混合动力车的混合度优化设计

三、混合动力车的混合度优化设计：混合动力汽车的主要技术优势之一，就是从根本上解决了传统汽车由于“大马拉小车”而导致的油耗居高不下的问题，而这种技术优势能否得以充分发挥的关键是通过科学合理的选择混合度，实现真正意义上的“车马匹配”。

混合度是混合动力汽车的重要设计参数及混合动力汽车特性参数设计的核心内容，其主要任务是合理确定各动力总成如发动机、电动机、电池的功率和容量等特性参数，而所有这些参数设计中，最为重要的是发动机与电动机功率的确定，即混合度的设计。

本文提出了在一定的约束条件下混合度的最优确定原则，其主要的约束条件为动力性能与电池电量平衡。

因此，与混合度设计相关的研究问题主要为动力系统总功率的设计方法（由动力性约束条件确定）、电池电量平衡策略（由燃油经济性要求确定）及混合度边值条件的研究。

（一）混合度的基本概念所谓混合度，指的是电系统功率P elec 占总功率P total 的百分比，即：%100⨯=P P t o t a l e l e c R (12-1)对于不同的传动系构型，混合度的定义会略有不同。

对于并联式混合动力汽车混合度定义为：%100⨯+=P P P e m m R (12-2)对于串联式混合动力汽车，所有动力均由电动机提供，电动机功率也就是动力源总功率需求，它属于电电混合形式，即发动机发电机组输出的电功率和电池输出的电功率混合一起向电动机提供驱动功率，所以混合度定义为电池系统功率与电动机功率的比值：%100⨯=P P m essR(12-3)式中，P e ，P m 为发动机、电动机功率；P ess 为电能存储系统（即电池）功率。

上述动力源功率是指额定功率，它反映动力源的持续最大输出能力。

混合动力按混合度的分类：从混合度定义可知，混合度越大．说明发动机占的比例越小，越接近纯电动汽车。

相反，混合度越小，相应发动机功率较大，越接近传统汽车。

可以认为传统汽车是混合度为0的混合动力汽车，而纯电动汽车是混合度为l 的混合动力汽车。

如图所示，不同的混合度代表不同类型的汽车，从传统型到助力型、双模式、续驶里程延伸型、最后到纯电动，混合度是逐渐增大的。

从混合动力汽车类型与混合度关系可以看出，对于续驶里程延伸型HEV的设计思想是在普通电动车辆上增加一附加的车载能源(或原动机)并及时为蓄电池补充充电(或承担部分车辆行驶功率)，减小蓄电池的能量消耗，延长电动车辆的续行里程，通常续驶里程延长型混合动力车辆都装备有一个较大容量的电池组和一个小型的附加车载能源( 如发动机/ 发电机组) 或小功率的原动机( 如内燃发动机)，使整车质量与成本增加，其混合比较大, 适用于对排放严格限制的市区车辆。

而助力型HEV，发动机为主动力源，电动机作为辅助动力源以优化发动机的工作特性，提高车辆的经济性和降低排放，具有良好的节能潜力，同时整车布置、质量与成本也非常有利，因此，这种助力型是目前混合动力汽车应用最多的一种类型，其混合度小于50％。

双模式型混合动力车辆综合了上述两种类型车辆的特点, 且电功率与发动机功率基本相同，混合度约为50％。

这种类型汽车的主要特点为：既可以充当传统汽车在郊外行驶，也可充当纯电动汽车以零排放模式行驶相当长距离。

因此，这种系统的发动机、电动机与电池选择都较大．系统复杂，成本较高。

从混合度概念可知，混合度可直接表明两动力源的功率组合，是混合动力汽车重要特性参数，混合动力汽车特性参数设计问题的核心就是混合度设计。

混合动力汽车混合度R现状分析：20世纪70年代，国外就开始进行混合动力汽车的研究和开发，但由于混合动力汽车结构复杂，技术含量高，实现较为困难，直到90年代，各国才相继推出混合动力概念车或样车，并有小批量混合动力汽车产品上市。

今天，混合动力汽车市场更是各国汽车厂商欲以争夺的目标。

图3——2所示为当前一部分混合动力汽车样车的混合度R变化曲线。

这些混合动力汽车有如下不同：1）代表不同的汽车类型。

包括紧凑型轿车、双座跑车和中型轿车，从而导致不同的汽车重量、内部空间及整车性能；2）代表HEV不同发展阶段。

有已市场化的产品，也有美国PNGV计划混合动力概念样车；3）装载不同的传统内燃机。

包括先进的汽油发动机和直喷柴油发动机；4）动力系统混合度R变化很大。

两款已市场化的混合动力汽车本田Insight 和丰田Prius的动力系统混合度分别为0.17和0.47。

由图3——2可以得出如下结论：市场上出现的混合动力汽车混合度R变化范围较广(0.1~0.5)；可以认为，高混合度(R>0.5)的混合动力汽车并不被汽车厂商所考虑(由于电机、电池增加了整车成本)。

图3——2几款混合动力汽车混合度H的变化曲线图3---3三款本田混合动力轿车（红圈）、三款丰田Prius及福特Eascape(绿圈）、和几款与HEV分别同类型传统轿车（蓝圈）的动力系统混合度与汽车牵引负荷效率图。

图中可以出：1）传统中型轿车的负荷效率比较低，研究表明平均约为17%；2）三款本田轻度混合汽车(MHV)对负荷效率的改善没有丰田Prius及福特Eascape完全混合汽车(FHV)好。

3）三款丰田Prius混合度R变化为0.41、0.39、0.47，整车负荷效率相对对应逐渐提高；4）特别地，丰田04版Prius的负荷效率(34%)比其同级别轿车的负荷效率（19%)提高了15%，接近达到传统汽车发动机热机限值效率(38%)。

