混合動力汽車發展綜述

吳瑞竹，肖繼學，宋春華，張漢中，廖 旋，殷 巧

（西華大學機械工程與自動化學院，四川 成都 610039）

0 引 言

在石油資源供應的日益缺乏和環境友好可持續發展的要求下，尋找新能源代替傳統燃料已成為國際共識。

近年來，我國機動車保有量迅猛增長，其尾氣排放已成為影響城市大氣質量最主要的污染源之一，嚴重影響和制約城市的可持續發展；因此，新能源汽車研究項目被國家列入了“863”重大科技課題。純電動汽車雖然具有突出的環保優勢，但是其產業發展的研究總體上處于起步階段[1]，受限于燃料電池等關鍵技術，其動力差、行駛路程短以及成本高等問題沒有得到解決。目前純電動汽車的局限導致其很難市場化[2-3]。

作為傳統燃油汽車與純電動汽車的過渡產品和折衷方案，混合動力汽車（HEV）已經成為國際范圍內新型環保車輛開發的熱點[4]，具有很好的發展前景和市場潛力。

混合動力汽車的定義是由2個以上的動力源提供行車動力，當前一般的混合動力汽車采取的是由內燃機車發電機加上一個蓄電池發電機組成動力系統。混合動力汽車按動力系統的結構可劃分為3種類型，即串聯式混合動力電動汽車（SHEV）、并聯式混合動力電動汽車（PHEV）、混聯式混合動力電動汽車（SPHEV）[5-8]。另外常見的有應用廣泛的BSG（belt-driven starter generator）[9-10]皮帶傳動，以及 ISG（integrated starter generator）[11-13]發動機和電機扭矩疊加混合動力。

混合動力汽車按混合程度不同其技術結構復雜度也不同，往往混合程度越高，整車難度和成本也越高。

1 國內發展現狀

我國非常重視混合動力電動汽車的研究與開發，在“十五”期間，科技部組織國內多家高校、科研機構和企業進行聯合攻關，確立了“三縱三橫”的發展布局。即以混合動力電動汽車（HEV）、純電動汽車（BEV）和燃料電池汽車（FCEV）為“三縱”，以動力控制系統、驅動控制系統和電池及其控制系統為“三橫”。之后，國家“863”計劃中專門確立了含混合動力汽車在內的節能與新能源汽車的重大專項。在這樣的大環境下，我國混合動力汽車的自主創新得到了重大發展。

1.1 國內具有代表性的混合動力汽車產品

（1）中國長安 杰勛混合動力轎車。杰勛混合動力轎車是國內第一款自主研發將中度混合技術實現產業化并且量產的混合動力轎車[14]。杰勛整車都采用自主研發的技術設計，擁有完整的自主知識產權，獲得專利80余項，其中發明專利18項。長安建成了國內第一條完全自主研發的混合動力的生產線。

該車的動力系統是由自主研發的1.5 L的高效發動機和13kW的永磁同步無刷電機組合而成，續駛里程和整體動力水平與2.0 L汽油發動機車型相比基本相當。節油在20%以上，排放限制達到國際領先水平。

（2）一汽 奔騰B70。奔騰B70混合動力版的動力系統采用雙電機方案，屬于全混合結構。該款混合動力轎車成本是燃油型同款車的2～3倍，但隨著批量化生產的實現，成本將逐漸降低。

（3）上汽 榮威750。榮威750混合動力版于2011年10月20日上市，價格為23.68萬元，比同排量同系車型高10%～40%左右。該款混合動力轎車具備“智能停機零排放”和“環保與動力性兼備”兩大突出特點，最大續駛里程能達500 km，節油率為20%左右，采用的是BSG系統。

（4）奇瑞 A3ISG。奇瑞A3是柴油雙離合器并聯式混合動力轎車，動力系統匹配奇瑞ACTECO 1.3L柴油發動機，并匹配強混合動力系統，實現了百公里3.01L的超低油耗。

（5）奇瑞 A5BSG。奇瑞A5BSG是一款并聯式混合動力轎車，與傳統轎車相比，該車在城市路況可節省燃油10%～15%，減少二氧化碳排放量約12%，成本增加了25%～30%。

（6）東風 EQ7200HEV。東風EQ7200HEV是東風汽車公司的重大戰略項目，同時也是“863”項目的重大專項。該款混合動力轎車以EQ7200-II為基礎，采用電控自動變速箱與創新型并聯機電耦合的方案。

