混合动力汽车优势及工作原理

电动汽车（Electric Vehicle，EV）利用蓄电池存储的能量使电动机转动，并将转动力传递给车轮，驱动车辆行驶。电动汽车和内燃机汽车一样历史悠久，它诞生于19世纪70年代。1873年，英国人罗伯特·戴维森研制成功第一辆具有实用价值的用蓄电池驱动的电动车，但此电动车没有能够得到发展，无法与汽油车竞争，是因为当时的蓄电池能量密度低、使用寿命短、充电时间长，每一次充电后行驶路程太短，而汽油车轻便、快捷、舒适，一次加油能连续行驶400～500 km，所以人们越来越喜欢汽油汽车。尽管如此，电动车的生命力并未就此结束，人们对它的研究从没有停止过。事实上，电动车在很多领域已得到广泛应用，如电动叉车，机场、码头、车站、仓库用的电动车，拖车，残疾人用车，观光车等。

近年来人们所关注的电动汽车和早期的电动车有所不同，它是指从车载电源获取电力，以电动机驱动行驶，同时满足道路交通安全法规等各项要求的电动汽车。现代电动汽车与普通电动车是有区别的，它能在道路上快速而机动地行驶。

现代电动汽车是全部或部分由电能驱动电动机作为动力系统的汽车，它包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车3种类型。

1.纯电动汽车

纯电动汽车简称电动汽车。

（1）电动汽车的组成

电动汽车由电力驱动及控制系统、驱动力传动系统等组成。电力驱动及控制系统是汽车的核心，也是区别于内燃机汽车最大的不同点。电力驱动及控制系统由电源、驱动电动机和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同。

1）电源

电源是为电动汽车的驱动电动机提供电能的装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，铅酸蓄电池由于能量较低、充电速度较慢、寿命较短，逐渐被其他蓄电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。

2）驱动电动机

驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动汽车车轮。目前电动汽车广泛采用直流串激电动机，这种电动机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流串激电动机存在换向火花、比功率较小、功率较低、维护工作量大等缺点，随着电动机技术和电动机控制的发展，势必将逐渐被直流无刷电动机（BCDM）、开关磁阻电动机（SRM）和交流异步电动机所取代。

3）电动机调速控制装置

电动机调速控制装置的作用是控制电动机的电压或电流，以控制电动机转矩大小和旋转方向，是为电动汽车的变速和方向变换设置的装置。

4）传动装置

电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动机驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略，如离合器、变速器、差速器等，因为电动机可以带负载起动，所以无须在变速器中倒挡。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。

5）行驶装置

行驶装置与一般汽车的构成相同，由车轮、轮胎和悬架等组成。行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成地面的作用力，驱动车轮行走。

6）转向装置

电动汽车转向装置的作用和结构与普通汽车相同，有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。

7）制动装置

制动装置的作用是使汽车迅速减速或停车，通常由制动器及其操纵装置组成。与普通汽车不同的是，在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它是一个利用汽车行驶的动能发电的发电机，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。

（2）电动汽车的特点

1）无污染，噪声低

电动汽车无内燃机，汽车工作时不产生废气，不产生排放污染，对环境保护和空气的洁净是十分有益的，有“零污染”的美称。电动汽车无内燃机产生的噪声，电动机的噪声也较内燃机小。

但是，使用电动汽车并非绝对无污染，例如，使用铅酸蓄电池做动力源，制造、使用中要接触到铅，充电时产生酸气，会造成一定的污染。蓄电池充电所用的电力，在用煤炭作为燃料时会产生CO、SO2、粉尘等，但它的污染较内燃机的废气要轻得多。

2）能源效率高，多样化

① 电动汽车的研究表明，其能源效率已超过汽油机汽车，特别是在城市运行，汽车走走停停，行驶速度不高，电动汽车更加适宜。电动汽车停止时不消耗电量，在制动过程中，电动机可自动转化为发电机，实现制动减速时能量的再利用。

