杨仕清

混合动力汽车发展的必要性及关键技术分析*

杨仕清

（云南交通运输职业学院，云南 昆明 650300）

混合动力汽车综合了内燃机驱动式汽车及电动机驱动式汽车的二者优势，具有环保、节油的特点，得到了各国的广泛重视。文章主要阐述了混合动力汽车的发展现状，分析了混合动力汽车发展的必要性，并结合混合动力汽车应用的特点，分析了影响混合动力汽车性能的关键性技术。

混合动力汽车；发展必要性；关键技术

1 引言

近年来，能源危机和环境污染的问题也越来越严峻，甚至已直接威胁到我们的生活，世界各国对此引起了高度的重视。汽车是造成能源日趋稀少和环境污染的一个重要因素，因此，世界各国政府都相应地出台了与能源及环境相关的政策，各大车企和汽车研发机构也都开始将汽车研发的重点定位在汽车节能研究和汽车环保研究方面。研究开发新能源汽车是大势所趋，而混合动力汽车是新能源汽车中很重要的一种。混合动力汽车在生产成本，节约能源以及排放污染物等方面都低于传统的普通汽车，且混动汽车的动力性与传统的普通汽车相差不大，能带来较高的经济效益和社会效益。因此，混合动力汽车成为近年来各大汽车生产商的研究重点，研究和开发混合动力汽车也成为维护社会可持续发展的重要战略之一。因此，文章主要针对混合动力汽车发展的必要性进行了探讨，并在探讨的基础上分析了混合动力汽车研究开发过程中的关键技术。

2 混合动力汽车的国内外发展现状

从二十世纪九十年代初开始，混合动力汽车的研究开发就被美国、德国、日本、欧洲等发达国家高度重视。目前，日本正积极推动三类新能源汽车发展，其中日本的混合动力汽车在全球领先且已垄断全球90%的市场，燃料电池产品的研发和产业化推进也在世界领先，纯电动汽车的规划和产业化推进步伐也有所加快。日本计划到2020年新能源汽车汽车年销量达200万辆（其中混合动力汽车120万辆、电动车80万辆）。美国插电式混合动力汽车是国内新能源汽车市场销量最大、增幅最大的产品，2016年售出15082辆，2017年全年销量接近20万辆（同比增长 27％）。在欧洲国家，以德国为例，在2009年的下半年，德国就发布一项汽车发展计划，即《高度重视纯电驱动的电动汽车发展计划》，以纯电为重点分别提出了2012年、2016年、2020年的产业化和市场化目标。德国计划到2020年实现100万辆的电动车保有量，到2030年实现500万辆的电动车保有量[1]。

我国对于混合动力汽车的研发开始于二十世纪九十年代初，但是，由于受到当时经济发展水平及工业制造技术的限制，混合动力汽车没能得到发展。直到二十世纪九十年代末，清华大学与厦门金龙联合汽车工业有限公司合作成功研制了国内第一辆混合动力轻型客车。直到2004年，中国发布了“中国汽车产业发展计划（AIDP）”，混合动力汽车的研究开发并市场化才成为了在中国新能源汽车的开发目标。后续中国又发布了《中国制造2025重点领域技术路线图》，该计划图中计划到2020年中国自主研究开发的新能源汽车年销量能突破100万辆，汽车销售市场份额达到70%以上。另外，计划中还提到打造明星车型，汽车销量排名闯进全球前十名。动力电池、驱动电机等新能源汽车的关键系统开发水平达到国际先进，且这些关键系统在国内市场的占有率达到80%及以上。但与其它国家相比，我国自主品牌在普通混合动力汽车行业布局相对较少，主要原因有两点：1）与日本相比，日本的普通混合动力汽车经过多年的研究开发，技术相对已成熟、消费者认可度也比较高，而我国还需要长期的技术积累及发展；2）在中国，普通混合动力汽车并不包含在新能源汽车的补贴政策中，因此，汽车企业对混合动力汽车的研究开发力度不大，而个人购买混合动力汽车的愿望更不大[2]。

