关于日本混合动力技术发展史分析

自从丰田普锐斯于1997年底作为量产混合动力车投放日本市场后，近二十年来，已有大量混合动力车型进入日本市场。为了满足2020年日本油耗标准，混合动力汽车技术在节能和提高燃油效率方面起到了重要作用。本文总结了过去二十年来日本混合动力车及其主要组件的发展情况，并描述了开发工程师为混合动力技术发展所做的相关努力及遇到的挑战。

1  前言

自1997年末丰田·普锐斯作为批量投产的混合动力乘用车上市以来，电动车领域发生了翻天覆地的变化。在汽油车、柴油车等内燃机汽车兴盛的时期，电动车因其零排放的优越环境性能逐渐崭露头角，混合动力车也以不逊于传统车辆的动力性能、宽敞自在的客舱空间和卓越的节能特点奠定了其在汽车领域的地位。混合动力车进行推广普及所面临的主要问题有：安装混合动力系统导致产品成本上升，乘用车造型的多样化设计，以及电池及电动系统的基本零部件如何确保可靠性与耐久性。针对相关课题，日本各大整车厂都在着手研究，推动着日本汽车产业的成长。

在2000年以后，随着混合动力汽车的不断普及，兼用汽油燃料和充电电源的两种能源的构思，促使美国加利福尼亚大学等高校开展试验研究，推进了混合动力汽车产品研发工作的飞速发展。

2010年以前，通常认为电动汽车、混合动力车都使用单一燃料来推动节能并大幅改善尾气排放，而插电式混合动力车则是能使用汽油和充电电源等多个能源的车辆。2015年日本、美国、欧洲、中国等地的不少整车厂开始投放新车型。回顾19世纪末期混合动力车的状况，当代汽车汇集了电力电子和蓄电池等领域的先进技术。

1995年起至2015年的20年间，电动车技术领域迎来了全新的变革时代。本文对日本国内过去20年的技术发展进行回顾，并结合研发专家的切身感受，对未来的技术动向作出展望。

2 回顾历史

在汽车发展史中，混合动力车其实很早就已登上历史舞台。从19世纪末到20世纪初，美国与欧洲联合生产了兼用汽油机和电机驱动系统的混合动力车。最早的混合动力车是由斐迪南•保时捷（Ferdinand Porsche）在奥地利的Rohner公司制作的。这些混合动力车当时在欧洲被称作混合系统（Mixte System），在美国则被称作汽油电动车（Petro Electric Vehicle），当时并未用到“混合动力车”这个称谓。1903年奥地利的罗纳保时捷公司制造出了串联式混合动力车，由美国电动汽车公司Woods生产的“双动力（Dual Powered）”广为人知。由于动力系统重量、成本等指标不断增加，并考虑到维护保养的复杂性等因素，从而未能正式投产。随着汽油机、柴油机技术的不断发展，混合动力车的保有量逐渐减少。

“混合动力车”一词是从20世纪50年代到60年代期间逐渐为人所知。当时在美国涌现出很多应对未来能源短缺的措施。混合动力（hybrid）一词原本是生物学用语，具有“异类混合”的意思。在20世纪40年代该词被美国电气学会微波导管所采用并成为工学用语。在1960年SAE关于陶瓷发动机的论文中为汽车领域所采用。在1971年第2次国际电动汽车研讨会（EVS）中对混合动力系统的具体命名开展了技术研讨。

日本等地也受到国外趋势的影响，开始加大对混合动力技术的研究投入。1970年东京车展上由丰田公司展出了蓄电池与燃气轮机组合的混合动力系统，一时广受关注。但由于20世纪70年代的技术水平有限，受到电池能量密度、输出密度、寿命性能等因素的制约，有诸多课题仍有待解决：如电机系统、电力电子控制等技术的实用化，以及如何大幅度削减成本等，因此中断了混合动力在乘用车上的实际应用。

