混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)分析

區(qū)燦輝

摘 要：混合動(dòng)力汽車作為過渡期的重要產(chǎn)品，有助于將內(nèi)燃機(jī)汽車轉(zhuǎn)變?yōu)榧冸妱?dòng)汽車，具有環(huán)保、節(jié)油的特點(diǎn)。該文主要闡述了混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合混合動(dòng)力汽車應(yīng)用特點(diǎn)，分析了影響混合動(dòng)力汽車性能的關(guān)鍵性技術(shù)。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車 基本型式 發(fā)展?fàn)顩r 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）04（c）-0099-01

1 混合動(dòng)力汽車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）主要是通過結(jié)合傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)和純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，采用電池系統(tǒng)與電機(jī)系統(tǒng)相互配合的形式，在確保結(jié)構(gòu)符合汽車動(dòng)力性能要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)效率的優(yōu)化，能有效提升汽車的整體排放性能與經(jīng)濟(jì)適用性。其中，以混合動(dòng)力系統(tǒng)雙動(dòng)力源的不同配置與組合模式，可將其劃分為動(dòng)力傳動(dòng)的三種方式，即：串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式。以混合度由高至低，可將其劃分為：重度混合型、中度混合型、輕度混合型、微混合型等四類。

2 混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀

在當(dāng)今全球性環(huán)境污染問題突出、石油資源緊缺的情況下，節(jié)能環(huán)保型混合動(dòng)力汽車的研發(fā)順應(yīng)時(shí)代需求，受到各國的一致認(rèn)可與高度支持。一些科技較為發(fā)達(dá)的國家，已成功研制出性能較好的混合動(dòng)力汽車。如豐田所推出的Prius，為混聯(lián)式混合動(dòng)力車型的典型代表，在2010年銷售量高達(dá)200多萬。而美國的通用、福特、克萊斯勒等，則分別推出的Precept、Prodigy、DodgeESX2，皆為混合動(dòng)力汽車。緊隨其后，本田再度研發(fā)出新的混合動(dòng)力技術(shù)，主要代表為第二代Civic Hybrid，其采用了15kW的永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與67kW發(fā)動(dòng)機(jī)，將動(dòng)力成功混合為80kW，輸出轉(zhuǎn)矩為166N·m，其經(jīng)濟(jì)環(huán)保性能再次得到提升。而有法蘭克福所推出的奧迪Q7混合動(dòng)力汽車，通過將200N·m扭矩電動(dòng)機(jī)與4.2L FSI八缸發(fā)動(dòng)機(jī)的有效結(jié)合，極大提升了混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力性能，其油耗不僅低于標(biāo)準(zhǔn)的13%，從靜止加速到100km/h所需時(shí)間僅為6.8s。

在國內(nèi)，由奇瑞所推出的奇瑞A5 BSG，采用雙軸并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，為起動(dòng)、發(fā)電一體式BSG發(fā)電機(jī)，能有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)產(chǎn)生的大量尾氣與燃油消耗。有長安推出的長安杰勛，為并聯(lián)式中度混合動(dòng)力汽車，其動(dòng)力系統(tǒng)采用起動(dòng)、發(fā)動(dòng)一體化技術(shù)，整體結(jié)構(gòu)較為緊湊，動(dòng)力性能較好。在2010年有奔馳推出的奔馳S400，為串聯(lián)式輕度混合動(dòng)力汽車，從靜止加速到100km/h，所需時(shí)間僅為7.2s，并能輕松達(dá)到限速250km/h。而國內(nèi)其他大型汽車制造商也相應(yīng)推出了相關(guān)的混合動(dòng)力汽車，混合動(dòng)力汽車技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，相信在不久的將來，將會(huì)有更多環(huán)保節(jié)能且性能極佳的混合動(dòng)力產(chǎn)品問世。

3 混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）電池及電池管理系統(tǒng)。

與普通的電動(dòng)汽車相比，混合動(dòng)力汽車在電池使用方面存在較大差異，其電池放電速率與效率較高，為確保汽車在加速與爬坡時(shí)，能有效提供較大峰值功率，對(duì)電池的能量密度與功率密度有著非常高的要求。電池的充放電次數(shù)、工作溫度等都不同程度地影響著電池的使用壽命與性能狀態(tài)。對(duì)電池的過度充放電，會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能，甚至可能損壞電池，縮短電池的使用壽命。因此，必須對(duì)電池的工作過程與所處環(huán)境、狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，而電池管理系統(tǒng)而主要用于對(duì)電池工作環(huán)境與過程的監(jiān)測(cè)，通過其對(duì)電池狀態(tài)的預(yù)測(cè)提示，能有效延長電池的使用壽命，確保電池能效得到充分利用。

（2）電機(jī)及電機(jī)控制系統(tǒng)。

電機(jī)為混合動(dòng)力汽車中的一項(xiàng)驅(qū)動(dòng)單元，以性能高、質(zhì)量輕、效率高、成本低為選用原則。并且，在電機(jī)峰值功率上，須具備起動(dòng)發(fā)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、整車加速、制動(dòng)回收等各方面能力?，F(xiàn)階段，混合動(dòng)力汽車主要使用永磁無刷同步、直流永磁、開關(guān)磁阻以及交流異步等四種類型的電機(jī)。由電機(jī)工作原理與選用原則可知，對(duì)電機(jī)的研發(fā)主要集中在質(zhì)量的改進(jìn)、性能的提升以及體積的縮小上。ISG結(jié)構(gòu)的提出，是對(duì)現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的有效改進(jìn)，能以較低成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車節(jié)油減排性能的改造。

