混合动力电动汽车的发展趋势

2020-12-15汤高攀李海光

汽车实用技术 2020年22期

关键词：发展

汤高攀李海光

摘要：混合动力电动汽车解决了纯电动汽车续驶里程问题和燃油汽车的尾气排放问题，是新能源汽车发展的一个重要方向。文章介绍了混合动力电动汽车动力驱动技术的分类和基本原理，并且对目前混合动力电动汽车存在的问题和关键技术进行阐述，希望为混合动力电动汽车的发展提供帮助。

关键词：混合动力电动汽车;混合动力驱动技术;发展

中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：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

随着全球范围内能源危机和全球环境污染越来越严重，汽车行业的发展方向受到越来越多人的关注。为了缓解这些问题，世界各国开始对纯电动汽车和混合动力电动汽车展开研究。美国政府2002年推出了“Freedom Car & Vehile Techno -logy”计划;中国政府自2000年开始实施“清洁汽车行动”计划，并且将电动汽车列入国家“863”发展计划[1]。根据我国的法规規定，一般将用非常规的车用燃料为动力来源（或者使用常规的车用燃料，采用新型车载动力装置），综合车辆动力控制和驱动方面的先进技术，形成的计数原理先进，具有新技术、新结构的汽车称为新能源汽车[1]。纯电动汽车中电源是唯一的动力输出源，驱动车轮行驶的是电机，这种汽车中没有内燃机，排放无污染。追溯电动汽车的发展历史可知，电动汽车最早是苏格兰商人罗伯特·安德森在1832-1839年研发的不可再充的蓄电池电动车。紧接着，1835年荷兰教授西博兰斯·斯特町组装了一款小型电动三轮车。虽然纯电动车可以实现对环境的无污染，但受动力电池性能的限制，其续驶里程达不到预期的目标。虽然政府对购买新能源汽车会进行补贴，但是使用的不方便性加上价格较高使得纯电动车的大规模推广相当迟缓。在这种背景下，既可以保证长距离行驶，又可以降低排放的混合动力电动汽车应运而生。

1 混合动力驱动技术的基本原理

混合动力电动汽车与燃油汽车最大的不同点是其驱动方式。混合动力电动汽车的驱动是利用混合动力技术，混合动力技术是指将不同的两种工作原理完全不同的动力系统结合在一起。目前，汽车上的混合动力技术是将电动机与发动机匹配在一起，作为汽车的动力源驱动汽车行驶。这样的驱动方式结合了电动机无污染和发动机动力性好的优点。混合动力电动汽车按照混合动力驱动系统基本结构的不同分为微混合动力驱动、中混合动力驱动、完全混合动力驱动三种形式[2]。

1.1 微混合动力驱动

微混合动力驱动是通过电动部件（起动机/发电机）执行起动&停止功能，制动能量可以进行能量回收，对蓄电池再充电，汽车频繁启动发动机需要对蓄电池进行相应的匹配[3]。该系统虽然不可以用纯电动方式驱动车辆行驶，但奥迪很多车型也有应用。

1.2 完全混合动力驱动

完全混合动力驱动是由一个离合器分隔开的内燃机和电机组成，离合器可以断开内燃机和电机这两个系统，使其单独起作用。车辆低速行驶时，电机工作，车辆以纯电动方式提供动力，即纯电动行驶。车辆高速行驶或其他条件达成时，该系统的内燃机接通工作，电机辅助内燃机来工作。完全混合动力驱动系统与微混合动力驱动系统类似也具备能量回收功能，可以给高压蓄电池充电。

完全混合动力驱动又可以分为并联式、串联式、分支式和分支式串联式四种形式。

1.2.1 并联式混合动力系统

并联式混合动力系统是典型的混合动力系统，它拥有电动机和内燃机两套驱动系统。发动机与电动机并联，电动机和发动机都能够单独驱动车轮，它们既能分开工作也能协调合作，共同驱动，并联式混合动力系统的总功率为内燃机和电机各自的功率之和[4]。这种机构设计可以直接利用原车上很多部件进行改造，目前对内燃机车辆进行直接改造的车辆基本上都是采用的这种结构。但由于该并联式结构系统安装了两套动力系统，整个传动系统的质量比较大，增加了整车装备质量;另外，该种形式的驱动系统对控制单元要求比较高，所以制造成本比较高。在应用方面，该种形式的驱动系统可以在应用于非常复杂的行驶工况下，因此应用范围非常广泛。

1.2.2 串联式混合动力系统

串联式混合动力系统的结构为，内燃机带动发电机，但内燃机与驱动轴无机械连接[5]。串联式混合动力驱动系统的发电机在车辆行驶时会给电机供电或者给高压蓄电池充电。无论车辆在何种负荷下运行，车轮都是由电动机驱动的。当车辆在小负荷下运行时，电池驱动电动机转动，从而带动车轮转动;当车辆在较大负荷下运行时，发动机带动发电机发电驱动电动机转动，从而带动车轮转动。但是由于能量传递需要从机械能转换为电能再转换为机械能，这样两个转换过程就增加了中间损耗，所以其总体效率较低;另外，串联式混合动力驱动系统比并联式混合动力驱动系统增加了发电机，使动力系统质量增大，增加了整车装备质量。在应用方面，该动力系统主要适用于高频率起步、提速与低速行驶工况状态的市内行驶车辆。

1.2.3 分支式混合动力系统

分支式混合动力系统包含安装在前桥上的内燃机和电机，它们产生的动力通过行星齿轮机构传递到车辆变速器。分支式混合动力系统的功率分配与并联式混合动力驱动系统完全不同，它不是将内燃机和电机各自的功率相加全部用来驱动车轮行驶，而是一部分驱动车辆行驶，一部分转化为电能存储在蓄电池内。

