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1、混合动力汽车发展现状及趋势摘要在能源和环境危机的双重压力之下，汽车行业渐渐从传统地燃油慢慢向新能源汽车转型。其中混合动力汽车在新能源汽车中占有重要的地位。本文主要对混合动力汽车发展的必然性，及其我国在发展中存在的一系列问题进行了分析。指出了混合动力汽车的优缺点，并为其在未来的发展中提出了展望。关键词：混合动力汽车，存在问题，研究前景引言随着全球经济的发展,汽车保有量逐年增加,汽车尾气对空气的污染也日益加重,这对石油资源和生态环境带来极大的挑战。因此汽车行业不得不从传统的耗能模式到节能环保的耗能模式进行转型。近年来，以纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车为代表的新能源汽车取得了重大的进展。但是
2、由于现阶段作为纯电动汽车和燃料电池汽车的关键部件之一的电池存在能量密度低、寿命较短、价格较高和电池本身的污染等问题,使得电动汽车的发展进度和产业化受到的比较严重的限制。其性价比也无法与传统的内燃机汽车相抗衡。此时混合动力汽车就很好的弥补了电动汽车的缺点。所谓混合动力就是将电动机和辅助动力单元组合作为驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发机或动力发电机组。这样既利用了发动机持续工作时间长,动力性好的优点,又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处。在现阶段，混合动力有很好的发展前景。1.国内外发展现状1.1国外发展现状20世纪90年代以来,世界许多著名汽车生产厂商已将研究的重点转向了可实施性较强的
3、混合动力电动汽车,目前世界上生产、研发HEV的国家主要有日本、美国和欧洲汽车强国。其中日本的实力最雄厚。丰田公司1997年8月推出其第一款混合动力汽车Toyota Coaster Hybrid EV minibus,同年12月,推出Toyota Prius(普锐斯)这是世界第一款大量生产的混合动力汽车。自第一代Prius开始销售以来,截止到中Prius标准型每升汽油可行驶35.5公里。到2010年7月31日,累计销量已超过268万辆。目前市场上正热销的两款车型分别为丰田Prius和本田Insight。在2010年4月份举办的北京车展上,共有8款日系混合动力汽车展出,其中丰田第三代普锐斯性能最优
4、越,本田Insight被认为同级中最省油,本田CR-Z具有运动风格受到人们的关注。日本国内对混合动力汽车产业有长期的发展规划,政府大力扶持产业技术发展,出台一系列税收优惠政策及奖励措施,促进混合动力汽车销售,拉动内需;规划长远发展战略。美国三大汽车公司原来只是小批量生产、销售过电动汽车,而混合动力和燃料电池电动汽车还未能实现产业化,日本的混合动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。美国能源部与三大汽车公司于1993年签订了混合动力电动汽车开发合同,并于1998年在北美国际汽车展上出了样车。2005年9月通用汽车、戴姆勒克莱斯勒与宝马集团签署了关于构建全球合作联盟,以共同开发混合动力推进系统的合
5、作。2009年美国混合动力汽车销量达到29.032万辆虽然占美国汽车市场份额只有2.8%,但从2005年起呈逐年上升趋势预计,美国的混合动力汽车2013年将达到87.2万辆,市场占有率将达到5%。1.2国内发展现状目前，我国在新能源汽车的自主创新过程中，坚持了政府支持，以核心技术、关键部件和系统集成为重点的原则，确立了以混合电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以整车控制系统、电机驱动系统、动力蓄电池/燃料电池为“三横”的研发布局，通过产学研紧密合作，我国混合动力汽车的自主创新取得了一定进展。形成了具有完全自主知识产权的动力系统技术平台，建立了混合动力汽车技术开发体系。混合动力汽车的核