从而，相对于传统汽车，我们可以得出如下结论：•混合动力技术可以明显提高汽车负荷效率，从而改善整车的燃油经济性；•整车燃油经济性的提高，动力系统的完全混合要比轻度混合好。

•混合度R变化可以对整车的燃油经济性产生很大影响。

图3——3混合度R与汽车牵引负荷效率图基于上述，混合动力技术仍是各国汽车厂商关注的焦点，混合动力汽车仍在不断推出当中，同时现有的HEV动力系统混合度R变化范围很大，而混合度R 吉林大学硕士学位论文的选取又与整车的燃油经济性、整车成本紧密相关，因此深入开展混合动力汽车混合度的研究是很有必要的。

混合度对整车的影响：为了对混合度的合理选择提供定性指导，下面先就混合动力汽车混合度对整车的影啊作一综合分析。

总体上，混合度影响混合动力汽车类型、整车质量、成本、用途、燃油经济性等。

对于某一具体混合动力汽车、成本和燃油经济性是混合度最主要的影响方面，也是混合度设计所考虑的主要因素。

1）混合动力汽车类型混合动力汽车可根据混合度大小划分，当混合度H大于50％为续驶里程延伸型，小于50％为助力型，接近50％为双模式型。

另外，根据行驶前后蓄电池荷电状态SOC变化情况，混合动力汽车也可划分为电量维持型(Charge Sustaining)和电量可消耗型(Charge Depleting)两种。

一般情况，对于电量维持型混合动力汽车是指它的电池电量在实际行车过程中可自动补充，无需车外充电器补充电量，一般电池容量较小，其混合度H相对较小；而电量消耗型混合动力汽车电池电量在行车过程中无法得到平衡，更接近纯电动汽车，电池选择较大，需要车外充电器补充电量，因此，混合度H相对较大。

2）整车质量3---4混合度与整备质量关系混合度对整车质量具有一定影响，一般地，混合度越大，整车质量会增加。

如图（3—4）可知，整车总质量随着混合度值的增大而增加，基本成线性关系变化，这主要是由于发动机—发电机组与电池组的功率密度不同所引起的，由于动力源的总功率确定，增大混合度的值会增大电池组的功率而减小发动机—发电机组的功率，由于电池组的功率密度要小于发动机—发电机组的功率密度，因此，增大混合度的值会引起电池组和发动机—发电机组总的功率密度的降低，但总功率不变，所以其总质量会增加，并且引起整车总质量的增加。

但混合度对整车质量影响其实并不大，混合度增加很大幅度，而整车质量变化约5％。

3）整车成本研究表明，混合度对整车成本具有显著的影响。

在当前技术条件下，电系统的成本和电动机功率基本成线性关系正比例增长。

随着混合度增大，电动机功率越大，相应的电动机控制器和大功率控制元件成本也就大大提高时电池成本也随之升高。

在发动机技术比较成熟的情况下，整车成本随发动机功率的增加不比其随电动机功率变化的快，因此，选择混合度较小的方案是比较明智的。

但是，混合度与整车成本的关系很难建立其精确的数学模型，主要原因是混合动力元件成本很大程度依赖于技术成熟度、产量大小，混合动力元件生产商向整车商供货的涨价额度以及其他随市场变化不确定因素等。

尤其在国内，混合动力总成还不完全成熟和产业化，其精确的成本模型更难建立，因此，在混合度设计方法研究中，仅能定性考虑混合度对成本的影响。

4）用途相对于传统汽车，混合动力汽车由于混合度的灵活选择，使其用途有很大的不同，因此混合度的选择同时还要考虑整车的实际使用情况。

例如，对于小型汽车如轿车，混合度不宜选择过高，因为混合度过高，增加了电池，电动机系统在空间布置实现上的难度。

另外，车常在郊外行驶，如果混合度较大，相应发动机功率较小，整车大部分时间为电系统工作能量经二次转换导致整车效率过低．所以，更适合采用轻度混合系统，让电动机作为调节装置使发动机工作在高效区域内，直接通过机械联接方式驱动车轮，使整个系统的效率得到提高。

5）排放和燃油经济性混合度对整车排放、燃油经济性影响比较显著，一般地，混合度越大，其节能效果越好，整车排放、燃油经济性也越好。

丰田公司根据轻型混合动力汽车混合度大小定义了三种类型，其中类型I为微度或轻度混合型(minimal)，其混合度在10％以下，主要是用来取消发动机怠速以节省燃油消耗，电动机仅为了起动发动机，而基本不能回收再生制动能量，因此，其节能效果有限，该类型的代表车型为CM Silverado，其节能效果只有10％左右。

类型Ⅱ为中度或中等混合型(mild)，其电压与电动机功率都比类型I的要大，即混合度更大，大致在10％～40％之间，典型代表为本田公司的Insight，其节能效果在30％～50％左右。

类型Ⅲ为全混合(full)，典型代表是丰田公司的Prius，其混合度更大，为40％左右，整车节能更明显，其城市燃油经济性可提高80％。

上述分析表明，对于某一具体构型的混合动力汽车而言，随着混合度提高，发动机逐渐减小和电动机逐渐增大，原则上能更充分发挥整车的节能效果。

但受技术条件限制和市场成本的导向．当前混合动力汽车的混合度大多还以轻度混合或中等混合为主。

国外混合动力汽车统计表明，对于轻型汽车，混合度大多数比较小，都不超过45％。

(三)混合度优化设计方法上述混合度对整车影响的研究只能定性指出混合动力汽车应以轻度混合为主，即混合度应小于0.5，但在O～0.5范围内混合度具体如何设计，其合理选择范围应取多大？这些都需要有一套较为完整的混合度优化设计方法。