（7）比亞迪 F6DM雙模電動汽車。比亞迪 F6DM雙模電動汽車采用的是EV（純電動）+HEV的模式，其續駛里程為純電動模式100 km+混合動力模式330km，最高時速為160km/h。成本增加5萬元左右，量產后可降低到增加3萬元左右。

除上述車型以外，還有多家汽車公司正積極研發混合動力汽車，吉利和江淮汽車也已分別擁有上市的ISG和BSG混合動力車型。

綜合來看，國內混合動力汽車產品因為大量零部件特別是先進的作用于混合動力系統的動力復合裝置都需要進口，從而很難壓低成本，因此還沒有出現能夠量產的中度混合以上的混合動力汽車。BSG低度混合和SHEV等結構簡單、成本較低的車型較多，但是其節油性能并不是很好。

另外我國在混合動力客車的研發上取得了一定成果，當前在北京、大連、上海、昆明等地推廣混合動力客車較多。

1.2 國內混合動力汽車技術

國內混合動力技術主要集中在低、中度混合的研發（BSG、ISG+離合器+MT），較發達國家相對落后，只有比亞迪的雙模混合動力模式較為先進。

國內如吉利也在模仿豐田Prius制造雙ISG+行星輪系混合形式的混合動力汽車，但仍處于研發階段，較之Prius的成熟技術仍有很大差距。

2 國外發展情況

美國、日本和德國是主要的混合動力研發國家，掌握很多成熟先進的混合動力技術以及產品[15-16]。

美國福特、日產北美和Tesla公司在2009年獲得80億美元的貸款用于混合動力和純電動汽車的研發，同年又從奧巴馬政府的綠色新政獲得24億美元的支持。2009年美國混合動力汽車銷量達到29.03萬輛，占其本國汽車市場2.8%的份額。

日本政府對混合動力汽車研發的支持起步更早，豐田普銳斯（Prius）是世界最早的量產混合動力汽車，其銷量超過100萬輛，遠超世界其他混合動力汽車。當前日本混合動力汽車市場占有率已經接近10%。

2.1 國外具有代表性的混合動力汽車產品

（1）美國通用 別克君威EcoHybrid。別克君威EcoHybrid采用BSG混合動力模式，BSG電機布置在發動機前端輪系處，36V鎳氫電池布置在后備箱。較普通車型，百公里油耗從9.8L降低到了8.3L。

（2）福特 Escape SUV。福特Escape SUV采用雙ISG+行星輪系的混合動力形式，電池采用300 V鎳氫電池。混合動力百公里油耗6.32L，燃油經濟性較普通車型提高了25%以上。

（3）凱迪拉克 Escalade。凱迪拉克Escalade采用雙ISG+行星輪系和發動機的雙模混合模式，該車工作模式分為兩種。在兩種模式下汽車均可以在純電動、混合動力以及純燃油模式下工作，不同的是在低速輕負荷模式下發動機有4個缸在運作，而在高速大負荷模式下發動機有8個缸在運作。

（4）通用雪弗蘭 VOLT。該車采用串聯式混合動力系統（SHEV），發動機的動力經過發電機轉化后再傳遞給驅動電機。電池采用16 kW·h鋰電池，用220 V電源3.5h可將電池充滿，純電池驅動可以行使64km，同時也可在行使中使用發動機充電。若使用汽油，通過能源轉換后，每升汽油可驅動17km，超過傳統汽車的2倍。

（5）BMW X5 X7。BMW X5是寶馬公司首款搭載其BMW ActiveHybrid系統的車型。其混合動力形式為ISG+AT，鋰電池包布置在后備箱內，電機串聯在變速器與發動機之間，在車頂還配置有太陽能轉化板。BMW ActiveHybrid X7鋰電池安裝在輪拱之間的行李箱內，維持了寶馬代表性的50∶50重量分配特點。

（6）奔馳 S400 BlueHybrid。奔馳S400 BlueHybrid為奔馳首款搭載鋰電池的量產車型。采用ISG+AT混合動力模式，采用鋰電池組，梅賽德斯公司將電池組與汽車溫控系統進行整合，采用全新設計的鋰電池單元組、電池管理及檢測系統等。

（7）豐田 Prius（普銳斯）。豐田Prius于1997年10月底誕生，是世界上最早實現批量生產的混合動力汽車，其全球銷量早已經超過了100萬輛。最新一代Prius混合動力系統采用雙ISG+行星輪系混合動力模式，電池使用200 V鎳氫電池，豐田Prius是一款技術非常成熟的混合動力汽車。

