混合动力汽车需要解决的问题和面临的挑战

混合动力汽车需要解决的问题和面临的挑战

混合动力汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的发动机。所面临的关键性技术和需要解决的问题包括以下几个方面：

其一，混合动力汽车发动机频繁起动、关闭，使驱动系统和附件（如空调和动力转向等）的电能管理变得复杂，因此需要先进的检测和控制系统；现有的以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油转化为有用功的同时，需要提高转化效率，同时还要满足严格的排放标准。

其二，能量存储装置（电池）要具有较高的比功率，以满足汽车加速和爬坡时对大功率的需要；同时，能量存储装置必须采用热能控制管理，要有较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造成本。

其三，电力电子器件必须减小尺寸、减轻质量和降低制造成本。

其四，需要建立更先进的驱动系统数学模型（包括静态和动态的），这是计算机仿真和分析的基础。

其五，制定完善的混合动力汽车相关标准和法规，为混合动力汽车的市场化奠定基础。

1）混合动力单元技术：混合动力汽车的动力可以同时来自热力发动机和电动机。在混合动力汽车上，热力发动机又被称为混合动力单元，与传统汽车发动机相比，其作用发生了变化。在并联混合动力汽车上，混合动力单元通过传动轴驱动车轮，同时电动机也承担一部分动的功能，因而使得混合动力单元能够采用尺寸更小、效率更高的热力发动机；在串联混合动力汽车上,混合动力单元驱动1台发电机产生电能,由于汽车的行使与发动机没有直接的联系，因此混合动力单元也能够采用小型高效的发动机，且其运行工况可以固定于较小的高功率区。

当前，混合动力单元研究的主要对象是热力发动机和燃料电池。其在燃料的使用方面出现了很大的变化，除了汽油外，还有天然气、液化气和酒精等代用燃料。提高混合动力单元的燃料经济性，对混合动力单元必然提出更多的要求，例如要求混合动力单元能够快速起动和关闭，并降低起动时的排放等。

混合动力汽车的主要目标就是降低排放，所以，控制混合动力单元的排放将是今后研究的重点。目前对混合动力单元的研究主要集中于以下几个方面。

一是燃烧系统的优化，通过观察燃料与空气混合物的点燃和燃烧的过程，发现形成NOX的机理，从而改进燃烧系统。二是尾气处理技术，主要研究高效的尾气催化系统。三是代用燃料的研究。

从目前的研究表明，压燃直喷式柴油发动机将是首选的混合动力单元。

2）能量存储技术：目前运用于混合动力汽车上的能量储存

装置主要还是高能蓄电池。除此之外，虽然超级电容器、飞轮电池等新型能量储存装置也在研究开发范畴，但是近期最有希望进入实用化的还是高能蓄电池。

现在，银氢电池和铿离子电池已可达到混合动力汽车的使用要求。银氢电池已广泛地应用于电动汽车、计算机、医疗器械以及其它领域。该电池技术的关键是，其能够储存氢的合金应该是一种能够稳定地经受无数次循环反复使用的材料。银氢电池容量大，可以循环使用，但主要缺陷是成本高，效率低，同时还需要控制氢的损失。铿离子电池电压高,能量密度高，有更高的功率，且充电时间短。目前该电池还处于实验室阶段，正在进行其基本性能和寿命的试验。从发展看，能量储存装置的研究应该包括以下几个方面。

一是研究电池内部的连接、检测、监控以及便于将整个电池子系统安装在汽车上的支撑机构。二是电池设计和制造方面的改进，降低制造成本，改善电池的性能和提高寿命。这是因为，适用于混合动力汽车的电池需要有较高的比功率，要达到的目标是，

功率与能量比值大于20W∕Wh;使用寿命达到10年；至少循环使用12万次。三是电池的热能管理及剩余电量管理。由于电池的工作温度不可能覆盖汽车运行的工作温度范围，为了保证电池系统的统一，减少各电池单元之间的不平衡，所以需要有一个有效的热能控制系统。此外，电池的剩余电量直接影响混合动力汽车的经济性和排放，因此需要有效的测试方法和控制装置。

3）汽车集成电力电子模块：随着汽车技术的发展，传统汽车越来越依赖于复杂的电子技术，例如防抱死制动系统、安全气囊和发动机微机控制等先进控制系统等。这种趋势在混合动力汽车上将得到更加充分的体现。

混合动力汽车完全由电子控制器来分配功率，要能够在适当的时间控制各相应子系统输入和输出适当数量和类型的功率。为了满足汽车高速开关控制的要求，混合动力汽车还需要具有高功率密度、低损耗的开关、电容和电感等。同时，混合动力汽车还要没有一些分立装置，例如专用的集成电路、模拟和数字集成电路以及其它功率电子装置。混合动力汽车对智能

化的要求导致其控制的复杂性，因此要求控制装置采用高速运

行的半导体芯片，其功率密度高，散热性能较好。

在混合动力汽车进入实用化的过程中，一个关键性的部件是汽车集成电力电子模块。它采用现代电子集成技术，将复杂的电力电子系统集成在一个单一封装内，能够给汽车提供大约IOOkW 的功率，其功率范围为IOkW—100kW。该模块能够实现对整车的控制，例如，控制电机的输入和输出功率、发动机的输出功率和能量储存系统的离合，同时还能控制再生制动能量的回收与释放，确定电池的充电状态、判断是否对电池充电，以及优化控制发动机的起动以减少排放。

在汽车集成电力电子模块设计和制造过程中所面临的问题有以下几点。

其一，散热技术。发动机舱的温度范围为-40℃—225℃,对电力电子模块来说，环境条件相当恶劣。由于模块封装中芯片密度的增加，热量密度也会增加，因此散热技术和散热材料的研究对模块的正常工作和电子元件的寿命都很重要。

其二，减小封装体积和质量。要实现这一目标，需要研究采用新型材料和先进工艺制造的电容器并要进行传热效率高的封装，改善金属基体的结构组成，并需要运用高温焊接技术等。

其三，降低制造成本，提高系统的可靠性。

4）电力驱动系统和汽车附件：要使混合动力汽车的动力性、经济性、舒适性、安全性和便利性达到广大消费者所能接受的水平，必须要有高效、经济的电力驱动系统和汽车附件。然而，这些系统中的有些部件在传统汽车中没有相应件，所以需要重新设计开发，在开发的同时，要考虑到系统的综合性能、成本和维修性能。

4.1）电机：在混合动力汽车上，电机的作用是将由发电机或储能装置提供的电能转换为用于驱动车轮的机械能。与传统汽车不同的是，电机在低速时可以提供满载转矩，而发动机则必须要等到“暴跳如雷”时才能够输出满载扭矩。这样就使混合动力汽车具有出色的起步加速性能。此外，用于混合动力汽车的电机还必须要具有良好的可控性和容错能力以及低噪