混合動力車（HEV）系統(tǒng)完美融合了發(fā)動機汽車和電動汽車（EV）的技術，對EV采用的馬達及電池技術進行了充分利用,。EV盡管從汽車黎明期就已出現(xiàn),，并在1900年以前達到了實用水平，但迄今為止一直未能實現(xiàn)全面普及,。
在第二次世界大戰(zhàn)后的汽油緊缺時期,，EV作為替代能源汽車開始在日本上市。1949年日本國內(nèi)EV產(chǎn)量達到3299輛,，占到當時日本汽車保有量的3％,。但是，隨著發(fā)動機汽車的改進以及加油站的普及,，EV的勢頭開始在日本逐漸衰退,。
之后，汽車業(yè)界從1971年起將EV定位于環(huán)保汽車展開了開發(fā),。當時日本的通商產(chǎn)業(yè)省工業(yè)技術院利用大型項目制度（由汽車,、電機及電池廠商參加）啟動了EV的研發(fā)，眾多汽車廠商及部件廠商投入了極大的精力,。但在1980年以后,，隨著發(fā)動機汽車尾氣凈化技術的進步，EV再次消失了蹤影,。
在20年過后的1990年,，美國加利福尼亞州制定了尾氣排放規(guī)定“ZEV法案”（零排放車輛法）。當時,，除了EV以外,，沒有任何一種汽車能夠達到這一規(guī)定，因此EV的開發(fā)再一次被啟動,。
ZEV法案的實施時間為1998年,，由于必須要銷售規(guī)定比例的EV，因此各公司開始奮力開發(fā),。但是該規(guī)定并未按期實行,，最終以數(shù)年的限量生產(chǎn)而告終。
采用EV要素技術的HEV
如上所述,，EV存在行駛距離,、充電時間及成本方面的課題，迄今只在叉車等特定用途領域實現(xiàn)了普及,。
而解決了EV的上述課題,，燃效比發(fā)動機汽車出色且實現(xiàn)了低排放的汽車就是1990年下半年面市的HEV。豐田于1997年上市了“普銳斯（Prius）”,，本田也于1999年推出了“Insight”,。
這些HEV采用了為符合ZEV法案而開發(fā)的EV要素技術,。尤其是鎳氫充電電池，在1996年實用化的豐田“RAV4EV”及本田“EV PLUS”上得到了采用,。由于有助于延長EV的持續(xù)行駛距離,，因此即使說HEV沒有鎳氫充電電池就無法實現(xiàn)也不為過。另外,，不僅是電池,，為EV開發(fā)的使用稀土類磁鐵的永久磁鐵（PM）式同步馬達也為HEV性能的提高做出了貢獻。
在介紹HEV的系統(tǒng)之前,，先來談談為符合ZEV法案而開發(fā)的EV,。圖1列出了豐田RAV4 EV的系統(tǒng)構成。該系統(tǒng)根據(jù)油門傳感器檢測的踩入量,，由EV·ECU（電子控制單元）控制逆變器,，驅動行駛馬達。馬達采用永久磁鐵式馬達,。
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圖1：豐田“RAV4 EV”的系統(tǒng)構成 1996年實用化的,、配備鎳氫充電電池的EV。 |
驅動馬達的電池采用288V鎳氫充電電池,，通過用電池ECU和EV·ECU監(jiān)測充放電狀態(tài)來隨時計算行駛時的剩余容量,。為電池充電時利用車載充電器通過交流200V商用電源進行。以下將驅動行駛馬達的高電壓充電電池稱為主電池,，將輔助驅動用充電電池稱為12V電池。
在EV行駛控制中,，根據(jù)油門開度,、制動信號、檔位及車速等信息,，利用驅動扭矩圖來決定所需要的車輛驅動扭矩,。由EV·ECU的車輛控制部向馬達控制部發(fā)出扭矩指令，通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號向逆變器傳輸指令,。馬達控制采用加速或正常行駛時用作電動機,、減速時用作發(fā)電機的方式（圖2）?！?/p>
圖2：EV的行駛控制
根據(jù)油門開度及制動信號等,，決定車輛驅動扭矩。
混合動力系統(tǒng)的概要
混合動力系統(tǒng)的分類方法有二種,。一種是根據(jù)可實現(xiàn)的功能的不同來進行分類,，另一種是以驅動機構的方式來分類。
