（汽车行业）混合动力汽
车的探索与研究
毕
业
论
文
题目：混合动力汽车的探索和研究
目录
壹、摘要···························2
二、关键词···························2
三、前言···························3
四、正文：
1.混合动力技术——汽车动力的里程碑····4
2.国内外混合动力系统技术发展现状·······4
3.混合动力系统的构成及工作特点·········5
4.混合动力汽车需要解决的问题和关键技术·5
5.发展前景分析·························6
五、参考文献·························12
六、附录··························13
摘要：随着世界各国环境保护的措施越来越严格，替代燃油发动机汽车的方案也越来越多，
例如氢能源汽车、燃料电池汽车，混合动力汽车等，但目前最有实用性价值且已有商业化
运转的模式，只有混合动力汽车。社会对环境和节能的重视也有力地促进了混合动力车辆
的发展。本文分析了国内外混合动力汽车的研究现状，介绍了混合动力汽车的主要结构形
式和工作特点，指出了混合动汽车目前需要解决的主要问题和采用的关键技术，且对其发
展前景进行了预测。
关键词：汽车内燃机电动机控制
前言
随着全球汽车工业的迅猛发展，石油资源供应的日趋紧张，世界各国积极寻求代用燃料或
者减少燃油的消耗量，大力开发新型节能环保汽车。在太阳能、电能等替代能源真正进入
实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。
正文
1.混合动力技术——汽车动力的里程碑
什么是混合动力技术？所谓混合动力<图 1>，靠的是传统的汽油引擎加上电动机输出动
力作配合，利用引擎在工作时对蓄电池的充电，将电动机和引擎产生的动力不断切换和转
化，达到双动能推动。这样的配合以电动机驱动为主，引擎驱动为辅，达到预期为减少耗
油和废气排放的环保效益。
混合动力汽车的能源来源，目前来说依然主要是汽油和柴油等传统燃料，从燃料来说且不
先进，可是混合动力技术在汽车动力领域具有里程碑的意义。混合动力技术能够根据不同
的行驶状态，利用现代控制技术合理地采用不同的动力策略驱动汽车，且在减速时回收能
量，从提高能量利用率的角度，实现了以节能促减排的效果。这项技术，为汽车动力系统
从传统能源向新能源发展奠定可基础平台，而且混合动力技术不仅能够应用于油/电混合
系统，而且在未来能够应用于氢/电混合系统等新能源混合系统，将成为汽车的基本动力
技术。
2．国内外混合动力系统技术发展现状
国外混合动力系统的发展概况
21 世纪后，各国加快了混合动力系统的概念产品化的进程，相继推出了不同形式的混合
动力系统产品。丰田的 Prius，本田的 Insight，通用的 Precept，福特的 Prodigy，戴姆
勒克莱斯勒的 ESx3，日产的 Tino 等都是具有代表性的车型，其中 Prius 和 Insight 己是
成熟的产品，截止 2008 年 12 月，丰田 Prius 全球销量已经超过了 100 万辆。
我国混合动力系统的研发现状
我国也非常重视混合动力电动汽车的研究和开发，有关工作开始于上个世纪 90 年代。在“十
五”期间，科技部组织北京理工大学、清华大学、东风汽车 X 公司等国内多家企业、高校
和科研机构进行联合攻关，确定了以燃料电池汽车(FCEV)、混合动力电动汽车(HEV)纯电
动汽车(BEV)车型为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电
池及其管理系统三种共性技术为“三横”的“三纵三横”的研发布局;之后，节能和新能源汽车
的研发又被列入“十壹五”863 计划重大项目。
3.混合动力系统的构成及工作特点
混合动力驱动系统联合使用俩种动力装置，壹种是传统的内燃发动机，另壹种是电动机。
