1.2.2 混合动力汽车

混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle, HEV）是传统汽车与完全电动汽车（Purely Electric Vehicle）的折中：它同时利用传统汽车的内燃机（可以设计得更小）与完全电动汽车的电机（PMSM或者异步电机）进行混合驱动（包含蓄电池与逆变器环节），减少了对化石燃料的需求，提高了燃油经济性，从而达到节能减排和缓解温室效应的效果。丰田普锐斯和本田音赛特是HEV生产的两大巨头。

当前普遍使用的燃油发动机汽车存在种种弊病，统计表明在占80%以上的道路条件下，一辆普通轿车仅利用了动力潜能的40%，在市区还会跌至25%，更为严重的是会排放废气污染环境。20世纪90年代以来，世界各国对改善环保的呼声日益高涨，各种各样的电动汽车脱颖而出。虽然人们普遍认为未来是电动汽车的天下，但是电池技术问题阻碍了电动汽车的应用。由于电池的能量密度与汽油相比差上百倍，远未达到人们所要求的数值，专家估计在10年以内电动汽车还无法取代燃油发动机汽车（除非燃料电池技术有重大突破）。现实迫使工程师们想出了一个两全其美的办法，开发了一种混合动力装置汽车。所谓混合动力装置就是将电机与辅助动力单元组合在一辆汽车上做驱动力，辅助动力单元实际上是一台小型燃料发动机或动力发电机组。形象一点说，就是将传统发动机尽量做小，让一部分动力由电池—电机系统承担。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长、动力性好的优点，又可以发挥电机无污染、低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，汽车的热效率可提高10%以上，废气排放可改善30%以上。

混合动力就是指汽车使用燃油驱动和电力驱动两种驱动方式，优点在于车辆起动和停止时，只靠电机带动，不达到一定速度，发动机就不工作，因此，便能使发动机一直保持在最佳工况状态，动力性好，排放量很低，而且电能的来源都是发动机，只需加油即可。

混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速器一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。混合动力总成以动力传输路线分类，可分为串联式、并联式和混联式三种。

1）串联。串联式动力由发动机、发电机和电机三部分动力组成，它们之间用串联方式组成SHEV动力单元系统，发动机驱动发电机发电，电能通过控制器输送到电池和电机，由电机通过变速机构驱动汽车。小负荷时由电池驱动电机驱动车轮，大负荷时由发动机带动发电机发电驱动电机。当车辆处于起动、加速、爬坡工况时，发动机、发电机组和电池组共同向电机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电机，当电池组缺电时则由发动机—发电机组向电池组充电。串联式结构适用于城市内频繁起步和低速运行工况，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。但是它的缺点是能量几经转换，机械效率较低。

2）并联。并联式装置的发动机和电机共同驱动汽车，发动机与电机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系提供转矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。当汽车加速爬坡时，电机和发动机能够同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到巡航速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度。电机既可以作电动机又可以作发电机使用，又称为电动—发电机组。由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，这种装置更接近传统的汽车驱动系统，机械效率损耗与普通汽车差不多，得到比较广泛的应用。

3）混联。混联式装置包含了串联式和并联式的特点。动力系统包括发动机、发电机和电动机，根据助力装置不同，它又分为发动机为主和电机为主两种。以发动机为主的形式中，发动机作为主动力源，电机为辅助动力源；以电机为主的形式中，发动机作为辅助动力源，电机为主动力源。该结构的优点是控制方便，缺点是结构比较复杂。丰田的普锐斯属于以电机为主的形式。

功率型动力电池主要应用于混合动力汽车领域。国际上开发出了3.6~8A·h不同容量的功率型动力电池并实现量产，比功率大于4500W/kg。

中国已经开发出应用于混合动力汽车的6A·h三元高功率型动力电池，比能量达到108W·h/kg，比功率大于4000W/kg，循环寿命超过8000次（2C充放电）；6A·h磷酸铁锂高功率电池比能量达到79W·h/kg，比功率大于5600W/kg，循环寿命超过20000次（50%放电深度），已实现量产。

超级电容器在混合动力汽车领域实现了少量应用，主要分为双电层电容器和锂离子混合型电容器。

双电层电容器方面，国外通过集流体表面处理技术、电极制造技术、正负极配比技术和电解液技术，将比功率从10kW/kg提高到了最高78kW/kg；锂离子电容器方面，能量密度达到20W·h/kg，电压区间为2～4V。

国内开发的锂离子电容器，比能量达到100W·h/kg，比功率达到15kW/kg，寿命达到10万次；研制的12000F双电层电容器，比能量达到9.67W·h/kg，比功率达到8kW/kg。

2020年10月发布了《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，其中提出到2025年混合动力乘用车占比达到50%，2030年和2035年分别占75%和100%。HEV因无里程焦虑、油耗低和成本低，是目前消费者优先采用的节能车选择。受双积分政策、国六排放标准等多重因素影响，到2025年国内每年混合动力汽车销量约200万辆。

根据电压平台的不同，搭载锂离子动力电池的HEV系统可以分为48V系统和高电压系统。前者主要采用风冷或者自然冷却方案，系统功率为10～13kW，整车节油率可达10%～15%，相应的电池容量大多为8～10A·h，功率密度在5000～6000W/kg；后者系统电压在200～350V，电量在1～3kW·h（大多在1.5～2kW·h），电池容量在5～6A·h，放电深度（DOD）为30%～50%，2s峰值充放电功率可达到80～100kW，10s峰值充放电倍率达到60～80kW，采用风冷或者液冷实现散热。

目前的高功率电池体系，采用5系二次球小颗粒三元材料为正极，高层间距石墨为负极，单面涂敷聚乙烯隔膜，匹配高电导率、低成膜阻抗电解液。应用于商用车的产品容量为25A·h，应用于乘用车的产品容量为6A·h，采用上述两款电池的HEV电池系统分别在乘用车、重型货车和燃料电池商用车上完成了验证进入量产阶段。重型货车路试结果表明，采用25A·h-14.9kW·h的电池系统综合节油率可达到15%～20%，寿命可达到80万～100万km；采用6A·h-2.1kW·h电池系统的乘用车综合节油率可达38%。