中國電子科技集團第三十八研究所中國電子科技集團公司第三十八研究所何謂混合動力汽車概要說明目錄概述1日本國內市場上主要銷售的混合電動車2混合電動車的構造2串聯混合方式4并聯混合方式5串并混合方式8豐田混合系統 THS-C8豐田混合系統 THS/THS-II11混合動力雜感17為何是混合動力？17混合動力系統是損耗大沒有良好效率的系統嗎？18汽油引擎的特性。18電動馬達的特性19存在的問題點以及今后發展趨勢20存在的問題20今后發展趨勢21混合動力汽車的評判22附錄23概述混合動力汽車：組合多個動力源，視情況不同，同時或分別動作的汽車。因為通常電力是其動力之一，所以很多人也把混合電動車簡稱為混合動力車。該領域日本的技術尤為領先，因此大批量生產的多是日本產。該技術可以說是和美國汽車尾氣凈化法（Muskie法）等廢氣凈化法開始啟用時的CVCC一樣，是日本領先于世界的劃時代先進技術。主要的思路和技術都在1970年開始具備，經過多次試作，目前作為商品車的產量達到每月千臺以上的只有豐田prius系列。普及還有很長一段路要走。日本國內市場上主要銷售的混合電動車串聯混合方式IMATHS-C混合電動車的構造混合電動車系統比較常見的例子是用內燃機的引擎和電動機作為原動機的驅動方式。簡單地說，就是以（汽油）引擎和（電動）馬達驅動的汽車。引擎也有使用柴油的，這里都作為汽油考慮，下面燃料都以汽油說明。混合動力汽車是以石油和電作為動力行駛的車，但它的電并不是從外部供應的，而主要是由汽油引擎帶動發電機而產生的電力，因此，可以說混合電動車的能源是化石燃料汽油。混合動力車的效率之所以高，是因為在單純靠汽油引擎效果較差的情況下，它還可以通過引擎和電機的協調或者是協同效果來減少能耗。混合動力汽車的系統（以下簡稱系統）根據其構造可以分為串聯混合電動車和并聯混合電動車兩大類。l 串聯混合電動車：兩個原動機串聯前級輸出作為后級的輸入的系統。串聯混合動力車是通過引擎帶動發電機發電或者將發出來的電儲存在電池里，需要時再通過電池供電使馬達運轉驅動汽車行駛。具體例如豐田ESTIMA，以引擎出力驅動前輪行駛的同時對馬達發電。這里發出的電力可用于另一個馬達驅動后輪，這樣看它儼然是串聯混合。l 并聯混合電動車：兩個原動機并列共同工作的系統。并聯混合動力車的引擎和馬達都可以作為驅動源，可以根據需要適當地在單獨引擎驅動、單獨馬達驅動和引擎馬達共同驅動的三種方式之間切換。l 串并聯混合電動車：有并聯方式也有串聯方式，其中為了實現串聯方式裝備了兩個馬達。動力分配方式多采用于串并聯混合，目前只有豐田prius使用。Prius和上述estima不同，它不只是驅動前輪還在相同驅動裝置引擎和馬達外增加了發電機，引擎驅動行駛與發電同時進行，發的電可以同時驅動馬達。采用（一直常用于差速齒輪上）行星齒輪這一靈巧的機構來實現此功能。串聯混合方式串聯混合方式是用引擎發電驅動馬達行駛，非常簡單的方式。實際上在其之間設置變頻器和電池。引擎直接驅動的話效率看起來高，但在低轉速時力矩大的電動馬達更省能量。如果有大電池的話，即使引擎停止也能靠儲存的電力驅動馬達行駛，目前車體比較重的公交車等有采用它的傾向。將來如果開發大容量效率好的電池，可以想象在混雜的大街上停止引擎，用引擎發電儲存的電力驅動完全以電動車方式行駛的情景。雖然串聯混合非常簡單，但是在減速時可發揮制動回收能量進行發電。