1 绪论
1.1 混合动力汽车的定义
混合动力汽车的定义：使用两种或两种以上不同的储能器，能源或转换器作驱动能源来推进车辆行驶，其中至少有一种能源提供电能的汽车称为混合动力汽车。目前我们通常提到的混合动力汽车HEV( Hybrid- Electric Vehicle）是将电动机与辅助动力单元组合在一辆汽车上作为混合动力装置。
混合动力装置是将发动机做小一点，让一部分动力由电池-电动机系统来承担，既发挥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、低噪声的优点。混合动力汽车是采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用人力和电力两套装置开动汽车达到节省燃料和降低排放污染的目的，实用的内燃机既有柴油机又有汽油机，但是共同的特点是排量小、质量轻、速度快、排放好。电动系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。混合动力汽车按照能量的合成主要分为串联式和并联式两种。混合动力汽车与纯电动汽车相比，降
低了对电池能量密度和容量的要求，减轻了电池部分的质量，有利于提高汽车的质量利用系数；动力性、续驶里程以及乘员的舒适性都得到了保证；无需增加充电设施，易于推广应用。与传统的汽车相比，原动机经常处于最佳工况，降低了排放；能量自动回收，提高了能量利用率；采用纯电动行驶模式，可以在特定的区域实现零排放。混合动力汽车除发动机、电动机、蓄电池等各种单元基础外，重要的技术是各系统的电子控制技术和整车的动力系统优化，匹配好的系统能达到节省燃料50%、排放下降80%、制动能量回收达到30%。
1.2 混合动力汽车技术研究的目的和意义
目前，在石油资源的渐趋匮乏和传统燃油汽车排放所造成环境污染的双重压力下，如何才能减少汽车对不可再生资源的依赖。据最新数据统计，目前全世界汽车保有量已经达到了10亿辆，平均每6个人就拥有一辆汽车。而在中国，2011年的汽车产销量已经达到1850.51万辆[1] 。看到这些庞大的数字，能让我们想到的不仅仅是生活水平的提高，还有能源的短缺和环境的恶化。因此，开发低排放、低油耗的新能源汽车成为当今汽车工业界的紧迫任务，特别是其他燃料汽车和电动汽车的开发，例如燃料电池汽车（FuelCell Vehicle 简称FCV）、纯电动汽车（Electric Vehicle 简称EV）和混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle 简称HEV）
。FCV 是利用氢、氧在常温下通过电化学反应产生电能来驱动汽车，可以实现零排放。但是FCV目前存在着成本、技术和氢能源基础设施建设等问题，离产业化至少需要十至十五年的时间。EV虽然也是实现汽车零排放的一大途径，但是由于目前动力电池技术上并未取得突破性的进展，而且电动汽车依然存在在续驶里程短和充电时间长等问题。HEV虽然不能实现零排放，但针对以上FCV、EV 所存在的问题，HEV在目前环境更具有更强大的优势，是解决未来汽车环境污染和能源问题的重要研究方向，是电动汽车中最具产业化前景的车型，在世界范围内将成为新型汽车开发的热点。
2 混合动力汽车的分类及其结构、原理
2.1 混合动力汽车的分类
混合动力汽车根据电力驱动系统和内燃机动力系统的布置形式可以分为3类，串联式混合动力汽车Series Hybrid Electric Vehicle (SHEV)，并联式混合动力汽车Parallel Hybrid Electric Vehicle(PHEV)和混联式混合动力汽车Split Hybrid Electric Vehicle(PSHEV) 三种。
2.2 混合动力汽车的结构及原理
表2-1 典型混合动力电动轿车的结构型式和主要参数 | |||||
车型 | 形式 | 发动机 | 电机 | 蓄电池 | 变速器 |
Toyota Priuse | 混联 | 四缸汽油机 （1.5L 43kw 102Nm） | 33 kw永磁电机驱动车辆和回馈制动能量 | NiMH 288V | CVT |
Honda Insight | 并联 | 三缸汽油机 （1.0L 50kw 90Nm） | 10 kw起动机发电机一体化电机 | NiMH 144V | 5档手动变速器 |
Ford Prodigy | 并联 | 四缸柴油机 （1.2L 55kw 153Nm） | 35 kw起动机发电机一体化电机 | NiMH 288V | 5档自动机械式 |
DC EXS3 | 并联 | 三缸柴油机 （1.47L 55kw 165Nm） | 15 kw起动机发电机一体化电机 | Li-ion 150V | 6档自动机械式 |
GM precept | 混联 | 三缸柴油机 （1.3L 44kw 170Nm） | 25kw3相交流电动机驱动后轴 | NiMH 350V | 4档自动机械式 |
Nissan Tino | 混联 | 四缸汽油机 （1.78L 44kw 141Nm） | 17kw3相交流电动机驱动车辆和回馈制动能量，另一电机起动发电机和给蓄电池充电 | Li-ion | CVT |
2.2.1 串联式混合动力汽车