6、心是电池（包括电池管理系统）技术。除此之外，还包括发动机技术、电机控制技术、整车控制技术等，发动机和电机之间动力的转换和衔接也是重点。从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。掌握了电动汽车整车开发关键技术，形成了各类电动汽车的开发能力。我国混合动力汽车在系统集成、可靠性、节油性能等方面进步显著，不同技术方案可实现节油10%-40%。同时，各汽车企业对混合动力汽车的研发和产业化投入显著增强，产业化步伐不断加快。目前，国内汽车企业已将混合动力汽车作为未来主流竞争型产品在战略上高度重视，一汽、东风、上汽、长
7、安、奇瑞、比亚迪等都已投入了大量的人力、物力，混合动力车型已完成样车开发，并有部分车型已经实现小批量上市。2.混合动力汽车组成及分类目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构型式,根据其驱动系统的配置和组合方式不同,可分为串联式、并联式和混联式3种型式,根据不同能量分类，可分为微混合、轻混合、全混合和插电式混合。根据运行模式的不同可分为单一模式和双模式混合。2.1混合动力汽车的组成混合动力汽车主要由三个部分组成，分别为发动机模块，电动机模块和电池模块。每个部分都在动力中起到相当重要的作用。1.发动机混合动力汽车可以广发地采用四冲程内燃机（包括汽油机和柴油机）、二冲程内燃机（包括汽油机和
8、柴油机）、转子发动机、燃气轮机和斯特林发动机等。一般转子发动机和燃气轮机的燃烧效率比较高，排放也比较洁净，采用不同的发动机就可以组成不同的混合动力汽车。2.电动机混合动力汽车可以采用直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机等。随着混合动力汽车的发展，直流电动机已经很少采用，多数采用了感应电动机和永磁电动机，开关磁阻电动机应用也得到重视，还可以采用特种电动机为混合动力汽车的驱动电动机，采用不同的电动机就可以组成不同的混合动力汽车。3.电池混合动力汽车可以采用不同的蓄电池、燃料电池、储能器和超级电容器等作为“电池”，一般电池是作为混合动力汽车的辅助能源，只有在混合动力汽车用电动机启动
9、发动机或电动机辅助驱动时才使用。2.2 混合动力汽车的分类混合动力汽车有很多种分类，根据驱动、能量、运行的模式均可以分成不同的类别，这些类别有交叉和重叠的地方，但也有其独特之处。2.2.1根据驱动方式分类根据驱动方式的不同，混合汽车可以分为串联式、并联式和混联式。主要是在于发动机和电动机的连接方式不同。1.串联式混合动力驱动系统图1 串联式混合动力驱动系统如图1所示，串联式混合动力驱动系统由发动机、电池组、发电机、电动机、控制装置和汽车传动系等组成。发动机带动发电机发出的电能可直接输送到电动机;也可在当蓄电池的荷电状态降到一定范围时对蓄电池充电。电动机从发电机或电池组获得能量,从而产生驱动力矩
10、驱动汽车和提供其它设备所需功率。串联式混合动力驱动系统的优缺点当发动机与驱动轮脱开联系时，发动机是全机械构件，因此，它能运行在其转速-转矩特性图上的任何运行工作点，且可能完全运行在其最大效率区。因电动机具有近乎理想的转矩转速特性，它不需要多档的传动装置,因此,其结构大为简化,且成本下降。此外，取代一个电动机和一个差速箱的应用，可采用两个电动机分别带动一个车轮的结构。这就如同差速器，既形成两个车轮之间的转速解耦，而且起到用于牵引控制的限制滑移的差速器作用。因为由电传动系所提供的机械上的解耦，可引用简单的控制策略实现控制。然而，串联式混合动力电驱动系有以下某些缺点： 源于发动机的能量被两次转换（在
11、发电机中，由机械能转变为电能；在牵引电动机中，由电能转变为机械能），发电机和牵引电动机两者的低效率相加，且损耗是显著的。 发电机附加了额外的重量和成本。 因为牵引电动机是唯一的驱动车辆的动力机械，故其必须按满足最大的运行性能需求定制。 2.并联式混合动力驱动系统图2 并联式混合动力驱动系统并联式混合动力驱动系统主要由发动机、电机)发电机两大动力总成组成,其功率可以互相叠加。当电动机只是作为辅助驱动系统时,功率可以比较小。与串联式结构相比,发动机通过机械传动机构直接驱动汽车,其能量的利用率相对较高,这使得并联式燃油经济性比串联式的高。并联式驱动系统最适合于汽车在城市间公路和高速公路上稳定行驶的工
