基于混合動(dòng)力技術(shù)的新能源汽車(chē)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)*

張景軒，程子健

（1.合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230000；2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入巨資研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)，我國(guó)的“863 計(jì)劃”也已明確將電動(dòng)汽車(chē)作為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。混合動(dòng)力技術(shù)作為一項(xiàng)嶄新的技術(shù)，20 世紀(jì)90 年代初，混合動(dòng)力汽車(chē)的開(kāi)發(fā)得到了歐美等許多發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視，并已經(jīng)取得了一些重大的成果。與此同時(shí)，我國(guó)也積極開(kāi)展了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的研究，毋庸置疑，混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展前景十分廣闊?；旌蟿?dòng)力指在車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)中采用兩種不同動(dòng)力源的一種技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)車(chē)輛的新能源車(chē)輛技術(shù)，通常意義上是指油、電混合動(dòng)力，是以傳統(tǒng)的燃油技術(shù)為藍(lán)本發(fā)展起來(lái)的，因此較為可靠[1-2]?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性能較高，行駛性能優(yōu)越，在起步、加速時(shí)，由于有電動(dòng)馬達(dá)的輔助，可以降低油耗，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)馬達(dá)可以在啟動(dòng)的瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的動(dòng)力，司機(jī)在駕駛過(guò)程中可以享受更強(qiáng)勁的起步、加速體驗(yàn)，能實(shí)現(xiàn)較高水平的燃油經(jīng)濟(jì)性。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022 年3 月，新能源汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)延續(xù)了快速增長(zhǎng)勢(shì)頭，雙雙超過(guò)100 萬(wàn)輛，市場(chǎng)占有率達(dá)到19.3%，新能源汽車(chē)戰(zhàn)略引領(lǐng)作用進(jìn)一步凸顯。

1 混合動(dòng)力汽車(chē)概述

1.1 混合動(dòng)力汽車(chē)簡(jiǎn)介

新能源汽車(chē)分為很多種，有燃料電池型的汽車(chē)（EV）、生物燃料型的汽車(chē)（FCEV）、純電動(dòng)型的汽車(chē)以及混合動(dòng)力型的汽車(chē)（HEV）等類(lèi)型。混合動(dòng)力汽車(chē)將傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)這兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)綜合起來(lái)，可以將續(xù)航里程提高至同等電動(dòng)車(chē)的1～3 倍。而且，混合動(dòng)力汽車(chē)與純電動(dòng)車(chē)相比，價(jià)格要低廉，同時(shí)，相關(guān)技術(shù)也比較成熟，穩(wěn)定性及可靠性高。

1）按動(dòng)力系統(tǒng)的連接方式來(lái)劃分，可分為串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)、并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)和混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)。①串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)。串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)由汽車(chē)引擎、電瓶及發(fā)電電動(dòng)機(jī)相互連接而成。不能由引擎直接驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。首先，將燃油點(diǎn)燃，燃燒時(shí)的熱能被發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為了機(jī)械能，再將能量輸送給發(fā)電機(jī)，帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電能。發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電通過(guò)整流器轉(zhuǎn)化為直流電，再通過(guò)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)也可直接由電瓶來(lái)供電，至于在哪種情況下使用哪種模式，根據(jù)實(shí)際的道路狀況和汽車(chē)運(yùn)行狀況電控單元會(huì)自動(dòng)切換[3-5]。比如，緩速行駛時(shí)，所需的動(dòng)力少，就可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，僅通過(guò)電池給電機(jī)充電以驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。②并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)。并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由互不干預(yù)的發(fā)電電動(dòng)機(jī)與汽車(chē)燃油動(dòng)力裝置并聯(lián)形成的。汽車(chē)在行駛時(shí)會(huì)依據(jù)實(shí)際路況和行駛工況選擇驅(qū)動(dòng)模式。在坡度較大的情況下，需要有充足的后備功率，此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)一同驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛；在所需的動(dòng)力較小時(shí)，僅憑發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。并聯(lián)式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置屬于動(dòng)力輔助裝置。它的優(yōu)點(diǎn)眾多，不僅節(jié)能，而且穩(wěn)定性高、排放的污染物少、能量利用率高。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)需要通過(guò)傳動(dòng)裝置與車(chē)輪相連接，因此結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而且外界環(huán)境對(duì)能量利用率有影響。③混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)?；炻?lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)綜合了并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)和串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的各種優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了這兩種模式的諸多不足。在以不高的速度行駛時(shí)或減速時(shí)，可以?xún)H由串聯(lián)模式提供動(dòng)力；當(dāng)高速行駛時(shí)或加速、上坡時(shí)，需要較大的功率驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，此時(shí)采用并聯(lián)模式驅(qū)動(dòng)?；炻?lián)式有多種驅(qū)動(dòng)模式，其中發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的能量可以經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳至車(chē)輪，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，也可帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，所產(chǎn)生的電能可直接存入電瓶中或進(jìn)一步帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)[6]。