3 混合动力汽车发展的必要性

混合动力汽车与传统能源车相比有很多独特的优势，比如：动力性能高、清洁环保较好、经济实用、节能型、低能耗等。如果在混动汽车的开发中能将这些优势充分发挥出来,并且让公众了解并认可混合动力汽车，就能真正打开中国的混合动力汽车市场。这样，中国的混合动力汽车发展起来，不仅保护了环境，还能节约能源，对中国的经济社会发展是有利的。

3.1 排放、油耗及碳排放标准要求的必要性

截至2016年，中国已连续八年全球汽车销量第一。但同时，每年新增石油消费量的70%以上也被新增汽车所消耗，所排CO2约占温室气体排放总量的2成以上，汽车领域节能减排刻不容缓[3]。

从汽车油耗法规上看，第三阶段、第四阶段油耗法规要求相应出台，欧盟法规要求为整车油耗将控制在95g/km（约为4.1L/100km），日本法规要求为整车油耗将控制在105g/km（约为4.5L/100km），美国的整车油耗将控制在5.5L/100km，而中国第四阶段油耗法规也要求从2016年-2020年油耗需逐年减少，且到2020年及以后平均油耗约5L/100km（CO2约为120g/km）[4]。具体如图1所示：

图1 平均油耗变化情况

轻型商用车三阶段油耗限值征求意见稿《轻型商用车辆燃料消耗量限值》GB20997-2016中，据不同车型规定了轻型商用车辆燃料消耗量的限值。

重型商用车第三阶段油耗限值《重型商用车辆燃料消耗量限值》GB30510-2014中，规定依据GB/T 27840-2011测定货车、客车等车型的综合工况燃料消耗量限值。

从排放法规上看，2017年在轻型车上，欧盟将实行欧六c排放法规、美国实行第三阶段排放法规（Tier3）。而中国2018年全面实行国五排放法规，到2020年、2023年分别实行国六a和国六b排放法规。

综上所述，随着国家油耗、排放、碳排放标准及积分管理整车相应法规的出台，整车节油性能将成为市场选择的主要指标，而传统内燃机技术路线无法满足和应对越来越严峻的油耗法规要求，而混合动力汽车能完全满足国家油耗法规要求，同时实现电子控制的无极变速（E-CVT），使整车具有优越的燃油经济性和驾驶舒适性。

3.2 市场需求的必要性

混合动力汽车1997年开始发展，2009年步入快速发展轨道，截至2016年4月，全球混合动力汽车累计销量突破1000万辆。目前国内混合动力汽车主要技术路线是以能获得国家财政电池补贴的插电式混合动力，且以汽油乘用车为主，商用车仅在城市公交车市场上应用。2012年—2016年混合动力汽车市场销量概况见表1（单位：万辆）。

表1 2015年—2018年混合动力汽车市场销量概况

综合考虑各国的政策法规动向、汽车厂商的中长期展望及顾客的需求等因素，预计2020年全球混合动力（含插电式）车型的年销量占比将达25%，2030年将接近40%。混合动力汽车市场销量预测见表2，动力总成全球市场销量变化情况及预测见图2。

表2 混合动力汽车市场销量预测

2015年10月，工信部发布了《中国制造2025》重点领域技术路线图，路线图中提出“到2020年，中国的节能汽车年销量将达到中国汽车市场总需求量的30%，到2025年新能源汽车销量占汽车销量超过40%”，在路线图中还将混合动力车列入节能汽车发展重点。

4 影响混合动力的关键技术

4.1 电池及电池管理系统

电池的能量密度与功率密度影响着电池的输出功率，当混合动力汽车在加速与爬坡时，需要电池能有效地提供较大峰值功率；电池的使用寿命与性能状态又受电池的充放电次数、工作温度等因素的影响；另外，电池的过度充放电，都会严重影响电池的性能，甚至可能损坏电池，缩短电池的使用寿命，因此，还需要实时对电池的工作过程与所处环境、状态进行监控[5]。

