一、引言近年來，隨著國人對環境問題認知的提升，以及對汽車工業發展轉型的信心，路上行駛的新能源車型越來越多；有純電動的、混和動力的、組合增程式的等等……尤其以純電動汽車增速最大，各種造型、各種配置，讓人眼花繚亂。但是隨著純電動汽車的熱賣和后汽車市場的反饋，使用幾年后，電池衰減，充電難，更換電池產生的巨額費用，續航公里數大打折扣的問題始終困擾著車主。擔心沒電后拋錨的憂慮也在時刻折磨著車主。二、混合動力汽車的概述與工作原理（一）混合動力汽車的概述混合動力汽車：指的是同時裝備兩種動力系統，燃油發動機與電動機相結合的汽車。車輛工程師運用自身的創新和設計理念，將燃油發動機與電動機縝密的結合在一起，什么時候燃油發動機工作，什么時候電動機工作，什么時候兩者一起工作，通過各種技術化設計，將兩者做功的切合點運籌的恰到好處。達到節能省油的目的。（二）混合動力汽車的工作原理混合動力汽車的工作原理：車輛在起步的階段，使用車上的電動機提供動力驅動車子前進。待汽車達到一定的速度后(各個廠家設定的發動機運行節點各不相同)發動機點火做功，配合電動機一同工作，達到共同驅動車輛前行的狀態。車輛速度不高，電動機單獨驅動車輛運行，隨著車速的提高，車輛所需克服的阻力越大，發動機與電動機一起運轉，因為減輕了發動機的負荷，負載減小，所以油耗比純燃油車低。發動機運轉后，帶動發電機發電，將電力源源不斷提供給電動機，并將多余的電力儲存在蓄電池中，為下一次的運轉保存能量。這種相輔相成的設計，將節能環保發揮到了極致。因為擁有了電動機的輔助動力，混合動力汽車對于自身發動機的功率要求不像純燃油車那么高。只要能保證最低的運行功率就夠了，不用擔心像純燃油車那樣，為了節能省油，采用小排量低功率發動機時，起步無力、高速行駛時發動機噪音大的問題。混合動力汽車還設計了剎車能量回收系統。在傳統的燃油汽車行駛狀態下，當司機踩下剎車時，車身前行的慣性力隨著剎車片與剎車盤的摩擦而浪費。但是混合動力汽車卻能將車身前行的慣性力在剎車的過程中轉換成電能，并將其暫時貯存在蓄電池中供下一次加速時再利用。當車輛需要更大的動力需求時，汽油發動機和電動機共同工作，以確保動力輸出的持續性。在低速狀態下，混合動力汽車可以單獨靠電動機行駛，或者單獨靠汽油發動機行駛，達到節油環保的效果。

三、混合動力汽車動力系統架構、國內外研究現狀、發展歷程（一）混合動力汽車動力系統架構混和動力汽車通過四十多年的發展，不論是質量方面還是技術方面都得到了市場的認可，質量可靠，使用方便，維修簡單，而且后市場的保值率也不錯。尤其近幾年，有更多的混合動力汽車走進了千家萬戶，在各個領域發揮著作用。下面介紹一下混合動力汽車的動力系統的類別。按提供動力的方式可以分為三點，分別是串聯式混合動力系統、并聯式混合動力系統和混聯式混合動力系統。3-1串聯式混合動力系統架構串聯式混合動力系統：見上圖3-1它的結構相對來說比較簡單，主體部分擁有一臺小型的燃油發動機，一臺發電機和電動機，搭配蓄電池，變速器等，組成一套完整的動力系統。串聯式混合動力系統的燃油發動機不直接驅動車輛運行，而是間接的帶動發電機發電，發出的電能存儲在蓄電池中。在車輛需要運轉時，將電能輸送到電動機處，電動機驅動車輪轉動，達到車輛前行的目的。串聯式混合動力系統，由于結構相對簡單，制造門檻不高，價格適中，國產新能源車型采用此種結構居多。并聯式混合動力系統：見下圖3-23-2并聯式混合動力系統架構它的結構相較于串聯式混合動力系統，要復雜很多。主要區別在于燃油發動機和蓄電池分別可以獨立的提供動能。也就是說，可以單獨的由燃油發動機驅動汽車，也可以單獨的由蓄電池提供電能給電動機驅動汽車。燃油發動機驅動車輛前行的同時，帶動發電機發出的多余電能可以存儲在蓄電池中。當車輛需要更大的能量輸出時，蓄電池提供電力驅動電動機，與燃油發動機一起工作，減少發動機負載，降低油耗。混聯式混合動力系統：見下圖3-3這個結構在三者當中是最復雜的，結合了串聯式混合動力系統與并聯式混合動力系統的優點，并進行了優化。