串聯混合方式不只有汽油和柴油引擎，還包括燃料電池汽車等。并聯混合方式本田混合系統 IMA并聯混合方式是用內燃機關（汽油引擎）和電動馬達雙方驅動車輪的方式。驅動馬達需要高壓電池，汽油引擎對此電池充電。因為不進行引擎發電機馬達的串聯混合方式，所以行駛用的馬達兼作發電機。方式有好多種，這里我們學習本田IMA方式（Civic hybrid 車型搭載）。本田IMA方式采用比較小的電池，馬達作為引擎輔助的設計。因此沒有停止引擎以馬達驅動行駛的模式。IMA因為本身是并聯混合式，所以大多數人會把并聯混合式誤解為馬達不能驅動行駛模式，其實這只是IMA引擎為主、馬達為輔的設計思想所致，并不是并聯混合式的特征。Civic搭載的是1.3升氣筒休止VTEC引擎，它有先進的機械技術被稱為稀薄燃燒引擎（Lean burn）。從使用低燃費引擎、混合系統加速時馬達作為輔助這點考慮，它和豐田prius的串并聯混合方式有很大的不同；另一方面，減速時利用回收能量系統和Ni-H電池等共同點也很多。IMA在構造上比THS簡單，零部件數量也有減少。但實際銷售價格兩者差不多。1. 起動引擎不使用引擎起動器而使用與曲柄直連的馬達起動，實現非常安靜的引擎起動。2. 變速機Insight有手動5檔變速機，Civic有CVT。使用引擎發動加速。引擎和CVT間有馬達。能量控制單元內藏的變頻器供電，馬達輔助加速。在汽油引擎消耗燃料大時利用馬達。3. 正常行駛正常行駛只使用引擎動力。所謂的巡航模式時使用馬達發電對電池充電。巡航時有4氣筒引擎一半休止的情況。Prius利用米勒循環（Miller Cycle）減少實質排氣，抑制汽油消耗。4. 減速減速時馬達發電制動。電動車回收制動及相同機構不走送電線路而是對電池充電。大多數混合車和電動車都有此結構。5. 停車停車時自動空轉停止（auto idle stop）機構動作停止引擎，條件不同也有不停止引擎的6. 駕駛模式通常并聯混合式有電池電力驅動馬達行駛的駕駛模式，但IMA沒有此模式。本圖在實際IMA上并不存在。好像是為了使馬達和電機小型化而沒有采用此模式。串并混合方式豐田混合系統 THS-C豐田THS-C是前輪有CVT和馬達，后輪有馬達的串并聯混合。空調壓縮機有引擎和電動馬達兩種工作形式。與分別裝備發電機和馬達的THS不同，它用同一機械兼備馬達和發電機功能。因此，不是單純前輪為串聯混合，引擎驅動前輪馬達的電力來驅動后輪時才是串聯混合。豐田THS-C完全以電氣裝置進行四輪驅動，并用傳動軸分開前輪和后輪進行高度的電子控制。1. 起動狀態對前后馬達供電起動。一定速度馬達行駛時也是此種模式。起動時也有引擎驅動前輪前進的情況。這是并聯混合狀態。2. 全力加速時的狀態前輪由引擎和馬達驅動，后輪由馬達驅動行駛。此模式不能充電。3. 引擎驅動前輪行駛此時把馬達作為發電機使用對電池充電。4. 減速減速時把前后馬達作為發電機回收制動，回收能量。5. 引擎驅動前輪引擎驅動前輪。用這個力使前輪馬達發電再以此驅動后輪馬達。這個是串聯混合和并聯混合相配合的動作模式。加速等引擎效率不好時，在其動力之上再加上一定的電力。豐田混合系統 THS/THS-II豐田THS系統概要l 發動機1：汽油引擎為第一馬達。l 發電機：起動/停止引擎時、串聯行駛時以引擎的動力發電。l 發動機2：電動馬達為第二馬達。