混合動力汽車的發展現狀及其關鍵技術分析

區燦輝

摘 要：混合動力汽車作為過渡期的重要產品，有助于將內燃機汽車轉變為純電動汽車，具有環保、節油的特點。該文主要闡述了混合動力汽車的發展現狀，結合混合動力汽車應用特點，分析了影響混合動力汽車性能的關鍵性技術。

關鍵詞：混合動力汽車 基本型式 發展狀況 關鍵技術

中圖分類號：U469 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）04（c）-0099-01

1 混合動力汽車的結構特點

混合動力電動汽車（HEV）主要是通過結合傳統內燃機驅動和純電動驅動的優點，采用電池系統與電機系統相互配合的形式，在確保結構符合汽車動力性能要求的基礎上，實現對內燃機效率的優化，能有效提升汽車的整體排放性能與經濟適用性。其中，以混合動力系統雙動力源的不同配置與組合模式，可將其劃分為動力傳動的三種方式，即：串聯式、并聯式、混聯式。以混合度由高至低，可將其劃分為：重度混合型、中度混合型、輕度混合型、微混合型等四類。

2 混合動力汽車的發展現狀

在當今全球性環境污染問題突出、石油資源緊缺的情況下，節能環保型混合動力汽車的研發順應時代需求，受到各國的一致認可與高度支持。一些科技較為發達的國家，已成功研制出性能較好的混合動力汽車。如豐田所推出的Prius，為混聯式混合動力車型的典型代表，在2010年銷售量高達200多萬。而美國的通用、福特、克萊斯勒等，則分別推出的Precept、Prodigy、DodgeESX2，皆為混合動力汽車。緊隨其后，本田再度研發出新的混合動力技術，主要代表為第二代Civic Hybrid，其采用了15kW的永磁電動機驅動與67kW發動機，將動力成功混合為80kW，輸出轉矩為166N·m，其經濟環保性能再次得到提升。而有法蘭克福所推出的奧迪Q7混合動力汽車，通過將200N·m扭矩電動機與4.2L FSI八缸發動機的有效結合，極大提升了混合動力汽車的動力性能，其油耗不僅低于標準的13%，從靜止加速到100km/h所需時間僅為6.8s。

在國內，由奇瑞所推出的奇瑞A5 BSG，采用雙軸并聯式混合動力系統，為起動、發電一體式BSG發電機，能有效減少發動機怠速時產生的大量尾氣與燃油消耗。有長安推出的長安杰勛，為并聯式中度混合動力汽車，其動力系統采用起動、發動一體化技術，整體結構較為緊湊，動力性能較好。在2010年有奔馳推出的奔馳S400，為串聯式輕度混合動力汽車，從靜止加速到100km/h，所需時間僅為7.2s，并能輕松達到限速250km/h。而國內其他大型汽車制造商也相應推出了相關的混合動力汽車，混合動力汽車技術得到了進一步的發展，相信在不久的將來，將會有更多環保節能且性能極佳的混合動力產品問世。

3 混合動力汽車的關鍵技術分析

（1）電池及電池管理系統。

與普通的電動汽車相比，混合動力汽車在電池使用方面存在較大差異，其電池放電速率與效率較高，為確保汽車在加速與爬坡時，能有效提供較大峰值功率，對電池的能量密度與功率密度有著非常高的要求。電池的充放電次數、工作溫度等都不同程度地影響著電池的使用壽命與性能狀態。對電池的過度充放電，會嚴重影響電池的性能，甚至可能損壞電池，縮短電池的使用壽命。因此，必須對電池的工作過程與所處環境、狀態進行監控，而電池管理系統而主要用于對電池工作環境與過程的監測，通過其對電池狀態的預測提示，能有效延長電池的使用壽命，確保電池能效得到充分利用。