2）按是否要外接電源來(lái)劃分，可分為插電式混合動(dòng)力汽車(chē)和非插電式混合動(dòng)力汽車(chē)。①插電式混合動(dòng)力汽車(chē)電池?cái)?shù)量較多，能儲(chǔ)存更多的電量，既可以通過(guò)外接電樁來(lái)充電，也可通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。插電式汽車(chē)更省油、更環(huán)保，較之普通型的混動(dòng)汽車(chē)其續(xù)航里程更長(zhǎng)，而且各種驅(qū)動(dòng)形式也不盡相同，可當(dāng)作純電動(dòng)車(chē)使用。②非插電式混合動(dòng)力汽車(chē)為不插電混動(dòng)，不能外接電源充電，電池容量較小。

3）按動(dòng)力混合的程度來(lái)劃分，可分為重度混合動(dòng)力汽車(chē)、輕度混合動(dòng)力汽車(chē)及輕微度混合動(dòng)力汽車(chē)。①重度動(dòng)力混合汽車(chē)主要通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為輔。②輕度動(dòng)力混合汽車(chē)能量的利用率不及重度動(dòng)力混合汽車(chē)高，無(wú)法僅靠電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，因而廢氣排放增加。③輕微度混合動(dòng)力汽車(chē)以引擎驅(qū)動(dòng)為主，電力驅(qū)動(dòng)裝置只起到輔助作用[7-8]。

1.2 混合動(dòng)力汽車(chē)的特性

在各種新能源車(chē)型中混合動(dòng)力汽車(chē)是唯一獲得大規(guī)模生產(chǎn)的車(chē)型，而且它屬于承上啟下的車(chē)型，電動(dòng)車(chē)和燃油汽車(chē)兩者的優(yōu)點(diǎn)兼而有之。如混合動(dòng)力汽車(chē)噪聲小，沒(méi)有傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，舒適感好，而且駕駛員能根據(jù)行駛時(shí)的狀態(tài)選擇不同的模式，續(xù)航行駛路程長(zhǎng)。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)的再生制動(dòng)系統(tǒng)

2.1 一般的制動(dòng)裝置

燃油汽車(chē)通常由制動(dòng)器、制動(dòng)傳動(dòng)裝置和助力裝置來(lái)組成制動(dòng)系統(tǒng)。其中，被稱(chēng)為剎車(chē)的制動(dòng)器有多種樣式，并且各有各的特點(diǎn)，包括鼓式、領(lǐng)從蹄式、盤(pán)式和雙領(lǐng)蹄式等。剎車(chē)過(guò)程中，大量的能量會(huì)因?yàn)槟Σ辽鸁岫鴵p耗掉，無(wú)法做到能量回收。

