基于混合動力技術(shù)的新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)及策略研究

摘要：在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略環(huán)境下，我國更加注重環(huán)境保護以及能源節(jié)約，新能源汽車順勢而生。當前新能源汽車已成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向，但其發(fā)展時間尚短，具有較大的發(fā)展空間，如氫氣等清潔燃料制取難度較大，且不易保存，影響到了實際應用與推廣，而純電動汽車續(xù)航能力有限，造價較高，所以混合動力技術(shù)成為當前新能源汽車發(fā)展中的重要研究方向。基于此，分析混合動力汽車系統(tǒng)的工作特點與類型，闡述其關(guān)鍵技術(shù)，并提出了發(fā)展策略。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；混合動力技術(shù)；發(fā)展

中圖分類號：U469.7? 收稿日期：2023-04-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.005

1 混合動力汽車定義

新能源汽車行駛環(huán)節(jié)，可使用更加清潔的太陽能或電能進行驅(qū)動，減少燃油消耗，從而降低對環(huán)境的不良影響。通過應用混合動力技術(shù)，可以使新能源汽車獲得更多形式的動力，更好地突出新能源汽車優(yōu)勢?；旌蟿恿ζ嚤硎镜氖前鄠€驅(qū)動系統(tǒng)的汽車，其行駛功率根據(jù)實際行駛狀態(tài)，由驅(qū)動系統(tǒng)單獨或共同提供。因為各部件存在不同的組成結(jié)構(gòu)，在布置方式、汽車控制方式上也存在較大差距，進而構(gòu)成了不同類型的混合動力汽車。由于混合動力汽車不會產(chǎn)生較大的能量損壞，也不會對環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染，因此對混合動力汽車的開發(fā)獲得了社會各界的廣泛關(guān)注。

混合動力汽車工作原理為：汽車剛啟動時，蓄電池中由于擁有充足的電量，能夠為汽車行駛供能，此時輔助動力系統(tǒng)不發(fā)揮作用，處于休眠狀態(tài)，當消耗超過40%的電量后，輔助動力系統(tǒng)會發(fā)揮作用；若汽車能量消耗較大，無法僅通過蓄電池供能，還需要借助輔助動力系統(tǒng)，因此在兩者共同作用下，滿足汽車行駛需求；若汽車能量較小，通過輔助動力系統(tǒng)可以保證驅(qū)動系統(tǒng)正常工作，并且還能使蓄電池獲得能量，實現(xiàn)良好續(xù)航［1］。

2 混合動力汽車系統(tǒng)的特性

2.1 混合動力系統(tǒng)工作特點

a.相比于同類型的發(fā)動機車型，混合動力汽車存在較為明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在熱力與電力上，混合動力汽車可以合理調(diào)配熱力與電力，不僅可以減少油耗，還能有效降低污染物的排放量。

b.混合動力汽車中，電動機屬于輔助動力，在這種模式下，可以實現(xiàn)能量的有效回收，還能進一步提升燃料經(jīng)濟性能。

c.混合動力汽車行駛環(huán)節(jié)，能夠通過降低發(fā)動機負荷，有效降低噪聲。

d.通過改造現(xiàn)有加油站，能夠降低混合動力汽車成本，無需進行燃料供應站的重新建設(shè)。

可見，混合動力系統(tǒng)存在較為明顯的特征，滿足汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求。

2.2 混合動力汽車的類型

a.串聯(lián)式混合動力汽車。這種類型的汽車只擁有一套電力驅(qū)動系統(tǒng)，主要由驅(qū)動電機、發(fā)電機以及發(fā)動機構(gòu)成，在以上系統(tǒng)的串聯(lián)下，共同構(gòu)成了動力系統(tǒng)。串聯(lián)式混合動力汽車行駛環(huán)節(jié)，發(fā)動機啟動后，會帶動發(fā)電機，隨后由發(fā)電機為蓄電池充電，從而由蓄電池進行電能儲存。電動機工作過程中，可通過功率轉(zhuǎn)換器向電動機傳送電能，使汽車獲得驅(qū)動力。該類型汽車主要由電動機提供動力，在城市道路中較為適用，整個驅(qū)動環(huán)節(jié)處于低油耗高效工作區(qū)域，蓄電池處于充電狀態(tài)。這種動力系統(tǒng)常應用于卡車以及公交車上，由于機械結(jié)構(gòu)較為簡單，能夠有效降低油耗。不過因為系統(tǒng)存在較多環(huán)節(jié)，動力到達車輪需要經(jīng)過兩次傳遞，傳遞環(huán)節(jié)會損耗較多能量，無法獲得較高的機械效率，特別是在高速路況下，會增加油耗。串聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

