自從豐田普銳斯于1997年底作為量產(chǎn)混合動力車投放日本市場后，近二十年來，已有大量混合動力車型進入日本市場。為了滿足2020年日本油耗標準，混合動力汽車技術(shù)在節(jié)能和提高燃油效率方面起到了重要作用。本文總結(jié)了過去二十年來日本混合動力車及其主要組件的發(fā)展情況，并描述了開發(fā)工程師為混合動力技術(shù)發(fā)展所做的相關(guān)努力及遇到的挑戰(zhàn)。

1前言

自1997年末豐田·普銳斯作為批量投產(chǎn)的混合動力乘用車上市以來，電動車領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。在汽油車、柴油車等內(nèi)燃機汽車興盛的時期，電動車因其零排放的優(yōu)越環(huán)境性能逐漸嶄露頭角，混合動力車也以不遜于傳統(tǒng)車輛的動力性能、寬敞自在的客艙空間和卓越的節(jié)能特點奠定了其在汽車領(lǐng)域的地位?；旌蟿恿囘M行推廣普及所面臨的主要問題有：安裝混合動力系統(tǒng)導(dǎo)致產(chǎn)品成本上升，乘用車造型的多樣化設(shè)計，以及電池及電動系統(tǒng)的基本零部件如何確?？煽啃耘c耐久性。針對相關(guān)課題，日本各大整車廠都在著手研究，推動著日本汽車產(chǎn)業(yè)的成長。

在2000年以后，隨著混合動力汽車的不斷普及，兼用汽油燃料和充電電源的兩種能源的構(gòu)思，促使美國加利福尼亞大學(xué)等高校開展試驗研究，推進了混合動力汽車產(chǎn)品研發(fā)工作的飛速發(fā)展。

2010年以前，通常認為電動汽車、混合動力車都使用單一燃料來推動節(jié)能并大幅改善尾氣排放，而插電式混合動力車則是能使用汽油和充電電源等多個能源的車輛。2015年日本、美國、歐洲、中國等地的不少整車廠開始投放新車型?；仡?9世紀末期混合動力車的狀況，當(dāng)代汽車匯集了電力電子和蓄電池等領(lǐng)域的先進技術(shù)。

1995年起至2015年的20年間，電動車技術(shù)領(lǐng)域迎來了全新的變革時代。本文對日本國內(nèi)過去20年的技術(shù)發(fā)展進行回顧，并結(jié)合研發(fā)專家的切身感受，對未來的技術(shù)動向作出展望。

2回顧歷史

在汽車發(fā)展史中，混合動力車其實很早就已登上歷史舞臺。從19世紀末到20世紀初，美國與歐洲聯(lián)合生產(chǎn)了兼用汽油機和電機驅(qū)動系統(tǒng)的混合動力車。最早的混合動力車是由斐迪南?保時捷（Ferdinand Porsche）在奧地利的Rohner公司制作的。這些混合動力車當(dāng)時在歐洲被稱作混合系統(tǒng)（Mixte System），在美國則被稱作汽油電動車（Petro Electric Vehicle），當(dāng)時并未用到“混合動力車”這個稱謂。1903年奧地利的羅納保時捷公司制造出了串聯(lián)式混合動力車，由美國電動汽車公司W(wǎng)oods生產(chǎn)的“雙動力（Dual Powered）”廣為人知。由于動力系統(tǒng)重量、成本等指標不斷增加，并考慮到維護保養(yǎng)的復(fù)雜性等因素，從而未能正式投產(chǎn)。隨著汽油機、柴油機技術(shù)的不斷發(fā)展，混合動力車的保有量逐漸減少。

“混合動力車”一詞是從20世紀50年代到60年代期間逐漸為人所知。當(dāng)時在美國涌現(xiàn)出很多應(yīng)對未來能源短缺的措施?；旌蟿恿Γ╤ybrid）一詞原本是生物學(xué)用語，具有“異類混合”的意思。在20世紀40年代該詞被美國電氣學(xué)會微波導(dǎo)管所采用并成為工學(xué)用語。在1960年SAE關(guān)于陶瓷發(fā)動機的論文中為汽車領(lǐng)域所采用。在1971年第2次國際電動汽車研討會（EVS）中對混合動力系統(tǒng)的具體命名開展了技術(shù)研討。