（8）本田 Civic Hybrid。本田CivicHybrid車型采用ISG+CVT混合模式，是本田新一代混合動力系統，發動機、ISG與CVT串聯起來，橫向布置在機艙內。

2.2 國外混合動力汽車技術

美國通用汽車公司掌握成熟的BSG技術和并聯混合動力（PHEV）技術；美國福特主要致力于雙ISG+行星輪系混合動力汽車的研發，技術也已成熟；克萊斯勒面向高端的串聯式PHEV研發，技術趨于成熟。

法國標致雪鐵龍主要面向柴油發動機的混合動力研發，主要采用BSG+ISG+AMT+離合器混合形式，技術成熟。德國大眾奧迪的ISG和PHEV技術也趨于成熟；奔馳BSG和ISG成熟，雙模混合車型正在研發；寶馬X系列采用ISG+AT混合動力形式，7系混合動力已上市[17]。

日本豐田的雙ISG+行星輪系混合動力技術非常成熟完善，占有大量市場；本田的ISG+CVT混合動力技術成熟[18]。

總體來看，美國和日本都以汽油混合動力為主，美國以中高端大排量車型的混合動力研發為主，日本以豐田和本田為代表的ISG+行星輪系和ISG+CVT為主。而歐洲主要以柴油混合動力車型和少量的低排量汽油混合動力車型為主。

3 目前混合動力汽車面臨的主要問題

混合動力汽車面臨的主要難點有2個：（1）電池組系統，包括電池和電池管理系統兩個部分；（2）動力分配裝置和能量管理系統。

3.1 電池組系統

電池組系統包括電池和電池管理系統2部分[19]。

混合動力汽車對電池的要求是存儲量大、功率高、壽命長和充電所需時間短。同時成本要盡可能壓縮，要經濟、實用、高效。鎳氫電池和鋰離子電池是目前主要能達到混合動力汽車和電動汽車對電池系統要求的兩種電池，但它們仍有成本高或壽命短的缺陷。

電池管理系統的作用是實時監測電池參數并評估其使用狀態（SOC），為駕駛員提供電池狀態信息；能防止電池過充、過放、過流、過壓、溫度過高，其實時監測的精準程度直接決定著動力電池組的使用效率和壽命，一個合格的電池管理系統能夠在充分發揮電池優越性能的同時，保證電池性能，延長電池壽命。同時這也意味著能降低混合動力汽車的行駛成本。

3.2 動力分配裝置和能量管理系統

動力分配裝置的作用是將混合動力汽車驅動系統的電機、內燃機以及發電機結合在一起[20]，實現不同驅動方式的組合，以達到針對不同路況進行不同組合的目的。其要求是能快捷、高效地實現驅動零件的組合和分離。

能量管理系統就是綜合分析電池的荷電狀態、內燃機（或燃料電池）的最佳工況、電機及發電機的效率等信息，針對不同路況自動實現不同的最優化的驅動組合，使汽車在任何路況下都維持最佳工作狀態。

混合動力汽車由于加上了電池系統，使得其動力分配裝置復雜程度遠高于純燃油動力汽車[21]，事實上，實時地根據外界情況自動調節驅動組合極為困難，因此要研發出高性能的能量管理系統非常具有挑戰性。

4 我國混合動力汽車發展思路

按照現在世界電動汽車發展趨勢，混合動力汽車作為一個過渡產品在未來的30～40年內擁有非常良好的市場前景，隨著技術發展，如混聯型（SPHEV）等擁有高混合度、高環保節能性能、高工況適應性的車型將占領主要市場。

從目前我國電動汽車的發展狀況來看，消費者能夠在理念上認可混合動力汽車和純電動汽車，但是卻只有很少數人愿意購買，主要是因為國內混合動力汽車在成本、性能和方便性上的劣勢。因此，我國混合動力汽車應該以努力占領市場為突破口。混合動力汽車動力分配、電池技術和能量管理系統非常復雜，由此產生一系列問題，其一是成本過高，性價比低于純燃油汽車；其二是維修困難，更復雜的汽車系統需要更高素質的維修人才；其三是混合動力汽車充電基礎設施的缺乏，使得給電池充電非常麻煩。相對世界上其他汽車技術先進的國家，我國的汽車產業起步較晚，技術相對落后，部分發動機等主要零部件甚至需要從國外進口。因此，想要突破豐田Prius等高性價比成熟的混合動力汽車對市場的壟斷，就需要國家政策的大力支持，例如對購買國產混合動力汽車實施補貼制度，廣泛添置電動汽車充電站等基礎設施等。除了政策上的支持，最主要的是要在關鍵技術上取得突破創新，因此提出以下3點建議。

