油電混合系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用分析

龐翔勻

摘要：汽車是當(dāng)前社會(huì)中廣泛應(yīng)用的交通工具，而汽車是以柴油或汽油等不可再生能源提供動(dòng)力，并且汽車尾氣等也會(huì)產(chǎn)生一定的環(huán)境污染。因此，在能源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻的條件下，對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和利用就顯得尤為重要。有點(diǎn)混合動(dòng)力系統(tǒng)，在當(dāng)前汽車中正逐漸得到應(yīng)用?；旌蟿?dòng)力汽車與其它汽車相比，在起步和加速的時(shí)候，可以得到電動(dòng)馬達(dá)的輔助，進(jìn)而達(dá)到降低油耗、減少污染的目的。基于此，本文基于油電混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn)，探討了其結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)模式，分析了其關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其能量管理策略進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：油電混合系統(tǒng);汽車;驅(qū)動(dòng)模式;能量管理

前言：在當(dāng)今社會(huì)中，隨著人們經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平日益提高，汽車也從以前的奢侈品，轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的必需品。汽車數(shù)量的不斷增加，也使得能源消耗大大增加，同時(shí)由此產(chǎn)生的污染問(wèn)題也日益嚴(yán)峻。對(duì)此，為了實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，人們開(kāi)始研究新的能源系統(tǒng)——油電混合系統(tǒng)，將不可再生的石油資源和可再生的電力能源混合使用，進(jìn)而減少油耗，緩解能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。油電混合汽車作為當(dāng)前一種新的汽車類型，具有較為獨(dú)特的特點(diǎn)，因此，對(duì)其展開(kāi)研究，有利于促進(jìn)油電混合汽車的進(jìn)一步發(fā)展與完善。

一、油電混合動(dòng)力汽車的特點(diǎn)

（一）行駛距離長(zhǎng)

新能源汽車發(fā)展中，純電力汽車價(jià)格高昂，行駛里程有限。而油電混合動(dòng)力汽車，不但能降低成本，還能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的行駛距離。在動(dòng)力性、行駛能力等方面，油電混合汽車都比較理想，人們?cè)陂_(kāi)車出行時(shí)，也不需要對(duì)電量需求加以考慮，不需要頻繁充電，提高了便利性。另外，電池的使用壽命也能得到延長(zhǎng)，從而降低了汽車維護(hù)的投入[1]。

（二）能源消耗低

在能源消耗方面，和傳統(tǒng)汽車相比，油電混合汽車也能明顯降低。油電混合汽車能夠發(fā)揮自身的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，綜合利用油電動(dòng)力，利用一部分電能，代替燃油消耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)油耗的降低，同時(shí)也減少了尾氣排放，降低了對(duì)環(huán)境的污染，因而在經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性方面，都比較理想。

二、油電混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)模式

（一）結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)前的油電混合動(dòng)力汽車，主要的結(jié)構(gòu)形式有三種，分別是串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)主要在大型客車中應(yīng)用較多，如城市公交等。電能轉(zhuǎn)化后供給電動(dòng)機(jī)工作，以及存儲(chǔ)蓄電池。串聯(lián)結(jié)構(gòu)中有相對(duì)獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制，能保證燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的良好工況。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，發(fā)動(dòng)力動(dòng)力直接向汽車提供動(dòng)力，無(wú)需再轉(zhuǎn)化為電力，效率比較高，不過(guò)，汽車行駛工況會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況的影響[2]?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，將串聯(lián)和并聯(lián)式進(jìn)行了融合，低速運(yùn)行以串聯(lián)式工作，高速運(yùn)行以并聯(lián)式工作。

（二）驅(qū)動(dòng)模式

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)模式為，起步、形式、加速下，發(fā)動(dòng)機(jī)和電池共同發(fā)出電能，傳遞給功率轉(zhuǎn)換器，到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)轉(zhuǎn)。輕載時(shí)一部分電能充電蓄電池。減速、制動(dòng)時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，充電蓄電池。停車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)響電池充電。并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中，起步、加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)車輛。行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)脫離工作。減速制動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)工作發(fā)電，充電電池。輕載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)提供部分功率，并充電電池?；炻?lián)式結(jié)構(gòu)中，起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，蓄電池提供動(dòng)力。加速時(shí)二者同時(shí)工作，共同提供動(dòng)力。行使中電動(dòng)機(jī)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行提供動(dòng)力。制動(dòng)減速時(shí)電動(dòng)機(jī)發(fā)電，充電電池。行駛中，發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛和充電電池。

三、油電混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)

（一）電池管理系統(tǒng)

油電混合動(dòng)力汽車中，電池的能量和密度，對(duì)于汽車加速、爬行峰值功率有所影響[3]。在一些路途遙遠(yuǎn)的情況下，電池蓄電量容易不足，進(jìn)而導(dǎo)致行車受限?；诖?，開(kāi)發(fā)應(yīng)用高能量密度電池，同時(shí)研發(fā)配套的電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)電池情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而提高電池的使用壽命和應(yīng)用性能。