② 电动汽车的应用可有效地减少对石油资源的依赖，可将有限的石油用于更重要的方面。向蓄电池充电的电力可以由煤炭、天然气、水力、核能、太阳能、风力、潮汐等能源转化。除此之外，如果夜间向蓄电池充电，还可以避开用电高峰，有利于电网均衡负荷，减少费用。

3）结构简单，使用维护方便

电动汽车较内燃机汽车结构简单，运转、传动部件少，维修维护工作量小，当采用交流感应电动机时，电动机无须维护，更重要的是电动汽车易操作。

4）动力电源使用成本高，续驶里程短

2.混合动力汽车

混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）弥补了纯电动汽车的不足，它共用电池和汽油内燃机，既克服了电动汽车行驶里程短的缺点，又减少了污染排放。

（1）混合动力汽车的组成

混合动力汽车由小排量燃油发动机、发电机、电池组、驱动电动机、控制器和电器设备等组成。如图4-1所示为混合动力汽车的基本组成。

图4-1　混合动力汽车的基本组成

（2）混合动力汽车的工作特点

在日常行驶过程中，电脑根据实际情况选择最佳油—电工作模式工作。在市区慢速行驶时，靠电动机提供动力，停车等待时，甚至连电动机也停止工作，不消耗动力，而电动机起动快、扭矩大的优点正适合城市走走停停的使用。只有在蓄电池快耗尽时发电机才会工作，但此时发动机只为蓄电池充电，燃油消耗特别少。在高速公路巡航行驶时，系统会关闭电动机，只选择发动机工作。此时发动机处于连续工作状态，燃油经济性最佳，加上混合动力汽车选用的发动机是小排量，所以比一般汽油机更省油。加速时电动机与发动机联合工作，加速性能相当出色。当踩下制动踏板进行减速时，系统会把多余的动能转化为电能储存到蓄电池中。

（3）混合动力汽车的优点

发动机持续工作时间长，动力性好，而电动机无污染、低噪声，二者可取长补短，汽车的热效率可提高10%以上，废气排放可改善30%以上。

（4）混合动力汽车的类型

混合动力汽车按照能量合成的形式主要分为串联式、并联式和混联式3种。

1）串联式混合动力汽车

串联式混合动力汽车主要由发动机、发电机、电动机和蓄电池组等部件组成，如图4-2所示。发动机仅仅用于发电，发电机所发出的电能供给电动机，电动机驱动汽车行驶。发电机发出的部分电能向蓄电池充电，来延长混合动力电动汽车的行驶里程。另外，蓄电池还可以单独向电动机提供电能来驱动汽车，使混合动力汽车在零污染状态下行驶。

负荷小时，由蓄电池驱动电动机带动车轮转动；负荷大时，则由发动机带动发电机发电驱动电动机。

图4-2　串联式驱动系统

当串联式混合动力汽车处于起动、加速、爬坡的工况时，发动机—发电机组和电池组共同向电动机提供电能；当串联式混合动力汽车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，发动机—发电机组向电池组充电。这种串联式混合动力汽车不管在什么工况下，最终都要由电动机来驱动车轮。电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。

串联式混合动力汽车具有如下特点：

① 发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性和较低的排放指标。

② 由于有电池进行驱动功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机。

③ 发动机与驱动桥之间无机械连接，因此，对发动机的转速无任何要求，发动机的选择范围较大。

④ 发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大。

⑤ 发动机的输出需全部转化为电能，再变成驱动汽车的机械能，需要功率足够大的发电机和电动机。

⑥ 既要起到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充电或过放电，就需要较大的电池容量。

⑦ 发电机将机械能转变为电能、电动机将电能转化为机械能、电池的充电和放电都有能量损失，因此发动机输出的能量利用率比较低。

串联式混合动力汽车发动机能保持在最佳工作区域内稳定运行，这一特点的优越性主要表现在低速、加速等运行工况，而在汽车中、高速行驶时，由于其电传动效率低，抵消了发动机耗油低的优点，因此串联式混合动力汽车更适用于在市内低速运行的工况。在繁华的市区，汽车在起步和低速时还可以关闭发动机，只利用蓄电池进行功率输出，使汽车达到零排放的要求。

