混合動力汽車現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢淺析

    2014年12月9日，出席《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第20輪締約方會議（COP20）的中國政府代表表示，2016~2020年中國將把每年的CO2排放量控制在100億t以下。而作為CO2排放大戶——機(jī)動車，據(jù)公安部交管局發(fā)布的數(shù)據(jù)，截至2015年6月底，全國機(jī)動車保有量達(dá)到2.71億輛。其中，汽車保有量占機(jī)動車總量的60%，達(dá)到1.63億輛。僅2015年前6個(gè)月就增加了750萬輛的機(jī)動車。伴隨著迅速提升的龐大市場保有量與愈加嚴(yán)苛的排放要求和指標(biāo)，促使汽車人不得不尋求其它解決途徑——發(fā)展新能源汽車已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的方向。
在眾多新能源汽車解決方案中，綜合傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車優(yōu)點(diǎn)的HEV，基本不改變現(xiàn)有汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，不改變現(xiàn)有能源體系及用戶使用習(xí)慣，成為最具現(xiàn)實(shí)開發(fā)意義及產(chǎn)業(yè)化前景的節(jié)能環(huán)保汽車。所謂HEV，是在一輛汽車上同時(shí)配備電力驅(qū)動系統(tǒng)（Traction Motor）和輔助動力單元（Auxiliary Power Unit, APU)，目前HEV通常是指燃油發(fā)動機(jī)與電機(jī)組成的油電混合動力汽車。
與純電動汽車相比，HEV仍以內(nèi)燃機(jī)為主要動力源，其續(xù)駛里程和動力性與傳統(tǒng)汽車相當(dāng)，且可選用較小的電池組，無需修建大量充電設(shè)施。而且，由于可借助發(fā)動機(jī)動力帶動空調(diào)、轉(zhuǎn)向助力及其它輔助電器等，不需消耗有限的電池組電能，保證了駕駛和乘坐的舒適性；而與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，HEV借助電機(jī)助力，可采用較小排量發(fā)動機(jī)，且可使發(fā)動機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在高效工作點(diǎn)附近，從而大大減少汽車變工況（如低速、怠速等）下的排放；通過電機(jī)回收汽車減速制動時(shí)的能量，還能進(jìn)一步降低汽車能耗和排放?？梢姡琀EV在技術(shù)要求、開發(fā)成本和節(jié)能環(huán)保等方面具有綜合優(yōu)勢，世界各主要汽車生產(chǎn)國及跨國企業(yè)都在積極開發(fā)裝備各自混合動力系統(tǒng)的汽車。
HEV動力系統(tǒng)分類
HEV動力傳動結(jié)構(gòu)各種各樣，由此構(gòu)成不同類型的混合動力車輛?？捎萌鐖D1所示的拓?fù)鋱D形方式來表達(dá)。從該圖可清楚辨別混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車、純電動汽車以及燃料電池汽車之間的關(guān)系。
1. 按電池-電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)動力搭配比例區(qū)分，混合動力車輛可劃分為微混、輕度混合、全混合和插電式混合(PHEV)4種類型。
①微混合系統(tǒng)，也叫“起/?；旌?rdquo;，可實(shí)現(xiàn)5%~10%的節(jié)油效果，電池-電機(jī)功率比率很小，電機(jī)僅作為內(nèi)燃機(jī)啟動機(jī)/發(fā)電機(jī)使用，車輛驅(qū)動功率主要來自內(nèi)燃機(jī)。其工作模式：車輛短時(shí)停車時(shí)發(fā)動機(jī)熄火取消怠速工況，車輛重新啟動時(shí)則由電機(jī)即刻發(fā)動內(nèi)燃機(jī)；制動時(shí)由電機(jī)發(fā)電，回收制動能量。
②輕度混合系統(tǒng)，與微混相比，電池-電機(jī)功率比率加大，內(nèi)燃機(jī)功率比率降低，有資料將電機(jī)功率比率不超過發(fā)動機(jī)最大功率的10%定義為輕度混合動力汽車，其節(jié)油可達(dá)10%~15%。工作模式除包括微混的兩種模式外增加了車輛加速、爬坡等工況時(shí)，電機(jī)向發(fā)動機(jī)提供輔助驅(qū)動的模式。
③全混合系統(tǒng)，相比輕度混合動力系統(tǒng)，電池-電機(jī)功率比例更高，典型比例電機(jī)功率達(dá)到內(nèi)燃機(jī)最大功率的40%，不同試驗(yàn)工況節(jié)油達(dá)30%~50%。其工作模式：制動能量回收；電池-電動或內(nèi)燃機(jī)單獨(dú)驅(qū)動以及混合驅(qū)動，車輛起步、倒車、低速、緩加速時(shí)可純電動行駛，急加速時(shí)則有電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)同時(shí)驅(qū)動。Toyota Prius、Lexus RX 400h、Ford Escape Hybrid等都是全混合動力汽車。