整个系统由发动机、电动机、动力分配装置、发电机、蓄电池和电流逆变器等部分构成。
通常，混合动力系统的动力传递方式有三种:串联式、且联式和混联式。各自的结构形式
和特点如下。
串联式混合动力系统
在串联混合动力驱动(SHEV)系统中，所有发动机机械能都转换为电能以驱动电动机。这
种系统使发动机在效率最高的转速范围内工作，因此能最大限度地改善燃油经济性和减少
排放。
且联式混合动力系统
且联式(PHEV)结构有内燃机和电动机俩套驱动系统(见图 2)。发动机和电动机且联，俩者
都能够驱动车轮，电动机仍能够作为发电机给电池充电，不再需要额外的发电机。在车辆
行驶时，系统以发动机为主要动力源，在车辆起步或加速时则使电动机工作，作为辅助驱
动力。当发动机效率低的低负荷工况时，则电动机功能转变为发电机功能，向蓄电池充电。
其次，在车辆制动或下坡减速行驶时，则通过制动能量回收系统进行制动能量回收。
混联式混合动力系统
混联式混合动力驱动系统(PSHEV)是串联式和且联式的综合，其结构如图 3 所示。混联式
驱动系统的控制策略是: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，则以且联工作方式为主。
4．混合动力汽车需要解决的问题和关键技术
目前，混合动力汽车所需要解决的问题包括以下几个方面:其壹，进行动力分配装置和能
量管理系统的研究。其二，开发具备高比能量和高比功率经济实用的电池。其三，混合动
力系统结构复杂，制造成本高，维修比较困难，售价相对较高。其四，建立更先进的驱动
系统数学模型(包括静态和动态的)，进行计算机仿真分析。
具体来讲要进行下面几项关键技术的研究:
混合动力单元技术
在混合动力汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元。为提高燃料经济性，对混合动力
单元必然提出更多的要求，例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭等。目前对混合动
力单元的研究主要集中于:壹是燃烧系统的优化;二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气
催化系统;三是代用燃料的研究。
控制策略技术
混合动力系统产品开发中最关键的环节是根据不同的混合动力驱动系统制定和优化其控
制策略，国外通过系统建模仿真对此进行了大量的匹配理论研究。控制系统的开发首先是
根据采集到的速度和负荷等数据，计算出对应的要求输出功率:计算出以最高效率为基点
的分配到内燃机和电动机上的功率值，即实现内燃机和电动机的最优功率分配比;然后，
根据功率分配比，求出驱动电动机的功率值和其它有关数据，给出内燃机的控制参数和电
动机的控制参数。同时，驱动执行器完成这俩个层次的工作控制。在执行器设计中，功率
分配装置的设计及其和变速器的壹体化设计是关键的部件设计工作。因为它要根据控制器
的指令，正确地进行内燃机功率向驱动车辆功率和驱动发电机功率的分解。
能量存储技术
在电动汽车上，蓄电池的开发和充放电特性的研究是关键。当下，镍氢电池和锂离子电池
己可达到混合动力汽车的使用要求，但仍有价格高或寿命不长等缺陷。从发展见，能量储
存装置的研究应该包括以下几个方面:壹是研究电池内部的连接、检测、监控。二是电池
设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。适用于混合动力汽
车的电池需要有较高的比功率，要达到的目标是，功率和能量比值大于 20W/wh;使用寿
命达到 10 年;至少循环使用 12 万次。三是电池的热能管理及剩余电量管理。此外，电池
的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。
5．发展前景分析
国外混合动力技术发展现状及趋势
随着人们对可持续发展的认识程度越来越高,各国政府也将可持续发展战略列入首选课题。