2）并联式混合动力汽车

并联式混合动力汽车的组成和串联式基本相同，但它没有单独的发电机，电动机既可以作为电动机又可以作为发电机使用，又称为电动机—发电机组。它是发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机与电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系统提供扭矩，在不同的路面上，既可以共同驱动，又可以单独驱动，如图4-3所示。

图4-3　并联式驱动系统

由于没有单独的发电机，发电机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该装置更接近传统的汽车驱动系统，得到比较广泛的应用。(www.xing528.com)

并联式混合动力汽车具有如下性能特点：

① 并联式混合动力汽车的燃油经济性比串联式的要好。发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无机电能量转换损失，因此发动机输出能量的利用率相对较高，当汽车的行驶工况使电动机在其最佳的工作范围内运行时，并联式的燃油经济性比串联式的要好。

② 有电动机进行“调峰”作用，发动机的功率也可适当减小。

③ 当电动机只是作为辅助驱动系统时，功率可以比较小。

④ 比较小的电池容量即可满足使用要求，因为有发动机补充能量。

⑤ 发动机的排污能力比串联式的高。因为并联式驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响，因此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良工况下运行。

⑥ 并联式驱动系统的传动机构较为复杂。由于发动机与驱动桥之间直接机械连接，需要通过变速装置来适应汽车行驶工况的变化，此外，发动机与电动机并联驱动，还需要动力复合装置，因此并联式驱动系统的传动机构较为复杂。

并联式驱动系统最适合于汽车在中、高速稳定行驶的工况。而在其他的行驶工况，由于发动机不在其最佳的工作区域内运行，发动机的油耗和排污指标不如串联式。并联式混合动力汽车也可实现零排放控制，在繁华的市区低速行驶时，可通过关闭发动机和使离合器分离，使汽车以纯电动方式运行，但这样就需要功率足够大的电动机，所需的电池容量也相应要大。

3）混联式混合动力汽车

混联式混合动力汽车驱动系统由发动机、发电机、电动机、电池组、控制器等组成，是串联式与并联式的综合，如图4-4所示。

发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由控制器控制，输送给电动机或蓄电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。

图4-4　混联式驱动系统

混联式驱动系统的控制原则是在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式工作为主。

混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作处于最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制目标。

与并联式相比，混联式的动力复合形式更复杂，因此对动力复合装置的要求更高。目前的混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合系统的基本架构。

如图4-5所示为丰田公司Prius混合动力轿车驱动系统的结构示意图，它的驱动系统被公认为是目前最成功的系统。它首先将发动机输出的动力通过动力分配机构分解为发电机的驱动力和车轮的驱动力，发电机产生的电力一边供给车轮驱动用的电动机，一边通过控制器把交流电变成直流电给电池充电。电池又通过控制器把直流电变成交流电给驱动电动机供电，以驱动车轮，此部分为串联。其次，尽管车轮是通过变速箱来驱动的，但在此驱动轴上还有发动机，可通过电动机来增加驱动力，此部分为并联。如图4-6所示为丰田Prius混合动力轿车。

图4-5　丰田Prius混合动力轿车驱动系统

1—减速齿轮；2—动力分配装置；3—汽油机；4—发电机；5—电池；6—动力控制单元（逆变器，升压转换器）；7—电动机

图4-6　丰田Prius混合动力轿车

混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。我国自主开发的混合动力汽车节油率可达35%以上，已投入试验示范运营。

对于3种不同形式的混合动力汽车，可根据不同的用途择优使用。如用于城市公交或出租汽车，可开发串联式混合动力汽车；若用于长途客货运输的汽车，则开发并联式的混合动力汽车较为合适；家庭用车或用途比较复杂的其他车辆，则用混联式混合动力汽车。

