油電混合動(dòng)力汽車(chē)及其關(guān)鍵技術(shù)探討

趙升噸，楊雪松，王澤陽(yáng)，鐘瑋，劉虹源

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

油電混合動(dòng)力汽車(chē)及其關(guān)鍵技術(shù)探討

趙升噸，楊雪松，王澤陽(yáng)，鐘瑋，劉虹源

（西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)革命推動(dòng)了油電混合動(dòng)力汽車(chē)的高速發(fā)展，在燃油經(jīng)濟(jì)性、整車(chē)動(dòng)力性和續(xù)航里程上，混合動(dòng)力系統(tǒng)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。文章介紹了油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的定義及基本原理、混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比分析了不同類(lèi)型混合動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。最后，對(duì)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

油電混合動(dòng)力；新能源；油耗；動(dòng)力性能

CLC NO.:U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-20-03

引言

汽車(chē)作為目前人類(lèi)社會(huì)最重要的交通工具，已有超過(guò)100年的歷史，并逐漸成為人們生活中必不可少的一部分。然而隨著汽車(chē)保有量與日俱增，由此產(chǎn)生的環(huán)境和能源問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的重視。急劇增長(zhǎng)的石油消費(fèi)、日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力以及每況愈下的城市交通狀況，都迫使汽車(chē)產(chǎn)業(yè)必須走節(jié)能環(huán)保的發(fā)展道路。中國(guó)制造2025規(guī)劃中明確指出新能源汽車(chē)與智能互聯(lián)汽車(chē)是十個(gè)重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)其中之一。電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)中的代表類(lèi)型，無(wú)疑是最具發(fā)展前途的。但針對(duì)中國(guó)目前的能源結(jié)構(gòu)，發(fā)電過(guò)程中的環(huán)境污染不容忽視。根據(jù)“wells to wheels”概念[1]，任何與汽車(chē)生產(chǎn)、運(yùn)行相關(guān)的環(huán)節(jié)所造成的排放都應(yīng)歸類(lèi)于車(chē)輛排放，基于此考慮，電動(dòng)汽車(chē)在目前并不是嚴(yán)格意義上的低排放汽車(chē)。同時(shí)，由于電池的能量密度與汽油相差很大，使得目前電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程受限。在這種情況下，油電混合動(dòng)力汽車(chē)作為汽柴油車(chē)向電動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)化的過(guò)渡產(chǎn)品，在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)在市場(chǎng)上占領(lǐng)很大的份額，并且向多元化發(fā)展。

將電能與傳統(tǒng)能源結(jié)合使用不僅能改善車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性及尾氣排放，同時(shí)車(chē)輛原有的動(dòng)力性能也能得到保證?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)與傳統(tǒng)車(chē)相比具有低油耗和低排放的優(yōu)勢(shì)，與電動(dòng)汽車(chē)相比則不需要專(zhuān)門(mén)的場(chǎng)外充電設(shè)施。[2]參考國(guó)際電子電氣技術(shù)委員會(huì)的定義，可將油電混合動(dòng)力汽車(chē)?yán)斫鉃橥瑫r(shí)利用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種推動(dòng)力能源的車(chē)輛。

1、油電混合動(dòng)力汽車(chē)的分類(lèi)

混合動(dòng)力汽車(chē)根據(jù)動(dòng)力源能量耦合方式的不同可以分為三類(lèi)，分別是串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)、并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)和混聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)。[3]還有另一種根據(jù)電功率占全部功率輸出百分比的分類(lèi)，可以將混合動(dòng)力汽車(chē)分為輕度混動(dòng)、中度混動(dòng)和中度混動(dòng)這三類(lèi)。[4]

1.1 基于結(jié)構(gòu)的分類(lèi)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)的連接形式不同，混合動(dòng)力汽車(chē)有三種結(jié)構(gòu)形式，分別是：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

1.1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)