上世纪 90 年代以来,国外所有知名汽车 X 公司均投入巨资开始进行电动汽车和混合动力
汽车实用车型的研制和开发。很多 X 公司采用了包括现代电子、精密机械、控制技术、
新型材料甚至航天技术在内的各种高新技术,使不少样车的主要动力性指标达到了燃油汽
车的水平。进入 21 世纪后,各国加快了 HEV 的概念产品化的进程,相继推出了不同型式的
HEV产品,Toyata的Prius、Honda的 InsightFord的Prodigy、DaimlerChrysler的ESX3、
GM 的 Precept、Nissan 的 Tino 等都是具有代表性的车型,其中 Prius 和 Insight 已是成
熟的产品,且将继续扩大生产规模,其它车型也将在 2～3 年内推向市场。很多车型都显示
出了优良的环保和节能性能。这标志着 HEV 市场的逐渐成熟。随着各国环境立法的日趋
严厉,电动汽车、混合动力汽车性能的日益提高以及其成本的不断降低,混合动力汽车的市
场份额逐渐增大,已成为重点发展的新型汽车。
日本混合动力型汽车发展状况
1997 年 12 月在日本京都召开的防止地球温暖化会议,具体确定了发达国家温室效应气体
排放的削减目标,进壹步加快了日本有关各界对于环保措施制定和实施的步伐,特别是汽
车产业投入前所未有的力量致力于低燃料费、低污染汽车的研制开发。目前的低燃料费、
低污染汽车主要是以直喷式发动机为主,另外仍有电动汽车、燃料电池汽车、甲醇汽车、
天然气汽车、混合动力型汽车等,这些采用不同动力燃料的汽车均具有各自的优点和不足。
例如:直喷式发动机是在高技术的支撑下诞生的,使其进壹步提高性能存在相当大的难度;电
动汽车充电壹次行走距离短,而且需要配置充电设备;天然气汽车虽然能够减少二氧化碳排
放但也具有壹定的限度;燃料电池汽车则存在燃料氢的存储问题等。可是,由于混合动力型
汽车和汽油燃料汽车相比,不仅燃料费用减少壹半,而且二氧化碳的排放量可降低至普通
车的 1/2,排放的有害气体也可削减到规定值的 1/10,具有低燃料费和低污染双重优势。
因此,日本的汽车制造业普遍认为混合动力型汽车是目前最具有开发前景的车种。
日产汽车制造 X 公司
1997 年 5 月 16 日该 X 公司开发出了能够使连续行驶距离增加壹倍的串联式混合动力型
微型轿车(排气量 1300CC、搭载汽油发动机)。同年 9 月 30 日日产又开发出使燃料费降
低壹半,且且能够批量生产的且联式混合动力型汽车系统。日产开发混合型汽车其动力传
送系统的主要设计思想和丰田 X 公司基本相同,大致可概括为:将动力源分为汽油发动机和
A、B 俩个电动机,根据不同的行驶状况,使之达到最佳利用状态。即起动和低速行驶时(约
30 公里/小时以内),仅利用 A 电动机驱动;中速行驶时利用发动机驱动(但急加速时 A 电动
机也进行辅助动力传送);减速时则将电动机作为发电机使用,进行能量回收。B 电动机壹方
面是作为起动发动机,另壹方面在电池的充电量低于壹定电平时回收发动机的动能作为发
电机使用。从减少排放的角度见,日产和丰田俩家开发的混合动力型汽车基本达到了同壹
指标。但和丰田 X 公司最大的不同是日产 X 公司于 1997 年 9 月开发出的世界第壹台排
气量 2000CC 级、搭载皮带式无级变速机的混合动力型汽车可使燃料效率进壹步提高
20%。由于变速装置完全是电子式控制,因此可根据不同的行驶状态,理想平稳地控制发动
机的输出功率和转矩,提高传动效率。另外,电池是使用了日产电子研究所和索尼 X 公司共
同研制的锂离子电池。关于锂离子电池的实用化问题,尽管在技术方面仍有提出疑问的可
能性,但通过电动汽车搭载考核已经证明且不存在实际应用问题,目前已经进入了可使用
自如的实用阶段。虽然锂离子电池的成本要比镍氢电池高,但由于把钴电极置换成锰电极
的研究正在取得进展,如果能够实用化则可使成本降低。开发的串联式混合动力型汽车的
电池重量仅是电动汽车电池重量的 1/3,且联式仍可比串联式轻 1/3,这样为混合动力型汽
