认识混合动力汽车

四、认识混合动力汽车

1.混合动力汽车的种类

(1)油电混合动力

通常所说的混合动力一般是指油电混合动力，即燃料（汽油、柴油）和电能的混合，这里内燃机为主动力源，而电动机为辅助动力。

油电混合动力又分为汽油电混合动力和柴油电混合动力。日、美混合动力汽车大多采用汽油机作为主动力源；欧洲混合动力汽车装配汽油直喷发动机和清洁柴油发动机的都有，而以柴油混合动力为多数，例如，法国标致雪铁龙集团(PSA)在“标致307”及“雪铁龙C4”上配备的柴油混合动力系统，其主动力源来自最大输出功率为66kW的1.6L HDi柴油发动机，辅助动力为无刷直流电动机。

标致307

(2)气电混合动力丰田曾发布一款带有压缩天然气混合动力系统的凯美瑞混合动力车。韩国的代号为HDLPI的混合动力车是世界上第一辆以LPG液化石油气驱动的混合动力车。

(3)燃料电池混合动力

在2000年初北美国际车展上，通用公司发布了燃料电池混合动力车Precept。这里燃料电池为主动力源，而电动机为辅助动力。

(4)汽轮机混合动力

瑞典的沃尔沃汽车公司1992年发布了环保型汽轮机混合动力概念车ECC,它由41kW的汽轮机和56kW电动机等构成。

2.混合动力的代表车型

(1)克莱斯勒的串联混合动力车

在2009年1月的底特律北美车展上克莱斯勒发布了配备有发电用小型汽油机的串联混合动力概念车Chrysler200CEV和Jeep Patriot EV。该公司曾于2008年9月发布了两款串联混合动力车Wrangler（牧马人）Unlimited EV和Town&Country EV。

200C EV是一款采用后轮驱动底盘的4座轿车，车身尺寸为4879mm×1870mm×1455mm，轴距为2948mm，配备与Wrangler Unlimited EV。

一样的具有200kW最高输出功率的发动机，可利用家用电源充电的锂离子充电电池以及该公司的一体型汽油机。发电用发动机的额定功率为55kW，低于Wrangler Unlimited EV及Town&-Country EV。

克莱斯勒的PatriotEV以现行Patriot的后轮驱动款为基础，实现了串联混合动力功能。与200CEV不同，采用的是最高输出功率为150kW的发动机以及额定功率为45kW的发电用发动机，电池为锂离子充电电池。

虽然4款串联混合动力车的发动机输出功率及发动机的发电量各不相同，但持续行驶距离却相同。不使用发动机而只使用充满电的锂离子充电电池的电力时，4款车均可行驶64km，通过发动机发电，持续行驶距离可达到640km。

(2)标致雪铁龙的并联柴油混合动力汽车

PSA公司在2010年投放市场的柴油混合动力汽车，是利用电动机进行辅助的并联驱动方式。

电动机可通过减速时回收能量来向电池充电。当车速在50km/h以下时，仅凭电动机行驶。在加速及电池没电时，便会自动切换至发动机驱动。为了使发动机停止工作后仍可凭借电动机行驶，在发动机与电动机之间采用了干式离合器。

电动机在连续使用时的额定功率为16kW，可产生80N·m的转矩；在超车等情况下进行暂时辅助时，最大输出功率为23kW，最大转矩为130N·m;电动机与逆变器连接时，依靠210～380V的电压运转。在汽车后部通常用于配备备用轮胎的位置上，配备了由240个电池单元构成的镍氢电池。充电电池的容量为6.5A·h。普通电压为288V，仅凭电动机可持续行驶5km。柴油混合动力汽车的燃油消耗为3.4L/100km，比汽油混合动力汽车提高25%，每100km可节省1L左右的燃料。

(3)丰田的串并联混合动力汽车

①丰田混合动力系统(THS)

Prius的动力和驱动系统首先将发动机输出的动力通过动力分配机构分解为发电机的驱动力和车轮的驱动力。发电机产生的电力一边供给车轮驱动用的电动机，一边通过变换器把交流变成直流给电池充电，电池又通过变换器把直流变成交流，给驱动电动机供电来驱动车轮。此部分为串联式混合动力部分。另一方面，尽管发动机输出动力中的车轮驱动力部分通过变速器来驱动车轮，但在此驱动轴上还有电动机，还可增加电动机来增加驱动，此部分为并联式混合动力部分。这样，Prius的发动机、电动机混合动力系统就由串联成分和并联成分构成复合式混合动力系统，这种系统构成在丰田被叫做丰田混合动力系统。