在该时代背景下，20世纪80年代日本国内为了保护都市的空气环境，开展了用甲醇汽车、电动汽车替代城市柴油车的研发工作。1990年出现了大型巴士用混合动力系统，这种柴油-电气混合动力系统（HIMR）可以为柴油机带来扭矩补偿。

1997年发布了批量生产的混合动力乘用车普锐斯，并在日本国内开始销售。该混合动力系统（丰田混合动力系统）的特征在于：具有使用行星齿轮的动力分割机构，具有发电电动机、驱动电机两个电机。混合动力系统通常被分为串联式混合动力和并联式混合动力。普锐斯的混合动力系统由于兼具两者的特征，可被称作串联·并联式混合动力或者扭矩分割式混合动力（图1）。该混合动力系统与大排量发动机进行组合，可以应用于纵置型发动机的驱动系统。

近期的动向是日本国内各家公司开始销售各式各样的混合动力车。2010年日产销售的风雅混合动力车配有1台电机与2个离合器；2013年本田销售的雅阁混合动力车是串联+并联式混合动力车；三菱汽车推出了欧蓝德插电式混合动力车。这些车型基本上都是串联式混合动力车，仅在高速行驶时将发动机扭矩作为驱动力来源。在此之后，装有并联式混合动力系统的飞度混合动力车，日产的奇骏混合动力车和斯巴鲁XV混合动力车开始销售。这些车型相对于以往的乘用车而言，在降低油耗方面具有显著的优势，因此日本各大整车厂开始积极地向世界各国市场投放上述品牌的混合动力车。欧美混合动力乘用车的开发是由美国GM、戴姆勒克莱斯勒、BMW三家公司组成同盟，开发了具有2套行星齿轮的双模式混合动力系统。

为了延长电动汽车的行驶距离，通常将装有汽油机的电动汽车称作增程式电动汽车，是20世纪60年代后混合动力车的一种概念车型。2000年以后，美国加利福尼亚大学戴维斯分校对插电式混合动力车的实用性开展了研究。在2007年7月，丰田汽车的插电式混合动力车在日本国内开展了验证试验，并逐渐完善其新车认证标准。2011年采用锂离子电池的混合动力车投放到日本国内外市场。在2015年，不仅欧美整车厂，中国内地也开始加快推动插电式混合动力车的市场投放。至此，开启了插电式混合动力车时代。

3  从研发人员的视角看待混合动力车的普及

从混合动力车派生出插电式混合动力车，研发过程中将会面临更加繁多的技术挑战。具体而言，比如“降低成本”、“小型化与轻量化”、“提高可靠性”等，这些都会促进零部件技术的重大飞跃。

3.1 蓄电设备

1990年采用贮氢合金的镍氢电池得以推广，1991年日本国内使用锂离子电池作为日常生活用二次电池，并对这些电池未来能否用于汽车驱动电源而开展了热烈的学术讨论。作为其它可选的蓄电设备，还有飞轮电池和超级电容电池（图2）。

镍氢电池（Ni-MH）在正极贮存氢氧化镍，在负极贮有氢合金，其电解液是氢氧化钾水溶液等碱性水溶液。可以进行以大电流的状态进行充电及放电，在SOC（电池的充电状态）50%附近使用具有寿命长、安全性高的特点，目前正用作混合动力车用蓄电设备的主流电池。混合动力车的电源采用多个电池芯直接排列连接的方式，以满足高电压的需求。在使用多个电池芯直接排列连接时，有一项课题是要使每个电池芯的电压均衡化，但SOC变高会导致充电效率降低，因而Ni-MH最大的特点就在于无需使用特别的均衡化电路，也可以确保电压的均衡化。图3所示为安装在车辆上的示例。