车的小型化和轻型化奠定了基础。日产 X 公司计划在今年下半年或年底之前将混合动力
型汽车投放市场,且且把开发所有车种的混合动力型汽车作为今后的研究方向。
本田汽车 X 公司
本田 X 公司的混合动力汽车采用内燃机带电动机助力（IMA）系统。由 汽油机、
60mm 厚的环状 DC 无刷汝铁硼永磁电机、镍氢电池、动力控制单元集成，装于本田
Insight 俩座轿车上，采用手动或自动变速器，每升汽油行驶里程分别为 35km 或
32km。已经在美国、日本销售，2001 年销量 4726 辆。在美国售价 2－ 万美元,由
于成本很高,不能盈利，实际销量小于预计。最近本田宣布将在美国销售中等尺寸的
Accord 混 合 动 力 轿 车 ,采 用 的 是 V6 汽 油 机 电 动 混 合 动 力 技 术 。 变 气 缸 管 理
(VCM,variablecylindermanagement)技术是在某些条件下，例如公路行驶以提高燃料
经济性，将使 6 个气缸中的 3 个气缸休眠，混合动力 Accord 将比只用汽油机提高性能。
本田 Insight 混合动力汽车采用了转矩复合的方式，其手动变速车创造了 3L 汽油行驶
105km 的好成绩（日本法规 10－15 工况），而装备了 CVT 的车型也创下了 3L 汽油行
驶了 96km 的好成绩。在这种混合动力系统中，以汽油发动机为主要动力，电动机为辅
助动力，动力分配比为 9：1。根据阿贡国家实验室的试验结果，本田 Insight 的燃油消
耗比相当的传统轿车减少 55％，CO 的排放量是传统汽油机轿车的 0－20％，HC 的排放
量是传统汽油机轿车的 50％。
丰田汽车 X 公司
丰田 X 公司的 Pruise1997 年开始投产，1998 年成为世界第壹个小规模成批生产的汽油
电动混合动力车。例如丰田 汽油机采用 Atkinson 高效率、高膨胀比工作循环，
行星齿轮功率分配器、电子控制变速器、镍氢电池、逆变器、电动/发电机集成为壹体。
Pruise混合动力电动轿车是单轴驱动且联式混合电动车辆,以行星齿轮作为动力连接装置。
发动机通过单向离合器将动力输出到行星架,行星架按固定比例将扭矩分配到中心轮连接
的发电机,电动机通过齿轮减速机构进行动力输出。电动机采用小型永磁同步交流电动机，
发电机采用永磁同步交流发电机，能够工作于电动机状态。另外车辆功率分配装置，借助
于控制发电机的发电量来调节发电机转速,用来调节动力分配比例。传动系统起到类似无
级变速器的作用。采用电动机助力驱动的运行状态，利用永磁同步电动机低速恒转矩的特
性。在车辆启动或加速运行时，使得电动机的优异转矩特性发挥得淋漓尽致 Pruise 自
1997 年上市至 2000 年 9 月底已经累计生产了 7 万辆。2000 年 8 月根据美国市场需求，
对 Pruise 做了重新设计。其改进后的 2001 年型车，被美国《汽车工程》杂志评选为世
界最佳设计车。2003 年重新设计了第二代 Pruise 且在 SAE2004 年年会上被选为 2004
年的最佳设计车。2004 年 Pruise 已经由紧凑型发展成为中等尺寸型。它比以前的车型
具有更强的动力性、更好的燃料经济性以及更低的排放。新型车的加速性从 0－97km/h
达到 10s;它的燃料经济性，按美国环保署 EPA 公路/城市里程为
前壹代为 被认证为超低排放车（SULEV），以及先进技术
部分零排放车（ATPZEV）。该车的排放和传统的汽油车辆相比 CO2 下降 50％，HC、CO
和 NOX 排放能够降低 90％左右，燃油节省壹半。
美国在混合动力车开发生产中的表现
早在 1997 年，美国 PNGV 就根据当时的进展情况，筛选出压燃直喷(CIDI)发动机，混合
动力电驱动系统,燃料电池(含储能电池)和轻质材料 4 项新技术,组织和号召大家重点突破，
混 合 动 力 技 术 是 重 点 之 壹 ， 鉴 于 直 喷 柴 油 机 也 是 壹 项 重 点 ， 为 了 容 易 达 到