日本等地也受到國外趨勢的影響，開始加大對混合動力技術(shù)的研究投入。1970年東京車展上由豐田公司展出了蓄電池與燃氣輪機組合的混合動力系統(tǒng)，一時廣受關(guān)注。但由于20世紀70年代的技術(shù)水平有限，受到電池能量密度、輸出密度、壽命性能等因素的制約，有諸多課題仍有待解決：如電機系統(tǒng)、電力電子控制等技術(shù)的實用化，以及如何大幅度削減成本等，因此中斷了混合動力在乘用車上的實際應(yīng)用。

在該時代背景下，20世紀80年代日本國內(nèi)為了保護都市的空氣環(huán)境，開展了用甲醇汽車、電動汽車替代城市柴油車的研發(fā)工作。1990年出現(xiàn)了大型巴士用混合動力系統(tǒng)，這種柴油-電氣混合動力系統(tǒng)（HIMR）可以為柴油機帶來扭矩補償。

1997年發(fā)布了批量生產(chǎn)的混合動力乘用車普銳斯，并在日本國內(nèi)開始銷售。該混合動力系統(tǒng)（豐田混合動力系統(tǒng)）的特征在于：具有使用行星齒輪的動力分割機構(gòu)，具有發(fā)電電動機、驅(qū)動電機兩個電機?；旌蟿恿ο到y(tǒng)通常被分為串聯(lián)式混合動力和并聯(lián)式混合動力。普銳斯的混合動力系統(tǒng)由于兼具兩者的特征，可被稱作串聯(lián)·并聯(lián)式混合動力或者扭矩分割式混合動力（圖1）。該混合動力系統(tǒng)與大排量發(fā)動機進行組合，可以應(yīng)用于縱置型發(fā)動機的驅(qū)動系統(tǒng)。

近期的動向是日本國內(nèi)各家公司開始銷售各式各樣的混合動力車。2010年日產(chǎn)銷售的風(fēng)雅混合動力車配有1臺電機與2個離合器；2013年本田銷售的雅閣混合動力車是串聯(lián)+并聯(lián)式混合動力車；三菱汽車推出了歐藍德插電式混合動力車。這些車型基本上都是串聯(lián)式混合動力車，僅在高速行駛時將發(fā)動機扭矩作為驅(qū)動力來源。在此之后，裝有并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的飛度混合動力車，日產(chǎn)的奇駿混合動力車和斯巴魯XV混合動力車開始銷售。這些車型相對于以往的乘用車而言，在降低油耗方面具有顯著的優(yōu)勢，因此日本各大整車廠開始積極地向世界各國市場投放上述品牌的混合動力車。歐美混合動力乘用車的開發(fā)是由美國GM、戴姆勒克萊斯勒、BMW三家公司組成同盟，開發(fā)了具有2套行星齒輪的雙模式混合動力系統(tǒng)。

為了延長電動汽車的行駛距離，通常將裝有汽油機的電動汽車稱作增程式電動汽車，是20世紀60年代后混合動力車的一種概念車型。2000年以后，美國加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校對插電式混合動力車的實用性開展了研究。在2007年7月，豐田汽車的插電式混合動力車在日本國內(nèi)開展了驗證試驗，并逐漸完善其新車認證標準。2011年采用鋰離子電池的混合動力車投放到日本國內(nèi)外市場。在2015年，不僅歐美整車廠，中國內(nèi)地也開始加快推動插電式混合動力車的市場投放。至此，開啟了插電式混合動力車時代。

3從研發(fā)人員的視角看待混合動力車的普及

從混合動力車派生出插電式混合動力車，研發(fā)過程中將會面臨更加繁多的技術(shù)挑戰(zhàn)。具體而言，比如“降低成本”、“小型化與輕量化”、“提高可靠性”等，這些都會促進零部件技術(shù)的重大飛躍。