12、况。由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响,因此不适于汽车行驶工况变化较多、较大;相于串联结构式,需要变速装置和动力复合装置,传动机构较为复杂。并联式驱动系统的示意图如图2。并联式混合动力驱动系统的优缺点由于发动机保持了与机械驱动系统的机械连接，与串联驱动系统相比，并联式驱动系统发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，没有SHEV在热能一电能一机械能的转换过程中能量损耗。其能量的利用率相对较高，这使得并联式的燃油经济性一般比串联的要高；发动机与驱动电机两个动力总成的功率可以互相叠加起来满足汽车行驶的最大功率需求，系统可采用较小功率的发动机与电动机，电池总容量可以比SHEV小，使得整车
13、动力总成尺寸小，质量也较轻；以发动机驱动模式为主要驱动模式，其动力特性更加趋近于内燃机汽车；可利用现有技术，通用性好。与串联式相对比，并联式混合动力驱动系统具有如下缺点。发动机与驱动系统之间的机械连接，使得发动机的运行工况要受到汽车行驶工况的响，当汽车行驶工况复杂时，发动机可能较多地在不良工况下运行，因此，并联驱动的排放比串联驱动的要差；PHEV增加了变速装置及动力复合装置，使机械传动装置变复杂，增加了整车布置的难度；内燃机工作范围大，效率较低，环境污染较大，噪声大；PHEV的发动机与电力驱动系统两套系统协调工作需要较为复杂的控制系统。3.混联式混合动力驱动系统图3 混联式混合动力驱动系统混联
14、式混合动力驱动系统是串联式与并联式的综合,其结构示意图如图3所示。其驱动系统是最后发动机与电动机以机械能叠加的方式驱动汽车,但驱动电动机的发电机串联于发动机。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电动机或电池,电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是:在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作;当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主。混联式HEV充分发挥了串联式和并联式的优点,以达到热效率更高、排气污染最低的效果。与并联式相比,混联式的动
15、力复合形式更复杂,因此对动力复合装置的要求更高。2.2.2按照能量模式分类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，分别为微混合动力、轻混合动力、全混合动力和插电式混合。1.微混合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
16、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。2.轻混合与微混合相比，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。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
17、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。3.全混合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。4.插电式混合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
18、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，电池容量一般比全混合系统的大，比纯电动车辆的小。2.2.3 按照运行模式分类按照运行模式的不同，混合动力车可以分为单一模式混合动力和双模式混合动力。1.单一模式混合动力这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
