混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)

湯高攀 李海光

摘 要：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車解決了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程問(wèn)題和燃油汽車的尾氣排放問(wèn)題，是新能源汽車發(fā)展的一個(gè)重要方向。文章介紹了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)的分類和基本原理，并且對(duì)目前混合動(dòng)力電動(dòng)汽車存在的問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，希望為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車;混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù);發(fā)展

中圖分類號(hào)：U469.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）22-243-03

Abstract： Hybrid electric vehicle solves the problem of driving range of pure electric vehicle and the problem of reducing exhaust emission of fuel vehicle， which is a direction of new energy vehicle development. In this paper， the classification and basic principles of the hybrid electric vehicle power drive technology are introduced， and the problems and key technology of the current hybrid electric vehicle are described to provide help for the development of the hybrid electric vehicle.

Keywords： Hybrid electric vehicle; Hybrid drive technology; Development

CLC NO.： U469.7? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）22-243-03

前言

隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)和全球環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重，汽車行業(yè)的發(fā)展方向受到越來(lái)越多人的關(guān)注。為了緩解這些問(wèn)題，世界各國(guó)開(kāi)始對(duì)純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車展開(kāi)研究。美國(guó)政府2002年推出了“Freedom Car & Vehile Techno -logy”計(jì)劃;中國(guó)政府自2000年開(kāi)始實(shí)施“清潔汽車行動(dòng)”計(jì)劃，并且將電動(dòng)汽車列入國(guó)家“863”發(fā)展計(jì)劃[1]。根據(jù)我國(guó)的法規(guī)規(guī)定，一般將用非常規(guī)的車用燃料為動(dòng)力來(lái)源（或者使用常規(guī)的車用燃料，采用新型車載動(dòng)力裝置），綜合車輛動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的計(jì)數(shù)原理先進(jìn)，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車稱為新能源汽車[1]。純電動(dòng)汽車中電源是唯一的動(dòng)力輸出源，驅(qū)動(dòng)車輪行駛的是電機(jī)，這種汽車中沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)，排放無(wú)污染。追溯電動(dòng)汽車的發(fā)展歷史可知，電動(dòng)汽車最早是蘇格蘭商人羅伯特·安德森在1832-1839年研發(fā)的不可再充的蓄電池電動(dòng)車。緊接著，1835年荷蘭教授西博蘭斯·斯特町組裝了一款小型電動(dòng)三輪車。雖然純電動(dòng)車可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的無(wú)污染，但受動(dòng)力電池性能的限制，其續(xù)駛里程達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。雖然政府對(duì)購(gòu)買(mǎi)新能源汽車會(huì)進(jìn)行補(bǔ)貼，但是使用的不方便性加上價(jià)格較高使得純電動(dòng)車的大規(guī)模推廣相當(dāng)遲緩。在這種背景下，既可以保證長(zhǎng)距離行駛，又可以降低排放的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生。

1 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基本原理

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車與燃油汽車最大的不同點(diǎn)是其驅(qū)動(dòng)方式。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)是利用混合動(dòng)力技術(shù)，混合動(dòng)力技術(shù)是指將不同的兩種工作原理完全不同的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合在一起。目前，汽車上的混合動(dòng)力技術(shù)是將電動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配在一起，作為汽車的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)汽車行駛。這樣的驅(qū)動(dòng)方式結(jié)合了電動(dòng)機(jī)無(wú)污染和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車按照混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的不同分為微混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、中混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、完全混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)三種形式[2]。

1.1 微混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)

微混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是通過(guò)電動(dòng)部件（起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)）執(zhí)行起動(dòng)&停止功能，制動(dòng)能量可以進(jìn)行能量回收，對(duì)蓄電池再充電，汽車頻繁啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要對(duì)蓄電池進(jìn)行相應(yīng)的匹配[3]。該系統(tǒng)雖然不可以用純電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)車輛行駛，但奧迪很多車型也有應(yīng)用。

1.2 完全混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)