由于混合动力汽车仍然需要消耗燃油，且结构复杂，成本较高，混合动力汽车只是一种过渡产品，一旦高能电池及快速充电问题得到解决，混合动力汽车最终将被纯电动汽车所取代。

3.燃料电池汽车

（1）燃料电池汽车的发展

采用燃料电池作为电源的汽车称为燃料电池汽车（Fuel Cell Vehicle，FCV）。燃料电池的发明始于1893年，由英国人戈尔夫（W.R.Grove）发明，由于当时无法做到提高单位体积或单位质量的发电量（比容量）而没能得到实际应用。现在的燃料电池是100多年后由英国人布朗士·贝肯（Francis Bacon）总结和整理后发明的，并于1952年取得专利权。所以燃料电池又称贝肯电池。

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的高效率发电装置。燃料可以是氢气、甲醇、石油气、甲烷及其他能分解出氢的烃类化合物。目前大多数燃料电池汽车使用压缩氢气或液化氢气作为燃料。

如图4-7所示为本田汽车公司开发的燃料电池汽车FCX的工作原理。如图4-8所示为本田FCX Clarity燃料电池汽车。

燃料电池的原理：氢通过氢极（负极）接触电解液，从而分解为氢离子和电子。电子向氧极（正极）方向流动，产生出一个单独的电流。氢离子通过电解液、氧极而与氧和电子结合生成水。此流程不断持续，同时产生电、水和热量。

图4-7　本田燃料电池汽车FCX的工作原理

图4-8　本田FCX Clarity燃料电池汽车

燃料电池最初在宇宙飞船上使用。1965年，美国通用电气公司开发了1 kW的固体燃料电池并搭载在Gemini（双子座）号宇宙飞船上，次年美国科技公司（UTC）开发的碱性燃料电池搭载在阿波罗号上。燃料电池用于宇宙飞船的好处在于发电的同时可以获得水，而水对于宇宙飞船是非常珍贵的。

汽车用燃料电池的开发虽然在1960年前后就有，但真正大规模开发是在1991年，当时的美国总统布什提出国家能源战略，并根据这一战略制定了有关法律，推荐使用零排放、高效率的甲醇燃料电池，督促政府能源机构促进开发与研究。通用公司成为客车燃料电池开发计划的主体，于1997年完成了实际车辆的试验。与此同时，其他国家各大公司也不甘落后，纷纷推出燃料电池汽车，如通用、福特、马自达、现代、日产、雷诺和大众等。

（2）燃料电池汽车的组成

燃料电池汽车系统由燃料箱、燃料电池、电池组、控制系统、驱动系统组成，如图4-9所示。

燃料电池工作的过程不像内燃机那样涉及剧烈的燃烧，它不经历过程，不受热力循环限制，故能量转换效率高，燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100%，实际效率已达60%～80%，是普通内燃机热效率的2～3倍。它结构简单、运转平稳，大大优于传统的内燃机。现在应用于电动汽车中的燃料电池是质子交换膜燃料电池（PEMFC）。质子交换膜燃料电池具有比能量高、转换效率高、工作温度低等良好性能。燃料电池不同于传统电池，它更像一台发电机，只要不停地输给它氢气，它就会在电和热的形式中产生能量，不停地工作。

图4-9　燃料电池汽车系统

燃料电池组可以独立地作为能源，也可以与其他的蓄电池组或储能器共同组成“双电源”的燃料电池汽车，还可以与不同类型的发动机共同组成混合动力燃料电池汽车（FCHEV）。

（3）燃料电池汽车的优点

1）热效率高

用碳氢化合物燃料经过改质器改质，并经过燃料电池将化学能转变为电能，然后再通过电动机和驱动系统驱动的车轮，其综合效率可达到34%。而内燃机的综合效率约为11%，仅为燃料电池的1/3。热效率高是燃料电池突出的优点，热效率高意味着燃料电池汽车比内燃机汽车更加节能。