THS系统有几种基本的工作模式，即启动、低速、普通行驶、全力加速、减速、制动、停止等。启动时以极低的速度行驶或缓坡下坡时，发动机在低效区运动，这时将发动机停止，让电动机单独驱动来行驶。普通行驶时，发动机和电动机共同来驱动车轮，发动机的动力通过动力分配机构分为两部分：一部分用来驱动发电机发电，产生的电力供给电动机来驱动车轮;另一部分用来直接驱动车轮。

Prius

车辆全力加速时，发动机保持最高转速、输出最大功率，电池也输出电力，这样，和同一排气量的传统发动机比，加速性能提高了10%。

制动时，停止发动机的空转，车轮驱动电机发电，给电池充电。这样，将车辆的一部分动能回收。回收的电力储存在电池中，这样也就降低了燃油消耗率，车辆停止时，发动机也自动停止，这在避免能量损失的同时，也避免了尾气排放。

为了让发动机工作在各转速对应的大转矩区域，丰田普锐斯使用了特殊的无级变速机构CVT，使发动机工作在高效区。当发动机低速运转，输出转矩不足时，由低速时输出转矩较高、效率也比较高的电动机的转矩来补充。因此发动机的平均效率约提高了80%，而且还因为减速制动时的能量回收，在10～15工况的尾气排放测试时，与传统的发动机汽车相比较，燃油经济性提高到2倍，即3.57L/100km。CO₂排放量减少到一半，CO、HC、NO₃大幅度降低到日本法规值的大约1/10。

配置THS的汽车，与传统的发动机相比，燃油经济性得到提高，其中发动机的效率提高占53%，发动机停机占27%，制动能量回馈占20%。当然各部分所占的比例随行驶工况变化而变化。对于欧洲的ECE City工况来讲，各部分所占比例分别为56%、20%、24%。对美国的US City工况来说，各部分所占的比例为59%、13%.28%。发动机的效率提高和制动能量回馈的成分增加，发动机停机所占的比例有所减小。

②Prius轿车更新换代

丰田于1997年投产的第一代普锐斯混合动力汽车搭载一台1.5L四冲程可变气门正时系统的汽油机。蓄电池采用38个密封镍氢蓄电池，采用高效、紧凑型永磁同步交流发电机和电动机，交流电动机的功率为32kW，第一代Prius的油耗28km/L，它被评为1997年世界100项最佳科技成果之一。

丰田公司的第二代Prius轿车于2003年秋季上市，该车采用全面更新后的平台，轴距增加了152mm，达2700mm，使车内空间由紧凑型扩展到了中级车的容量。采用全新的“协同作用混合动力驱动”方式，其动力装置中的汽油机和电动机既可单独驱动以适应不同行驶环境，又可协同驱动整车，通过新增加的电压转换器，将来自镍氢金属电池的电流增加到500V后输向大功率(50kW)永磁电动机，产生高达400N·m的转矩(0～1200r/ min)，两者协同以后，在车速为85km/h时得到82kW的最大功率，在车速为22km/h时得到478 N·m的最大转矩，其他车速下的功率和转矩视两种动力协同配合的情况而定，无须驾驶员操心。

底盘采用电控无级变速器、电控制动及电控转向。由于采用电控系统，上述操作均无机械连接，仅靠电信号输送来完成动作。例如，车上没有换挡杆，只在仪表板上有一个操作手柄来实现换挡。空调系统也是电驱动的，因此即使汽油机不工作也能有冷风。电控节气门、按钮式点火和遥感式门锁开启装置，使该车不用插钥匙即能启动（但要有钥匙供遥感识别）。

第二代Prius的五门掀背式车身造型接近于单厢式，从侧门看一个三角形的前端，极具动感，其风阻系数只有0.26，这在一般轿车上是不易做到的，超低阻不仅降低了油耗，据称第二代Prius的油耗为31km/L，其排放污染物又较第一代老款Prius减少了30%。

在2009年1月的北美车展上，丰田公司首次公开第三代普锐斯混合动力轿车，其发动机排量和功率扩大，电池容量未变。

丰田的第三代混合动力车Prius在保持第二代普锐斯设计理念的基础上，提高了实用燃效。

混合动力系统方面，排量1.8L的直列4缸阿特金森发动机配套使用输出功率为60kW的驱动发动机、两段式减速齿轮和1.3kW/h的镍氢充电电池。特别是：发动机排量由第二代普锐斯的1.5L提高至1.8L，发动机输出功率由40kW提高至60kW。

