第二节 混合动力汽车定义和分类

一、混合动力汽车定义

“hybrid”译为混合，车尾部标有“hybrid”字样的汽车即为混合动力汽车。混合动力汽车是个大的概念，范围较广，因为实用的混合动力汽车由内燃机和电机两种动力混合作为输出，所以称为油电混合汽车，本书的“混合动力汽车”仅特指油电混合动力汽车。

从能量源来看，“油”可以代表汽油、柴油，甚至是天然气，“电”是指以蓄电池、电容、储能飞轮三种形式储能，但三者储存的能量都来源于内燃机带动的发电机，即此时“电也是油”。

二、油电混合动力汽车分类

（一）按串并联分类

传统的混合动力汽车分为串联式和并联式。1997年后出现了一种同时具有串并联特征的混合动力汽车，称为混联式混合动力汽车。

1．串联式

串联式混合动力汽车也称为“增程式”电动汽车。图1-14所示为串联式混合动力汽车基本结构和简化结构示意图，串联就是与车轮直接机械连接的仅是电机。串联式混合动力汽车的工作方式就是用传统内燃机直接通过发电机为电池充电，然后完全由电机提供的动力驱动汽车。其目的在于使内燃机长时间保持在最佳工作状态，从而达到减排的效果。具体说内燃机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电，另一部分经由电机和传动装置驱动车轮。和燃油车相比，这是一种内燃机辅助型的电动汽车，主要是为了增加车辆的行驶里程。由于在内燃机和发电机之间的机械连接装置中设有离合器，它有一定的灵活性。尽管传动结构简单，但它需要三个驱动装置：内燃机、发电机和电动机。如果串联混合型电动汽车设计时考虑爬长坡，应提供较大功率，三个驱动装置的尺寸就会较大。如果用作短途运行（如当通勤车用）或只是用于购物，相应的内燃机、发电机装置功率较低。这种形式的好处是内燃机可以不受行驶状态的影响，一直处于最佳工作状态，对于改善排放大有好处，但转换效率偏低。丰田曾经将这种串联形式应用在考斯特上，并进行了批量生产。

工作过程：

1）纯电动工况：蓄电池—→逆变器2—→电机2—→变速器—→车轮。

2）内燃机起动：蓄电池—→逆变器1—→电机1—→内燃机。

3）车辆原地发电：内燃机—→电机1—→逆变器1—→蓄电池。

4）行驶中串联：内燃机—→电机1—→逆变器1—→蓄电池—→逆变器2—→电机2—→变速器—→车轮。

2．并联式

图1-15所示为并联式混合动力汽车示意图和简化结构。所谓并联式混合动力，就是说电机和内燃机并行排布，动力可以由两者单独提供或是共同提供。在并联混合动力系统中，电动机同时也是发电机，其作用是让内燃机尽量在最佳效率区间工作，从而达到节油的效果。并联混合动力汽车受电机和电池能力的限制，仍然要以内燃机为主要动力。但由于保留了常规汽车的动力传递形式，在效率上更高。

并联式和串联式混合动力汽车的区别是，并联式混合动力汽车采用内燃机和电机两套独立的驱动系统驱动车轮。内燃机和电机通常通过不同的离合器来驱动车轮，可以采用内燃机单独驱动、电力单独驱动或者内燃机和电机混合驱动三种工作模式。从概念上讲，它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降低排放和燃油消耗。当内燃机提供的功率大于驱动车辆所需的功率或者再生制动时，电机工作在发电机状态，将多余的能量充入电池。与串联式混合动力汽车相比，它只需两个驱动装置，即内燃机和电机，而且，在蓄电池放完电之前，如果要得到相同的性能，并联式混合动力汽车的内燃机和电机的体积要比串联式小。即使在长途行驶时，内燃机的功率可以达到最大，而电机的功率只需发出一半即可。

工作过程：

1）纯电动工况：蓄电池—→逆变器—→电机—→离合器（断开）—→变速器—→车轮。

2）内燃机起动：蓄电池—→逆变器—→电机—→离合器（接合）—→内燃机。

3）车辆原地发电：内燃机—→离合器（接合）—→电机—→逆变器—→蓄电池。

4）行驶中并联：第一路为内燃机—→离合器（接合）—→变速器—→车轮，第二路为蓄电池—→逆变器—→电机—→变速器—→车轮。

5）能量回收：车轮—→变速器—→电机—→逆变器—→蓄电池。

3．混联式

图1-16所示为混联式混合动力汽车简化结构。混联形式结合了并联和串联两种形式的优点。其在并联的基础上，将发电机和电机分离开，这样电机在运转过程中也能进行充电，使车辆能以串联和并联两种形式工作。目前的混合动力汽车基本属于这种模式。具体说：混联式混合动力汽车在结构上综合了串联式和并联式的特点：与串联式相比，它增加了机械动力的传递路线；与并联式相比，它增加了电能的传输路线。尽管混联式混合动力汽车同时具有串联式和并联式的优点，但其结构复杂、成本高，不过，随着控制技术和制造技术的发展，现代混合动力汽车更倾向于选择这种结构。