（1）首先應大力發展混合動力電池組的研發，比亞迪掌握的電池組技術在性能上已經能基本滿足要求，目前應著力于降低電池成本，盡早實現產業化。

（2）繼續大力發展應用于城市公交車的混合動力系統。由于國內技術相對落后，小型家用混合動力汽車難以在近期實現產業化。因此將混合動力模式應用于城市公交車，從混合動力客車的研發中積累經驗解決問題是一條很好的途徑。

（3）著力于動力復合裝置的研發。無論是對并聯式混合動力（PHEV）還是混聯式混合動力（SPHEV），其動力復合裝置都是至關重要的。只要擁有自主開發的高效能的動力復合裝置，就可以大大削減混合動力汽車的生產成本，極大地促進產業化的進程。

未來電動汽車將逐步取代燃油汽車占領汽車市場，在這之前，市場將被各種耗油少、高效能、高環保性的混合動力車型占領。所以盡早占領市場份額至關重要，我國應加速混合動力汽車的研發和產業化速度。

[1]付翔.中國電動汽車產業發展動力系統研究[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[2]黃睿.我國純電動汽車產業化發展分析[D].上海：同濟大學，2008.

[3]胡斌祥，王仲范，鄧楚南，等.我國電動汽車產業發展戰略研究[J].科技進步與對策，2001,18（4）：31-33.

[4]王冬，田光宇，陳世全.混合動力電動汽車動力系統選型策略分析[J].汽車工業研究，2001（2）：17-20.

[5]Antoni Szumanowski.混合電動車輛基礎 [M].陳清泉，孫逢春，譯.北京：北京理工大學出版社，2001：5-10.

[6]Chan C C.The state of the art of electric and hybrid vehicles[J].Proceedings of the IEEE，2002，90（2）：247-275.

[7]Wirasingha S G，Ali E.Classification and review of control strategies for plug-in hybrid electric vehicles[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60（1）：111-122.

[8]鄧元望，王耀南，陳潔平.混合動力驅動系統及其在越野車中的應用[J].農業機械學報，2006，37（10）：38-41.

[9]葉先軍，趙韓，張炳力，等.BSG混合動力轎車動力系統參數設計及試驗研究[J].汽車技術，2008（6）：24-27.

[10]朱喆.車用BSG 系統簡介[J].汽車維修，2011（4）：46-47.

[11]吳良，鐘文鋒.ISG混合動力電動汽車控制策略研究[J].儀器儀表學報，2009，30（6）：1164-1168.

[12]王淵.并聯式混合動力車整車控制單元的開發[J].西華大學學報：自然科學版，2008，27（4）：34-37.

[13]秦大同，葉心，胡明輝，等.ISG型中度混合動力汽車驅動工況控制策略優化[J].機械工程學報，2010，46（12）：86-92.

[14]楊超.國內外混合動力汽車的發展現狀和前景[D].鄭州：河南農業大學，2011.

[15]Huang K D，Tzeng S C.Development of a hybrid pne umatic power vehicle[J].Applied Energy，2005，80（1）：56.

[16]Donald K，James F.US department of energy hybrid electric vehicle battery and fueleconomy testing[J].Journal of Power Sources，2006，158（2）：1173-1177.

[17]Zhai H B，Christopher F H，Rouphail N M.Development of a modal emissions model for a hybrid electric vehicle[J].Transportation Research Part D-Transpor and Environment，2011，16（6）：444-450.

[18]Mansour C，Clodic D.Dynamic modeling of the electro-mechanical configuration of the Toyota Hybrid System series/parallel power train[J].International Journal of Automotive Technology，2012，13（1）：143-166.

[19]Ehsan T，Soheil S，Shaahin F，et al.Battery storage sizing in a retrofitted plug-in hybrid electric vehicle[J].IEEE Transactionson VehicularTechnology，2010，59（6）：2786-2794.

[20]王飛，劉建國.混合動力汽車（HEY）技術分析[J].安陽工學院學報，2010，9（6）：13-16.

[21]王建斌，酒信陽.汽車混合動力技術發展現狀及前景[J].企業文化，2010（4）：154-155.