2.4　混合能源系统

混合能源系统是指由两种或两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的系统。目前最常见的混合能源系统有动力电池+超级电容、动力电池+燃料电池、动力电池+内燃机等几种类型。

2.4.1　动力电池+超级电容构成的混合能源系统

当采用动力电池+超级电容的混合能源系统时，所选的动力电池必须能够提供高比能量，因为超级电容本身比动力电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力。由于超级电容器的工作电压比较低（即使采用多个电容器组合使用，工作电压通常也小于100V），所以需要在动力电池和超级电容之间加一个DC/DC功率转换器。如图2-14所示为典型的动力电池+超级电容构成的混合能源系统的结构。

图2-14　典型的动力电池+超级电容构成的混合能源系统的结构

2.4.2　动力电池+燃料电池构成的混合能源系统

虽然燃料电池具有非常高的比能量，但比功率低并且难以实现再生能量回收，因此动力电池+燃料电池的混合动力系统是目前燃料电池汽车最常见的结构型式，其中动力电池的选择用于弥补燃料电池的缺点。如图2-15所示为典型的动力电池+燃料电池构成的混合能源系统的结构形式。

图2-15　典型的动力电池+燃料电池构成的混合能源系统的结构形式

2.4.3　动力电池+内燃机能源系统

同时采用内燃机和电动机作为动力来源的汽车，两种动力装置可以单独交替使用或同时使用。由于电动机的低速转矩特性较好，主要用在担负汽车低速负荷范围内工作；而内燃机则是用以满足汽车加速和高速大负荷工作的需要。即汽车在低速行驶时，多余的能量会变成电能储存起来；高速行驶时，电动机会自动工作，补充动力，以此达到最佳的节能效果。研究表明，与传统的单动力内燃机系统相比，混合动力系统汽车无论在燃料经济性或降低排气污染方面都有相当程度的改善。

内燃机+电动机的混合动力系统按其结构形式来说，主要分为串联式和并联式两种。

串联式混合动力系统由串联起来的内燃机、发电机和电动机三个动力总成组成。内燃机输出的机械能由发电机转换成电能，再由电动机将电能转换为机械能用于驱动汽车，或同时用部分电能向蓄电池充电。其优点是内燃机可以固定在效率最高、排放污染物最少的工况点上；其缺点是系统的综合效率较低，这是因为在两次能量转换的过程中必然会伴随着能量的损失，另外其三个动力总成会给结构布置工作带来困难并会使制造成本增加。

并联式混合动力系统其内燃机和电动机是并联连接的。在这种系统中，因为电动机也可作为发电机使用向蓄电池充电，所以不需要再装备一台发电机，从而使设备结构得到了简化。与串联式混合动力系统相比，并联式混合动力系统有许多优点。首先，由于内燃机的机械能是直接输入后桥的，中间没有能量的转换，因此系统的传动效率较高，燃料消耗也较少；其次，只有内燃机和电动机两个动力总成，不需要安装发电机，因此汽车的总重量和制造成本都将大大减少；此外，假定汽车所要求的最大功率为P，则汽车动力总成的功率总和往往是在P～2P之间。由于设备功率较小，故附加的设备费用也较小。

内燃机和电动机可有多种结合方式，并联式混合动力系统也有双轴式并联混合动力系统、单轮式并联混合动力系统以及并联式复合动力系统等多种不同的结构形式。

据有关资料介绍，德国大众汽车公司曾用高尔夫牌轿车的底盘进行并联式混合动力系统的开发。该系统在发动机与飞轮之间及飞轮与变速器之间各装设一个电控液压操纵离合器，同时将飞轮设计成飞轮-电动机/发电机的复合结构。若发动机侧的离合器处于分离状态，则汽车由蓄电池提供动力，依靠电动机驱动。在制动时，汽车的动能靠复合飞轮转化为电能送回蓄电池。若两个离合器均结合，此时汽车由发动机驱动，异步电动机的转子将起飞轮的作用；若汽车需要更大的动力输出，发动机和电动机可同时工作，使汽车获得最大动力。而且飞轮-电动机/发动机复合机构还可作为启动机和交流发电机使用。由于两套动力系统可由计算机控制使其各自在最适宜的条件下工作，因此混合动力系统的燃料经济性和排放性都比较理想。