锂离子电池在正极上配备有含锂过渡金属氧化物，负极则是石墨材料等，电解液采用溶解了锂盐的有机电解液。充电放电反应仅凭锂离子在负极活性物质和正极活性物质之间进行解析就可以实现。由于没有溶解析出反应，因此具有寿命较长的优势。在安全设计方面，为了防止其处于过度充电的状态，因此设置有电池芯的电压监视、抑制电池芯间电压差波动等电路。由于是现有能量密度最高的电池，因而逐渐为电动汽车、插电式混合动力车等多种车型所采用。

飞轮电池是将电能作为旋转运动形式的动能进行储存，可通过旋转运动来进行放电（图4），并采用了与电机类似的结构。由于材料物性和设计上决定了其特性，因而充电与放电上无需进行化学反应，通过长期使用可以保持其可靠性和使用性能，因此目前对飞轮电池的研究得以开展。同时为了降低飞轮电池的旋转阻力，还有将其置于真空容器中，使用非接触式磁力轴承的应用范例（图5）。但由于其自我放电特性较差，因此，目前尚无应用于乘用车用混合动力系统的电源。

作为汽车的候补蓄电设备，对电容蓄电的实用化开展了研究。双电层电容器（EDLC）由电解液和活性炭电极构成，充电时电解液中的离子通过双电层吸附于活性炭表面并储存电能（图6）。由于该蓄电设备的充电放电不伴随化学反应，因此，在长期使用过程中可以保持可靠性和使用性能。使用电容器的蓄电系统被燃料电池车作为辅助电源系统所采用，近年来，也作为怠速启停的辅助电源被量产车所采用。

3.2 电机·发电机

电动汽车的驱动用电机，以往主要是使用带电刷的直流电机或者感应电机。1982年发明了钕磁铁（NdBFe磁铁），可以获得3倍于以往铁氧体磁铁的磁感应强度，而且还可大幅减小体积、实现高效化。之后，通过改进磁铁制造工艺等，磁能积得以大幅度地提升，现在可以达到的最大磁能积超过50MGOe（图7），电机小型化会面临使绕组温度上升的耐热性问题。

对此，通过在磁铁材料中添加镝（Dy）等物质来提高耐热性，但由于资源产出国不均衡，在市场流通性上面临着一系列问题。目前正积极推进摆脱及节约使用稀土的相关研究开发。最终，在磁铁制造时通过有效利用晶界扩散工艺和磁阻力矩，推进了降低磁铁用量的技术开发。现在的混合动力车主要采用内置式永磁PM电机。 

电机的绕组大致分为分布式绕组和集中式绕组，驱动电机多使用分布式绕组，发电机和并联式混合动力多采用集中式绕组。混合动力系统由电机及安装有发电机的驱动系来构成，小型化是其面临的课题。将绕组截面形状由原来的细圆线改为扁平线，提高了绕组的占空系数。特别是分布式绕组将其扁平绕组制成三维弯曲形状，采用将绕组末端进行编织的结构，可以大幅度地实现绕组小型化（图8）。此外，电机制造过程中积极推进自动化生产，从而大幅度地提高了工艺水平。

为了提高效率，一方面需要降低绕组的电阻损失（铜损），另一方面还要降低电机定子的损失（铁损）。铁损是由于磁场变化所产生的，因此绝大多数的电机损失是在高速运行时产生的。为了降低铁损，通过使电磁钢板变薄可以有效降低铁损。钢板制造厂压延技术以及钢板加工厂高速冲压技术的进步，为钢板的薄化处理提供了技术支持。

在混合动力车普及的背景下，希望借此联合磁铁、电线、电磁钢板等相关材料制造厂对基础工艺的发展作出贡献。

3.3 电力电子技术及其控制

电机系统的电力转换电路是构成逆变器的重要模块，从20世纪90年代开始应用IGBT。对于具有较大功率输出要求的逆变器，采用了可以高速切换且损失相对较小的IGBT，以此实现高效的逆变器电力转换。