3.1蓄電設(shè)備

1990年采用貯氫合金的鎳氫電池得以推廣，1991年日本國內(nèi)使用鋰離子電池作為日常生活用二次電池，并對這些電池未來能否用于汽車驅(qū)動電源而開展了熱烈的學(xué)術(shù)討論。作為其它可選的蓄電設(shè)備，還有飛輪電池和超級電容電池（圖2）。

鎳氫電池（Ni-MH）在正極貯存氫氧化鎳，在負極貯有氫合金，其電解液是氫氧化鉀水溶液等堿性水溶液。可以進行以大電流的狀態(tài)進行充電及放電，在SOC（電池的充電狀態(tài)）50%附近使用具有壽命長、安全性高的特點，目前正用作混合動力車用蓄電設(shè)備的主流電池?；旌蟿恿嚨碾娫床捎枚鄠€電池芯直接排列連接的方式，以滿足高電壓的需求。在使用多個電池芯直接排列連接時，有一項課題是要使每個電池芯的電壓均衡化，但SOC變高會導(dǎo)致充電效率降低，因而Ni-MH最大的特點就在于無需使用特別的均衡化電路，也可以確保電壓的均衡化。圖3所示為安裝在車輛上的示例。

鋰離子電池在正極上配備有含鋰過渡金屬氧化物，負極則是石墨材料等，電解液采用溶解了鋰鹽的有機電解液。充電放電反應(yīng)僅憑鋰離子在負極活性物質(zhì)和正極活性物質(zhì)之間進行解析就可以實現(xiàn)。由于沒有溶解析出反應(yīng)，因此具有壽命較長的優(yōu)勢。在安全設(shè)計方面，為了防止其處于過度充電的狀態(tài)，因此設(shè)置有電池芯的電壓監(jiān)視、抑制電池芯間電壓差波動等電路。由于是現(xiàn)有能量密度最高的電池，因而逐漸為電動汽車、插電式混合動力車等多種車型所采用。

飛輪電池是將電能作為旋轉(zhuǎn)運動形式的動能進行儲存，可通過旋轉(zhuǎn)運動來進行放電（圖4），并采用了與電機類似的結(jié)構(gòu)。由于材料物性和設(shè)計上決定了其特性，因而充電與放電上無需進行化學(xué)反應(yīng)，通過長期使用可以保持其可靠性和使用性能，因此目前對飛輪電池的研究得以開展。同時為了降低飛輪電池的旋轉(zhuǎn)阻力，還有將其置于真空容器中，使用非接觸式磁力軸承的應(yīng)用范例（圖5）。但由于其自我放電特性較差，因此，目前尚無應(yīng)用于乘用車用混合動力系統(tǒng)的電源。

作為汽車的候補蓄電設(shè)備，對電容蓄電的實用化開展了研究。雙電層電容器（EDLC）由電解液和活性炭電極構(gòu)成，充電時電解液中的離子通過雙電層吸附于活性炭表面并儲存電能（圖6）。由于該蓄電設(shè)備的充電放電不伴隨化學(xué)反應(yīng)，因此，在長期使用過程中可以保持可靠性和使用性能。使用電容器的蓄電系統(tǒng)被燃料電池車作為輔助電源系統(tǒng)所采用，近年來，也作為怠速啟停的輔助電源被量產(chǎn)車所采用。

3.2電機·發(fā)電機

電動汽車的驅(qū)動用電機，以往主要是使用帶電刷的直流電機或者感應(yīng)電機。1982年發(fā)明了釹磁鐵（NdBFe磁鐵），可以獲得3倍于以往鐵氧體磁鐵的磁感應(yīng)強度，而且還可大幅減小體積、實現(xiàn)高效化。之后，通過改進磁鐵制造工藝等，磁能積得以大幅度地提升，現(xiàn)在可以達到的最大磁能積超過50MGOe（圖7），電機小型化會面臨使繞組溫度上升的耐熱性問題。