2）零污染或超低污染

采用以氢气为燃料的燃料电池，燃料经过化学反应后所产出的废物只有水，其排放废气属于“零污染”。采用以甲醇或汽油为燃料经过改质后产生氢气，也只有极少数的CO、CH、NOx等有害气体排放，属于超低污染，完全可以达到最严格的排放标准要求。燃料电池本身没有运动件和运动副的摩擦损耗，在化学反应中没有噪声。

3）在宽广的范围内保持效率高、过载能力强

燃料电池组在额定功率下运行时，效率可达到60%左右，在部分功率下运行时，效率可达到70%左右，而在过载功率下运行时，效率可达到50%～55%。功率范围宽广，效率受输出功率变化影响小，短时间的过载能量可达到200%，适用于各种类型的燃料电池汽车动力性能和加速性能的要求。

4）配置灵活、机动性大

不同种类的燃料电池的单体电池所能产生的电压略有不同，单体电池所能产生的电压约为1 V。通常将多个单体电池按使用电压和电流的要求组合成为燃料电池组，有利于组合成不同功率的系列燃料电池组。其辅助设备可以在不同类型燃料电池汽车上灵活地配置，能够充分地利用车辆上的有效空间。

5）充分利用现有服务设施

燃料电池与其他电池所不同的地方是燃料电池汽车的续驶里程可以与内燃机汽车一样，只取决于燃料电池汽车燃料箱所装载的燃料（氢气或甲醇、汽油等）的多少。特别是以甲醇或汽油作为燃料时，燃料的装载方法与内燃机汽车也相似，在几分钟内即可加满所需的燃料，可以充分利用现有内燃机汽车加油站的现成设备和服务体系。

（4）燃料电池汽车的缺点

1）辅助设备复杂

以甲醇或汽油为燃料的燃料电池汽车，甲醇或汽油等燃料通过改质器进行改质后，除产生氢气外，还产生少量的CO、CO2、CH、NOx等气体混杂在氢气中，其中CO会使催化剂“中毒”而失效，在 H2进入燃料电池组之前，必须采用净化装置对CO、CO2和NOx进行分离处理，因而增加了结构和工艺的复杂性。由于甲醇或汽油在改质过程中会产生热量，因此还需要对改质系统进行热的控制和管理。

2）辅助设备重、占用体积大

目前燃料电池汽车大多数采用氢气作为燃料，但氢气的制取、储存、运输和灌装还没有实现规模化，安全保护要求高，采用氢气作为燃料，需要特种储存罐（高压、低温和防护），罐体体积大，占用空间大。目前使用成本也很高，给燃料电池汽车的使用带来不便。

在采用甲醇、汽油等燃料的燃料电池系统中，需要通过改质器对甲醇、汽油等燃料进行改质后才能制取氢气。目前带改质器、净化器和辅助装置的燃料电池汽车，在质量和体积上都较大，还必须进一步解决甲醇燃料电池的改质器、净化器和辅助装置的小型化和轻量化的问题。

3）起动时间长，系统耐振动能力需进一步提高

采用甲醇或汽油等作为燃料时，需要通过改质器进行改质，一般需要10分钟以上才能产生足够的氢气，比内燃机起动的时间长得多，影响车辆的机动性。燃料电池发动机系统包括燃料电池本身和各种辅助设备，在车辆上受到振动或冲击时，各种管道的连接和密封的可靠性需要进一步提高，以防止发生氢气泄漏，降低了氢的利用率并影响燃料电池的效率，严重时还会引起氢气燃烧事故。由于要求严格的密封性，燃料电池的制造工艺复杂，并给使用和维护带来困难。

燃料电池系统在公共交通领域使用比较可行，因为全球许多国家均支持燃料大客车项目。除城镇地区便于建设集中燃料供应基础设施外，大客车中有较多的空间，利于安装燃料电池，同时其质量限制要求较低，也是有利因素。

随着燃料电池制造成本的下降、加氢站建设步伐的加快、制氢和储氢技术的不断进步，氢能的广泛利用和燃料电池车的商业化必将很快来到。