4.2 电机系统

混动动力汽车上使用的电池须具备起动发动、电驱动、整车加速、制动回收等方面能力。目前，混合动力汽车主要选用永磁无刷同步、直流永磁、开关磁阻以及交流异步等四种类型的电机。另外，在车辆进行制动减速及下坡行驶时，应确保电机处于发电机工作状态，让机械能转化为电能，存储于电池内。

4.3 发动机

在混合动力汽车系统中，可通过对发动机的优化设计，来提高汽车的经济性能，减少尾气排放。对发动机改进技术的研究，主要从采用其他型式热机或改进内燃机两方面进行。

4.4 变速器

混合动力汽车可以采用的变速器型较多，包括机械式自动变速器、手动变速器、带传动无级变速器、电子式无级变速器、行星齿轮自动变速器等，我们需要综合各种类型变速器的优缺点进行选择以适配各车型的需求，来实现各车型性能的最优。

4.5 动力耦合装置

混合动力汽车的动力耦合装置一直都是其研究的重点与难点，直接影响着对车辆整体性能的控制。目前，主要采用转矩结合式、驱动力结合式、转速结合式等三种动力耦合方式。我们需要综合各种动力耦合方式的优缺点进行选择以适配各车型的需求，来实现各车型性能的最优。

4.6 驱动系统控制策略

混合动力汽车的驱动系统控制策略需结合汽车相关的行驶状况、发动机与电机工作性能、电池SOC（荷电状态）、汽车起步、模式切换、汽车换挡等动态过程的数据进行编制程序，最终实现对驱动系统的有效控制，以确保发动机能在较短时间内平稳起动；能确保有效控制驱动前的转速与离合器结合过程；能协调控制动机与电机转矩；能确保在汽车总需求转矩造成较大波动时，能有效协调控制电机与发动机的转矩[6]。

5 结束语

随着电池补贴的逐年减少，到2020年将取消对电池的补贴，再加上国家油耗法规的实施，国家支持政策的减轻，自身制造成本的上升，必然导致得到财政补贴的纯电及插电式新能源车型下滑，混合动力汽车通过电机与发动机高效的动力分配，使发动机运行在经济油耗区，实现节油率在35%以上，能较好地满足国家油耗法规要求。因此，节能环保的混合动力汽车必将成为未来汽车的主动力。

[1] 李凯.混合动力汽车现状分析[J] .新能源汽车2018,18(10):40-43.

[2] 庄伟超,丁洋,邱立琦,等.插电式混合动力汽车控制策略的研究现状及发展趋势[J].机械设计与制造工程,2016,45(6):113-17.

[3] 宫佳鹏,张锦,付进军等.重型混合动力车用发电单元设计与研究[J].移动电源与车辆,2017,34(2):15-19.

[4] 张佩.重型混合动力车能耗和排放测试方法研究[J].北京汽车, 2016,45(4):23-27.

[5] 区灿辉.混合动力汽车的发展现状及其关键技术分析[J],科技资讯,2017,12(12):33-37.

[6] 苏岭,曾育平,秦大同.插电式混合动力汽车能量管理策略研究现状和发展趋势[J].重庆大学学报,2017,40(2):103-135.

Necessity and Key Technologies of Hybrid Electric Vehicle Development*

Yang Shiqing

( Yunnan Vocational College Of Transportation, Yunnan Kunming 650300 )

Hybrid electric vehicle combines the advantages of internal combustion engine-driven vehicle and motor-driven vehicle. It has the characteristics of environmental protection and fuel-saving, and has been widely valued by various countries. In this paper, the development status of hybrid electric vehicle is described, the necessity of hybrid electric vehicle development is analyzed, and the key technologies affecting the performance of hybrid electric vehicle are analyzed according to the characteristics of hybrid electric vehicle application.

Hybrid electric vehicle; Development necessity; Key technologies

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.067

U461.99

B

1671-7988(2021)02-210-03

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1671-7988(2021)02-210-03

杨仕清，就职于云南交通运输职业学院。

云南省教育厅科学研究基金项目《基于太阳能车顶的汽车辅助制动研究》项目资助。项目编号：2019J0506。