19、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。2.双模式混合动力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。这种模式主要适用于高速公路驾驶，除电力驱动辅助外，发动机可以在必要时启动全部8个汽缸，比如超车、拖载或爬坡时。其模式整合了尖端电子控制技术Active Fuel Management TM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
20、，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，即切换模式时无需改变发动机速度，从而实现平稳加速。3.混合动力汽车的关键技术混合动力汽车上有很多比较前沿的汽车技术，比如，电机，电池技术等，这些技术制约着混合动力汽车的性能，而掌握了这些关键技术，就能使混合动力汽车的性能更加优越，进而超越传统内燃
21、机汽车。3.1驱动电动机及其控制技术电动机是电动汽车的心脏，重要性与发动机等同。要求：能量密度高、体积小、重量轻、效率高。研发主要集中在交流感应电动机和永磁同步电动机上.高速、匀速行驶工况，采用感应电动机驱动，经常起动、停车、低速运行的城市工况，永磁同步电动机驱动效率较高，控制技术包括大功率电子器件、转换器、微处理器以及电动机控制算法等。3.2动力电池及其管理系统动力电池是混合动力汽车的基本组成单元，其性能直接影响驱动电动机的性能从而影响整车的燃油经济性和排放性能。它起着向电动机供能以及向动力传动系输出峰值功率的作用，其另外一个作用是吸收制动再生能量并将其存储起来。能量回收制动对提高混合动力汽
22、车的总效率是非常有意义的 。3.3整车能量管理控制系统主要功能是进行整车功率控制和工作模式的切换控制，整车能量控制系统如同混合动力汽车的大脑，指挥各个子系统协调工作，以达到效率、排放和动力性的最佳匹配，同时兼顾车辆行驶的平顺性。根据驾驶员的操作，如加速踏板、制动踏板、变速杆的操作等，判断驾驶员的意图，在满足驾驶员需求的前提下，分配电动机、发动机、电池等动力部件的功率输出，实现能量利用率的最优管理，使有限的燃油发挥最大的功效。能量控制还需考虑其他车载电气附件和机械附件的能量消耗，如空调、动力转向、制动助力能耗，以综合考虑整车的能量使用。3.4动力传动系统匹配混合动力汽车动力传动系统的参数匹配是混
23、合动力汽车设计的一个重要内容，直接影响混合动力汽车的排放和燃油经济性能。它包括合理的选择和匹配发动机功率、动力电池容量和电动机的功率等，以确定车辆的混合度，来组成性能最优的混合驱动系统。3.5能量再生制动回收系统能量再生制动回收是混合动力汽车提高燃油经济性的又一重要途径，由于制动关系到行车安全性，如何在最大限度回收制动时的车辆动能与保证安全的制动距离和车辆行驶稳定性之间取得平衡，是再生制动回收系统需要解决的难题之一，再生制动回收系统与车辆防抱死制动系统的结合可以完美地解决这一难题。3.6先进车辆控制技术在混合动力汽车上的应用传统汽车的车辆动力学控制系统与混合动力控制系统以及制动能量回收控制的结
24、合，将是混合动力汽车控制技术的下一个研究热点。传统汽车的控制技术与现代电动汽车控制技术的融汇集成，将使未来的混合动力汽车更加节能、舒适和安全。4.我国混合动力汽车发展存在的问题我国在新能源汽车特别是混合动力汽车的发展上虽然取得了较大的进步，也取得了飞速的发展，但是在很多方面还存在着各种各样的问题。4.1技术问题技术问题是影响混合动力汽车性能的核心关键所在，它将始终制约或影响混合动力汽车的发展。4.1.1两种动力的最优分配控制两种动力的最优分配控制。HEV两种动力如何分配，使发动机始终在最佳工作范围内，使油耗和排污最低，使电动机发挥其最大优点，最大限度地吸收制动能量和减少电池的能量消耗。如何最好