b.并聯(lián)式混合動力汽車。這種類型的汽車在行駛環(huán)節(jié)中，發(fā)電機與發(fā)動機不僅能夠單獨輸出動力，還能進行動力的疊加輸出，實際上是在內(nèi)燃機汽車上配置了電能驅(qū)動系統(tǒng)。并聯(lián)式混合動力汽車起步時，具體依靠電動機提供動力，隨著速度的不斷提升，發(fā)動機會發(fā)揮作用，為整體提供驅(qū)動力，當汽車存在較大轉(zhuǎn)矩需求時，電動機與發(fā)動機會共同為汽車提供驅(qū)動力。通常情況下，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)低速運行時，屬于純電動模式，而在高速時，通過發(fā)動機驅(qū)動，該環(huán)節(jié)會有較高的燃油效率，由于應用了功率較小的電動機與電池，在一定程度上降低了整車成本。并聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

c.混聯(lián)式混合動力汽車。這種類型的汽車集合前兩種汽車的優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)上仍包括電動機、發(fā)電機與發(fā)動機。發(fā)電機與發(fā)動機屬于串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，汽車行駛過程中，發(fā)動機會向車輪傳遞輸出功率，并且也會滿足發(fā)電機發(fā)電需求?；炻?lián)式混合動力汽車中存在兩個電機，兩套驅(qū)動系統(tǒng)，一個電動機用于驅(qū)動車輪，一個電動機在汽車處于極限性能時，可以向車輪直接輸入動力，并且當蓄電池電力不足時，可以作為發(fā)電機使用，滿足蓄電池充電需求。

由此可以看出，該類型汽車存在兩種工作模式，汽車在極限工況時，會通過串聯(lián)式模式工作，當汽車行駛于高速路段時，會通過并聯(lián)式模式工作?；炻?lián)式混合動力汽車包含串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點，無論在何種工況下，均能實現(xiàn)高效率、低排放。不過這種結(jié)構(gòu)存在一定的復雜性，受技術(shù)水平限制重量加大，加上工作模式復雜，成本相對較高?；炻?lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 整車能量管理控制系統(tǒng)技術(shù)

研發(fā)混合動力汽車時，實現(xiàn)控制策略屬于其動力系統(tǒng)的核心，國外在混合動力汽車策略的實現(xiàn)能力上相對成熟，而我國混合動力汽車發(fā)展較晚，加上技術(shù)水平的限制，在相關(guān)工作開展環(huán)節(jié)，只能借助實驗數(shù)據(jù)實施仿真分析，對國外應用策略進行測算。

通常情況下，可將控制策略分為以下幾種：a.以確定規(guī)則為主的控制策略；b.離線全局優(yōu)化算法；c.預測控制算法[2]。以上幾種控制策略有著不同的優(yōu)點與缺點，其中，確定規(guī)則為主的控制策略，其算法獲得的結(jié)果存在較大的局限性，無法全面展現(xiàn)出混合動力系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，因此若想提升混動系統(tǒng)性能水平，需要重點開發(fā)控制策略，同時確保開發(fā)的策略具有較強的實時性，有效提升燃油效率與節(jié)能效果。

實際設(shè)計控制策略時，應做好如下工作：重點優(yōu)化發(fā)動機工作點；優(yōu)化發(fā)動機工作曲線；優(yōu)化發(fā)動機工作區(qū)；減小發(fā)動機動態(tài)波動；限制發(fā)動機最低轉(zhuǎn)速；減少發(fā)動機開/關(guān)次數(shù)；保證蓄電池荷電狀態(tài)；保證蓄電池電壓安全；分工適當。

3.2 驅(qū)動電機控制技術(shù)

對電動汽車而言，電動機屬于心臟，其重要程度等同于發(fā)動機，需要滿足效率高、能量密度高、重量輕、體積小等要求。研發(fā)過程中，應注重永磁同步電動機與交流感應電動機，對于經(jīng)常停車、啟動、低速運行的城市工況，應采用永磁同步電動機驅(qū)動，對于高速、勻速行駛的工況，需要采用感應電動機驅(qū)動。當前雖然純電動汽車不再涉及傳統(tǒng)變速箱構(gòu)架，不過受到技術(shù)水平限制，系統(tǒng)中仍存在通過齒輪類結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動的功率耦合裝置，這種裝置的可靠性會對整車性能產(chǎn)生直接影響?；旌蟿恿夹g(shù)發(fā)展中，電機的功能發(fā)生了重大變化，不只屬于驅(qū)動單元，還能實現(xiàn)能量有效轉(zhuǎn)換。具體設(shè)計環(huán)節(jié)，應綜合考慮各項因素，做好電機選型工作，以保證整車性能。