對此，通過在磁鐵材料中添加鏑（Dy）等物質(zhì)來提高耐熱性，但由于資源產(chǎn)出國不均衡，在市場流通性上面臨著一系列問題。目前正積極推進擺脫及節(jié)約使用稀土的相關(guān)研究開發(fā)。最終，在磁鐵制造時通過有效利用晶界擴散工藝和磁阻力矩，推進了降低磁鐵用量的技術(shù)開發(fā)?，F(xiàn)在的混合動力車主要采用內(nèi)置式永磁PM電機。

電機的繞組大致分為分布式繞組和集中式繞組，驅(qū)動電機多使用分布式繞組，發(fā)電機和并聯(lián)式混合動力多采用集中式繞組。混合動力系統(tǒng)由電機及安裝有發(fā)電機的驅(qū)動系來構(gòu)成，小型化是其面臨的課題。將繞組截面形狀由原來的細圓線改為扁平線，提高了繞組的占空系數(shù)。特別是分布式繞組將其扁平繞組制成三維彎曲形狀，采用將繞組末端進行編織的結(jié)構(gòu)，可以大幅度地實現(xiàn)繞組小型化（圖8）。此外，電機制造過程中積極推進自動化生產(chǎn)，從而大幅度地提高了工藝水平。

為了提高效率，一方面需要降低繞組的電阻損失（銅損），另一方面還要降低電機定子的損失（鐵損）。鐵損是由于磁場變化所產(chǎn)生的，因此絕大多數(shù)的電機損失是在高速運行時產(chǎn)生的。為了降低鐵損，通過使電磁鋼板變薄可以有效降低鐵損。鋼板制造廠壓延技術(shù)以及鋼板加工廠高速沖壓技術(shù)的進步，為鋼板的薄化處理提供了技術(shù)支持。

在混合動力車普及的背景下，希望借此聯(lián)合磁鐵、電線、電磁鋼板等相關(guān)材料制造廠對基礎(chǔ)工藝的發(fā)展作出貢獻。

3.3電力電子技術(shù)及其控制

電機系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換電路是構(gòu)成逆變器的重要模塊，從20世紀90年代開始應(yīng)用IGBT。對于具有較大功率輸出要求的逆變器，采用了可以高速切換且損失相對較小的IGBT，以此實現(xiàn)高效的逆變器電力轉(zhuǎn)換。

初期的混合動力在系統(tǒng)控制ECU上采用16比特微處理器，之后隨著采用32比特微處理器來進行發(fā)動機控制，該處理器目前也逐漸被混合動力系統(tǒng)采用。

逆變器的冷卻方式可分為空冷、水冷兩類，通常根據(jù)系統(tǒng)發(fā)熱量來進行選用。通常而言，水冷是更為有效的方式。飛度混合動力車使用的智能動力單元（IPU）就是一種空冷式逆變器。

在車用逆變器開發(fā)之初，幾乎沒有能與電壓、電流規(guī)格匹配的裝置，因此需要開發(fā)專用裝置。在當(dāng)時的開發(fā)環(huán)境下，也沒有可以用計算機自由地演示熱分布的分析工具，設(shè)計人員根據(jù)通常條件下的計算分析結(jié)果制作試制產(chǎn)品，然后再根據(jù)試驗結(jié)果來改進設(shè)計。現(xiàn)在由于有了熱能分析的軟件，加之計算機性能的提高，設(shè)計人員可以利用CAE來開展研發(fā)工作。

需要開發(fā)構(gòu)成逆變器的平滑電容器。例如在市場上銷售的電解電容的壽命期限為10000小時左右，不能滿足混合動力系統(tǒng)的要求。由于車輛需要使用10年甚至20年，因而需要根據(jù)實際使用的電流值來計算出使用壽命，然后開發(fā)出適宜的產(chǎn)品。