④插電式混合動力（PHEV），這是最接近純電動汽車的混合動力模式，電機(jī)功率與純電動汽車基本相同，內(nèi)燃機(jī)功率比例與全混動力汽車基本相同，電池容量比全混大但比純電動車輛小。工作模式為在純電動續(xù)駛里程內(nèi)，車輛純電動驅(qū)動，超出電池能量則運(yùn)行混合動力模式，內(nèi)燃機(jī)起保證續(xù)駛里程作用，電池可通過外部電網(wǎng)充電，PHEV具有純電動汽車的全部優(yōu)點(diǎn)，已成為HEV重要的發(fā)展和研究方向。
2. 按系統(tǒng)能量流和功率流配置結(jié)構(gòu)關(guān)系，HEV可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式3種（如圖2所示)：
①串聯(lián)式，該結(jié)構(gòu)將發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)串聯(lián)，兩者可為一體，同時(shí)蓄電池與電機(jī)串聯(lián)，電機(jī)為最終驅(qū)動汽車行駛的動力部件，其能源可來自蓄電池或發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組。適合用于大中型汽車，目前多見于公共汽車。
②并聯(lián)式，汽車可由發(fā)動機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動或單獨(dú)驅(qū)動。電機(jī)只用做輔助動力時(shí)，功率可選擇比較小，外形尺寸和質(zhì)量都較小，效率也較高。比較適宜城市間公路及高速公路等行駛工況穩(wěn)定的路況，且其需動力復(fù)合裝置，傳動系結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制上難度也較大。
③混聯(lián)式，混聯(lián)式HEV是串聯(lián)式與并聯(lián)式的綜合，可以充分發(fā)揮串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)，低速時(shí)驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作，高速穩(wěn)定行駛時(shí)則主要以并聯(lián)方式工作，與并聯(lián)式相比混聯(lián)式動力復(fù)合機(jī)構(gòu)更加復(fù)雜，存在控制難度大，成本高的問題。
在決定混合動力驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)，混合度即電機(jī)與發(fā)動機(jī)功率比例及采用何種結(jié)構(gòu)方式至關(guān)重要。電機(jī)功率越大，其尺寸、質(zhì)量也越大，且需要更大能量的電池組，整車布置難度也越大；而發(fā)動機(jī)與電機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)系直接決定了動力傳動系統(tǒng)復(fù)雜程度，同時(shí)影響整車控制難度。顯然這兩方面設(shè)計(jì)要參照整車開發(fā)目標(biāo)加以確定，選擇合適的電機(jī)發(fā)動機(jī)功率比例及傳動結(jié)構(gòu)。
HEV發(fā)展趨勢
HEV在保留內(nèi)燃發(fā)動機(jī)及變速機(jī)構(gòu)，增加電動驅(qū)動裝置，通過電機(jī)對發(fā)動機(jī)工況調(diào)節(jié)保證發(fā)動機(jī)在較理想的動力輸出狀態(tài)工作及低排放，同時(shí)又可以獲得符合實(shí)際工況需求的動力輸出，除此之外，混合動力系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對普通汽車換檔品質(zhì)，操控性能的改善，回收制動能量等，可以說是亮點(diǎn)頗多。
2015年4月22日，財(cái)政部、科技部、工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于2016~2020年新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政支持政策的通知》（財(cái)建[2015]134號）。通知中要求，以上四部委將在2016~2020年、全國范圍內(nèi)開展新能源汽車推廣應(yīng)用工作，中央財(cái)政對購買新能源汽車給予補(bǔ)助，實(shí)行普惠制。這無疑是給新能源汽車提供了更大的市場商機(jī)。
就上海而言，存在公共道路資源有限與汽車保有量不斷攀升的嚴(yán)重矛盾。自從上海實(shí)行網(wǎng)上競拍滬牌的地方政策后，每個(gè)月的第二個(gè)周六都是新車主們反復(fù)爭奪的“必爭之地”。而上海為了響應(yīng)國家鼓勵(lì)新能源汽車發(fā)展的政策，表示在本市購買符合國家政策要求的新能源車，將免費(fèi)獲得新能源乘用車專用牌照，這意味著購買新能源汽車可以直接上牌。這大大增加了新能源汽車的吸引力。
上海市經(jīng)信委發(fā)布，2015年1~7月共計(jì)銷售上牌新能源汽車19480輛，同比增長900%。其中比亞迪秦在上海十分熱銷，并成為新能源汽車中的銷量明星。同樣的，根據(jù)中國工業(yè)協(xié)會發(fā)布的數(shù)據(jù)，2014年我國共銷售新能源汽車7.48萬輛，同比增長3.2倍，其中插電式混動車型銷售2.97萬輛，占據(jù)大盤總量的39.7%，同比超過增長8.8倍，混合動力汽車正在迅速崛起。
在汽車電池技術(shù)還不成熟的當(dāng)下，油電混合動力汽車是一個(gè)兼顧駕駛樂趣與排放的折中方案。雖然被稱為過渡產(chǎn)品，但必定會因其既能延續(xù)汽油機(jī)的工業(yè)基礎(chǔ)、又能成為電動車技術(shù)“試驗(yàn)田”載體，而長期存在。各大車企紛紛加碼、加大研發(fā)投入就能驗(yàn)證這一點(diǎn)。