其中，在車輛進(jìn)行制動(dòng)減速或下坡行駛時(shí)，應(yīng)確保電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，讓機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)于電池內(nèi)。因此，為了滿足汽車形式的動(dòng)力性能需求，電機(jī)控制系統(tǒng)需確保對(duì)電機(jī)工作模式的有效控制。

（3）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制。

汽車在行駛時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行工作模式的相互切換，形成許多對(duì)單個(gè)動(dòng)力源而言的非連續(xù)瞬態(tài)過程，為協(xié)調(diào)控制這一過程中兩個(gè)動(dòng)力源的動(dòng)力輸出，需解決以下問題。第一，確保發(fā)動(dòng)機(jī)能在較短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)起動(dòng)。第二，能有效控制驅(qū)動(dòng)前的轉(zhuǎn)速與離合器結(jié)合過程。第三，能協(xié)調(diào)控制動(dòng)機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩，因狀態(tài)切換而形成的發(fā)動(dòng)機(jī)需求轉(zhuǎn)矩變化。第四，確保在汽車總需求轉(zhuǎn)矩造成較大波動(dòng)時(shí)，能有效協(xié)調(diào)控制電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略分析時(shí)，需結(jié)合汽車相關(guān)的行駛狀況、發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)工作性能、電池SOC等方面數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有效控制，包括對(duì)起步、模式切換、換擋等動(dòng)態(tài)過程的控制。目前，國內(nèi)外對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略，已有了較為深入的研究，在動(dòng)態(tài)性能的協(xié)調(diào)控制方面已取得了較大成果。

4 動(dòng)力總成關(guān)鍵零部件技術(shù)

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)

在混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)中，可通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來提高汽車的經(jīng)濟(jì)性能減少尾氣排放。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)技術(shù)的研究，主要從采用其他型式熱機(jī)或改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)兩方面進(jìn)行。如長安汽車公司所研發(fā)的專用發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于中型混合動(dòng)力汽車內(nèi)，其通過將壓縮比提高、改進(jìn)原有配氣相位、優(yōu)化電噴系統(tǒng)匹配度等，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化改造。

4.2 變速器

變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，對(duì)其動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性有著直接影響?，F(xiàn)階段，混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)內(nèi)，所采用的變速器型較多，包括機(jī)械式自動(dòng)變速器、手動(dòng)變速器、帶傳動(dòng)無級(jí)變速器、電子式無級(jí)變速器、行星齒輪自動(dòng)變速器等。無級(jí)變速器的傳動(dòng)效率低于機(jī)械變速器，雖能進(jìn)行無級(jí)變換，但配置成本較高。而電子式無級(jí)變速器，其應(yīng)用技術(shù)還處在研究階段。而機(jī)械式自動(dòng)變換器，其所需成本較低而傳動(dòng)效率較高，但操作難度偏高。傳統(tǒng)液力式自動(dòng)變速器，利用行星齒輪系來達(dá)到變速的目的，能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)混合動(dòng)力汽車的換擋控制，但存在傳動(dòng)效率不高，整體經(jīng)濟(jì)性能偏低的缺點(diǎn)。

4.3 動(dòng)力耦合裝置

在混合動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)中，動(dòng)力耦合裝置一直都是其研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，直接影響著對(duì)車輛整體性能的控制。目前，在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，主要采用轉(zhuǎn)矩結(jié)合式、驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式、轉(zhuǎn)速結(jié)合式等三種動(dòng)力耦合方式。其中，轉(zhuǎn)矩結(jié)合式動(dòng)力耦合裝置能通過傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車的直接驅(qū)動(dòng)，并以直接或間接帶動(dòng)電動(dòng)、發(fā)電機(jī)的形式，讓電池蓄電，在并聯(lián)混合動(dòng)力汽車內(nèi)運(yùn)用較廣。而驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式能有效利用車輛的地面附著力，提高整體驅(qū)動(dòng)性能，但存在組成系統(tǒng)大、控制難度高的問題。轉(zhuǎn)速復(fù)合式裝置，由于其要求保持電動(dòng)機(jī)與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)刻相等，控制難度較大，難以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)中。

5 測(cè)試技術(shù)

在混合動(dòng)力汽車測(cè)試系統(tǒng)中，其測(cè)量包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電池工作狀態(tài)等，需對(duì)傳統(tǒng)臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，添置相應(yīng)的電池?cái)?shù)據(jù)采集裝置，測(cè)試電池的工作狀態(tài)。在這個(gè)過程中，由于電池的性能易受工作環(huán)境與溫度的影響以及電池SOC的變化，使得電池的數(shù)據(jù)系統(tǒng)研發(fā)困難重重。但隨著科技與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在混合動(dòng)力汽車測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)方面，已取得了較大突破。

參考文獻(xiàn)

[1] 程艷.混合動(dòng)力汽車及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].硅谷.2010（1）.

[2] 蔣延蓮.混合動(dòng)力汽車發(fā)展前景探討[J].江蘇科技信息.2010（2）.

[3] 魚鴻杰，蘆珊.中國混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展困境與出路[J].中國礦業(yè).2011（1）.