混合動力電動汽車關鍵技術研究

雷汝婧

摘要：本文對混合動力電動汽車的研究現狀做了簡要的敘述，對其未來的發展趨勢做了簡要的分析，著重針對混合動力汽車的工作模式、能量源、及可再生能量儲存系統等關鍵技術進行了較為詳盡的分析。

關鍵詞：混合動力；工作模式；能量源；能量儲存系統

近年來，隨著科技的不斷進步，技術的不斷發展，電動汽車技術得到了迅猛地發展，很多汽車制造商也將目光投向電動汽車領域，不斷促進了電動汽車的商業化。電能是無污染的清潔能源，但是，純粹的電動汽車商業化的過程中存在生產成本高、行程短、使用成本高等弱勢，所以混合動力電動汽車優勢凸顯。混合動力汽車能源利用率高、相對環境污染率較小，也克服了純電動汽車行程短的缺點。

我國已在混合動力電動汽車的關鍵單元技術、系統集成技術及整車技術上已經取得了一些重要進展，混合動力車輛的研發工作在各大汽車公司和各大高校中取得了一定的成果。

1.混合動力電動汽車工作模式分析

1.1串聯式運行模式

串聯式運行模式多見于城市公交車或原型車，優點獨特。通過APu和電力驅動系統的連接，形成了更加靈活的系統布局，如果行駛里程較短，可以實現在不啟動發動機的情況下驅動車輛，驅動能量來源于電池，有效控制排放。

具體到串聯式系統的工作模式，可以分為充電、輔助、零排放以及能量再生四種。關于充電模式：發動機工作，向系統提供能量，但是仍有剩余，這部分多余的能量可以電池的形式儲存。關于輔助模式：此模式下的發動機也照常工作，但是與充電模式相反，所提供的電能要低于需求，而此時，電池中儲存的電能得以釋放，作為輔助驅動能量保證汽車的正常運行。關于零排放模式，發動機不工作，車輛的驅動能量完全由電池承擔。關于能量再生模式：如遭遇制動工況系統產生的機械能就會轉化為電能，并儲存到電池中，如果電池電量已充滿，繼續轉化的電能可以直接轉化為熱能，以減少電池發熱的問題。

在串聯式系統下，在能量消耗方面既有優勢也有不足。一方面，由于其獨特的結構，發動機與傳動系統相互獨立，對于汽車的能量需求，需采用相關控制措施對動力單元進行調控，用來滿足車輛對動力的需求，使動力系統的工作效率得以提升。為了保證汽車系統的工作效率，必須設置與之匹配的內燃機。另一方面，在串聯系統中，機械能轉化為電能的過程中存在能量損失，使得整流器、電動機、電池等部分都會成為發生能量損失的節點，多方累計之后，能量損失就會變得嚴重。

1.2并聯式運行模式

并聯式系統下，車輛的驅動主要依靠發動機和電動機/發電機，在傳動系統的作用下驅動車輪實現車輛的運行。其中，在汽車行駛過程中的電動機/發電機的運行驅動力來自汽車自身所裝配的電池，在車輛運行的同時對電池進行充電。大量混合動力電動汽車為了提升動力系統的性能，往往前輪和后輪的能量來源不一致，前輪由發動機驅動，后輪由電動機驅動。

并聯系統的工作模式與串聯系統相似。在充電模式下，車輛由電動機和發動機共同驅動，同時，由于車輛所需能量較少，發動機可以將多余的能量儲存在電池內。其次，在輔助模式下，車輛的驅動也由發動機和電動機提供，但是，此時停止對電池的充電，全部用于汽車的驅動。關于常規模式，就是利用發動機來對車輛進行驅動，確保汽車的正常運行。在零排放模式下，所屬的車輛屬于完全電動的狀態下，再次狀態的能量再生模式下，系統將制動產生的能量轉化為電能，儲存于電池中。