25、的发挥汽车的性能实现动力的最优分配仍然是亟待解决的问题。4.1.2能量存储装置能量存储装置。汽车加速和爬坡时要求电池具有较高的比能量和比功率。电池还要有快速充电能力、提高充放电效率、降低成本和延长使用寿命。现在的能量储存单纯存在寿命短，并且储存能力低，充电慢的问题，仍然有很大的进步空间。4.1.3混合动力单元技术混合动力单元技术。要提高混合动力单元燃料经济性，降低排放，目前的研究主要集中于：一是燃烧系统的优化；二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统；三是代用燃料的研究。这方面主要在于发动机的效率提高，这是一直需要解决的问题。4.1.4电力驱动系统电力驱动系统。电机必须要具有良好的可控性和
26、容错能力，以及具有低噪声、高效率的特点。驱动模块的可靠性相对来说比传统的机械系统差，现阶段能需要加大发展力度，提高控制可靠性。4.2产业发展问题除了技术上本身存在问题之外，在中国，混合动力由于处于发展初期，因此市场没有形成，也没有形成产业化的发展，所以整体的价格偏高，对于普通消费者来说，难易承担。并且在现阶段，从长远来看，经济性也不如传统的内燃机汽车。如果在研发的过程中，能够渐渐降低整车成本，或者渐渐形成规模化的生产，相信消费者会越来越倾向于使用混合动力型汽车，进而缓解能源危机问题。另外，消费者对新能源汽车概念认知不足，国内消费者对于电动汽车几乎没有太多的认知，大多消费者只是听说过电动汽车但缺
27、乏深入的了解。不少消费者对新能源汽车的安全性和操控便捷性存有质疑，而事实上新能源汽车是操作简易、安全驾驶和质量可靠的产品，因此，消费者对电动汽车的认知度也亟需提高。4.3政府支持问题新能源汽车目前的价格大大高于传统汽车，而它在使用环节的优势又得不到突出。因此，要想获得与传统汽车相等或是超过传统汽车的市场竞争力，就必须加大对新能源汽车研发的投入以从根本上改进其性能，扩大规模经济以最终降低生产成本，因此我国政府在技术研发和消费者两个环节进行了巨额的投入，同时政府也在相应的公共部门进行采购，也加大了相对了基础设施等的投入，例如建立了充电站和充电桩等公共设施。但是即使如此，我国在对新能源产业的支持问题
28、上还是存在很多的问题。我国在新能源汽车发展的政策上式齐头并举的，即混合动力汽车、电动汽车、燃料汽车同时发展，而国外新能源汽车的发展一般是重点发展一种类型的新能源汽车，如欧洲重点发展的是生物能源汽车，日本重点发展的是混合动力汽车，美国重点发展的是燃料电池汽车。我国这种分布式发展的路径大大地分散了新能源汽车有限的研发力量。并且在新能源汽车方面，我国还处于发展开始阶段，分布式发展是否能够让我们在这方面摸清方向还需要时间去证明。另外，我国政府在引导新能源汽车消费的手段比较单一，主要给购车者财政补贴，其他的手段几乎没有，而在美国，购买新能源汽车的消费者费者除了可以享受大额的财政补贴外，还可以享受抵税的优
29、惠。目前，中国政府发布的新能源汽车产业政策主要是侧重于新能源汽车本身，而鲜有涉及新能源汽车相关基础设施的建设和关键零部件的生产等方面。可从三个方面来分析: 研发方面，“三横三纵”的研发格局包含了新能源汽车生产的三大关键技术，但对于基础设施(如充电站) 的技术研发却未有政策支持;补贴方面，迄今为止绝大部分的补贴政策皆集中在购买环节，尚未有对建设充电站的企业和生产关键零部件的企业进行补贴的政策; 技术标准的制定方面，目前已制定的技术标准尚未形成体系，且新能源汽车相关基础设施方面的技术标准尚未推出。而在日本，新能源汽车产业政策除了注重新能源汽车本身外，还会兼顾新能源汽车相关的基础设施及其产业化问题。
30、所以在新能源政策方面，我国能有很多路要走。5.混合动力汽车的发展趋势混合动力汽车作为从传统汽车到纯电动汽车的过渡技术，在未来几十年中，是必然的趋势，也会成为主流。从目前情况来看，我国已经建立起了混合动力汽车动力系统技术平台和产学研合作研发体系，取得了一系列突破性成果，为整车开发奠定了坚实的基础。虽然我国的混合动力汽车的发展仍然在初级阶段，但是在我国车企和政府和大力投入和支持之下，我相信我们的发展方向一定会明朗化，同时消费者对混合动力汽车和节能意识会越来越深入的了解，混合动力汽车必定会占据一部分市场，为我国的新能源汽车做出贡献。参考文献1 罗少文. 我国新能源汽车产业发展战略研究D.复旦大学,2
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