串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)是三種中結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的一種，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)直接連接作為能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)，而電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)構(gòu)連接作為驅(qū)傳動(dòng)環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中，能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的電能通過(guò)逆變器進(jìn)行轉(zhuǎn)化后，提供給電動(dòng)機(jī)工作，多余的部分儲(chǔ)存到蓄電池中。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作或發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電功率不足時(shí)，蓄電池也向電動(dòng)機(jī)供電。該結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)控制相對(duì)獨(dú)立，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)可工作在較優(yōu)工況，但是由于所有能量經(jīng)過(guò)了機(jī)械能-電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過(guò)程，整體效率較低。此系統(tǒng)較適用于公交等大型車(chē)輛，在大功率或較高車(chē)速工況下表現(xiàn)不好。

圖1 串聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力

并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)通常用在插電式混合動(dòng)力車(chē)輛中，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)與減速機(jī)構(gòu)連接，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。目前除豐田外的油電混合動(dòng)力車(chē)輛多采用的是此種結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且油耗水平及動(dòng)力性能變現(xiàn)良好，但是動(dòng)力輔助作用受蓄電池容量的制約。

圖2 并聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力

混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)是三種中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一種，它集合了串聯(lián)式和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，如圖3所示為混聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在混聯(lián)式系統(tǒng)中，通常需配備行星排等功率耦合裝置以將發(fā)動(dòng)機(jī)功率分流成為機(jī)械功率和電動(dòng)率兩部分，從而盡可能地合理利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。該系統(tǒng)又可根據(jù)行星傳動(dòng)裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)、兩電機(jī)間及行星傳動(dòng)構(gòu)件間的不同連接方式分為輸入分流式、輸出分流式和復(fù)合分流式。

圖3 混聯(lián)式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

輸入功率分流式和輸出功率分流式系統(tǒng)只需要單行星排進(jìn)行功率耦合分流。其中輸入分流式的行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中兩構(gòu)件分別與發(fā)動(dòng)機(jī)和一個(gè)電機(jī)機(jī)械連接，第三構(gòu)件同時(shí)與輸出端和另一電機(jī)連接，如圖4所示。此結(jié)構(gòu)在低傳動(dòng)比區(qū)域有較好的工作效率，高速下電機(jī)2轉(zhuǎn)速過(guò)高，電功率比例增加，電功率傳遞路徑反向，會(huì)產(chǎn)生功率循環(huán)，傳動(dòng)效率急速下降。

圖4 輸入分流模式構(gòu)型

輸出分流式的行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的三構(gòu)件中，一個(gè)同時(shí)與發(fā)動(dòng)機(jī)和某一電機(jī)相連，第二個(gè)構(gòu)件與另一電機(jī)連接，第三構(gòu)件為輸出端，其連接方式及低速工作時(shí)能量傳遞路徑如圖5所示。此結(jié)構(gòu)在高傳動(dòng)比區(qū)域有較好的工作效率，低速下會(huì)產(chǎn)生如圖所示的功率回流現(xiàn)象，系統(tǒng)傳動(dòng)效率很低。

圖5 輸出分流模式構(gòu)型

圖6 復(fù)合分流模式構(gòu)型

復(fù)合功率分流式結(jié)構(gòu)通常需配備雙行星排等耦合裝置，雙行星排的六個(gè)構(gòu)件中有兩組相互連接產(chǎn)生四個(gè)獨(dú)立接點(diǎn)，其中三個(gè)分別與發(fā)動(dòng)機(jī)及兩電機(jī)機(jī)械連接，另一個(gè)為輸出端口。該方式兼顧輸入和輸出分流模式的優(yōu)點(diǎn)，具有多種能量流路線，此結(jié)構(gòu)在一定傳動(dòng)比范圍內(nèi)都具有較高的工作效率，如圖6所示位復(fù)合分流模式構(gòu)型。

1.2 基于混合度的分類(lèi)

