混合動力電動汽車的研發實踐

李韋良 王溫都蘇

(1.錦州漢拿電機有限公司，遼寧錦州，121000；2.錦州韓華電裝有限公司，遼寧錦州，121000)

1 混合動力電動汽車分類及特點

1.1 串聯式混合動力電動汽車

所謂串聯式動力主要由三部分動力總成組成，分別為發電機、電動機、發動機三部分，在三者之間按照串聯的方式組成動力單元系統。車輪需要電池驅動電動機帶動轉動，如果在負荷較大的過程中，電動機則需要由發動機帶動發電機發電，繼而對電動機驅動。如果混合動力電動汽車處于加速、爬坡等高負荷情況的時候，電動機則需要從發動機-電動機組、電池組兩組獲取電能；如果汽車處于怠速或者是低速、滑行的狀態中，電動機主要受到電池組的驅動，這時候發電機-發動機組會向電池組進行充電。這種串聯式的電動汽車，無論在任何情況下，車輪都是由電動機進行驅動，在市內交通情況下，如頻繁起步、加速等情況，就可以保持發動機在最佳狀態附近運轉；通過電動機、電池兩者的輸出調整，從而實現車速的調整，進而如果面對復雜的工況，就可以有效提升系統的性能。如果電池的SoC較高，就可以將原動機關閉，單純利用電池保持功率的輸出，從而有效提升發動機的效率，有效降低有害物質排放，但這種串聯式的結構，在燃油經濟方面還有很多不足之處，雖然這種方式改善了發動機的工況，但是發動機所產生的功，會經過控制器、發電機、電池等，最終在轉化為機械能的過程中產生較為明顯的效率損失，從而沒有提升根本性的效率，因此，這種技術當前主要應用于城市大型客車之中。

1.2 并聯式混合動力電動汽車

在并聯式結構中有兩套驅動系統，分別為電動機和發動機驅動系統，兩者通過并聯的方式連接，并且任何單獨的系統都可以實現驅動車輪的作用。電動機會直接給電池充電，發揮發電機的作用，因此就不需要再配置單獨的發電機。在汽車行駛的過程中，車輛無論是加速、起步都使用的是電動機，而發動機作為主要的動力源，電動機作為輔助動力源。在低負荷工況情況下，發動機效率較低，此時電動機開始發揮發電機功能進行電池充電；其次，在車輛制動或下坡減速過程中，可以將制動能量進行回收發電及充電。

1.3 混聯式混合動力電動汽車

所謂混聯式也可以成為串并聯式，這種方式可以綜合發揮出并聯和串聯兩種方式的優點，豐田Prius系列的混合動力系統就是采用的混聯式動力系統，在實際工作中，發動機的動力會經過動力分配器進行自動分配，在直接驅動車輪的同時，還可以進行自主控制發電，但因為需要通過電能的利用來對電動機形成驅動，從而較并聯式混合動力增加了電動機的使用比率。

2 混合動力電動汽車研發需要解決的問題和技術

2.1 需要解決的問題

(1)車況在行使的過程中，必然會產生多種變化，從而對電池就提出了更高的要求，電池需要經受多種電流充電、放電的循環，如此需要電池的能量密度較高，并且對使用壽命、功率密度、充放電效率都有較高的要求，另外能量存儲裝置還需要具有較高的比功率，從而可以滿足汽車行駛過程中，爬坡、加速行駛對大功率的需求。

(2)在汽車行駛的過程中，如若想要實現對各種運行狀態的良好控制管理，其核心主要依托于能量管理系統和動力分配裝置，但是兩者生產都具有較高的技術難度，對加工精度方面也有很高的要求。汽車行駛過程中，需要頻繁的起動或關閉發動機，從而在附件、驅動系統的電能管理中就變得更加復雜，當前多數混合動力單元多以熱力發動機為主，需要將燃油轉化為有用功，與此同時，將轉化效率提升，并要滿足排放要求。

(3)進行計算機仿真、分析工作，但在此之前，首先需要建立現今的驅動系統數學模型。

(4)混合動力系統具有非常復雜的結構，因此制作混合動力系統就會有較高的成本，并且在維修混合動力系統中也有更高的難度，繼而混合動力汽車的售價也相對要高一些，因此，必須要通過減小尺寸、降低制造成本等多方面采取相應的措施。

2.2 關鍵技術

(1)能量存儲技術。在混合動力電動汽車的研發過程中，汽車蓄電池的充放電特性、開發工作是最為關鍵的研究內容之一，在混合動力電動汽車中，電池的主要功能就是儲存電能以及盡可能多的輸出電能，從而有效提升電動汽車的行使里程數，因此，電池不僅需要具備高能量密度，并且其功率也要很高。在當前的混合動力電動汽車中，幾乎都會選擇鎳氫電池或者是鋰離子電池，鎳氫電池技術主要是因為其儲存的氫合金，可以經受電動汽車行駛中無數次的循環反復使用材料，并且擁有容量大的優勢，但其成本卻更高，效率很低，并且還要對氫的損失進行有效控制。而對于鋰離子電池來說，這種電池技術在功率、電壓、能量密度方面都很高，并且充電時間也很短，隨著鋰離子電池的發展，在當今混合動力電動汽車市場占有了很大的市場份額，并且還在逐步擴大。

而在能量存儲裝置的研發工作中，應該側重于如下3方面的工作：

首先，要改進電池的設計和制造工藝、技術，不僅要降低制造的成本，同時還需要有效提升電池的壽命，改善其性能，深入研究電池充放電動態特征。其次，對電池內部的監控、檢測、連接等需要進行深層次的研究，從而可以在汽車的支撐機構中安裝電池子系統。最后，加強對于電池熱能和剩余電量的管理工作，提升電池的利用率和續航里程。

(2)控制策略技術。在研發的過程中，最關鍵的環節就是混合動力驅動系統之間的差異，根據實際需要，制定出具有針對性的優化控制策略。可以根據開發的目的、價格、使用環境等方面因素差異，選擇并聯、串聯或混聯式的模式，并且每種模式中，動力混合的輕重也要有所差別，從而致使所采用的控制策略也具有不同的特征。如若想要保證混合動力系統實現精準的運轉，需要以優化控制為基礎，由此可見，在混合動力系統的研發工作中，控制系統是其中最為關鍵的技術創新，在控制系統實現功能的過程中，需要根據系統所采集到的速度、負荷等方面的數據進行分析計算，從而得出相應需要輸出的功率；以最高的效率從而就可以有效優化最優功率的分配比率；在此之后，以功率的分配比值作為基礎，綜合電動機功率值等數據內容，從而得出電動機、內燃機的控制參數，與此同時，需要通過驅動執行器，對不同的兩個層次進行相應的控制，因此，在執行器的設計工作中，主要在于功率分配裝置的設計，以及執行器與變速器形成一體化的設計，因為需要根據控制器的指令，實現分解內燃機功率向驅動車輛功率、驅動發電機功率轉變。因此，在混合動力系統的研發工作中，不僅是針對計算理論、軟件技術和電子技術的研發，同時在于執行部件設計、制造方面的工作。

3 結語

綜上，在當今時代混合動力汽車已經成為主要的發展趨勢，大幅度改變了全球汽車產品的構成，已經走向實用化的時期。根據相關單位預測，在2020年，世界混合動力汽車將占據總體汽車市場的25%，總而言之，混合動力汽車在未來的汽車市場中，具有廣闊的發展前景，并且會成為未來汽車市場的主導產品。