貢獻。

（3） 是目前唯一可以回收制動能量（部分）的技術。

（4） 對蓄電池技術要求相對不高。

（5） 利用普通加油站。

而存在的問題主要有：

（1） 沒有完全擺脫對化石燃料的依賴。這是最致命的缺陷，所以一般認為混合動力技術只是燃料電池車輛普及之前的一個過渡。

（2） 在所有電動車輛技術中，其控制系統最為復雜。對控制器軟硬件水平以及車上信號通信的要求非常高。（因此，實際混合動力車輛的效能與仿真計算相比，存在一定差異。）

（3） 由于各動力裝置的工作狀況切換比較頻繁，其壽命存在問題。而且大量的瞬態工作過程對油耗和排放都帶來一定負面影響。

（4） 專門用于混合動力車輛的高效率、低排放內燃機的研發還需加快進度。

（5） 研發和制造成本較高。

這是所有電動車輛（乃至所有新型節能車輛）的共性。如果沒有政策性傾斜，單憑其技術優勢和消費者對環境問題的自覺認知，市場競爭力不佳。因為其初始購車費用和日程養護、維修費用的增加，遠遠超過節能所帶來的收益。