完全混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是由一個(gè)離合器分隔開(kāi)的內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)組成，離合器可以斷開(kāi)內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)這兩個(gè)系統(tǒng)，使其單獨(dú)起作用。車輛低速行駛時(shí)，電機(jī)工作，車輛以純電動(dòng)方式提供動(dòng)力，即純電動(dòng)行駛。車輛高速行駛或其他條件達(dá)成時(shí)，該系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)接通工作，電機(jī)輔助內(nèi)燃機(jī)來(lái)工作。完全混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與微混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類似也具備能量回收功能，可以給高壓蓄電池充電。

完全混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)又可以分為并聯(lián)式、串聯(lián)式、分支式和分支式串聯(lián)式四種形式。

1.2.1 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是典型的混合動(dòng)力系統(tǒng)，它擁有電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)都能夠單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輪，它們既能分開(kāi)工作也能協(xié)調(diào)合作，共同驅(qū)動(dòng)，并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的總功率為內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)各自的功率之和[4]。這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可以直接利用原車上很多部件進(jìn)行改造，目前對(duì)內(nèi)燃機(jī)車輛進(jìn)行直接改造的車輛基本上都是采用的這種結(jié)構(gòu)。但由于該并聯(lián)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安裝了兩套動(dòng)力系統(tǒng)，整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量比較大，增加了整車裝備質(zhì)量;另外，該種形式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)控制單元要求比較高，所以制造成本比較高。在應(yīng)用方面，該種形式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在應(yīng)用于非常復(fù)雜的行駛工況下，因此應(yīng)用范圍非常廣泛。

1.2.2 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為，內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，但內(nèi)燃機(jī)與驅(qū)動(dòng)軸無(wú)機(jī)械連接[5]。串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)在車輛行駛時(shí)會(huì)給電機(jī)供電或者給高壓蓄電池充電。無(wú)論車輛在何種負(fù)荷下運(yùn)行，車輪都是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)車輛在小負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)車輛在較大負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。但是由于能量傳遞需要從機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能再轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，這樣兩個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就增加了中間損耗，所以其總體效率較低;另外，串聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)增加了發(fā)電機(jī)，使動(dòng)力系統(tǒng)質(zhì)量增大，增加了整車裝備質(zhì)量。在應(yīng)用方面，該動(dòng)力系統(tǒng)主要適用于高頻率起步、提速與低速行駛工況狀態(tài)的市內(nèi)行駛車輛。

1.2.3 分支式混合動(dòng)力系統(tǒng)

分支式混合動(dòng)力系統(tǒng)包含安裝在前橋上的內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)，它們產(chǎn)生的動(dòng)力通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)傳遞到車輛變速器。分支式混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率分配與并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全不同，它不是將內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)各自的功率相加全部用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，而是一部分驅(qū)動(dòng)車輛行駛，一部分轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)。

1.2.4 分支式串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)

分支式串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)是將分支式和串聯(lián)式兩種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合的一種新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它包含安裝在前橋上的一個(gè)內(nèi)燃機(jī)和一個(gè)電機(jī)、安裝在后橋上的一個(gè)電機(jī)，以及布置在前橋和后橋的中間的高壓蓄電池。前橋上的內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)通過(guò)行星齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)汽車變速器，后橋上的電機(jī)在工況需要時(shí)進(jìn)行啟動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)適用于四輪驅(qū)動(dòng)車。分支式串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)與分支式混合動(dòng)力系統(tǒng)的功率分配類似，不能將內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)各自的功率相加全部用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪行駛。

1.3 中混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)

中混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)在技術(shù)和部件方面都與完全混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是相似的，不同點(diǎn)主要是中度混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是不可以以純電動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)車輛行駛[2]。

2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)和不足

2.1 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)

應(yīng)用混合動(dòng)力技術(shù)驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力汽車具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，有非常好的發(fā)展前景。一是能量可以二次利用，節(jié)約高效。混合動(dòng)力技術(shù)可從制動(dòng)能量中回收能量向蓄電池組提供電能，用于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛以及作為內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)機(jī)，這樣不僅能量可以進(jìn)行二次回收利用，而且不像純電動(dòng)汽車一樣停車對(duì)電池進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間充電，效率更高;二是內(nèi)燃機(jī)可隨需求進(jìn)行關(guān)閉，不僅可以滿足人們對(duì)于遠(yuǎn)距離行駛里程的需求，也可以減少市內(nèi)空氣污染;三是混合動(dòng)力汽車的燃油添加可以使用現(xiàn)有的加油站，能夠減少投入和成本。

