混合动力车（HEV）系统及控制方式剖析

在2009年日本国内新车销量中，丰田“普锐斯（Prius）”以超过20万辆的业绩高居榜首，如今EV" title="HEV">HEV已完全成为大众型汽车。HEV通过充分利用马达，大大改善了发动机汽车起动及减速时的能耗和尾气排放等缺点，同时还解决了EV存在的行驶距离和充电时间等问题。本文将对HEV系统的种类及特点进行介绍。

　　混合动力车（HEV）系统完美融合了发动机汽车和电动汽车（EV）的技术，对EV采用的马达及电池技术进行了充分利用。EV尽管从汽车黎明期就已出现，并在1900年以前达到了实用水平，但迄今为止一直未能实现全面普及。

　　在第二次世界大战后的汽油紧缺时期，EV作为替代能源汽车开始在日本上市。1949年日本国内EV产量达到3299辆，占到当时日本汽车保有量的3％。但是，随着发动机汽车的改进以及加油站的普及，EV的势头开始在日本逐渐衰退。

　　之后，汽车业界从1971年起将EV定位于环保汽车展开了开发。当时日本的通商产业省工业技术院利用大型项目制度（由汽车、电机及电池厂商参加）启动了EV的研发，众多汽车厂商及部件厂商投入了极大的精力。但在1980年以后，随着发动机汽车尾气净化技术的进步，EV再次消失了踪影。

　　在20年过后的1990年，美国加利福尼亚州制定了尾气排放规定“ZEV法案”（零排放车辆法）。当时，除了EV以外，没有任何一种汽车能够达到这一规定，因此EV的开发再一次被启动。

　　ZEV法案的实施时间为1998年，由于必须要销售规定比例的EV，因此各公司开始奋力开发。但是该规定并未按期实行，最终以数年的限量生产而告终。

　　采用EV要素技术的HEV

　　如上所述，EV存在行驶距离、充电时间及成本方面的课题，迄今只在叉车等特定用途领域实现了普及。

　　而解决了EV的上述课题，燃效比发动机汽车出色且实现了低排放的汽车就是1990年下半年面市的HEV。丰田于1997年上市了“普锐斯（Prius）”，本田也于1999年推出了“Insight”。

　　这些HEV采用了为符合ZEV法案而开发的EV要素技术。尤其是镍氢充电电池，在1996年实用化的丰田“RAV4EV”及本田“EV PLUS”上得到了采用。由于有助于延长EV的持续行驶距离，因此即使说HEV没有镍氢充电电池就无法实现也不为过。另外，不仅是电池，为EV开发的使用稀土类磁铁的永久磁铁（PM）式同步马达也为HEV性能的提高做出了贡献。

　　在介绍HEV的系统之前，先来谈谈为符合ZEV法案而开发的EV。图1列出了丰田RAV4 EV的系统构成。该系统根据油门传感器检测的踩入量，由EV·ECU（电子控制单元）控制逆变器，驱动行驶马达。马达采用永久磁铁式马达。

图1：丰田“RAV4 EV”的系统构成
1996年实用化的、配备镍氢充电电池的EV。

　　驱动马达的电池采用288V镍氢充电电池，通过用电池ECU和EV·ECU监测充放电状态来随时计算行驶时的剩余容量。为电池充电时利用车载充电器通过交流200V商用电源进行。以下将驱动行驶马达的高电压充电电池称为主电池，将辅助驱动用充电电池称为12V电池。

　　在EV行驶控制中，根据油门开度、制动信号、档位及车速等信息，利用驱动扭矩图来决定所需要的车辆驱动扭矩。由EV·ECU的车辆控制部向马达控制部发出扭矩指令，通过PWM（脉冲宽度调制）信号向逆变器传输指令。马达控制采用加速或正常行驶时用作电动机、减速时用作发电机的方式（图2）。　