這就需要混合動力系統(tǒng)的基本零部件在設(shè)計要求上，與汽油車具有同樣出色的耐久性。負責(zé)開發(fā)的技術(shù)人員一邊應(yīng)用新技術(shù)、尋找臨界點；一邊搞試制。整個過程對于整車廠的電氣、電子、電池等開發(fā)技術(shù)人員而言是莫大的經(jīng)驗和資產(chǎn)。

4大勢所趨下的混合動力車

所謂混合動力車到底是什么？混合動力車能否成為未來汽車動力總成的主流？再次面對這些根本性問題，是思考混合動力車未來的入口?；旌蟿恿嚨奶卣魅缦拢孩倏梢詫崿F(xiàn)發(fā)動機在最佳油耗工況下運行，②在制動時可以實現(xiàn)回收能量的系統(tǒng)技術(shù)，并且在低速、輕負荷時可以以EV狀態(tài)行駛，具有低噪聲等明顯優(yōu)勢（圖9）。

在2013年，世界上已經(jīng)擁有汽車11億輛，無論何時何地都能補充燃料是行駛的價值所在。在此意義上，混合動力車是兼用發(fā)動機系統(tǒng)和電氣動力系統(tǒng)的車輛，在使用上不受制約?；旌蟿恿嚻占胺矫妫瑧?yīng)重視油耗成本是否超過電動系統(tǒng)的成本，因此原油價格、汽油價格的變化，對于混合動力車的銷售來說，是不可回避的重要影響因素。2015年原油價格雖然下降到每桶40美元，但是沒有直接給銷售帶來影響，由此可見混合動力車已在市場上占據(jù)一席之地。

5今后展望

現(xiàn)在的混合動力系統(tǒng)可以在內(nèi)燃機的最大效率點處開始工作，并且通過能量回收可以有效提升系統(tǒng)的效率，但是電機驅(qū)動的優(yōu)勢不能局限于系統(tǒng)效率的提高，還有優(yōu)良的響應(yīng)性和控制性能?，F(xiàn)在的混合動力車還需要驅(qū)動軸和差速齒輪等機械要素的介入來向車軸傳輸電功率，可以說沒有完全發(fā)揮出其高速響應(yīng)性的功能。主要的驅(qū)動力還是來自內(nèi)燃機，應(yīng)在如牽引控制等追求即時響應(yīng)的領(lǐng)域，開發(fā)可以直接驅(qū)動的輪內(nèi)電機等混合動力技術(shù)，從而進一步提高車輛運動性能。

此外，必須認識到混合動力車的發(fā)動機、制動器等行駛系統(tǒng)是電傳線控系統(tǒng)，進而可以為駕駛員支援和自動駕駛的實現(xiàn)作出貢獻。

作為混合動力車的派生車型，即兼用充電電力的插電式混合動力車開始銷售，可以自由地區(qū)分使用液體燃料和電能。這可以適應(yīng)世界各地的能源實際狀況，由用戶靈活選擇。為了使插電式混合動力車成為市場的主流，需要解決一系列技術(shù)課題，如電池系統(tǒng)的小型化，降低成本和提高充電的便利性等。2006年MIT公布了磁共振無線電力傳輸技術(shù)，各方面開始推進無線供電技術(shù)的開發(fā)。將來如果開發(fā)出車輛行駛過程中的無線供電技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施，可以用更小的電池容量實現(xiàn)長距離EV行駛范圍，進一步提高節(jié)能效果，降低二氧化碳排放量。

此外，最近由于使用了大量的可再生能源，會導(dǎo)致晴天時電力系統(tǒng)容量不足或系統(tǒng)不穩(wěn)定。雖然可以停止使用可再生能源，但是混合動力車和電動汽車的保有量飛速增長，就會給用戶帶來誘惑，對于電力系統(tǒng)而言需要考慮車輛可控制的負荷和系統(tǒng)的穩(wěn)定化。因此從事汽車技術(shù)工作的人員，不能局限于車輛本身，還要關(guān)注能源政策的變化，基礎(chǔ)設(shè)施的進步，努力成為混合動力研發(fā)領(lǐng)域的多面手。