混合动力汽车现状及发展趋势浅析

    2014年12月9日，出席《联合国气候变化框架公约》第20轮缔约方会议（COP20）的中国政府代表表示，2016~2020年中国将把每年的CO2排放量控制在100亿t以下。而作为CO2排放大户——机动车，据公安部交管局发布的数据，截至2015年6月底，全国机动车保有量达到2.71亿辆。其中，汽车保有量占机动车总量的60%，达到1.63亿辆。仅2015年前6个月就增加了750万辆的机动车。伴随着迅速提升的庞大市场保有量与愈加严苛的排放要求和指标，促使汽车人不得不寻求其它解决途径——发展新能源汽车已成为未来汽车工业发展的方向。
在众多新能源汽车解决方案中，综合传统燃油汽车和纯电动汽车优点的HEV，基本不改变现有汽车产业结构，不改变现有能源体系及用户使用习惯，成为最具现实开发意义及产业化前景的节能环保汽车。所谓HEV，是在一辆汽车上同时配备电力驱动系统（Traction Motor）和辅助动力单元（Auxiliary Power Unit, APU)，目前HEV通常是指燃油发动机与电机组成的油电混合动力汽车。
与纯电动汽车相比，HEV仍以内燃机为主要动力源，其续驶里程和动力性与传统汽车相当，且可选用较小的电池组，无需修建大量充电设施。而且，由于可借助发动机动力带动空调、转向助力及其它辅助电器等，不需消耗有限的电池组电能，保证了驾驶和乘坐的舒适性；而与传统内燃机汽车相比，HEV借助电机助力，可采用较小排量发动机，且可使发动机经常运行在高效工作点附近，从而大大减少汽车变工况（如低速、怠速等）下的排放；通过电机回收汽车减速制动时的能量，还能进一步降低汽车能耗和排放。可见，HEV在技术要求、开发成本和节能环保等方面具有综合优势，世界各主要汽车生产国及跨国企业都在积极开发装备各自混合动力系统的汽车。
HEV动力系统分类
HEV动力传动结构各种各样，由此构成不同类型的混合动力车辆。可用如图1所示的拓扑图形方式来表达。从该图可清楚辨别混合动力汽车与传统汽车、纯电动汽车以及燃料电池汽车之间的关系。
1. 按电池-电机和内燃机动力搭配比例区分，混合动力车辆可划分为微混、轻度混合、全混合和插电式混合(PHEV)4种类型。
①微混合系统，也叫“起/停混合”，可实现5%~10%的节油效果，电池-电机功率比率很小，电机仅作为内燃机启动机/发电机使用，车辆驱动功率主要来自内燃机。其工作模式：车辆短时停车时发动机熄火取消怠速工况，车辆重新启动时则由电机即刻发动内燃机；制动时由电机发电，回收制动能量。
②轻度混合系统，与微混相比，电池-电机功率比率加大，内燃机功率比率降低，有资料将电机功率比率不超过发动机最大功率的10%定义为轻度混合动力汽车，其节油可达10%~15%。工作模式除包括微混的两种模式外增加了车辆加速、爬坡等工况时，电机向发动机提供辅助驱动的模式。
③全混合系统，相比轻度混合动力系统，电池-电机功率比例更高，典型比例电机功率达到内燃机最大功率的40%，不同试验工况节油达30%~50%。其工作模式：制动能量回收；电池-电动或内燃机单独驱动以及混合驱动，车辆起步、倒车、低速、缓加速时可纯电动行驶，急加速时则有电机与内燃机同时驱动。Toyota Prius、Lexus RX 400h、Ford Escape Hybrid等都是全混合动力汽车。
④插电式混合动力（PHEV），这是最接近纯电动汽车的混合动力模式，电机功率与纯电动汽车基本相同，内燃机功率比例与全混动力汽车基本相同，电池容量比全混大但比纯电动车辆小。工作模式为在纯电动续驶里程内，车辆纯电动驱动，超出电池能量则运行混合动力模式，内燃机起保证续驶里程作用，电池可通过外部电网充电，PHEV具有纯电动汽车的全部优点，已成为HEV重要的发展和研究方向。
2. 按系统能量流和功率流配置结构关系，HEV可分为串联式、并联式、混联式3种（如图2所示)：
①串联式，该结构将发动机和发电机串联，两者可为一体，同时蓄电池与电机串联，电机为最终驱动汽车行驶的动力部件，其能源可来自蓄电池或发动机发电机组。适合用于大中型汽车，目前多见于公共汽车。
②并联式，汽车可由发动机和电机共同驱动或单独驱动。电机只用做辅助动力时，功率可选择比较小，外形尺寸和质量都较小，效率也较高。比较适宜城市间公路及高速公路等行驶工况稳定的路况，且其需动力复合装置，传动系结构较复杂，控制上难度也较大。
③混联式，混联式HEV是串联式与并联式的综合，可以充分发挥串联式和并联式的优点，低速时驱动系统主要以串联方式工作，高速稳定行驶时则主要以并联方式工作，与并联式相比混联式动力复合机构更加复杂，存在控制难度大，成本高的问题。
在决定混合动力驱动系统时，混合度即电机与发动机功率比例及采用何种结构方式至关重要。电机功率越大，其尺寸、质量也越大，且需要更大能量的电池组，整车布置难度也越大；而发动机与电机结构关系直接决定了动力传动系统复杂程度，同时影响整车控制难度。显然这两方面设计要参照整车开发目标加以确定，选择合适的电机发动机功率比例及传动结构。
HEV发展趋势
HEV在保留内燃发动机及变速机构，增加电动驱动装置，通过电机对发动机工况调节保证发动机在较理想的动力输出状态工作及低排放，同时又可以获得符合实际工况需求的动力输出，除此之外，混合动力系统还可以实现对普通汽车换档品质，操控性能的改善，回收制动能量等，可以说是亮点颇多。
2015年4月22日，财政部、科技部、工业和信息化部、国家发展改革委联合发布《关于2016~2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》（财建[2015]134号）。通知中要求，以上四部委将在2016~2020年、全国范围内开展新能源汽车推广应用工作，中央财政对购买新能源汽车给予补助，实行普惠制。这无疑是给新能源汽车提供了更大的市场商机。
就上海而言，存在公共道路资源有限与汽车保有量不断攀升的严重矛盾。自从上海实行网上竞拍沪牌的地方政策后，每个月的第二个周六都是新车主们反复争夺的“必争之地”。而上海为了响应国家鼓励新能源汽车发展的政策，表示在本市购买符合国家政策要求的新能源车，将免费获得新能源乘用车专用牌照，这意味着购买新能源汽车可以直接上牌。这大大增加了新能源汽车的吸引力。
上海市经信委发布，2015年1~7月共计销售上牌新能源汽车19480辆，同比增长900%。其中比亚迪秦在上海十分热销，并成为新能源汽车中的销量明星。同样的，根据中国工业协会发布的数据，2014年我国共销售新能源汽车7.48万辆，同比增长3.2倍，其中插电式混动车型销售2.97万辆，占据大盘总量的39.7%，同比超过增长8.8倍，混合动力汽车正在迅速崛起。
在汽车电池技术还不成熟的当下，油电混合动力汽车是一个兼顾驾驶乐趣与排放的折中方案。虽然被称为过渡产品，但必定会因其既能延续汽油机的工业基础、又能成为电动车技术“试验田”载体，而长期存在。各大车企纷纷加码、加大研发投入就能验证这一点。