也有學(xué)者根據(jù)混合度，即電功率占總功率的比例，將油電混合動(dòng)力車(chē)輛分為輕度混合動(dòng)力、中度混合動(dòng)力和重度混合動(dòng)力三種類(lèi)型。

（1）輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)。這種混合動(dòng)力系統(tǒng)通常是配備了一臺(tái)ISG電機(jī)，即啟動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)，該電機(jī)的作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)不再在怠速工況下工作，但是電機(jī)本身不參與驅(qū)動(dòng)或能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。

（2）中度混合動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)可理解為采用了更大功率ISG電機(jī)的輕混系統(tǒng)，不同的是在中混系統(tǒng)中，ISG電機(jī)可為車(chē)輛的行駛提供驅(qū)動(dòng)力。

（3）重度混合動(dòng)力系統(tǒng)。通常定義重度混合動(dòng)力系統(tǒng)為混合度大于或等于30%的混動(dòng)系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)通常需配備大功率的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。

2、關(guān)鍵技術(shù)

油電混合動(dòng)力系統(tǒng)有機(jī)械功率和電功率兩條能量傳遞路線，包含發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、電池等多個(gè)環(huán)節(jié)，是一個(gè)集成度很高的系統(tǒng)。相信在未來(lái)10~20年的發(fā)展過(guò)程中，要想使混合動(dòng)力系統(tǒng)具有更加優(yōu)良的燃油經(jīng)濟(jì)性和出色的動(dòng)力性能，還需在以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)上下功夫。

2.1 高能量密度電池及其管理系統(tǒng)

一定程度上，油電混合動(dòng)力汽車(chē)的出現(xiàn)是為了解決現(xiàn)階段電池性能不足而造成的純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程較短的問(wèn)題。但同時(shí)，為確保混合動(dòng)力汽車(chē)在加速與爬坡時(shí)能有效提供較大的峰值功率，對(duì)電池的能量密度和功率密度也提出了很高的要求。特別是隨著汽車(chē)輕量化革命的推進(jìn)，為混動(dòng)汽車(chē)配備高能量密度的電池以及更加高效的電池管理系統(tǒng)成為需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。具體來(lái)講，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的電池容量直接影響到車(chē)輛的油耗水平，而以豐田“PRIUS”為代表的非插電式混合動(dòng)力為延長(zhǎng)電池壽命，對(duì)其電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)了淺充淺放的控制策略，無(wú)形中降低了電池的有效能量密度，與汽車(chē)輕量化的發(fā)展趨勢(shì)不符。因此，無(wú)論未來(lái)的油電混合動(dòng)力汽車(chē)是采用鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池，都急需提高電池的能量密度，同時(shí)為其配備一套完善的電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，以最大限度的發(fā)揮電池性能、延長(zhǎng)電池使用壽命。

2.2 高可靠性、高效率的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)汽車(chē)已沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的變速箱，但現(xiàn)階段的混合動(dòng)力車(chē)輛都還或多或少有機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，尤其是在混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中，由行星排和齒輪傳動(dòng)構(gòu)成的功率耦合裝置作為核心環(huán)節(jié)，其效率和可靠性很大程度上決定了整車(chē)的性能。豐田“PRIUS”在進(jìn)行換代改進(jìn)時(shí)，為降低傳動(dòng)環(huán)節(jié)的磨損、增強(qiáng)可靠性，專(zhuān)門(mén)將定傳動(dòng)比的第二排行星傳動(dòng)改成了平行軸齒輪傳動(dòng)。

2.3 高性能電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)