l 高壓電池：鎳氫電池。用于行駛或空調用動力。l 驅動電池用變頻器：驅動行駛用馬達變頻器。l 冷凝用變頻器：壓縮冷凝器冷媒的壓縮機是電動的。驅動壓縮機變頻器。l 升壓電路：行駛用馬達能在約500V電力下工作。l 變頻器：不是以引擎動力對通常汽油引擎車用的12V電池（輔機電池）充電而是用HV電池充電。l 輔機電池：因為引擎附近沒有空間，它設置在后部。可使前部不至于太重。l 汽油箱：樹脂造45升箱。初代為50升。因為燃費良好所以更小的油箱也足夠。l 差速齒輪：和普通車相同。l 壓縮機馬達：空調制冷回路用。相當耗電。l 散熱器-1：引擎用散熱器和普通車一樣。水泵為引擎驅動。l 散熱器-2：變頻器發熱強需要散熱器。水泵為電動。l 散熱器-3：空調冷媒發熱需要散熱器（冷凝器）l 散熱器-4：室內暖氣風箱內藏的暖氣用散熱器。使用引擎冷卻系統，冬天不易加熱。l 蒸發器：室內空調單元內藏的冷氣用熱交換器。空調上下2層流動，下部為內部循環方式。1. 引擎開始動作使用發電機曲柄起動引擎，本模式沒有起動系統后據條件自動運轉的自動啟動器開關。2. 引擎的暖機此時，汽車沒有動，回轉能量變為電力儲存于電池。根據氣溫和引擎溫度的不同，其持續時間也有很大的區別。雖然暖機沒有結束就可以發動，但是此狀態下長時間停車，會浪費不少汽油。3. 馬達起動此時暖機結束的話引擎應該在停止狀態。4. 起動引擎立刻發動。此時發電機瞬時工作驅動引擎，然后引擎動力和馬達動力實現加速。馬達有時會停止，因此多數情況會以并聯混合狀態加速。5. 加速加速過程中引擎驅動行駛，同時發電驅動馬達。雖然是引擎和馬達的并聯混合，但是因為引擎發電驅動馬達也可以說是串聯混合。雖然看起來會有不少損耗動作，但是因為發動加速時的汽油引擎效率不好，所以一般會變為電力加速，總體效率會好。6. 全開加速引擎驅動、引擎驅動發電機發電供馬達加速與前圖相同，不同的是此時電池也放電供給馬達。7. 行駛充電當加速達一定速度時，僅使用引擎便能夠行駛。通常情況下，引擎輸出的一部分力將會驅動發電機給電池充電，但是有時也會發生不充電的情況。8. 僅使用馬達行駛一定條件下引擎停止，僅使用馬達便能夠行駛。由于引擎停止，因此不是采用串聯混合動力，而是僅采用從電池輸出的電力來行駛。此模式即可以是串聯混合動力，也可以是并聯混合動力，但是必須需要馬達出力和電池容量都要相當的大。PRIUS在引擎停止時，發電機對引擎制動，并將引擎固定在下次啟動時所需的適當的回轉位置處。另外由于PRIUS沒有配備倒后齒輪，因此在后退時，此運轉模式可以使馬達逆回轉。微速前進（緩慢移動，crawl）也是在這個狀態下。如果是變矩器汽車的話，則會由于流體的粘性抵抗而發生蠕變現象，可以利用這一點來進行微速行駛。也有人將微速行駛叫做蠕動（creep）。PRIUS通過馬達的回轉，產生與此相同的動作。手動擋汽車則通過半離合或者斷續離合來實現微速前行。而PRIUS馬達是通過電腦控制的，因此能夠非常容易實現微速行駛。9. 能量回收松開油門，引擎與馬達便會停止，利用減速時車子的慣性進行發電。這個便是回生制動模式。但是由于存在機械損耗、電氣損耗，運動能量并不能夠完全被回收。此模式不僅混合動力汽車，電動車也采用。PRIUS的THS-II回生制動使用馬達完成。（將馬達作為發電機來使用）10. 