混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研發(fā)實(shí)踐

李韋良 王溫都蘇

(1.錦州漢拿電機(jī)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(dòng)力電動(dòng)汽車分類及特點(diǎn)

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

所謂串聯(lián)式動(dòng)力主要由三部分動(dòng)力總成組成，分別為發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)三部分，在三者之間按照串聯(lián)的方式組成動(dòng)力單元系統(tǒng)。車輪需要電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，如果在負(fù)荷較大的過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)則需要由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，繼而對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。如果混合動(dòng)力電動(dòng)汽車處于加速、爬坡等高負(fù)荷情況的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)則需要從發(fā)動(dòng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)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(tài)中，電動(dòng)機(jī)主要受到電池組的驅(qū)動(dòng)，這時(shí)候發(fā)電機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)組會(huì)向電池組進(jìn)行充電。這種串聯(lián)式的電動(dòng)汽車，無(wú)論在任何情況下，車輪都是由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在市內(nèi)交通情況下，如頻繁起步、加速等情況，就可以保持發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳狀態(tài)附近運(yùn)轉(zhuǎn)；通過(guò)電動(dòng)機(jī)、電池兩者的輸出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)車速的調(diào)整，進(jìn)而如果面對(duì)復(fù)雜的工況，就可以有效提升系統(tǒng)的性能。如果電池的SoC較高，就可以將原動(dòng)機(jī)關(guān)閉，單純利用電池保持功率的輸出，從而有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，有效降低有害物質(zhì)排放，但這種串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)，在燃油經(jīng)濟(jì)方面還有很多不足之處，雖然這種方式改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的工況，但是發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的功，會(huì)經(jīng)過(guò)控制器、發(fā)電機(jī)、電池等，最終在轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程中產(chǎn)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(shù)當(dāng)前主要應(yīng)用于城市大型客車之中。

1.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

在并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中有兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，分別為電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩者通過(guò)并聯(lián)的方式連接，并且任何單獨(dú)的系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)車輪的作用。電動(dòng)機(jī)會(huì)直接給電池充電，發(fā)揮發(fā)電機(jī)的作用，因此就不需要再配置單獨(dú)的發(fā)電機(jī)。在汽車行駛的過(guò)程中，車輛無(wú)論是加速、起步都使用的是電動(dòng)機(jī)，而發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)作為輔助動(dòng)力源。在低負(fù)荷工況情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低，此時(shí)電動(dòng)機(jī)開始發(fā)揮發(fā)電機(jī)功能進(jìn)行電池充電；其次，在車輛制動(dòng)或下坡減速過(guò)程中，可以將制動(dòng)能量進(jìn)行回收發(fā)電及充電。

1.3 混聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車

所謂混聯(lián)式也可以成為串并聯(lián)式，這種方式可以綜合發(fā)揮出并聯(lián)和串聯(lián)兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，豐田Prius系列的混合動(dòng)力系統(tǒng)就是采用的混聯(lián)式動(dòng)力系統(tǒng)，在實(shí)際工作中，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力會(huì)經(jīng)過(guò)動(dòng)力分配器進(jìn)行自動(dòng)分配，在直接驅(qū)動(dòng)車輪的同時(shí)，還可以進(jìn)行自主控制發(fā)電，但因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)電能的利用來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)形成驅(qū)動(dòng)，從而較并聯(lián)式混合動(dòng)力增加了電動(dòng)機(jī)的使用比率。

2 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車研發(fā)需要解決的問(wèn)題和技術(shù)

2.1 需要解決的問(wèn)題

(1)車況在行使的過(guò)程中，必然會(huì)產(chǎn)生多種變化，從而對(duì)電池就提出了更高的要求，電池需要經(jīng)受多種電流充電、放電的循環(huán)，如此需要電池的能量密度較高，并且對(duì)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(chǔ)裝置還需要具有較高的比功率，從而可以滿足汽車行駛過(guò)程中，爬坡、加速行駛對(duì)大功率的需求。

(2)在汽車行駛的過(guò)程中，如若想要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種運(yùn)行狀態(tài)的良好控制管理，其核心主要依托于能量管理系統(tǒng)和動(dòng)力分配裝置，但是兩者生產(chǎn)都具有較高的技術(shù)難度，對(duì)加工精度方面也有很高的要求。汽車行駛過(guò)程中，需要頻繁的起動(dòng)或關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，從而在附件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電能管理中就變得更加復(fù)雜，當(dāng)前多數(shù)混合動(dòng)力單元多以熱力發(fā)動(dòng)機(jī)為主，需要將燃油轉(zhuǎn)化為有用功，與此同時(shí)，將轉(zhuǎn)化效率提升，并要滿足排放要求。