隨著混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)已經(jīng)不僅僅作為一項(xiàng)驅(qū)動(dòng)單元，還要作為能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中極為重要的一環(huán)，在電動(dòng)以及發(fā)電模式下都能高效運(yùn)行。并且，在電機(jī)峰值功率上，需具備啟動(dòng)發(fā)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、整車(chē)加速、制動(dòng)回收等各方面的能力?，F(xiàn)階段在混動(dòng)汽車(chē)上使用的電機(jī)主要有交流永磁同步、直流永磁、開(kāi)關(guān)磁阻以及異步電機(jī)等四種類(lèi)型。在進(jìn)行電機(jī)選用時(shí)，需要綜合考慮性能、質(zhì)量、效率、成本等因素。因此，接下來(lái)的電機(jī)研發(fā)工作集中在質(zhì)量改進(jìn)、性能提升以及體積縮小上。電機(jī)的高效工作與其驅(qū)動(dòng)技術(shù)密不可分，隨著混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展，系統(tǒng)中電機(jī)功率不斷增大，這就對(duì)驅(qū)動(dòng)電路中的功率放大模塊提出了很高的要求。此外，電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制的精確性和穩(wěn)定性也離不開(kāi)優(yōu)化的控制算法。

2.4 優(yōu)化的整車(chē)控制策略

混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略是整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)的大腦，國(guó)內(nèi)早期的有關(guān)研究主要是利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)映射出發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)，與所建立的控制策略仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，反推國(guó)外車(chē)型的控制策略。控制策略通?？煞譃榛诖_定規(guī)則的控制策略、離線全局優(yōu)化算法和預(yù)測(cè)控制算法三種，它們各具優(yōu)缺點(diǎn)?；诖_定規(guī)則的控制算法難以充分發(fā)揮行星混聯(lián)系統(tǒng)的節(jié)能潛力，控制效果有限；離線全局優(yōu)化算法往往難以保證實(shí)時(shí)性，也不具有普遍的工況適應(yīng)性，預(yù)測(cè)控制擺脫了工況局限性，但實(shí)時(shí)性仍是應(yīng)用瓶頸。因此，若要使混合動(dòng)力系統(tǒng)的綜合性能再上一個(gè)臺(tái)階，還需設(shè)計(jì)出實(shí)時(shí)性良好，可應(yīng)用于實(shí)車(chē)控制器，又能大幅提升整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的控制策略。

3、結(jié)論

（1）油電混合動(dòng)力汽車(chē)具有優(yōu)良的燃油經(jīng)濟(jì)性和低排放特性，是現(xiàn)階段純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程瓶頸無(wú)法突破時(shí)的情況下，推進(jìn)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的不二選擇。

（2）混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展離不開(kāi)電池技術(shù)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)和整車(chē)控制策略的優(yōu)化改進(jìn)，未來(lái)的混合動(dòng)力車(chē)輛對(duì)電池的能量密度、電機(jī)的性能和控制策略的實(shí)時(shí)性將提出很高的要求。

Discussion of Hybrid Electric Vehicles and the Relevant Key Technologies

Zhao Shengdun, Yang Xuesong, Wang Zeyang, Zhong Wei, Liu Hongyuan
( School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Shaanxi Xi'an 710049 )

The new energy automotive industry revolution has promoted the rapid development of hybrid electric vehicles, which has incomparable advantages in fuel economy, vehicle power performance and cruising radius. This paper introduces the definition and basic principles of the hybrid electric power system, the development status of hybrid electric vehicles, and the structure and characteristics of different types of hybrid power system are compared and analyzed. At last, the key technologies of the hybrid electric power system are introduced, and the development trend is forecasted.

Hybrid electric vehicles; new energy; oil consumption; dynamic performance

U469.7

A

1671-7988(2016)07-20-03

李旭海.混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué),2008.

10.7666/d.y1364475.

趙升噸，西安交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槠?chē)節(jié)能機(jī)電一體化設(shè)備開(kāi)發(fā)。基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：51335009）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.007

[2] 余志生.汽車(chē)?yán)碚?第3版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3] 孫逢春,何洪文.混合動(dòng)力車(chē)輛的歸類(lèi)方法研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,22.

[4] 邵毅明主編.汽車(chē)新能源與節(jié)能技術(shù).[M].人民交通出版社.