混合動力電動汽車的發(fā)展趨勢

湯高攀 李海光

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

關(guān)鍵詞：混合動力電動汽車;混合動力驅(qū)動技術(shù);發(fā)展

中圖分類號：U469.7? 文獻標識碼：A? 文章編號：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)能源危機和全球環(huán)境污染越來越嚴重，汽車行業(yè)的發(fā)展方向受到越來越多人的關(guān)注。為了緩解這些問題，世界各國開始對純電動汽車和混合動力電動汽車展開研究。美國政府2002年推出了“Freedom Car & Vehile Techno -logy”計劃;中國政府自2000年開始實施“清潔汽車行動”計劃，并且將電動汽車列入國家“863”發(fā)展計劃[1]。根據(jù)我國的法規(guī)規(guī)定，一般將用非常規(guī)的車用燃料為動力來源（或者使用常規(guī)的車用燃料，采用新型車載動力裝置），綜合車輛動力控制和驅(qū)動方面的先進技術(shù)，形成的計數(shù)原理先進，具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車稱為新能源汽車[1]。純電動汽車中電源是唯一的動力輸出源，驅(qū)動車輪行駛的是電機，這種汽車中沒有內(nèi)燃機，排放無污染。追溯電動汽車的發(fā)展歷史可知，電動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三輪車。雖然純電動車可以實現(xiàn)對環(huán)境的無污染，但受動力電池性能的限制，其續(xù)駛里程達不到預期的目標。雖然政府對購買新能源汽車會進行補貼，但是使用的不方便性加上價格較高使得純電動車的大規(guī)模推廣相當遲緩。在這種背景下，既可以保證長距離行駛，又可以降低排放的混合動力電動汽車應運而生。

1 混合動力驅(qū)動技術(shù)的基本原理

混合動力電動汽車與燃油汽車最大的不同點是其驅(qū)動方式?；旌蟿恿﹄妱悠嚨尿?qū)動是利用混合動力技術(shù)，混合動力技術(shù)是指將不同的兩種工作原理完全不同的動力系統(tǒng)結(jié)合在一起。目前，汽車上的混合動力技術(shù)是將電動機與發(fā)動機匹配在一起，作為汽車的動力源驅(qū)動汽車行駛。這樣的驅(qū)動方式結(jié)合了電動機無污染和發(fā)動機動力性好的優(yōu)點?；旌蟿恿﹄妱悠嚢凑栈旌蟿恿︱?qū)動系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的不同分為微混合動力驅(qū)動、中混合動力驅(qū)動、完全混合動力驅(qū)動三種形式[2]。

1.1 微混合動力驅(qū)動

微混合動力驅(qū)動是通過電動部件（起動機/發(fā)電機）執(zhí)行起動&停止功能，制動能量可以進行能量回收，對蓄電池再充電，汽車頻繁啟動發(fā)動機需要對蓄電池進行相應的匹配[3]。該系統(tǒng)雖然不可以用純電動方式驅(qū)動車輛行駛，但奧迪很多車型也有應用。

1.2 完全混合動力驅(qū)動

完全混合動力驅(qū)動是由一個離合器分隔開的內(nèi)燃機和電機組成，離合器可以斷開內(nèi)燃機和電機這兩個系統(tǒng)，使其單獨起作用。車輛低速行駛時，電機工作，車輛以純電動方式提供動力，即純電動行駛。車輛高速行駛或其他條件達成時，該系統(tǒng)的內(nèi)燃機接通工作，電機輔助內(nèi)燃機來工作。完全混合動力驅(qū)動系統(tǒng)與微混合動力驅(qū)動系統(tǒng)類似也具備能量回收功能，可以給高壓蓄電池充電。

完全混合動力驅(qū)動又可以分為并聯(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)式混合動力系統(tǒng)

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)是典型的混合動力系統(tǒng)，它擁有電動機和內(nèi)燃機兩套驅(qū)動系統(tǒng)。發(fā)動機與電動機并聯(lián)，電動機和發(fā)動機都能夠單獨驅(qū)動車輪，它們既能分開工作也能協(xié)調(diào)合作，共同驅(qū)動，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的總功率為內(nèi)燃機和電機各自的功率之和[4]。這種機構(gòu)設(shè)計可以直接利用原車上很多部件進行改造，目前對內(nèi)燃機車輛進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)安裝了兩套動力系統(tǒng)，整個傳動系統(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)動系統(tǒng)對控制單元要求比較高，所以制造成本比較高。在應用方面，該種形式的驅(qū)動系統(tǒng)可以在應用于非常復雜的行駛工況下，因此應用范圍非常廣泛。

1.2.2 串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)

串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為，內(nèi)燃機帶動發(fā)電機，但內(nèi)燃機與驅(qū)動軸無機械連接[5]。串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)電機在車輛行駛時會給電機供電或者給高壓蓄電池充電。無論車輛在何種負荷下運行，車輪都是由電動機驅(qū)動的。當車輛在小負荷下運行時，電池驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，從而帶動車輪轉(zhuǎn)動;當車輛在較大負荷下運行時，發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，從而帶動車輪轉(zhuǎn)動。但是由于能量傳遞需要從機械能轉(zhuǎn)換為電能再轉(zhuǎn)換為機械能，這樣兩個轉(zhuǎn)換過程就增加了中間損耗，所以其總體效率較低;另外，串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)比并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)增加了發(fā)電機，使動力系統(tǒng)質(zhì)量增大，增加了整車裝備質(zhì)量。在應用方面，該動力系統(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 分支式混合動力系統(tǒng)