首先,，按功能來分類的話,，就如同圖3所示。只有無空轉功能的稱為微HEV或ISS（Idling Stop System）。在該功能的基礎上增加加速輔助,、能量再生及發(fā)動機高效運轉功能等的話,，就稱為弱HEV，而增加EV行駛功能的話則稱為強HEV,。越接近強HEV,，CO2排放量及尾氣就越少。而EV的排放全部為零,。另外,，插電式HEV（PHEV）及通過運轉發(fā)電用發(fā)動機來延長行駛距離的增程器式EV被定位于強HEV和EV之間。
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圖3：HEV和EV的CO2減排效果 按照不同功能對混合動力系統(tǒng)進行分類,。 |
?。?）串聯(lián)式HEV
串聯(lián)式HEV配備為主電池充電的發(fā)動機和發(fā)電機,，一邊始終充電一邊用馬達行駛（圖4）。也可認為是在EV的基礎上增加配備了發(fā)動機和發(fā)電機,。在市售車中,，與私人乘用車相比，該方式在公交車上采用得較多,，豐田1997年上市的“Coaster HEV”以及三菱扶?？蛙?004年上市的“Aero Nostep HEV”就采用了該方式。
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圖4：串聯(lián)式HEV的構成 僅靠馬達行駛,。配備高功率大型馬達,。 |
串聯(lián)式HEV的特點如下。
·僅靠馬達行駛,，因此與其他方式相比,，馬達及發(fā)電機為高功率大型產(chǎn)品。
·將發(fā)動機動力全部轉變?yōu)殡娏?，因此能源效率略低?/p>
·驅動力控制及功率輸出控制較簡單,。
·發(fā)動機以穩(wěn)定狀態(tài)運轉，因此比較容易實現(xiàn)尾氣凈化,。
?。?）并聯(lián)式HEV
并聯(lián)式HEV并聯(lián)配置發(fā)動機和馬達，可由兩方供給行駛動力（圖5）,。除本田作為“IMA（Intelligent Motor Assist）”進行實用化之外,，還得到了戴姆勒“Mercedes-Benz S400 HYBRID”及寶馬“ActiveHybrid 7”等的采用,。在本田的IMA中，發(fā)動機和馬達采用直接連接構造,，同時旋轉,。而與此不同的是，還有很多廠商開發(fā)了在發(fā)動機與馬達之間夾入離合器,，通過斷開離合器來實現(xiàn)EV行駛的系統(tǒng),。
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圖5：并聯(lián)式HEV（直接連接）的構成 馬達只起輔助性作用，采用小型產(chǎn)品,。 |
并聯(lián)式HEV（直接連接）的特點如下,。
·只需在以往車型的發(fā)動機與變速箱之間追加馬達，因此構成簡單,。
·馬達的功率輸出只起輔助作用,。幾乎不進行EV行駛，因此馬達為小型產(chǎn)品,。
·馬達兼具發(fā)電機作用,，因此再生電力只有儲存到電池中后才能用于行駛。
·通過在發(fā)動機與馬達之間夾入離合器,，可進行EV行駛,，但這時需要大輸功馬達。
?。?）串并聯(lián)式HEV
串并聯(lián)式HEV的代表示例是豐田普銳斯等采用的“THSⅡ（Toyota Hybrid System Ⅱ）”,。該方式利用行星齒輪機構綜合發(fā)動機、MG1,、MG2三種動力源,，根據(jù)行駛狀態(tài)來組合這些動力源，由此進行驅動（圖6）,。
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圖6：串并聯(lián)式HEV的構成 同時具備串聯(lián)方式和并聯(lián)方式兩者的優(yōu)點。 |
這里的MG是指馬達兼發(fā)電機的縮略語,。由于需要在馬達功能與發(fā)電機功能之間頻繁進行切換,，因此將原來稱為馬達或發(fā)電機的部分稱為MG。
發(fā)動機的作用是驅動車輛和驅動MG1,。MG1的作用除了為主電池充電外,，還包括作為馬達起動發(fā)動機以及對車輛進行驅動輔助。MG2的作用是實現(xiàn)EV行駛,、做加速輔助,，以及作為發(fā)電機進行能量再生。
串并聯(lián)式HEV的特點如下,。
·具備串聯(lián)方式和并聯(lián)方式兩者的優(yōu)點,，兼顧燃效和行駛性,。
·系統(tǒng)效率較高，因此燃效提高效果顯著,。
·系統(tǒng)及控制較復雜,。