2.2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的不足

目前混合動(dòng)力電動(dòng)汽車仍然存在嚴(yán)重影響其發(fā)展的不足之處。

一是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的成本較高。對(duì)于消費(fèi)者來(lái)講，對(duì)比相同類型不同汽車的區(qū)別時(shí)，最直觀的就是汽車的價(jià)格。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的銷售價(jià)格普遍比相同類型的普通汽車的銷售價(jià)格高。一方面因?yàn)榛旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車比普通燃油汽車的科技含量高，而且研發(fā)難度系數(shù)大，所以導(dǎo)致研發(fā)成本高;另一方面是由混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)決定的，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)不僅包含普通的動(dòng)力裝置，還包含電池組，這就造成了混合動(dòng)力汽車的制造成本高。此外，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的售后成本高，主要是使用后出現(xiàn)故障需要維修保養(yǎng)時(shí)，相關(guān)設(shè)備價(jià)格和人工費(fèi)用也比較高。這就導(dǎo)致消費(fèi)者在使用混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的過(guò)程中整體體驗(yàn)感偏差。

二是電池耐用及性能的問(wèn)題。當(dāng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在使用過(guò)程中面對(duì)各種復(fù)雜工況時(shí)，電池如何能夠經(jīng)受不同強(qiáng)度的考驗(yàn)，滿足人們對(duì)于各種性能的要求，如何實(shí)現(xiàn)電池能量密度、功率密度的最優(yōu)化等，都是必須解決的問(wèn)題[6]。

三是能量動(dòng)力的管理和控制問(wèn)題。當(dāng)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在使用過(guò)程中面對(duì)各種復(fù)雜情況時(shí)，需要對(duì)能量管理系統(tǒng)和動(dòng)力分配系統(tǒng)進(jìn)行管控，這就需要建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行充分的分析和配置優(yōu)化，從而提高能量利用效率。

3 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)和研究方向

對(duì)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車的控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究是使其得到快速發(fā)展的關(guān)鍵。

3.1 混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)的控制系統(tǒng)

混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)的控制系統(tǒng)是通過(guò)CAN總線將發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、電動(dòng)機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)控制器、變速器控制器等進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，它為能量管理系統(tǒng)提供基本分析數(shù)據(jù)[7]。如何降低電機(jī)控制系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、動(dòng)力電池等成本的問(wèn)題是降低整車制造成本為的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。此外，模式切換策略能夠有效實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)力系統(tǒng)的切換，功率分配策略能夠通過(guò)功率檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)油耗的控制，合理的策略優(yōu)化和才能夠更好的實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車在不同工況下的適應(yīng)能力。

3.2 電池及其管理系統(tǒng)

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車需要電池及其管理系統(tǒng)具備大功率充放電的能力、較高的充放電效率、高度穩(wěn)定的電池性能，這

樣才能滿足車輛對(duì)功率和能耗的要求，才能保證混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的續(xù)航能力，提高整車效率。電池的管理主要是研究電池的能量、功率密度的管理以及電池充放電性能、熱能管理、剩余電量管理、電池的使用壽命等情況，這樣才能能夠保證汽車加速和爬坡的效果[8]。

電池組短時(shí)間快速充放電是確保制動(dòng)能量回收功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。充放電效率能夠提高能量的利用率，特別是內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為電池組充電的過(guò)程中，能夠提高化石燃料能量向電能的轉(zhuǎn)換效率。

電池管理系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵仉娏窟M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證不出現(xiàn)過(guò)度充電和虧電的現(xiàn)象出現(xiàn);能夠?yàn)轳{駛員選擇合適電池充放電模式;能夠通過(guò)有效控制電池組的工作狀態(tài)，保證混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的安全使用和平穩(wěn)運(yùn)行;能夠保證電池充放電循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而提高混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的使用壽命。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合以上所述，掌握混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，了解目前混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的不足之處，才能夠提高混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的技術(shù)和保證質(zhì)量，促進(jìn)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的快速發(fā)展。隨著越來(lái)越多的社會(huì)資本和科研力量不斷的投入到混合動(dòng)力電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)中，再加上政府的政策支持，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)一定會(huì)有快速的發(fā)展。

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