2.2 制動(dòng)能量再生裝置

按照能量?jī)?chǔ)存方式的不同，分為飛輪儲(chǔ)能、電瓶?jī)?chǔ)能、壓力儲(chǔ)能。通常情況下由控制裝置、能量?jī)?chǔ)存器、轉(zhuǎn)換裝置、速度協(xié)調(diào)裝置組成再生制動(dòng)系統(tǒng)。利用飛輪來(lái)回收能量的再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，能防止大量能量耗失。但由于飛輪轉(zhuǎn)速高，相應(yīng)的摩擦阻力對(duì)于能量回收就會(huì)有很大影響，一般只在混合動(dòng)力的大客車(chē)上使用。汽車(chē)上有許多的壓力控制系統(tǒng)，包括液壓式、氣壓式等[9]。

2.3 制動(dòng)能量再生的原理及作用

制動(dòng)時(shí)根據(jù)駕駛員踩剎車(chē)所用的力，憑借電控單元的一系列計(jì)算得出所需的最佳制動(dòng)力的數(shù)值。之后，實(shí)際由制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)力會(huì)通過(guò)ECU 將其與理想狀況下所需的制動(dòng)力進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)實(shí)際需要，再向各個(gè)執(zhí)行裝置發(fā)布指令。若所需的能量小于可以提供的能量，則將多余的部分存儲(chǔ)起來(lái)；若供不應(yīng)求，則將之前存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)化為制動(dòng)能量。汽車(chē)在路況復(fù)雜的情況下行駛時(shí)，再生制動(dòng)裝置可以提高汽車(chē)燃油或電能的使用效率，這是再生制動(dòng)裝置的主要功能之一，該裝置還能合理地將動(dòng)力分配到驅(qū)動(dòng)輪上，提高汽車(chē)行駛的安全系數(shù)，防止車(chē)輪抱死所導(dǎo)致的側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象的發(fā)生。汽車(chē)的各類(lèi)制動(dòng)控制及輔助裝置屬于電控系統(tǒng)，制動(dòng)時(shí)可靠性更高。

3 混合動(dòng)力的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

3.1 協(xié)調(diào)控制的類(lèi)型

按控制方式分，可分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式是指駕駛員根據(jù)自己的判斷來(lái)開(kāi)啟能量再生裝置，自動(dòng)模式是指汽車(chē)的電控單元將接收到的車(chē)速、踏板力、制動(dòng)壓力等信號(hào)，與由傳感器所感知到的信號(hào)進(jìn)行比對(duì)分析，并根據(jù)這些信號(hào)自動(dòng)在各功能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，協(xié)同完成任務(wù)，更便于司機(jī)駕駛車(chē)輛。

3.2 協(xié)調(diào)控制策略

1）ESC 系統(tǒng)與制動(dòng)能量再生裝置的協(xié)調(diào)控制。穩(wěn)定控制系統(tǒng)在汽車(chē)行駛在壞路、無(wú)路地段或進(jìn)行急轉(zhuǎn)彎時(shí)，為了保證行駛的平順性，在其開(kāi)始工作后要與能量回收裝置相協(xié)調(diào)。ESC 系統(tǒng)適當(dāng)?shù)卦龃蠡驕p少制動(dòng)力，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)車(chē)輛的橫擺角速度，使其行駛相對(duì)平穩(wěn)。與此同時(shí)，把儲(chǔ)能裝置中回收的能量轉(zhuǎn)化為制動(dòng)能量，從而降低地面的側(cè)向反作用力，確保在行進(jìn)中的汽車(chē)受到干擾時(shí)不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

2）ABS 系統(tǒng)與制動(dòng)能量再生裝置的協(xié)調(diào)控制。雖然防抱死系統(tǒng)與制動(dòng)能量再生裝置都是通過(guò)改變制動(dòng)力大小來(lái)實(shí)現(xiàn)剎車(chē)，但是ABS 調(diào)節(jié)制動(dòng)力是為了將驅(qū)動(dòng)輪的滑移率調(diào)整到近似理想的狀態(tài)，防止出現(xiàn)側(cè)滑或轉(zhuǎn)向失靈的現(xiàn)象。二者由于工作原理及目的不同，在發(fā)揮各自作用時(shí)會(huì)相互干涉，因此，需要協(xié)調(diào)控制。電控單元會(huì)以傳感器所反饋的數(shù)據(jù)為參考對(duì)象，從而作出判斷。如果管路壓力突然增大，可以確認(rèn)汽車(chē)正處于急剎車(chē)狀態(tài)，此時(shí)為了防止抱死的發(fā)生，不應(yīng)該提供過(guò)大的制動(dòng)力矩。