PNGV80MPG( X 公司都发展了柴油机电动机混合动
力，而且都按计划于 1999 年制造出柴油机混合动力轿车。如戴-克 X 公司 DodgeESX3,
适度混合动力系统（mildhybrid），福特 X 公司 Prodigy，低储能需求(LSR)混合电驱动
系统，通用汽车 X 公司 Precept，双轴混合电驱动系统等。虽然三家 X 公司都完成了和政
府的合作计划,且获得了 PNGV 的资金补助.可是都没有考虑商业化问题。当下为了实现商
业化不得不重新开发市场需要的产品，且安排制造计划，这就比日本 X 公司落后了大约 5
年。2000 年以来，三大汽车 X 公司总结了低批量生产电动汽车的经验教训，决定实施战
略转变，将其混合动力系统装于高耗能和高价格的 SUV 和轻型载货车上.轻型载货车和
SUV 这类汽车在美国销售数量极大，所以改善这些车辆的燃料经济性,将对降低总体燃料
消耗和 CO2 的产生更有意义。已知的壹些车型有:戴-克 X 公司 PowerBoxhybridSUV(用
壹 台 发 动 机 ),CombattC2Hybrid( 缸 增 压 柴 油 机 );福 特
(EscapehybridSUV),通用 ParadiGMSUV(采用 V6 或 I4 发动机)。
从 90 年代开始,美国加强了政府和企业之间的技术合作和联合,且以混合动力电动汽车为
重点对象,由能源部牵头,包括运输部和国防部,斥巨资组织各汽车 X 公司和有关部门积极
开展混合动力电动汽车的研究工作。1993 年 9 月美国总统克林顿和美国通用、福特和克
莱斯勒三大汽车 X 公司总裁共同提出了美国“新壹代汽车合作伙伴计划”(简称 PNGV 计划),
旨在开发新壹代高效节能汽车。混合动力电动汽车计划是 1997 年底美国重新确定的
PNGV 计划 4 个重点领域之壹。此外美国先进项目局(ARPA)于 1993 年订立电动汽车(EV)
和混合动力电动汽车(HEV)项目,出资 2500 万美元,和各州、地方和私人投资以不低于 1∶1
的资金比例研究 EV 和 HEV 技术。1994 年 ARPA 项目投资已增加到 4600 万美元。1993
年和 1996 年,美国能源部分别和通用汽车 X 公司、福特汽车 X 公司和克莱斯勒汽车 X 公
司签定了总额达 3161 亿美元的混合动力电动汽车系统开发子合同,且许下诺言:“至 2000
年,壹定要使混合动力汽车成为美国公路上司空见惯的车辆”。随着 PNGV 计划的实施,美
国三大汽车 X 公司进行了壹系列的整车技术开发和研制工作。
通用汽车 X 公司同时致力于串联式混合动力电动汽车和且联式混合动力的研制。在 1998
年1月的底特律北美国际汽车展上,通用汽车X公司推出了EV1型4座混合动力电动汽车。
福特汽车 X 公司已开发出福特 P2000 型 5 座且联式混合动力电动汽车,预计 2000 年可
投放市场;福特新开发出的“优异 2010”概念车实验平台的性能已达到了 PNGV 计划的部分
目标:每加仑汽油行驶 80 英里。1998 年 1 月,克莱斯勒汽车 X 公司宣布开发出道奇无畏
ESX2 串联式混合动力电动汽车 ,预计 2003 年可投放市场。1997 年由美国宇航局
(NASA)Lewis 中心、俄亥俄州政府和工业界、大学等 9 个单位合作,开发出串联式电动-
喷气涡轮混合动力大客车,预计 2000 年投放市场。
国内混合动力发技术展现状及趋势
我国目前也非常重视混合动力电动汽车的研究和开发,壹些单位的起步研究工作正在展开,
国家科技部已将其作为“十五”863 重大专项的内容。我国有关电动汽车的研制开始于上世
纪 90 年代。广东省研究开发电动汽车的院校和企业分布于广州、深圳、珠海、南海、顺
德和江门等城市,从 1996 年开始,广东省科委统壹协调组织研制电动汽车,且取得了可喜
的进展。清华大学研制了电动中型客车;中国远望(集团)总 X 公司和北京理工大学、国防科