解決了并聯式混合動力系統電機身兼兩職的劣勢，既能驅動車輛，又能為蓄電池發電。也是目前主流混動車型的標桿配置。按動能混合的程度大小分類，可分為三點，分別是弱混、中混和強混。弱混系統：此系統蓄電池電動機參與燃油發動機做功的比例較小，一般情況下低于百分之十，而且電動機和蓄電池電池組功率也很小，因此電動機不直接驅動車輛。圖3-3混聯式混合動力系統架構強混系統：此系統蓄電池電動機參與燃油發動機做功的比例較大，一般情況下能達到百分之四十左右。電動機和蓄電池組功率也很大，不僅可以直接驅動車輛，而且低速狀態下，完全不需要燃油發動機提供動力，在一定程度上，可以節省很多燃油。中混系統：顧名思義就是處于弱混系統與強混系統中間的產物，強于弱混，低于強混，這里就不多介紹了。3-4動能大小的分類按照電動機位置的不同，可分為：P0、P1、P2、P3、P4。P0電機跟傳統的燃油車發電機原理差不多，都是通過一根橡膠皮帶與發動機動力輸出端連接，但是電機的功率大大強于普通的燃油車上的發電機，正常工況下起到發電作用，車輛運行時起到發動引擎的作用。P1電機布置在燃油發動機和離合器之間，在車輛起步階段，通過計算機系統的運算，P1電機配合燃油發動機一起做功推動車輛前行，減少了發動機的負荷，達到節油目的。P1電機一般運用于帶啟停功能的車型上，車輛制動時還能將車輛的勢能轉為電能回收利用。P2電機位于離合器的后面，變速器的前面。它可以在車輛起步階段，單獨的使用電機驅動車輛運行，一般德系車型采用這個結構比較多P3電機布置在變速箱的后面，在運行時不需要經過變速箱機構，所以跟普通的純電動車型運轉的模式差不多，各項指標的效率很高。P4電機一般安裝在車輛的后橋上，是一個完整獨立的設施，直接驅動車輪。（二）混合動力汽車國內外研究現狀隨著人們生活水平的提升，以及環保理念的增強，節能意識已經漸漸融入到生活的方方面面。小到垃圾分類回收，大到高耗能企業的升級淘汰，無處不在提示著我們，環境保護，節能環保的重要性。尤其在生活的必備大件——汽車方面，更應該起到表率作用，因此各國企業都在努力研發，生產出了各種類型的環保汽車。以促進人類與自然的和諧發展。下面來簡單介紹一下國內與國外的研究現狀。3-5混動汽車銷量增速我國混合動力汽車這幾年發展的不錯，市場供需基本平衡，根據汽車協會發布的信息來看，去年全國混合動力汽車產量高達五十多萬輛，同比增長了百分之二十；銷量達到四十九萬輛，同比增長了百分之十八。各大車企也在混合動力汽車上持續發力，后續車型越來越多，供消費者選擇的余地越來越大。比如：作為老牌的混合動力車企比亞迪，去年研發出了DM-i混合動力系統。這幾年發展勢頭強盛的長城汽車，去年發布了DHT檸檬混合動力技術。注重技術研發的奇瑞汽車研發的鯤鵬混合動力技術也即將量產。還有長安、吉利等等車企，各種混動技術如雨后春筍般接重而來。從以上各個大型車企的布局來看，混和動力研發仍是戰略發展目標。國家層面對于混合動力汽車的發展也是傾注了不少心血，比如：購買減稅，上牌無需搖號等等，各種利好政策的持續加持，相信在可預見的當下，混合動力在我國仍將是主流。國外混合動力發展的亦是如火如荼，比如老牌的混合動力鼻祖豐田，在普銳斯混合動力車型打下的良好口碑下，持續推出了各種混和動力式車型，兼顧價低質優的雙擎卡羅拉/雷凌，為中產階層推出的混動凱美瑞、混動榮放，為高端消費者推出的混動雷克薩斯等等，基本上涵蓋了豐田系的高中低所有系列。而且發動機的熱效率達到了驚人的百分之四十九，電機轉速的提升數值也處在第一梯隊范疇。本田汽車這兩年在混合動力方面也在持續研發，推出的各種新技術新概念緊隨豐田，正在逐步的從單一的弱混往強混上發展，從單電機模式到雙電機模式衍生，推出的混動車型正在逐漸被消費者認可。德系和美系在插電式混合動力方面也是頗有建樹，因為要規避兩田的專利，可能選擇插電式混合動力也是沒有辦法的辦法，但從另一個層面來看，這些老牌資深的車企對于混合動力的投入，不正是對混合動力發展的認可嗎。