（二）機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是油電混合汽車中的重要部分，采用齒輪傳動(dòng)、行星排等功率耦合裝置。其中，核心環(huán)節(jié)耦合裝置的可靠性與效率性，將決定車輛的整體性能。例如在豐田PRIUS中，并不僅僅局限在碳素傳動(dòng)緩解工作效率方面，同時(shí)也注重了對(duì)車輛可靠性的提升，將原有的傳動(dòng)比固定的第二排行星傳動(dòng)，使用了效果更好的機(jī)平行軸齒輪傳動(dòng)。

（三）電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，主要是蓄電池的充放電狀態(tài)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的開(kāi)啟或停止。在油電混合動(dòng)力汽車中，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)相互配合工作，通過(guò)多種不同的工作模式搭配，完成系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率有直接的影響。所以，對(duì)于電機(jī)不但要控制質(zhì)量性能，也應(yīng)采用優(yōu)化控制算法，確保其轉(zhuǎn)矩控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定精確[4]。

（四）關(guān)鍵零件技術(shù)

油電混合汽車中，動(dòng)力耦合裝置、傳動(dòng)裝置、離合器、發(fā)動(dòng)機(jī)等，對(duì)于汽車性能都有直接影響，同時(shí)這些關(guān)鍵零部件技術(shù)，也決定了汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性能?；诖耍芍攸c(diǎn)改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)，或應(yīng)用其它類型的熱機(jī)。例如，長(zhǎng)城公司研發(fā)的中型混合動(dòng)力汽車專用發(fā)動(dòng)機(jī)，將壓縮比提高，重新設(shè)計(jì)配氣相位，優(yōu)化匹配電噴系統(tǒng)等，使發(fā)動(dòng)機(jī)燃油后消耗率、熱效率等明顯改善。

四、油電混合動(dòng)力汽車的能量管理策略

（一）串聯(lián)結(jié)構(gòu)的能量管理

串聯(lián)式結(jié)構(gòu)當(dāng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車行駛工況，并沒(méi)有直接關(guān)系，所以，在能量管理中，重點(diǎn)確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作的最佳排放區(qū)和效率區(qū)。同時(shí)，結(jié)合傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池等，實(shí)現(xiàn)整體效率合理分配及能量?jī)?yōu)化。在實(shí)際應(yīng)用中，主要可采取恒溫器策略、功率跟蹤式策略、基本規(guī)則性策略等方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)油電混合動(dòng)力汽車的能量管理。

（二）并聯(lián)結(jié)構(gòu)的能量管理

并聯(lián)式結(jié)構(gòu)當(dāng)中，能量管理的重點(diǎn)，主要是以轉(zhuǎn)矩控制為基礎(chǔ)的控制策略，例如靜態(tài)邏輯門限策略，對(duì)車輛的相關(guān)門限參數(shù)加以設(shè)置，并對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)部件工作區(qū)域加以限定。瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略，在工況瞬時(shí)下，確保系統(tǒng)名義油耗的最小，進(jìn)而確定電動(dòng)機(jī)工作范圍及工作點(diǎn)。全局最優(yōu)能量管理策略，建立空間狀態(tài)方程，基于特定約束條件，對(duì)滿足性能要求最優(yōu)解進(jìn)行計(jì)算。模糊能量管理策略，以模糊控制方法，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)功率分配、工作模式等問(wèn)題加以解決。

（三）混聯(lián)結(jié)構(gòu)的能量管理

混合式結(jié)構(gòu)中，在其特殊傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之下，可以參考串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)的能量管理模式。另外，也可采用發(fā)動(dòng)機(jī)恒定工作點(diǎn)的策略，在行星齒輪結(jié)構(gòu)下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速變化相對(duì)獨(dú)立，保證發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作點(diǎn)，提供的轉(zhuǎn)矩輸出恒定。剩余轉(zhuǎn)矩供給電動(dòng)機(jī)[5]。動(dòng)態(tài)部分由電動(dòng)機(jī)承擔(dān)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的損失?；虿捎冒l(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作曲線的管理策略，基于萬(wàn)有特性圖，在發(fā)動(dòng)機(jī)電流需求，比電池接受能力更高，或是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電流需求，比電動(dòng)機(jī)允許限制更高的情況下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)加以調(diào)整。

結(jié)論：油電混合系統(tǒng)，在當(dāng)前的汽車工業(yè)中，正在越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車，或是純電力能源的汽車，油電混合動(dòng)力汽車都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在發(fā)展中，應(yīng)注重對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的把握，結(jié)合汽車的結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動(dòng)模式，采取有效的能量管理策略，保證油電混合汽車良好的性能。

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