工作过程：

1）纯电动工况：蓄电池—→逆变器2—→电机2—→主减速器—→车轮。

2）内燃机起动：蓄电池—→逆变器1—→电机1—→行星排太阳轮（内齿轮固定或转动）—→行星架—→内燃机。

3）车辆原地发电：内燃机—→行星排内齿圈（内齿轮固定）—→太阳轮—→电机1—→逆变器1—→蓄电池。

4）行驶中串联：内燃机—→行星排内齿圈（内齿轮转动）—→太阳轮—→电机1—→逆变器1—→蓄电池—→逆变器2—→电机2—→主减速器—→车轮。

5）行驶中并联：内燃机—→行星排的行星架—→行星排内齿圈—→主减速器—→车轮，同时加上串联过程中电机2的输出。

（二）按照混合度分类

混合度指电机功率占动力系统总功率的百分比（动力系统总功率为蓄电池给电机的功率和发动机的功率和），分为微混、轻度混、中度混合、重度混合四种。

1．微混

混合度小于等于5%的称为微混合动力，“微混”也称“停起”（Stop-Start）式。在交通拥堵的城市，可以实现节油率5%～10%。微混合动力车型的电机基本不具备驱动车辆的功能，一般是用作迅速起动发动机，实现停起功能。

例如Smart for two mhd就属于这种类型。优点是汽车结构改变很小、成本增加不多、易于实现；有可能成为乘用车的标准设置。主要缺点是当停车需要空调时，不起作用；推广“停起式”结构，需要提高公众的节能意识。学术界有人认为“停起式”算不上混合动力系统，这并不是因为混合度的问题，而是因为没有电机和发动机共同驱动的过程。

2．轻混

混合度在5%～15%的为轻度混合动力。在这种类型中，发动机依然是主要动力，平时主要使用发动机动力，电机在汽车加速爬坡时提供辅助动力，同时具有制动能量回收和停起功能。

别克君越ECO-Hybrid属于这种混合类型。发动机排量可减少10%～20%，节油率可达到10%～15%；技术难度相对较小，成本增加也不多。

轻混合动力汽车的特性：车辆停止时，关闭发动机；起步和加速时电机起辅助发动机作用；减速/制动时，发动机依据传统电控发动机系统控制策略而执行断油模式，并将获得的再生制动能量充入蓄电池；技术结构较简单、成本低、应用广泛。

3．中混

混合度在15%～40%的为中度混合动力，电机可以单独驱动汽车，其他与轻混相同。

4．重混

混合度在40%以上的为重度混合动力。汽车起步、倒车和低速行驶时为纯电动行驶；在小负荷时串联，发动机驱动汽车；中负荷以发动机驱动为主；在大负荷或急加速时电机和发动机同时驱动汽车；具有制动能量回收和停起功能；电机的功率约为发动机功率的50%，节油率可达到30%～50%；技术难度较大，成本增加多。典型的车型是丰田普锐斯（Prius）。

（三）按能否外接电源进行充电分类

按能否外接电源进行充电，分为混合动力（Hybrid Electric Vehicle，HEV）和插电式混合动力（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）两种，如图1-17所示。

1．混合动力系统（HEV）

混合动力系统（HEV）不能外接充电，蓄电池的电能下降到一定数值，比如60%时，由发动机工作带动高压发电机给蓄电池充电，这种充电大多数情况下是在发动机处于高效率工况时。

2．插电式混合动力系统（PHEV）

插电式混合动力系统是根据欧美人驾车习惯而来，能外接充电，更有利于节能减排。国外研究机构根据资料统计得出结论，法国城镇居民80%以上日均驾车里程少于50km，美国汽车驾驶者也有60%以上日均行驶里程少于50km，80%以上日均行驶里程少于90km。因此，在车辆上安装一套大的电池组，使其电量足以撑过这一行程，就可以在大部分日常行驶中达到零排放。

插电式混合动力的特征是可由电能单独驱动，并配备一个大容量的可外部充电的蓄电池组，显著的特性是可通过停车场的380V或家庭220V交流电源进行充电，也可通过充电站的直流充电桩进行快速充电。插电式混合动力汽车电机的功率接近发动机，可实现较长距离的纯电动行驶，电池容量依纯电动行驶里程来选定，电池成本增加较多，节油率在不计电能时最大可达到100%。