4 動(dòng)力電池系統(tǒng)

蓄電池在燃油汽車(chē)中也有應(yīng)用，一般只為汽車(chē)各類(lèi)需用電的裝置供電，不為汽車(chē)提供動(dòng)力，而電瓶在新能源汽車(chē)中的應(yīng)用，功效與發(fā)動(dòng)機(jī)等同，起到動(dòng)力輸出作用。

4.1 蓄電池的類(lèi)型

蓄電池的類(lèi)型一般有鎳氫電池、鋰離子電池和含鉛電池等，其中應(yīng)用范圍最廣的應(yīng)屬含鉛電池，這種電池推向市場(chǎng)最早，技術(shù)完備，電能會(huì)在鉛和電解液反應(yīng)時(shí)源源不斷地放出，且具有抗寒耐熱、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，能在極端天氣下使用。含鉛電池雖然應(yīng)用廣泛，但是這種電池儲(chǔ)量小且在報(bào)廢后難于處理，其中所含的鉛會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，不符合綠色發(fā)展理念[10]。鋰離子電池種類(lèi)多樣且與含鉛電池相比能釋放或存儲(chǔ)更多的電量，有諸多優(yōu)點(diǎn)，但鋰電池安全性能不高、穩(wěn)定性差，易存在安全隱患。鎳氫電池是一種性能良好的蓄電池，具有性能穩(wěn)定、安全性好和污染小的特點(diǎn)，備受各大汽車(chē)企業(yè)的青睞。

4.2 對(duì)電池功效產(chǎn)生影響的因素

就電池本身而言，電池結(jié)構(gòu)、電解液的種類(lèi)及濃度、電極板的材質(zhì)等對(duì)電池功效造成的影響差異很大。如溫度、濕度、路面狀況等，在嚴(yán)寒地區(qū)制動(dòng)液可能會(huì)達(dá)到凝點(diǎn)，在高溫地帶制動(dòng)液又會(huì)蒸發(fā)過(guò)快，因此由溫度造成的影響很大。

5 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接車(chē)載動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車(chē)的重要紐帶，電池組在工作時(shí)需要和汽車(chē)引擎以及電機(jī)等元件相互配合，與此同時(shí)，還要給其他各類(lèi)電子設(shè)備提供電能。而且與電池組工作相關(guān)的性能會(huì)受到外界環(huán)境及自身的影響，因此混合動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)非常重要。電池管理系統(tǒng)能時(shí)刻向電控單元反饋電池的溫度、剩余電量及所發(fā)出的電流的大小等相關(guān)動(dòng)態(tài)，并得出可靠的措施加以處理。

5.1 電池管理系統(tǒng)的功能

1）由于電池之間連接方式各異會(huì)導(dǎo)致工作狀態(tài)不一致，而且在一組電池中的每一個(gè)的工作狀態(tài)也是有差異的，因此，實(shí)時(shí)收集傳感裝置所反饋的剩余電量、電壓、溫度、電流等信息是有必要的[11]。2）電控單元根據(jù)所反饋的數(shù)據(jù)來(lái)判斷電池是否處于正常狀態(tài)，如參考用于驅(qū)動(dòng)汽車(chē)及供給用電器的電壓、電流的大小、電量余值的多少及電池負(fù)載程度的大小來(lái)判斷電池的工作狀態(tài)是否正常，并向ECU 及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)到的可能發(fā)生的危險(xiǎn)，將電池的狀態(tài)始終置于最優(yōu)的狀態(tài)。3）要將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題加以解決，如電池發(fā)熱時(shí)通過(guò)控制冷卻系統(tǒng)來(lái)給它降溫，在電池負(fù)載過(guò)大時(shí)適時(shí)關(guān)閉不必要的耗能元件，并調(diào)節(jié)電流及電壓的大小。因此，電池管理系統(tǒng)必須囊括諸如保護(hù)電源、信息實(shí)時(shí)反饋、對(duì)所反饋的信息加以分析并處理以及令電池始終保持在最佳狀態(tài)，并具有延長(zhǎng)使用期限的功能。