串联式混合动力(SHEV)驱动系统由发动机、发电机和驱动电动机3部分组成。它们采用“串联”的方式组成驱动系统。发动机驱动发电机发电，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。小负荷时由电池驱动电动机，带动车轮，大负荷时由发动机带动发电机，发电机驱动电动机。串联式驱动系统示意图如图2-1所示。
图2-1串联驱动方式
串联式结构适用于城市内频繁起步和低速行驶工况，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。但是它的缺点是整个动力系统功率储备大，需要功率足够大的电动机。另外，发动机输出的机械能需要转化为电能再转化为机械能，几经转换，机械效率降低[2]。
2.2.2 并联式混合动力汽车
并联式混合动力（PHEV）由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成
，发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成PHEV的驱动系统。并联式混合动力汽车结构比较复杂，发动机与电动机分别属于两个系统，可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩，发动机通过变速箱来驱动汽车，电力驱动系统通过蓄电池和电动机经过耦合同时来驱动汽车。所以销量最好的紧凑型车PHEV可以实现发动机驱动,驱动电动机驱动和发动机—驱动电动机混合驱动3种驱动模式。发动机和发电机单独的功率，能达到PHEV的最大驱动功率的0.5～1倍，这两大总成的功率可以叠加,所以在选择发动机和驱动电动机时，可以选择功率较小的,也可以减少使整个动力总成的体积和质量,造价也随之降低。并联式驱动系统示意图如图2-2所示。
图2-2并联驱动方式
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况。由于并联式驱动系统的发动机工况容易受汽车行驶工况的影响，所以，不适于汽车行驶工况变化较多、较大；相比于串联结构式，需要变速装置和动力复合装置，传动机构较为复杂[3] 。
2.2.3 混联式混合动力汽车
混联式混合动力汽车(PSHEV)是综合SHEV和PHEV结构特点，由发动机、电动-发电机和驱动电动机三大动力总成组成。发动机输出的部分功率通过机械传动输送给驱动桥，其他功率
则用于驱动发电机发电。发电机产生的电能输送给电动机或电池，从而通过动力复合装置使电动机产生的驱动力矩传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略是：汽车处于低速行驶状态，驱动系统主要以串联驱动系统的方式进行工作；当汽车处于高速稳定行驶状态，则主要以并联驱动系统的方式进行共组。混联式驱动系统示意图如图2-3所示。
图2-3混联驱动方式
混联式混合动力汽车充分结合了串联式和并联式驱动系统的优点，组合成了更多种形式的混合驱动模式，可以使发动机, 电动机和发电机等部件进行更多的优化匹配, 从而保证结构在更复杂的工况下也能使系统工作在最理想的状态。而汽车的整备质量也可以得到降低，使经济
性更好，性能更加完善，从动力性能方面拉近甚至于达到内燃机汽车的水平, 减少有害气体的排放，降低污染。因此，混联式混合动力汽车的影响力最大。
3 国内外混合动力汽车的研究现状
3.1 国外混合动力汽车开发情况
随着可持续发展观念在社会上的认知度程度越来越高，世界各国也纷纷将可持续发展战略列入首选课题。自上世纪90年代起，包括日本丰田与美国三大汽车公司在内的世界各大汽车生产厂商陆续投入混合动力汽车的研究开发。经过多年发展，混合动力汽车在商用化、产业化进程上的发展已经较为迅速。特别是2004 年全球各大汽车制造商继续加大环保车型的开发力度，混合动力车型成为各大公司的战略重点，逐渐突破了小型车的限制越来越多的应用在中大型车上，技术竞争愈演愈烈。2010年世界汽车市场混合动力汽车销量已经超过100万辆，据预测，2015年将在世界汽车市场占15%，2020年占25%[4]。
3.1.1 日本混合动力汽车的发展现状
1997年12月在日本京都召开的防止地球温暖化会议，具体确定了发达国家温室效应气体排放的削减目标，进一步加快了日本有关各界对于环保措施制定和实施的步伐，特别是汽车产业投入前所未有的力量致力于低燃料费、低污染汽车的研制开发。由于混合动力型汽车与汽油燃料汽车相比，不仅燃料费用减少很多,而且二氧化碳的排放量可降低至普通车的1/2，排放的有害气体也可削减到规定值的1/10，具有低燃料费和低污染双重优势。因此，日本的汽车制造业普遍认为混合动力型汽车是目前最具有开发前景的车种。
2001年7月，日本开展了“低公害车开发普及行动”，将EV /HEV列为重点开发的低公害汽车之列，并制定了专门的政策，以促进 EV /HEV的普及应用；2002年2月，日本中央环境审议会大气环境领域的一个专门委员会提出了一份有关尾气排放标准的咨询提案；2009年4月1日实施新的“绿税制”，对包括混合动力车、纯电动汽车等低排放且燃油消耗量低的车辆给予税赋优惠，一年的减税规模约为26亿美元，是现行优惠办法减税额的10倍。
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