3.3 電池管理系統(tǒng)技術(shù)

相比于純電動汽車，混合動力汽車在電池性能上存在不同的要求?；旌蟿恿ζ囯姵毓ぷ鲿r，通常會進入非周期性充放電循環(huán)中，存在較高的電池充放電速率，這種情況下，混合動力汽車電池不僅要滿足高能量密度要求，還應滿足高功率密度要求，從而在爬坡與加速環(huán)節(jié)可使汽車獲得更大的峰值功率[3]。電池工作溫度、充放電歷史等，均會對電池壽命及性能產(chǎn)生影響，如果出現(xiàn)過放電以及過充電等不良問題，很容易使電池性能大幅降低，嚴重情況下還會使電池損壞。而利用電池管理系統(tǒng)可全面監(jiān)控電池工作環(huán)境與工作過程，準確預測電池剩余電量，實現(xiàn)對電池能效的充分利用，有效延長電池使用壽命，因此混合動力汽車發(fā)展中，需要進一步提升電池與其管理系統(tǒng)的技術(shù)水平。

3.4 混合動力切換控制關(guān)鍵技術(shù)

a.切換系統(tǒng)與車輛動力學建模。針對不同工作情況，進行混合動力電動汽車相關(guān)設(shè)備動力學模型構(gòu)建，在轉(zhuǎn)矩模型觀測器的應用下，實時監(jiān)控內(nèi)部設(shè)施運行數(shù)據(jù)，獲得動態(tài)數(shù)據(jù)變化模型，對電動機與發(fā)動機動力特性實施專業(yè)分析，對控制系統(tǒng)中各耗能、供能裝置間的關(guān)系進行研究。

b.通過分析混合動力汽車駕駛工作狀況、動力切換穩(wěn)定時間、駕駛狀態(tài)，了解動力切換協(xié)調(diào)系統(tǒng)的影響因素，保證汽車能夠穩(wěn)定地進行動力切換。

c.通過仿真模擬研究，可獲得相應經(jīng)驗，不過研究數(shù)據(jù)會與實際數(shù)據(jù)存在差距，這種情況下需要對研究項目做出調(diào)整，通過搭建硬件設(shè)施，確保試驗數(shù)據(jù)與實際使用數(shù)據(jù)相接近，通過對典型狀態(tài)下混合動力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)的驗證與修改，最終獲得針對混合動力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

d.實施動力切換瞬態(tài)穩(wěn)定性實驗時，需要對混合動力汽車行駛中，動力系統(tǒng)運行模式及相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。動力系統(tǒng)切換時，應對數(shù)據(jù)瞬態(tài)穩(wěn)定性問題進行重點考慮，構(gòu)建動態(tài)分析模型，明確動力切換模式臨界值。對動力切換協(xié)調(diào)控制技術(shù)過程進行分析，借助軟件仿真實驗，對比分析動力切換協(xié)調(diào)控制數(shù)據(jù)，研究后期應利用硬件設(shè)施分析動力切換協(xié)調(diào)控制數(shù)據(jù)，若條件允許，應使混合動力汽車在正常路況中行駛，實施監(jiān)控系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，進而促進協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)正常運行。通過有效控制動力切換時的瞬態(tài)穩(wěn)定性，避免動力切換時發(fā)生故障，提升行駛安全。

3.5 液壓蓄能器與多動力源匹配技術(shù)

a.液壓蓄能器。合理選用液壓蓄能器，會對液壓輔助單元正常工作產(chǎn)生直接影響，當蓄能器容量過大時，會使系統(tǒng)反應速度明顯降低，加大系統(tǒng)布置難度，若蓄能器容量過小，則會影響到制動能量的及時收回。蓄能器性能主要通過兩個指標進行衡量，即能量密度和功率密度。能量密度高，可使汽車擁有足夠的能量，而較大的功能密度，能夠確保車輛制動能量的快速儲存與釋放。所以，確保蓄能器容積不變的情況下，通過應用合成材料與制作工藝，研究出大功率密度、高能量密度、高能量回收率等蓄能器，應作為該技術(shù)的重要發(fā)展方向。

b.多動力源匹配技術(shù)。對于液壓混合動力系統(tǒng)而言，其中包含兩套驅(qū)動系統(tǒng)，即液壓源驅(qū)動系統(tǒng)和發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)，兩者主要是借助動力復合裝置進行高效匹配，而混合動力車輛經(jīng)濟性、動力性、排放性能，會受到匹配技術(shù)的直接影響，所以，實際匹配環(huán)節(jié)應綜合分析系統(tǒng)關(guān)鍵元件的性能、工作時間以及工作效率，了解各部分的相互影響情況，對關(guān)鍵元件匹配關(guān)系進行優(yōu)化，從而獲得更高的車輛性能。