滑行引擎停止、馬達停止，那么發電回生制動裝置則相當于不存在的狀態。有時行駛過程中或許不需要動力、制動力，也就是車子處于滑行的狀態。如果是在平地上的話，車速會慢慢降低，如果是處于向下傾斜的地面上的話，則能夠已一定的速度持續行駛。在上圖中空調用的壓縮機依然在運轉當中，如果將空調開關關閉的話，電池和變頻器都將停止運轉。PRIUS的EMV沒有變頻器的圖以及空調動力的圖，因此無法像上圖那樣用箭頭表示出來。11. 停車這個是在交差點等停車時的一個例子。如果空調也不開的話會更加安靜。混合動力雜感為何是混合動力？由汽油引擎發電，把此電力轉換為直流貯藏在電池中，然后電池輸出電力并轉換頻率和電壓驅動馬達。混合動力系統是損耗大沒有良好效率的系統嗎？相比直接用引擎驅動，此方式確實損耗大。充放電的損耗、驅動系的損耗、電池的自然放電等很多損耗。但是混合動力汽車相比一般的汽油引擎汽車，排氣少、燃料消耗率低等能效優點很多。汽油引擎的特性。汽油引擎里有往復式引擎和轉缸式引擎，將作為燃料的汽油變為微粒子或氣體與空氣混合、壓縮、點火，從而引起爆發，利用爆發所得的能量形成回轉力。能夠使1kg左右的燃料變換成可推動1噸重的車子行駛10km左右路程的能量變換裝置就是汽車的引擎。汽車行駛必須要客服各種各樣阻礙行駛的阻力，這就需要動力。以前稱之為【馬力】，現在則用KW等單位來表示為【輸出力】。能量的單位使用KJ或者常用的kwh,由于輸出力是【力】，因此與表示單位時間里消耗的能量是相同意義的。一般的乘用車以時速100km左右行駛時所需要的力大約為20kwh，相當于大約30馬力。由引擎爆發所得的力為回轉力，可作為扭矩傳輸到機械車輪上。這個扭矩是由引擎回轉所得到的輸出力，在這里能夠表示汽油引擎的特征。乘用車的引擎在車子處于停止狀態時大約每分鐘1000回轉（這里寫的是rpm）以下，此時的回轉力（扭矩）并不是那么的大，因此不足以使車子發動。這里就使用到被稱之為變速器的變速設備來傳達動力，通常這個扭矩不是固定的，而是隨著回轉數的增加而慢慢增加。由于輸出力等于扭矩*回轉數，因此隨著引擎的回轉數上升，輸出力能夠迅速增大。但是回轉數存在機械理論的上限且與燃燒效率有關，并不能夠一直持續下去。乘用車最大的輸出大約在4000rpm到8000rpm之間。雖說F1有18000rpm的輸出力，但由于使用引擎的時間完全不同，因此不能相提并論。汽油引擎是內燃機關，其最大效率有一定的使用條件。但在汽車使用過程中對啟動、加速、一定速度行駛、減速等各種各樣的條件下，低效率方面會比高效率多。為了補足這點，在變速機、引擎上做功夫研發更高效率、更好的使用條件。但是從低回轉速到回轉上升的加速過程中要消耗掉大量的燃料，這是汽油引擎的特性所決定的，因此這條路就行不通了。在大城市當中，如果遇上堵車的話，由于不斷的重復啟動、停車，導致燃油的消耗非常大。另外汽油引擎在每次啟動時要消耗電池和汽油，因此短時間停止不動的情況下最好不要停止引擎。堵塞中的汽車引擎大多在工作，此舉很浪費資源。電動馬達的特性電動馬達有隨著回轉數上升扭矩減小的特性。因為輸出力=扭矩*回轉數，因此即使馬達的回轉數上升，也不能夠像汽油引擎那樣得到加速力。但是，從空轉、停止狀態瞬時起動能得到非常大的扭矩，因此不用像汽油引擎那樣經由離合器、變矩器、變速器等，就能夠將汽車一下子發動。