关于混合动力汽车的研究与展望

关于混合动力汽车的研究与展望

摘要：现阶段混合汽车已经成为传统的内燃机汽车的最佳替代。它也是21世纪初的最理想、最符合实际的绿色交通工具。文章介绍了混合动力汽车的三种基本的驱动方式（串联式、并联式、混联式）和它们的优缺点；分析了混合动力汽车的关键技术如蓄电池技术、电机技术、内燃机技术、能量管理技术、整车技术，并提出了解决这些关键技术的措施与开发路线。

关键词：混合动力、驱动方式、关键技术、开发路线

一、引言

能源与环保问题日益突出，而我国汽车工业却日益增长，开发新型的节能环保汽车迫在眉睫。在这种形势下，混合动力汽车应运而生。它既继承了传统汽车高功率、续驶里程长的优点，又兼备电动汽车低排放的特点。显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程。

混合动力汽车（HEV）具有两个或两个以上能量源，当汽车爬坡或加速时，两个或两个以上动力源联合输出动力 ,蓄电池输出的电能通过电机进行助力；当汽车在下坡或制动时，发电机发电可以对制动能量回收，以电能形式储存在蓄电池中；当汽车较长时间怠速停车时 ,可以通过控制发动机熄火 ,实现怠速启停 ,节省燃油减少废气排放。[1]混合动力汽车是传统燃料汽车与纯电动车的完美结合体。

二、混合动力汽车的类型

目前过内外开发与研究的主要有三种类型：串联式混合动力电动汽车（SHEV）、并联式混合动力电动汽车（PHEV）和混联式混合动力电动汽车（CHEV）。

串联式混合动力系统利用发动机和发电机提供电能 ,电动机是唯一的驱动源。其动力传动系的结构组成如图2-1所示。由于发动机与驱动车轮之间没有直接的机械连接 ,发动机不受汽车行驶工况影响 ,始终保持在最佳工作区稳定运行 ,所以特别适用于在市区低速运行的工况。汽车在起步和低速时还可以关闭发动机 ,只利用电池提供驱动功率 ,达到零排放要求。

串联式混合动力汽车特点是整车布置的自由度较大，发动机始终保持在最佳工作状态，汽车具有良好的燃油经济性和排放指标；电力驱动是唯一的驱动模式，控制技术简单；驱动模式决定了发动机、发电机和电动机的功率应接近或等于汽车所需的最大驱动功率，故三大动力总成的功率、外形和质量都较大，整车价格高；电池数量较多，串联布置在中、小型汽车上不容易实现；能量损失较大，发动机输出能量利用率低。

图2-1串联式动力传动系结构图

并联式混合动力系统中有发动机和电动机两套驱动系统 ,发动机和电机分别驱动车轮。它的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。其动力传动系的结构组成如图2-2。由于发动机与驱动车轮之间机械连接 ,

没有串联将机械能转换为电能的发电机 ,因此提高了能量转化效率。并联系统结构紧凑 ,比较适用于轿车。并联混合动力系统的传动系统较为复杂，工作模式较多，控制系统复杂，实现形式多样化。

当汽车低速、小功率行驶时，控制器控制电池为电动机供电，实现零排放；汽车以较大功率行驶时，通过调节发动机输出转矩调节发动机的功率；汽车刹车减速，电动机相当于发电机为电池组充电；电动汽车加速、高速行驶时，电池组为电动机供电，发动机与电动机协调驱动汽车。

图2-2并联式动力传动系结构图

并联式混合动力汽车的特点是系统能量的利用率相对较高，这使得并联式的燃油经济性一般比串联的要高；发动机运行直接受到道路行驶工况影响，运行状态较为复杂，因而并联驱动排放性相对串联驱动要差，但可以在较多不良的行驶工况下运行；发动机与电动机都是动力总成，两者可以互相耦合满足汽车功率的要求，系统可采用小功率的发动机与电动机，使得整车动力总成尺寸小，质量也较轻；但发动机和机械驱动系统的机械连接使得机械装置较复杂，增加了整车布置的难度。当汽车在市区行驶时，可以关闭发动机，由电池组为电动机供电提供汽车的驱动功率，实现零排放。

混联式结构综合了串联式和并联式的特点，其动力传动系的结构组成如图2-3。混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架，混联式混合动力汽车配备的发动机和电动机的功率可以比较小，发动机也比较容易控制在高效区稳定工作，控制策略比较灵活。缺点是结构复杂，成本较高，与其复杂的结构相应，其控制系统也较为复杂。