为提高效率，发动机配备了EGR和可在短时间内加热冷却水的余热回收系统；另外，还采用了电动水泵，是丰田汽车的首款无传送带的发动机；除发动机以外，还减轻了传动轴的重量，使扭矩损失较原来减少了20%。

燃效方面，在美国EPA方式的City/Highway Combine模式下为50mile/gal，比第二代普锐斯在该模式下的46mile/gal提高了约10%。该公司称，通过改进混合动力系统取得的效果占6%，通过改进Cd值为0.25的空气动力特性和轮胎滚动阻力等车体性能取得的效果占4%。

新款普锐斯的车身尺寸为4460mm×1745mm×1490mm，轴距为2700mm，与第二代普锐斯相比，车身延长了15mm。发动机的最高输出功率为73kW，比第二代普锐斯高出17kW。混合动力系统整体的最高输出功率由原来的81kW提高至100kW。新款普锐斯配备的是两段式减速齿轮，低速行驶时可产生更高的扭矩。

新款普锐斯

此外，新款普锐斯的车顶配备有京瓷生产的太阳能电池，安装了通过电池发出的电力给车内换气的太阳能通风系统。另外，还配备了远程空调系统，可通过智能钥匙带的空调开关从车外启动空调。

该车已于2009年5月中旬在日本上市，之后以欧美为首，陆续开始在全球的80个国家销售，该公司计划在美国一年销售18万辆。

3.混合动力汽车的节能途径

从以上丰田混合动力汽车Prius的案例分析可见，混合动力汽车是在传统汽车基础上发展起来的一种技术，其主要目的是为了提高整车经济性能，达到节能减排的目的。由于传统汽车是由单一动力源组成，所有动力均来自发动机，使得由最高车速、最大爬坡度及极限加速性等动力性要求设计的发动机功率，与整车平常行驶工况的功率需求之间存在较大差别，如国外某汽车公司在设计某传统汽车时，为保证其加速性和爬坡性能，发动机的最大功率选定为车辆以100km/h在平路上行驶时需求功率的约10倍，或者是在6%坡度上以100m/h行驶时需求功率的3～4倍。因此，传统汽车势必导致发动机大部分时间是以轻载低负荷工作，即出现“大马拉小车”的现象。由于发动机在低负荷工作时的效率与排放极差，从而造成整车燃油经济性与排放恶化，这是传统汽车单一动力源本身特性所决定的固有缺陷。

而混合动力是为了克服这种缺陷而出现的一种驱动系统，它由两种动力源组成——发动机与电动机，可以通过选择较小发动机来满足整车平常大多数情况下的功率需求，而当较少出现的极限驱动要求时由电动机协助完成。由于发动机选择较小，一方面本身就可以降低其能量消耗与改善排放性能；另一方面可大大提高发动机本身工作负荷率，从而改善了整车效率与排放性能。同时，由于电动机的加入，使得在传统汽车难于实现的消除怠速，变得很容易实现（发动机可通过电动机自动控制瞬间起停）。并且，电动机与发动机之间的工作点可以相互进行补充，即可用电动机调节发动机工作在高效区域。另外，电动机还可对制动能量进行回收，以提高整车经济性能。

综上所述，混合动力汽车从以下四方面达到节能的目的：

(1)选择较小的发动机，从而提高发动机负荷率；

(2)改善控制策略使发动机工作在高效区，以改善整车的燃油消耗；

(3)取消发动机怠速以节省燃油消耗；

(4)对制动能量进行回收。

混合动力汽车上述四点节能途径是由其增加了一动力源本身特点所决定，因此，可从根本上消除传统汽车“大马拉小车”的顽症。

4.混合动力汽车的混合度选择

如上所述，混合动力汽车的主要技术优势之一，就是从根本上解决了传统汽车由于“大马拉小车”而导致的油耗居高不下的问题。而这种技术优势能否得以充分发挥的关键是通过科学合理地选择混合度，实现真正意义上的“车马匹配”。所谓的“车马匹配”则包含两层含义：一是通过采用混合动力技术，车辆的总功率是可以根据实际需要变化和调节的，在正常行驶条件下，电助力系统可不参与工作，这相当于传统汽车上采用的“断缸”技术的另一种形式；二是通过合理减小发动机功率，可有效提高其负荷率，从而改善整车的燃油经济性。