當然實際的汽車上裝有差速齒輪裝置等，因此并不是馬達的回轉=車輪的回轉，但基本上處于直結的狀態。PRIUS的馬達扭矩達到了400Nm，這個相當于汽油引擎5000cc排氣量的車。當然產生這個扭矩的回轉數完全不同，因此不能單純地與汽油引擎相比較。總之能夠得到非常大的扭矩是毋庸置疑的。如果將不擅長發動及低速行駛的汽油引擎與擅長低速回轉的電動馬達很好地分別利用的話，便能互補缺點，從而形成前述以減少損耗方法得到高效率性的系統。當然由于存在像新干線那樣時速在250km以上行駛的電車，因此不可以說電動馬達不適用于高速的行駛。但是完全的電動馬達行駛方式限于汽車的大小以及重量，效率不會好。如果采取將高速交給引擎、馬達用于加速的混合動力方式，研制出對乘用車而言高效率的系統就有可能了。存在的問題點以及今后發展趨勢混合動力汽車如前所述，比汽油引擎的汽車有優勢。另外也不像電動車那樣需要借助外部充電，只靠通常加油站補給燃料便能夠行駛；因此不需要對社會基礎設施進行整造，這點也是其一大優勢。存在的問題1. 一臺車裝置引擎、馬達、電池等將導致車重增加。這點從省能源方面考慮絕對是不利因素。另外，車身重量的增加對運動性能也會有影響，重量大的車對環境的負擔也會加大，因此可以說沒有一點優點。2. 裝備這些配置制造成本也會相應增加。雖然隨著技術的進步配件的成本都在下降，但是混合動力汽車由于裝備了普通汽車所不必需的配件，勢必會導致其價格要高于汽油引擎汽車。3. 混合動力汽車由于需要龐大的研發費用，銷售臺數又少，目前還難以回收成本。如果以單車計算，勢必會將價格設定在一個根本無法銷售的范圍。汽油引擎汽車在經歷了大約100年的技術開發以及相當長時間的技術積累才形成現在的價格；大多數技術都是新開發的混合動力汽車沒有像它那樣長年累月的積累。4. 發展中的混合動力汽車即使能夠看出有很多的優點，但考慮到各種各樣技術的開發以及成本負擔，其在市場普遍銷售還是非常困難的。豐田汽車是1997開始銷售PRIUS的，目前為止各公司的開發已經持續了30年左右。5. 在實驗室或者測試場地實現的技術與擁有此技術的汽車能在普通道路上正常行駛之間還有相當大的距離。今后發展趨勢PRIUS這個名稱有【先驅】的意思。制作初代的PRIUS的人也好，買了這個的人也好，或許都是真正意義上的吃螃蟹的人。但是只PRIUS初代還沒停產，2003年又進行了全面性升級改造。在這之前市面上銷售過采用被稱為THS-C的完全不同的混合動力方式制造的大型卡車。至此，越來越多的人認為混合動力汽車將會有廣闊的前景。混合動力汽車的評判混合動力汽車也受到過各種各樣大多無根據的誹謗：沒有電池、價格過高、以及過多使用電腦會造成電磁波傷害等。這些誹謗隨著銷售臺數的增加也隨之減少了。倘若不只豐田、本田，各公司都銷售混合動力汽車的話，這樣的世俗評價也會隨之消失吧！即使是艱難研發成功的低能耗車，也有人覺得制造時的環境負擔過重、整體考慮不換算。但是通過初代PRIUS等的實際銷售和使用結果證明，整體上的省能源、省資源性能都表現優異。另一方面，在低速行駛時由于沒有引擎的聲音，行人等很難注意到；這也是很大的問題。從交通安全的觀點來看是個非常重要的課題。這不僅是混合動力汽車，燃料電池車和電動車也有此問題。駕駛員和行人對于沒有引擎聲音的汽車都不習慣。如果小時候就是在這種交通環境中成長的話，或許還比較容易想得出對應的方法；但現在的成人（聽力正常者