机械连接

电气连接

图2-3混联式动力传动系结构图

该系统适合各种行驶条件，具有良好的燃油经济性和排放性能，既可以外接充电，也可自充电，续驶里程相比内燃机汽车远，是很理想的混合电动方案。整车布置难度较高，电池数量较少，但增加了发电机。控制技术含量高，整车价格高。

三、混合动力汽车开发的关键技术

混合动力汽车是一个复杂的系统工程,涉及的关键技术有蓄电池技术、电机技术、内燃机技术、能量管理技术、整车技术和现代控制理论等。[2-4]

(1)蓄电池技术

作为混合动力汽车的动力源之一，电池性能的高低极大的决定了混合动力汽车技术的先进性。混合动力汽车在工作中电池处于非周期性的充放电循环中,对电池的充放电速率和效率很高。研究与开发高性能充放电、低成本、寿命长的电池,是发展混合动力电动汽车的关键问题之一。

目前，除铅酸电池外，正在研究与开发的电池有镍氢蓄电池、铁镍蓄电池、银锌蓄电池、锂蓄电池、燃料蓄电池、太阳能蓄电池。铅酸电池在国内技术成熟，成本低廉，跟随负荷输出特性好，比较适合我国发展的需要。但其快速充放电困难，使用寿命不够理想、质量大等方面仍需改进，如可以通过增加电池片数，改进包装方法、使用高效添加剂，开发质量轻便的隔板材料等方法。在国外，各种镍电池飞速进展，这类镍电池储能较大、过充电和过放电性能优良、能带电充电并可以实现快速充电、使用寿命长。突出优点是全密封，免维护。目前，国外大多采用这些高性能的电池提高汽车的续驶里程和性能。但在价格昂贵，研发降低其成本是其推广的关键。

银锌蓄电池的电池能量高,质量轻,温度特性稳定,但价格高,寿命短；锂蓄电池的比能量大,比功率高,充电放电效率高,可以快速充电,功率输出密度大，但锂的制取较困难,管理和使用较复杂,要有严格的安全措施,价格也高。它是未来电池研发的一个方向。

在新型高性能电池的开发方面，燃料蓄电池转换效率高，容量大，比功率和毕能量高。具有广阔的发展前景。已经成为各国研究的焦点。最常见的燃料蓄电池有:碱性燃料蓄电池、磷酸燃料蓄电池、熔融碳酸盐燃料蓄电池、固体氧化物燃料蓄电池、质子交换膜燃料蓄电池等,而以质子交换膜燃料蓄电池应用于电动汽车上最为可能。在绿色环保方面，太阳能蓄电池最为理想。它直接将太阳能转换为电能，无污染，零排放。太阳能电池主要有三种结构：非晶硅，单晶硅，多晶硅。太阳能蓄电池在光电转换率，降低成本方面还需要进一步突破。目前有少数汽车公司把太阳辐射的能量收集起来，并转换成电能，以此为动力的汽车就是太阳能汽车，它是最洁净无污染的交通工具。太阳辐射到地球表面的能量转换成电能，效率可达30%。目前世界上最先进的技术已经能够达35%左右的转换效率。8平米大小的太阳能板能提供一辆小型汽车所需的电力。经测算，一辆太阳能轿车一年可省油500L.今后汽车动力的发展方向最有可能是使用太阳能、燃油、电力等多种能源的混合动力车。[5]

(2)电动机技术

混合动力电动汽车上使用的电动机有感应电动机、永磁无刷电动机等。研究开发体积小、重量轻、工作可靠、动态响应好的电机,对混合动力电动汽车进一步提高动力性和经济性极为重要。

感应电动（交流异步电机）机以鼠笼式感应电动机应用最广,感应电动机的功率容量覆盖面很宽广,转速最高可以达到1.2万r/min,可以采用空气冷却或液体冷却方式,冷却自由度高,对环境的适应性好,并且能够实现再生反馈制动。具有结构简单、维修方便、运行可靠、价格便宜、经久耐用等优点,具有较好的稳态和动态特性。为了解决感应电动机能够在低速下输出稳定的大转矩。解决感应电机的低速问题的方法主要有:采用滑模方法实现解耦控制,解决低速稳定性问