四、混合動力汽車驅動系統分析與發動機能量管理控制策略研究（一）混合動力系統的驅動控制策略根據混合動力的聯接方式劃分，混合動力系統可以分為串聯式混合動力系統、并聯式混合動力系統和混聯式混合動力系統(1)串聯式混合動力系統驅動控制方式：串聯式混合動力系統顧名思義，就是將發動機、發電機和驅動電動機三個部分串聯在一起的動力系統。發動機與車輛不屬于硬性連接，僅僅起著帶動發電機發電的作用。發電機發出的電能用于驅動電動機運轉，從而使車輛可以正常行駛，一少部分用不掉的電能被儲存在蓄電池中，待車輛負載大時使用。因為發動機不參與直接驅動車輛，所以發動機功率不需要很大，發動機運行的工況也是設計在最佳狀態。因此，發動機相當節能省油，維護保養也就更簡便。正是由于發動機源源不斷的為車輛提供電能，相較于純電動車來說，續航里程更長，從源頭上解決了純電動汽車一次充電行駛里程短的問題。4-1典型的并聯式混合動力系統驅動控制方式(2)并聯式混合動力系統驅動控制方式：就是將燃油發動機、發電機和電動機三個部分并聯在一起的動力系統。燃油發動機可以單獨的驅動汽車，電動機也可以單獨的驅動汽車，當車輛需要更大驅動力的時候，發動機和電動機兩套動力系統可以一起運行，達到增強車輛動力性和節省燃油的目的。簡單來說：車輛在起步階段，電動機單獨運轉，待車輛達到一定速度后，發動機點火運轉，若需要更大的負荷狀態，發動機和電動機共同運轉。4-2典型的混聯式混合動力驅動控制方式(3)混聯式混合動力系統驅動控制方式：混聯式混合動力系統結合了串聯式混合動力系統和并聯式混合動力系統的優點，取長補短，是目前最均衡的混合動力系統。混聯式混合動力系統區別于并聯式混合動力系統的最大優勢，在于混聯式混合動力系統有單獨的發電機，不像并聯式混合動力系統那樣使用電動機作為發電機使用，因此發動機可以與電動機共同工作，隨時對電池組進行充電。根據混合動力驅動的混合程度分類，可以分為：微混合動力系統驅動方式，輕混合動力系統驅動方式，中混合動力驅動方式系統和完全混合動力系統驅動方式。(1)微混合動力系統驅動方式：微混合動力系統是在傳統燃油發動機的啟動電機上加裝了皮帶驅動啟動電機。該電機為發電啟停一體式電動機，用來控制發動機的啟動和停止，取消了發動機的怠速。在車輛怠速狀態時，車載用電設備由蓄電池供電，從而降低了油耗和排放。(2)輕混合動力系統驅動方式：輕型混合動力驅動系統一般由一臺功率不大的小型電動機和一組小型蓄電池系統組成。該系統裝配在發動機上，使用橡膠皮帶與發動機連在一起，通過控制皮帶的停止和轉動實現啟動和停止的效果。運行的原理也很簡單，車輛在制動停止時，回收剎車的能量并將剎車時的勢能轉化成電能并儲存;車輛停止后，發動機熄火，進而節省燃油;車輛起步時，電機使用剛剛收集的電能轉動皮帶，啟動發動機。從而減少了發動機怠速空轉的時間，降低了排放和油耗。(3)中混合動力系統驅動方式：通俗講就是插電式混合動力系統。車輛運用相對大一些的蓄電池用于儲存電能，可以使用電網充電，也可以用發動機發電。短途勻速行駛時可以單獨使用電動機驅動車輛，待蓄電池電量低時，發動機啟動介入。當車輛需要較大動力時，發動機與電動機一起運行。中混合動力系統制造門檻相對來說不是很高，國內外各大車企運用此類方式較多，既能避開豐田本田的專利，也可以達到混合動力市場提升占有率的目標。(4)完全混合動力系統驅動方式：完全混合動力系統是指既可以使用發動機或者電動機單獨驅動車輛，也可以同時使用兩種動力一起運行的驅動系統。結合了輕混合動力系統和中混合動力系統的優點。是目前最理想的混合動力驅動方式之一。（二）混合動力汽車發動機能量管理策略研究混合動力汽車發動機的工作模式與傳統的燃油發動機不同，因為發動機是與電動機配合運轉。所以發動機的能量管理策略也有所不同。下面簡單的介紹一下混合動力汽車發動機能量管理的策略。