技大学和河北胜利客车厂等单位联合,于 1996 年 3 月研制成功了 51 座 YW6120 型电动
大客车。在此基础上,金龙 X 公司合作研制了混合动力客车;同年,江苏理工大学承担了江苏
省科委下达的重点工业科技攻关项目———ZJK6700HEV 串联式混合动力公交轻型客车
的研制,目前样车的研制工作已结束。长春第壹汽车制造厂在 2001 年 4 月 19 日闭幕的
第 3 届北京国际清洁车展上推出壹款混合动力轿车———红旗 CA7180AE,这是长春第壹
汽车制造厂汽研所、美国电动车亚洲 7X 公司、汕头国家电动汽车试验示范区三方共同合
作的成果。这款串联式的混合动力轿车属中高档,发动机为 13kW 汽油机,电机为直流
15kW,144V(105Ah)铅酸电池,42 前驱动型式,最高车速可达 135km/h。清华大学和沈
阳金杯客车制造有限 X 公司在 2001 年 3 月签订了“SY6480 混合动力客车的研制和开发”
合作项目的合同。清华大学通过参加国家“八五”、“九五”电动汽车的科技攻关课题,在 HEV
方面积累了壹定的技术基础。深圳明华环保汽车有限 X 公司于 2001 年 4 月推出了混合
电动环保汽车 MH6720,引起社会各界关注。该车采用的是且联式混合动力系统,发动机为
87kW。电机为 312V,充电次数大于 500 次,异步交流电机平均功率为 36kW,满载最高车
速 90km/h,最大爬坡度 33%,续驶程长可达 1080km,纯电机驱动时为 100km,百公里等
速油耗 7169dm3,乘客数 22 人。其尾气排放达欧洲标准,噪声指标也大大低于国产普通
中巴车。东风汽车 X 公司承接“863”混合动力汽车研制项目现已完成,且已于最近推出混合
动力客车样车。
汽车 X 公司研制的混合动力轿车,天津清源 X 公司开发的混合动力轿车和混合动力大客车,
北京理工大学研制的混和动力大客车,仍有深圳五洲龙汽车有限 X 公司研制的混合动力大
客车都有进展。壹汽已经和丰田达成协议,2005 年在中国生产销售混合动力 Pruise,上海
汽车集团也和通用汽车 X 公司研究了发展混合动力汽车生产问题。
混合动力汽车前景展望及发展趋势
在能源和环保的压力下，世界各大汽车 X 公司无不涉足电动汽车领域，可是由于技术和
经济上存在的各种困难，电动汽车仍有相当长的路要走才有可能实现商品化，而混合动力
汽车技术相对更为成熟，由于采用了精湛的机电耦合技术和智能化的整车控制策略，从而
实现整车的高性能，低能耗和低排放，因此日本、美国等多家汽车 X 公司已经和正向市
场推出各种混合动力汽车产品，世界主要地区汽车销售量及混合动力汽车销售量预测。预
测表明到 2010 年全球混合动力汽车年产可达 294 万辆。
从目前市场来见，由于经济的持续快速增长，城市规模不断扩大，各大城市政府已纷将推
广使用清洁燃料汽车作为净化空气、改善环境的壹项重要措施，特别是北京申办 2008 年
奥运会成功，更为洁净型城市汽车提供了极佳的市场机遇。随着石油资源的枯竭、人们环
保意识的提高，电动汽车及混合动力汽车将成为新世纪前几十年汽车发展的主流，这壹点
也是我国汽车界所有业内人士的共识。我国政府已经在国家高技术研究发展计划(863 计
划)中专门有电动汽车重大专项(包括燃料电池整车、混合动力整车和纯电动车)，北京申报
成功 2008 年奥运会后，我国政府对汽车排放的要求将会越来越严，北京市环保局明确表
示北京市将和国际汽车排放的要求同步，上海、广州也将壹步和国际接轨。在我国大中城
市都普遍存在着十分严重的汽车尾气排放污染问题，其中轿车排放为城市汽车尾气排放污
染的主要污染源之壹，因此混合动力汽车有着广阔的市场空间，特别是开发用于城市交通
(如出租车)和城市之间的混合动力汽车在我国有着得独厚的发展条件和广阔的应用前景。
参考文献
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附录
图 1
图 2
图 3