5.2 電池管理策略

1）基于規(guī)則的管理?；谝?guī)則的電池管理策略具有工程開(kāi)發(fā)周期短與策略邏輯清晰的優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)控制領(lǐng)域具有重要意義。行駛中的汽車(chē)在不同工況下，動(dòng)力電池會(huì)處于不同的工作狀態(tài)，而且不同的電池組對(duì)應(yīng)的連接方式是不一樣的，因此需要實(shí)施不同的管理策略。在混合動(dòng)力汽車(chē)上得以最先實(shí)行的是基于規(guī)則的能量（電池）管理，該方案具有步驟少、操作便利等優(yōu)勢(shì)，有以確定規(guī)則為基礎(chǔ)的管理策略和以模糊性規(guī)則為基礎(chǔ)的管理策略?xún)煞N。其中，以確定規(guī)則為基礎(chǔ)的管理策略方便操作，且應(yīng)用較廣，是通過(guò)ECU、各類(lèi)傳感器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成能量管理的[12]。實(shí)施辦法如下：在電瓶剩余電量多且車(chē)速較慢時(shí)，汽車(chē)僅需電池驅(qū)動(dòng)，引擎處于熄火狀態(tài)；當(dāng)汽車(chē)以中等車(chē)速行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止工作；若汽車(chē)處于高速行駛狀態(tài)經(jīng)過(guò)陡坡的路段時(shí)，就要采用混合驅(qū)動(dòng)模式。2）其他管理。其他的管理策略有很多，其中比較典型的是功率跟蹤策略、全局優(yōu)化管理策略及非穩(wěn)態(tài)優(yōu)化管理策略。功率跟蹤策略要不斷收集與汽車(chē)引擎和電瓶發(fā)出功率有關(guān)的數(shù)據(jù)，具有工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，全局優(yōu)化管理策略都是以此為基礎(chǔ)改進(jìn)得來(lái)的，非穩(wěn)態(tài)優(yōu)化管理策略最為完善[13-14]。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)科技創(chuàng)新不斷取得突破，制造業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，汽車(chē)行業(yè)發(fā)展也得到了質(zhì)的提高。新能源汽車(chē)種類(lèi)繁多，課題小組對(duì)比各類(lèi)新能源汽車(chē)并分析其優(yōu)缺點(diǎn)，燃料電池車(chē)和以氫氣等為動(dòng)力來(lái)源的汽車(chē)能實(shí)現(xiàn)零排放，但是造價(jià)較高，難于普及；純電動(dòng)車(chē)雖然綠色環(huán)保，但是現(xiàn)階段其續(xù)行里程短、電池容量小、制造成本高；混合動(dòng)力汽車(chē)既能降低污染物的排放，又能彌補(bǔ)現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)的不足，因此廣受青睞。制動(dòng)再生協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和動(dòng)力電池管理系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車(chē)的兩個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)，制動(dòng)再生及分配控制技術(shù)是混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵之所在，有關(guān)純電動(dòng)汽車(chē)的相關(guān)技術(shù)難題或?qū)⒁虼硕〉猛黄疲姵厥腔靹?dòng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源之一，不斷優(yōu)化其性能可提高能源利用率。相信在政策和需求的推動(dòng)下，混動(dòng)技術(shù)將迎來(lái)市場(chǎng)大發(fā)展。而推動(dòng)混動(dòng)技術(shù)迭代升級(jí)，對(duì)于降低汽車(chē)行業(yè)的碳排放，具有非?，F(xiàn)實(shí)和積極的意義，目前也正是推動(dòng)混動(dòng)技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵期。