图2：EV的行驶控制
根据油门开度及制动信号等，决定车辆驱动扭矩。

　　混合动力系统的概要

　　混合动力系统的分类方法有二种。一种是根据可实现的功能的不同来进行分类，另一种是以驱动机构的方式来分类。

　　首先，按功能来分类的话，就如同图3所示。只有无空转功能的称为微HEV或ISS（Idling Stop SySTem）。在该功能的基础上增加加速辅助、能量再生及发动机高效运转功能等的话，就称为弱HEV，而增加EV行驶功能的话则称为强HEV。越接近强HEV，CO2排放量及尾气就越少。而EV的排放全部为零。另外，插电式HEV（PHEV）及通过运转发电用发动机来延长行驶距离的增程器式EV被定位于强HEV和EV之间。

图3：HEV和EV的CO2减排效果
按照不同功能对混合动力系统进行分类。 　　以驱动方式进行分类时，主要分为串联式HEV、并联式HEV、串并联式HEV三种方式。下面来依次介绍一下三者的构成及特点。

　　（1）串联式HEV

　　串联式HEV配备为主电池充电的发动机和发电机，一边始终充电一边用马达行驶（图4）。也可认为是在EV的基础上增加配备了发动机和发电机。在市售车中，与私人乘用车相比，该方式在公交车上采用得较多，丰田1997年上市的“Coaster HEV”以及三菱扶桑卡客车2004年上市的“Aero Nostep HEV”就采用了该方式。
图4：串联式HEV的构成
仅靠马达行驶。配备高功率大型马达。

　　串联式HEV的特点如下。

　　·仅靠马达行驶，因此与其他方式相比，马达及发电机为高功率大型产品。

　　·将发动机动力全部转变为电力，因此能源效率略低。

　　·驱动力控制及功率输出控制较简单。

　　·发动机以稳定状态运转，因此比较容易实现尾气净化。

　　（2）并联式HEV

　　并联式HEV并联配置发动机和马达，可由两方供给行驶动力（图5）。除本田作为“IMA（Intelligent Motor Assist）”进行实用化之外，还得到了戴姆勒“Mercedes-Benz S400 HYBRID”及宝马“ActiveHybrid 7”等的采用。在本田的IMA中，发动机和马达采用直接连接构造，同时旋转。而与此不同的是，还有很多厂商开发了在发动机与马达之间夹入离合器，通过断开离合器来实现EV行驶的系统。

图5：并联式HEV（直接连接）的构成
马达只起辅助性作用，采用小型产品。

　　并联式HEV（直接连接）的特点如下。

　　·只需在以往车型的发动机与变速箱之间追加马达，因此构成简单。

　　·马达的功率输出只起辅助作用。几乎不进行EV行驶，因此马达为小型产品。

　　·马达兼具发电机作用，因此再生电力只有储存到电池中后才能用于行驶。

　　·通过在发动机与马达之间夹入离合器，可进行EV行驶，但这时需要大输功马达。

　　（3）串并联式HEV

　　串并联式HEV的代表示例是丰田普锐斯等采用的“THSⅡ（Toyota Hybrid System Ⅱ）”。该方式利用行星齿轮机构综合发动机、MG1、MG2三种动力源，根据行驶状态来组合这些动力源，由此进行驱动（图6）。

图6：串并联式HEV的构成
同时具备串联方式和并联方式两者的优点。

　　这里的MG是指马达兼发电机的缩略语。由于需要在马达功能与发电机功能之间频繁进行切换，因此将原来称为马达或发电机的部分称为MG。

　　发动机的作用是驱动车辆和驱动MG1。MG1的作用除了为主电池充电外，还包括作为马达起动发动机以及对车辆进行驱动辅助。MG2的作用是实现EV行驶、做加速辅助，以及作为发电机进行能量再生。

　　串并联式HEV的特点如下。

　　·具备串联方式和并联方式两者的优点，兼顾燃效和行驶性。

　　·系统效率较高，因此燃效提高效果显著。

　　·系统及控制较复杂。　

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