初期的混合动力在系统控制ECU上采用16比特微处理器，之后随着采用32比特微处理器来进行发动机控制，该处理器目前也逐渐被混合动力系统采用。

逆变器的冷却方式可分为空冷、水冷两类，通常根据系统发热量来进行选用。通常而言，水冷是更为有效的方式。飞度混合动力车使用的智能动力单元（IPU）就是一种空冷式逆变器。

在车用逆变器开发之初，几乎没有能与电压、电流规格匹配的装置，因此需要开发专用装置。在当时的开发环境下，也没有可以用计算机自由地演示热分布的分析工具，设计人员根据通常条件下的计算分析结果制作试制产品，然后再根据试验结果来改进设计。现在由于有了热能分析的软件，加之计算机性能的提高，设计人员可以利用CAE来开展研发工作。

需要开发构成逆变器的平滑电容器。例如在市场上销售的电解电容的寿命期限为10000小时左右，不能满足混合动力系统的要求。由于车辆需要使用10年甚至20年，因而需要根据实际使用的电流值来计算出使用寿命，然后开发出适宜的产品。

这就需要混合动力系统的基本零部件在设计要求上，与汽油车具有同样出色的耐久性。负责开发的技术人员一边应用新技术、寻找临界点；一边搞试制。整个过程对于整车厂的电气、电子、电池等开发技术人员而言是莫大的经验和资产。 

4  大势所趋下的混合动力车

所谓混合动力车到底是什么？混合动力车能否成为未来汽车动力总成的主流？再次面对这些根本性问题，是思考混合动力车未来的入口。混合动力车的特征如下：①可以实现发动机在最佳油耗工况下运行，②在制动时可以实现回收能量的系统技术，并且在低速、轻负荷时可以以EV状态行驶，具有低噪声等明显优势（图9）。

在2013年，世界上已经拥有汽车11亿辆，无论何时何地都能补充燃料是行驶的价值所在。在此意义上，混合动力车是兼用发动机系统和电气动力系统的车辆，在使用上不受制约。混合动力车普及方面，应重视油耗成本是否超过电动系统的成本，因此原油价格、汽油价格的变化，对于混合动力车的销售来说，是不可回避的重要影响因素。2015年原油价格虽然下降到每桶40美元，但是没有直接给销售带来影响，由此可见混合动力车已在市场上占据一席之地。

5  今后展望

现在的混合动力系统可以在内燃机的最大效率点处开始工作，并且通过能量回收可以有效提升系统的效率，但是电机驱动的优势不能局限于系统效率的提高，还有优良的响应性和控制性能。现在的混合动力车还需要驱动轴和差速齿轮等机械要素的介入来向车轴传输电功率，可以说没有完全发挥出其高速响应性的功能。主要的驱动力还是来自内燃机，应在如牵引控制等追求即时响应的领域，开发可以直接驱动的轮内电机等混合动力技术，从而进一步提高车辆运动性能。

此外，必须认识到混合动力车的发动机、制动器等行驶系统是电传线控系统，进而可以为驾驶员支援和自动驾驶的实现作出贡献。

作为混合动力车的派生车型，即兼用充电电力的插电式混合动力车开始销售，可以自由地区分使用液体燃料和电能。这可以适应世界各地的能源实际状况，由用户灵活选择。为了使插电式混合动力车成为市场的主流，需要解决一系列技术课题，如电池系统的小型化，降低成本和提高充电的便利性等。2006年MIT公布了磁共振无线电力传输技术，各方面开始推进无线供电技术的开发。将来如果开发出车辆行驶过程中的无线供电技术和基础设施，可以用更小的电池容量实现长距离EV行驶范围，进一步提高节能效果，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，会导致晴天时电力系统容量不足或系统不稳定。虽然可以停止使用可再生能源，但是混合动力车和电动汽车的保有量飞速增长，就会给用户带来诱惑，对于电力系统而言需要考虑车辆可控制的负荷和系统的稳定化。因此从事汽车技术工作的人员，不能局限于车辆本身，还要关注能源政策的变化，基础设施的进步，努力成为混合动力研发领域的多面手。