（2）電機及電機控制系統。

電機為混合動力汽車中的一項驅動單元，以性能高、質量輕、效率高、成本低為選用原則。并且，在電機峰值功率上，須具備起動發動、電驅動、整車加速、制動回收等各方面能力。現階段，混合動力汽車主要使用永磁無刷同步、直流永磁、開關磁阻以及交流異步等四種類型的電機。由電機工作原理與選用原則可知，對電機的研發主要集中在質量的改進、性能的提升以及體積的縮小上。ISG結構的提出，是對現有發動機動力系統的有效改進，能以較低成本，實現對汽車節油減排性能的改造。

其中，在車輛進行制動減速或下坡行駛時，應確保電機處于發電機工作狀態，讓機械能轉化為電能，存儲于電池內。因此，為了滿足汽車形式的動力性能需求，電機控制系統需確保對電機工作模式的有效控制。

（3）驅動系統控制。

汽車在行駛時，動力系統會進行工作模式的相互切換，形成許多對單個動力源而言的非連續瞬態過程，為協調控制這一過程中兩個動力源的動力輸出，需解決以下問題。第一，確保發動機能在較短時間內平穩起動。第二，能有效控制驅動前的轉速與離合器結合過程。第三，能協調控制動機與電機轉矩，因狀態切換而形成的發動機需求轉矩變化。第四，確保在汽車總需求轉矩造成較大波動時，能有效協調控制電機與發動機的轉矩。

在進行驅動系統控制策略分析時，需結合汽車相關的行駛狀況、發動機與電機工作性能、電池SOC等方面數據，實現對驅動系統的有效控制，包括對起步、模式切換、換擋等動態過程的控制。目前，國內外對混合動力系統的控制策略，已有了較為深入的研究，在動態性能的協調控制方面已取得了較大成果。

4 動力總成關鍵零部件技術

4.1 發動機

在混合動力汽車系統中，可通過對發動機的優化設計，來提高汽車的經濟性能減少尾氣排放。對發動機改進技術的研究，主要從采用其他型式熱機或改進內燃機兩方面進行。如長安汽車公司所研發的專用發動機，主要用于中型混合動力汽車內，其通過將壓縮比提高、改進原有配氣相位、優化電噴系統匹配度等，實現對發動機的優化改造。

4.2 變速器

變速器是汽車傳動系統中的重要組成部分，對其動力性與經濟性有著直接影響。現階段，混合動力汽車系統內，所采用的變速器型較多，包括機械式自動變速器、手動變速器、帶傳動無級變速器、電子式無級變速器、行星齒輪自動變速器等。無級變速器的傳動效率低于機械變速器，雖能進行無級變換，但配置成本較高。而電子式無級變速器，其應用技術還處在研究階段。而機械式自動變換器，其所需成本較低而傳動效率較高，但操作難度偏高。傳統液力式自動變速器，利用行星齒輪系來達到變速的目的，能有效實現對混合動力汽車的換擋控制，但存在傳動效率不高，整體經濟性能偏低的缺點。

4.3 動力耦合裝置

在混合動力系統開發中，動力耦合裝置一直都是其研究的重點與難點，直接影響著對車輛整體性能的控制。目前，在混合動力系統中，主要采用轉矩結合式、驅動力結合式、轉速結合式等三種動力耦合方式。其中，轉矩結合式動力耦合裝置能通過傳動系統，實現對汽車的直接驅動，并以直接或間接帶動電動、發電機的形式，讓電池蓄電，在并聯混合動力汽車內運用較廣。而驅動力結合式能有效利用車輛的地面附著力，提高整體驅動性能，但存在組成系統大、控制難度高的問題。轉速復合式裝置，由于其要求保持電動機與電機輸出轉矩時刻相等，控制難度較大，難以廣泛應用于現實中。

5 測試技術

在混合動力汽車測試系統中，其測量包括發動機轉矩、轉速、電池工作狀態等，需對傳統臺架測試數據采集系統進行優化，添置相應的電池數據采集裝置，測試電池的工作狀態。在這個過程中，由于電池的性能易受工作環境與溫度的影響以及電池SOC的變化，使得電池的數據系統研發困難重重。但隨著科技與計算機技術的快速發展，在混合動力汽車測試系統技術方面，已取得了較大突破。

參考文獻

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