1.2.4 分支式串联混合动力系统

分支式串联混合动力系统是将分支式和串联式两种动力驱动系统结合的一种新型驱动系统。它包含安装在前桥上的一个内燃机和一个电机、安装在后桥上的一个电机，以及布置在前桥和后桥的中间的高压蓄电池。前桥上的内燃机和电机通过行星齿轮机构驱动汽车变速器，后桥上的电机在工况需要时进行启动，这种结构适用于四轮驱动车。分支式串联混合动力系统与分支式混合动力系统的功率分配类似，不能将内燃机和电机各自的功率相加全部用来驱动车轮行驶。

1.3 中混合动力驱动

中混合动力驱动在技术和部件方面都与完全混合动力驱动是相似的，不同点主要是中度混合动力驱动是不可以以纯电动的方式驱动车辆行驶[2]。

2 混合动力电动汽车的优点和不足

2.1 混合动力电动汽车的优点

应用混合动力技术驱动的混合动力汽车具有独特的优点，有非常好的发展前景。一是能量可以二次利用，节约高效。混合动力技术可从制动能量中回收能量向蓄电池组提供电能，用于发动机来驱动车辆以及作为内燃机的起动机，这样不仅能量可以进行二次回收利用，而且不像纯电动汽车一样停车对电池进行长时间充电，效率更高;二是内燃机可随需求进行关闭，不仅可以满足人们对于远距离行驶里程的需求，也可以减少市内空气污染;三是混合动力汽车的燃油添加可以使用现有的加油站，能够减少投入和成本。

2.2 混合动力电动汽车的不足

目前混合动力电动汽车仍然存在严重影响其发展的不足之处。

一是混合动力电动汽车的成本较高。对于消费者来讲，对比相同类型不同汽车的区别时，最直观的就是汽车的价格。混合动力电动汽车的销售价格普遍比相同类型的普通汽车的销售价格高。一方面因为混合动力电动汽车比普通燃油汽车的科技含量高，而且研发难度系数大，所以导致研发成本高;另一方面是由混合动力电动汽车的结构决定的，混合动力电动汽车的结构不仅包含普通的动力装置，还包含电池组，这就造成了混合动力汽车的制造成本高。此外，混合动力电动汽车的售后成本高，主要是使用后出现故障需要维修保养时，相关设备价格和人工费用也比较高。这就导致消费者在使用混合動力电动汽车的过程中整体体验感偏差。

二是电池耐用及性能的问题。当混合动力电动汽车在使用过程中面对各种复杂工况时，电池如何能够经受不同强度的考验，满足人们对于各种性能的要求，如何实现电池能量密度、功率密度的最优化等，都是必须解决的问题[6]。

三是能量动力的管理和控制问题。当混合动力电动汽车在使用过程中面对各种复杂情况时，需要对能量管理系统和动力分配系统进行管控，这就需要建立数学模型进行充分的分析和配置优化，从而提高能量利用效率。

3 混合动力电动汽车的关键技术和研究方向

对混合动力驱动汽车的控制系统和能量管理系统进行深入的研究是使其得到快速发展的关键。

3.1 混合动力驱动技术的控制系统

混合动力驱动技术的控制系统是通过CAN总线将发动机控制器、电动机控制器、发电机控制器、变速器控制器等进行有机结合，它为能量管理系统提供基本分析数据[7]。如何降低电机控制系统、电子控制系统、动力电池等成本的问题是降低整车制造成本为的一个关键问题。此外，模式切换策略能够有效实现不同动力系统的切换，功率分配策略能够通过功率检测实现对油耗的控制，合理的策略优化和才能够更好的实现混合动力电动汽车在不同工况下的适应能力。

3.2 电池及其管理系统

混合动力电动汽车需要电池及其管理系统具备大功率充放电的能力、较高的充放电效率、高度稳定的电池性能，这

样才能满足车辆对功率和能耗的要求，才能保证混合动力电动汽车的续航能力，提高整车效率。电池的管理主要是研究电池的能量、功率密度的管理以及电池充放电性能、热能管理、剩余电量管理、电池的使用寿命等情况，这样才能能够保证汽车加速和爬坡的效果[8]。

电池组短时间快速充放电是确保制动能量回收功能实现的基础。充放电效率能够提高能量的利用率，特别是内燃机带动发电机为电池组充电的过程中，能够提高化石燃料能量向电能的转换效率。

电池管理系统能够对电池电量进行实时监控，保证不出现过度充电和亏电的现象出现;能够为驾驶员选择合适电池充放电模式;能够通过有效控制电池组的工作状态，保证混合动力电动汽车的安全使用和平稳运行;能够保证电池充放电循环次数，进而提高混合动力电动汽车的使用寿命。

4 结束语

结合以上所述，掌握混合动力电动汽车的驱动技术，了解目前混合动力电动汽车的不足之处，才能够提高混合动力电动汽车的技术和保证质量，促进混合动力电动汽车的快速发展。随着越来越多的社会资本和科研力量不断的投入到混合动力电动汽车产业中，再加上政府的政策支持，混合动力电动汽车技术一定会有快速的发展。

参考文献

[1] 董艳艳，王万君等.纯电动汽车动力电池及管理系统设计[M].北京：北京理工大学出版社，2017.4.1-4.

[2] 谢平.奥迪Q5混合动力新技术剖析（一）[J].汽车维修技师，2012，（5）： 20-23.

[3] 熊荣华：混合动力汽车故障专题解答[J].汽车维修与保养，2019，（10）：30-31.

[4] 谷伟光.混合动力汽车用永磁同步电动机设计与研究[D].天津：天津大学，2009.