(3)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真、分析工作，但在此之前，首先需要建立現(xiàn)今的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

(4)混合動(dòng)力系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此制作混合動(dòng)力系統(tǒng)就會(huì)有較高的成本，并且在維修混合動(dòng)力系統(tǒng)中也有更高的難度，繼而混合動(dòng)力汽車的售價(jià)也相對(duì)要高一些，因此，必須要通過(guò)減小尺寸、降低制造成本等多方面采取相應(yīng)的措施。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

(1)能量存儲(chǔ)技術(shù)。在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研發(fā)過(guò)程中，汽車蓄電池的充放電特性、開發(fā)工作是最為關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容之一，在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，電池的主要功能就是儲(chǔ)存電能以及盡可能多的輸出電能，從而有效提升電動(dòng)汽車的行使里程數(shù)，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(dāng)前的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，幾乎都會(huì)選擇鎳氫電池或者是鋰離子電池，鎳氫電池技術(shù)主要是因?yàn)槠鋬?chǔ)存的氫合金，可以經(jīng)受電動(dòng)汽車行駛中無(wú)數(shù)次的循環(huán)反復(fù)使用材料，并且擁有容量大的優(yōu)勢(shì)，但其成本卻更高，效率很低，并且還要對(duì)氫的損失進(jìn)行有效控制。而對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，這種電池技術(shù)在功率、電壓、能量密度方面都很高，并且充電時(shí)間也很短，隨著鋰離子電池的發(fā)展，在當(dāng)今混合動(dòng)力電動(dòng)汽車市場(chǎng)占有了很大的市場(chǎng)份額，并且還在逐步擴(kuò)大。

而在能量存儲(chǔ)裝置的研發(fā)工作中，應(yīng)該側(cè)重于如下3方面的工作：

首先，要改進(jìn)電池的設(shè)計(jì)和制造工藝、技術(shù)，不僅要降低制造的成本，同時(shí)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(dòng)態(tài)特征。其次，對(duì)電池內(nèi)部的監(jiān)控、檢測(cè)、連接等需要進(jìn)行深層次的研究，從而可以在汽車的支撐機(jī)構(gòu)中安裝電池子系統(tǒng)。最后，加強(qiáng)對(duì)于電池?zé)崮芎褪Ｓ嚯娏康墓芾砉ぷ鳎嵘姵氐睦寐屎屠m(xù)航里程。

(2)控制策略技術(shù)。在研發(fā)的過(guò)程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的差異，根據(jù)實(shí)際需要，制定出具有針對(duì)性的優(yōu)化控制策略?？梢愿鶕?jù)開發(fā)的目的、價(jià)格、使用環(huán)境等方面因素差異，選擇并聯(lián)、串聯(lián)或混聯(lián)式的模式，并且每種模式中，動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)轉(zhuǎn)，需要以優(yōu)化控制為基礎(chǔ)，由此可見，在混合動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)工作中，控制系統(tǒng)是其中最為關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新，在控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的過(guò)程中，需要根據(jù)系統(tǒng)所采集到的速度、負(fù)荷等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，從而得出相應(yīng)需要輸出的功率；以最高的效率從而就可以有效優(yōu)化最優(yōu)功率的分配比率；在此之后，以功率的分配比值作為基礎(chǔ)，綜合電動(dòng)機(jī)功率值等數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而得出電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的控制參數(shù)，與此同時(shí)，需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，對(duì)不同的兩個(gè)層次進(jìn)行相應(yīng)的控制，因此，在執(zhí)行器的設(shè)計(jì)工作中，主要在于功率分配裝置的設(shè)計(jì)，以及執(zhí)行器與變速器形成一體化的設(shè)計(jì)，因?yàn)樾枰鶕?jù)控制器的指令，實(shí)現(xiàn)分解內(nèi)燃機(jī)功率向驅(qū)動(dòng)車輛功率、驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)變。因此，在混合動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)工作中，不僅是針對(duì)計(jì)算理論、軟件技術(shù)和電子技術(shù)的研發(fā)，同時(shí)在于執(zhí)行部件設(shè)計(jì)、制造方面的工作。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，在當(dāng)今時(shí)代混合動(dòng)力汽車已經(jīng)成為主要的發(fā)展趨勢(shì)，大幅度改變了全球汽車產(chǎn)品的構(gòu)成，已經(jīng)走向?qū)嵱没臅r(shí)期。根據(jù)相關(guān)單位預(yù)測(cè)，在2020年，世界混合動(dòng)力汽車將占據(jù)總體汽車市場(chǎng)的25%，總而言之，混合動(dòng)力汽車在未來(lái)的汽車市場(chǎng)中，具有廣闊的發(fā)展前景，并且會(huì)成為未來(lái)汽車市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。