基于規則的能量管理策略：車輛在踩下油門踏板的時候，計算機會根據當前的車速和踩下加速踏板的程度，計算出所需要的扭矩大小和電池功率大小，然后通過扭矩分配器的運算，計算出發動機和電動機的扭矩需求，最后合理的分配到發動機和電動機終端上。基于動態規劃的全局優化能量管理策略：它是一種解決多方面問題的運算方法，把一些復雜的情況通過運算轉變為簡單情況的管理策略。五、混合動力汽車存在的問題混合動力汽車作為當下汽車市場的熱點車型，不僅省油耐用，而且擁有各種利好政策的傾斜。但是價格一般比較高，保值率稍差，不易保養；其次，一旦饋電，車輛運行起來噪音較大，影響整體的舒適性；下面簡單的歸納一下常用混動系統的優缺點。（一）串聯式混合動力汽車的優缺點優點：串聯式混合動力結構最為簡單，控制策略的優化也最容易解決，甚至比傳統的燃油汽車更容易制造。由于不需要發動機直接參與驅動車輛，所以對發動機的功率沒有硬性要求，只要能滿足于電動機的電力需求就可以。由于發動機功率小排放低，進而每年繳納的車船稅也相對較低，所以節約了不少使用成本。缺點：由于串聯式混合動力系統的發動機不直接驅動車輛運行，而是帶動發電機發電，發出的電能使電動機轉動，最后才驅動車輛運行，經過這幾個步驟后，能量會造成較大的損失，再加上車身相較于純燃油車多了電機組、電池組，致使車身更重，使得高速行駛時油耗偏高。串聯式混合動力結構的動力總成相較于傳統燃油車，維護保養一樣不少，對于后期的使用費用會有所增加。（二）并聯式混合動力汽車的優缺點優點：并聯式混合動力系統的發動機和電動機可以單獨的驅動車輛運行，需要負載較大的階段，發動機和電動機一起工作。尤其在車輛的起步階段，傳統的燃油車要提高發動機轉速，增大扭矩，才能驅動汽車，而并聯式混合動力系統起步階段是由電動機直接驅動，不僅安靜，還可以節省不少燃油。缺點：因為只有一臺電動機，不可以同時發電和驅動車輛，所以發動機和電動機共同驅動車輛的狀態不能持續很久。一直用電機驅動的話，蓄電池的電量會很快耗盡，進而轉成發動機單獨驅動車輛。由于車身相較于傳統燃油車多了電池組、電動機機構，自重增加不少，這又造成純燃油驅動時，油耗相較于傳統燃油車會更高。（三）混聯式混合動力汽車的優缺點優點：混聯式混合動力汽車的結構和并聯式混合動力系統的結構相似，但是混聯式混合動力系統汽車的驅動方式更多樣化，在并聯式混合動力系統汽車的基礎上，加入了充電功能。當汽車持續加速或者需要更大扭矩的時候，不用擔心電量消耗的問題。傳動系統的優化，使各工況間運行的更流暢，節油效果更明顯。缺點：混聯式混合動力汽車結合了串聯式混合動力汽車與并聯式混合動力汽車的優點，但緊隨而來的問題就是結構相較于串聯式混合動力系統和并聯式混合動力系統更復雜，再加上運用了更多的新設備、技術，價格方面也會更高一些，維護與前期購置方面不占優勢。最重要的一點：混聯式混合動力汽車在長距離高速行駛過程中，大部分都是使用內燃機驅動的，加上電池組的自重，相較于純燃油車并不占優勢。所以在市區這種走走停停的路況，混聯式混合動力系統才更有優勢。六、混合動力汽車發展所需解決的問題對于混合動力汽車的前景，我們都是保持著樂觀的心態，因為隨著科學技術的進步，混合動力汽車的品控質量越來越穩定。但是相較于傳統燃油車，混合動力汽車有兩套動力系統，制造成本會更高，所以價格方面沒有優勢。對于混合動力汽車的電動機來講，高速化一定是今后的發展趨勢。就目前可查的資料來說，某品牌混合動力電動機系統從初代的每分鐘一萬三千五百轉提升到了目前的每分鐘一萬七千轉，扭矩也得到相應的提升。由此可見，隨著轉速的提高，效率是上升的，功率密度也是提高的。所以提高電動機的轉速對于混合動力系統來講，也是極為重要的。對于混合動力汽車的蓄電池來講，各大車企運用的類型各不相同，鉛酸鐵鋰的、純鋰電池的、氫動力電池等等，但最終的目的，還是能量密度的提升，如何提升能量密度，將是接下來要解決的根本問題。蓄電池能量密度的提升自然伴隨著新材料新技術的創新，自主企業在這方面的努力有目共睹，希望自主車企用心鉆研，保持好目前的優勢，創造出更優更高效的車用蓄電