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

1.2.4 分支式串聯(lián)混合動力系統(tǒng)

分支式串聯(lián)混合動力系統(tǒng)是將分支式和串聯(lián)式兩種動力驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合的一種新型驅(qū)動系統(tǒng)。它包含安裝在前橋上的一個內(nèi)燃機和一個電機、安裝在后橋上的一個電機，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)燃機和電機通過行星齒輪機構(gòu)驅(qū)動汽車變速器，后橋上的電機在工況需要時進行啟動，這種結(jié)構(gòu)適用于四輪驅(qū)動車。分支式串聯(lián)混合動力系統(tǒng)與分支式混合動力系統(tǒng)的功率分配類似，不能將內(nèi)燃機和電機各自的功率相加全部用來驅(qū)動車輪行駛。

1.3 中混合動力驅(qū)動

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

2 混合動力電動汽車的優(yōu)點和不足

2.1 混合動力電動汽車的優(yōu)點

應用混合動力技術(shù)驅(qū)動的混合動力汽車具有獨特的優(yōu)點，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?；旌蟿恿夹g(shù)可從制動能量中回收能量向蓄電池組提供電能，用于發(fā)動機來驅(qū)動車輛以及作為內(nèi)燃機的起動機，這樣不僅能量可以進行二次回收利用，而且不像純電動汽車一樣停車對電池進行長時間充電，效率更高;二是內(nèi)燃機可隨需求進行關(guān)閉，不僅可以滿足人們對于遠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 混合動力電動汽車的不足

目前混合動力電動汽車仍然存在嚴重影響其發(fā)展的不足之處。

一是混合動力電動汽車的成本較高。對于消費者來講，對比相同類型不同汽車的區(qū)別時，最直觀的就是汽車的價格?；旌蟿恿﹄妱悠嚨匿N售價格普遍比相同類型的普通汽車的銷售價格高。一方面因為混合動力電動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，所以導致研發(fā)成本高;另一方面是由混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)決定的，混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)不僅包含普通的動力裝置，還包含電池組，這就造成了混合動力汽車的制造成本高。此外，混合動力電動汽車的售后成本高，主要是使用后出現(xiàn)故障需要維修保養(yǎng)時，相關(guān)設(shè)備價格和人工費用也比較高。這就導致消費者在使用混合動力電動汽車的過程中整體體驗感偏差。

二是電池耐用及性能的問題。當混合動力電動汽車在使用過程中面對各種復雜工況時，電池如何能夠經(jīng)受不同強度的考驗，滿足人們對于各種性能的要求，如何實現(xiàn)電池能量密度、功率密度的最優(yōu)化等，都是必須解決的問題[6]。

三是能量動力的管理和控制問題。當混合動力電動汽車在使用過程中面對各種復雜情況時，需要對能量管理系統(tǒng)和動力分配系統(tǒng)進行管控，這就需要建立數(shù)學模型進行充分的分析和配置優(yōu)化，從而提高能量利用效率。

3 混合動力電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)和研究方向

對混合動力驅(qū)動汽車的控制系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)進行深入的研究是使其得到快速發(fā)展的關(guān)鍵。

3.1 混合動力驅(qū)動技術(shù)的控制系統(tǒng)

混合動力驅(qū)動技術(shù)的控制系統(tǒng)是通過CAN總線將發(fā)動機控制器、電動機控制器、發(fā)電機控制器、變速器控制器等進行有機結(jié)合，它為能量管理系統(tǒng)提供基本分析數(shù)據(jù)[7]。如何降低電機控制系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、動力電池等成本的問題是降低整車制造成本為的一個關(guān)鍵問題。此外，模式切換策略能夠有效實現(xiàn)不同動力系統(tǒng)的切換，功率分配策略能夠通過功率檢測實現(xiàn)對油耗的控制，合理的策略優(yōu)化和才能夠更好的實現(xiàn)混合動力電動汽車在不同工況下的適應能力。

3.2 電池及其管理系統(tǒng)

混合動力電動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

樣才能滿足車輛對功率和能耗的要求，才能保證混合動力電動汽車的續(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]。

電池組短時間快速充放電是確保制動能量回收功能實現(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)燃機帶動發(fā)電機為電池組充電的過程中，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行實時監(jiān)控，保證不出現(xiàn)過度充電和虧電的現(xiàn)象出現(xiàn);能夠為駕駛員選擇合適電池充放電模式;能夠通過有效控制電池組的工作狀態(tài)，保證混合動力電動汽車的安全使用和平穩(wěn)運行;能夠保證電池充放電循環(huán)次數(shù)，進而提高混合動力電動汽車的使用壽命。

4 結(jié)束語

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

參考文獻

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