關于并聯式系統的能耗優勢，首先是發動機可以直接向車輛提供驅動，能量傳遞過程中的消耗僅僅集中在傳動系統，比串聯系統優越。但是在系統內，發動機的工作區域處于變化之中，這種變化與功率有關系，當大功率輸出時，發動機工作在適當區域（兼顧動力性和經濟性等）提供主要動力，電池輔助發動機，提供剩余部分的能量；當小功率輸出時，發動機只需用少部分能量來維持其基本工作狀態，余下的能量都用來對蓄電池進行充電。與串聯式車輛相比它可以提供更高的轉矩，與常規車輛相比效率更高。但是，在并聯式系統下，也由于多不容忽視的弊端，汽車中存在著過多所需要的零部件增加了車輛的有效重量，從而影響到汽車中相關資源的功率輸出和能量消耗的問題。

2.混合動力電動汽車的能量源分析

2.1串聯式系統組成和能量傳遞

串聯式的動力組成分為兩部分：電池一驅動電動機以及發動機一發電機，后者的電能可以通過控制器、逆變器等裝置實現對電能的傳遞，實現對電機的驅動，同時，也可以憑借控制器和整流器等實現電能的電池存儲。在串聯方式下，能量傳遞的流程如下圖1所示，直流電源由動力電池組提供，電能在輸送、轉化以及傳遞過程中存在著能量的損失，故電機輸出功率相較比車輛行駛中的阻力功率和能量損失來說，還有比較大的差值。此外，再生制動能量回收也會作為能量傳遞和損失的重要方面，但是不具有穩定性、可靠性和確定性，能量來源功能不具有說服力。

2.2并聯式系統組成和能量傳遞

在并聯結構下，動力來源于發動機或動力電池組一電動/發電機，其中，發動機是主要的動力源，用于驅動汽車的行駛。而另一部分的電動/發電機僅僅起到輔助作用，用于啟動、加速或爬坡過程中。發動機、電動/發電機的功率之和就上面的分析相比不會大于相關阻力耗損，而是與之相等或小于車輛阻力之和，這樣的設計可以將汽車重量得到控制，體現經濟性和動力性，并有效控制成本，下圖2為并聯式能量傳遞流程圖。

3.可再充式能量儲存系統

電池的應用歷史較為持久，從19世紀中葉開始的鉛酸電池，再到后來的鐵鎳電池、鎳鎘電池，電池在結構、工藝、材料等方面不斷改進，性能日益完善。上世界80年代，氫鎳電池的誕生和應用以及90年代的鋰電池，延長了電池的使用壽命，并使其性能得到了提高。從目前的情況看，電動汽車的電池主要有鉛酸電池、氫鎳電池以及鋰電池，尤其是后兩者，在實踐應用中最為廣泛。

其中，氫鎳電池是屬于堿性電池的一種，不會對環境造成重金屬污染，被稱為“綠色電池”。其優點在于具有良好的能量密度和功率密度，在車輛的使用過程中，循環使用壽命較其他電池更高，能夠實現快速充電和深度放電，充電效率和放電效率都很高，能量損失少。但是，在實際中，缺點也十分明顯，成本高，單體電池電壓低，自放電過程中損耗較大。

鋰電池是目前各方面性能最佳的電池，將其用于電動汽車，可以充分發揮容量和功率方面的優勢。鋰電池具有的優勢包括：較高的能量密度和功率密度，較大的功率輸出密度，單體電池電壓較高，充電和放電效率也較高。但是，鋰電池并不是完美的，在使用過程中也暴露出一些問題，比如充放電性能差，價格較高，過充放電保護等。

此外，超級電容器和飛輪電池也是十分常用的。超級電容器，又被稱為電化學雙電層電容器，是目前一種新型的儲能元件，主要的優點包括：動力性能優越、能量回收率高、儲能設備性能更加優化、低溫性能較好、輔助性能較高。而飛輪電池的應用能有效地提升主動力源功率輸出的穩定性，并使能量回收的效率得到提高，實踐意義重大。