4 混合動力汽車技術(shù)的發(fā)展策略

4.1 提升技術(shù)優(yōu)勢

與其他類型汽車相比，混合動力汽車具有眾多優(yōu)勢，如動力性能好、經(jīng)濟實用、清潔環(huán)保，因此若想有效促進混合動力汽車技術(shù)健康發(fā)展，需要進一步提升其技術(shù)優(yōu)勢，使更多人認識到混合動力汽車的優(yōu)勢與好處，拓寬受眾群[4]。若想實現(xiàn)這一目標，需要將先進的內(nèi)燃機技術(shù)應用于混合動力汽車中，突出其低耗油特性；還應科學選擇電機，保證去擁有良好的運行效率；對混合動力汽車實施全面的分析與實驗，進一步提升混合動力汽車整體性能，進而使混合動力汽車具備更強的動力性、經(jīng)濟性與環(huán)保性。

4.2 降低成本，提升能量再生利用率

a.降低成本。混合動力汽車中不僅擁有動力裝置，還擁有電池，這使得混合動力汽車存在較高的制造成本，在一定程度上影響到了混合動力汽車的快速發(fā)展。因此需要重點關(guān)注混合動力汽車成本高的問題，積極探究電力設(shè)備成本的降低策略，通過有效控制電池與電子設(shè)備成本，將混合動力汽車成本控制在合理范圍內(nèi)，進一步擴大消費群體。

b.提升能量再生利用率?；旌蟿恿ζ嚰夹g(shù)發(fā)展環(huán)節(jié)，應合理設(shè)計汽車內(nèi)部系統(tǒng)，并且經(jīng)過一段時間運行后，需要作出合理優(yōu)化，確保混合動力汽車符合再生制動要求，通過再生能力的應用，使汽車在行駛環(huán)節(jié)獲得更高的再生能量使用率，促進混合動力汽車快速發(fā)展。

4.3 重視自主開發(fā)與知識產(chǎn)權(quán)

我國傳統(tǒng)汽車企業(yè)發(fā)展中，更多的是從國外進行技術(shù)、經(jīng)驗引進，技術(shù)水平相對落后，因此，混合動力汽車發(fā)展環(huán)節(jié)，應注重自主開發(fā)，研發(fā)出更多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的部件與產(chǎn)品[5]。此外，我國存在較多混合動力汽車零部件制造商，其與汽車制造商發(fā)展存在較為密切的聯(lián)系，國家需要為其提供相應政策支持，減少零部件制造商成本資金壓力，并且提供一定的財政補貼[6]。只有這樣，才能使國內(nèi)汽車制造商積極進行新產(chǎn)品開發(fā)，為混合動力汽車制造商提供性能更優(yōu)的關(guān)鍵部件，從而有效提升混合動力汽車技術(shù)水平。

5 結(jié)語

新能源汽車發(fā)展中，通過混合動力技術(shù)的合理應用，能夠有效滿足節(jié)能減排需求，解決以往汽車高廢氣排放問題，避免對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染。在現(xiàn)代混合動力技術(shù)持續(xù)發(fā)展下，所制造出來的混合動力汽車可更好地滿足民眾需求，促進社會交通服務(wù)不斷優(yōu)化。因此新能源汽車未來發(fā)展中，需要加大對混合動力技術(shù)的研究力度，充分突出該技術(shù)的應用優(yōu)勢，促進新能源汽車朝綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展的方向邁進。

參考文獻：

[1]付寬，辜文杰.淺談不同視角下混合動力汽車技術(shù)的分類[J].時代汽車，2023（8）：17-19.

[2]王春洋，李殿起.混合動力汽車發(fā)動機啟?？刂撇呗匝芯縖J].機械管理開發(fā)，2022，37（12）：304-306.

[3]蔡蘭蘭.混合動力汽車常見故障與排除技術(shù)[J].專用汽車，2022（12）：71-73.

[4]張景軒，程子健.基于混合動力技術(shù)的新能源汽車應用及發(fā)展趨勢[J].南方農(nóng)機，2022，53（10）：152-155.

[5]李永鈞.淺議混合動力技術(shù)路線[J].重型汽車，2022（1）：3-5.

[6]張曉英.混合動力汽車的探索與思考[J].汽車工藝師，2020（12）：8-9.

作者簡介：

吳小麗，女，1990年生，助教，研究方向為新能源汽車技術(shù)。