混合動力電動汽車關鍵技術分析

黃家貴

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545006）

電動汽車是近年來汽車工業發展的一項新產業，它有效緩解能源緊張以及環境污染等問題，是一種新型環保產業。由于當前的純電動汽車受到生產價格、蓄電池續航能力、充電技術等方面的限制，一定程度上限制了純電動汽車的發展?；旌想妱觿恿﹄妱悠嚀碛袃煞N不同的動力源，在汽車不同的行駛狀態下分別工作或者同時工作，以達到最少的油耗和尾氣排放?；旌蟿恿﹄妱悠嚹茉蠢寐矢?、無污染，比較環保，打破了純電動汽車的限制，可以采用常規內燃機做動力，也可以用電機進行驅動，比傳統汽車更加節能環保，因此近年來快速發展，已經成為城市重要的交通工具。由于混合動力電動汽車采用不同的動力源，對發動機技術、動力電池、電源技術等技術提出了新的要求。

1 混合動力電動車的工作形式

混合動力電動汽車的發動機與傳動系統解耦合，發動機可以選擇避開低效率的工作區域，發動機工作將時時處于高效區域?；旌蟿恿ζ囋跍p速或者剎車時，可以實現能量制動回收，對能量進行循環利用。目前混合動力電動車主要有串聯式、并聯式、混聯式的三種工作形式：

1.1 串聯式結構。串聯式驅動系統有發動機、電動機、控制器、傳動系統以及電池組等構成，發動機發動產生的機械能直接傳送到發電機，發電機將機械能轉換為電能，汽車電驅動系統可以通過蓄電池的電能或者直接利用發電機產生的電能驅動車輛。串聯式結構發動機僅與發電機直接連接，發動機與汽車傳動系統無機械連接，發動機啟動以及運行工況由發電機控制，可以選擇控制發動機在最低油耗區工作，發動機熱效率高，節油效果明顯。相對于傳統車型，發動機參與整車傳動，在城市復雜的路況反復啟停、怠速、急加速過程中，發動機處于低效率區，總的油耗與排放無法法規要求。這種結構適合城市大型汽車，不適合小型汽車[1]。

1.2 并聯式結構。并聯式驅動系統電動汽車有發動機和電動機兩個獨立的動力系統，汽車在行駛過程中可以由發動機或者驅動電機單獨提供動力，或者也可以由兩個系統共同提供動力，并聯式結構將汽車機械傳動裝置和耦合裝置串聯在一起，取消了串聯結構中的發電機，結構比較簡單，可以在復雜的環境下運行。但是并聯式結構需要安裝兩套動力系統、控制系統以及機械切換系統，所以生產成本比較高。

1.3 混聯式結構?；旌鲜浇Y構是綜合了串聯式結構和并聯式結構，這種結構下不但可以實現單串聯或者單并聯結構，而且還可以實現串并聯共同運行。發動機發出的功率一部分通過機械傳動裝置傳送到車輪，另外一部分則驅動發電機發電。汽車低速行駛時可以驅動系統以串聯方式工作，汽車高速行駛時以并聯方式工作，司機可以根據汽車行駛過程中的不同需求選擇不同的驅動模式，從而更好的發揮出電動驅動工作模式和發動機驅動模式的優勢，達到降低能耗的目的[2]。

2 混合動力電動汽車關鍵技術

混合動力電動汽車的研發需要解決內燃機燃燒系統、蓄電池的蓄電能力、傳動系統的匹配性能以及控制系統的控制策略等問題，從而才能達到省油環保的目標。

2.1 發動機技術。發動機主要為汽車提供動力，是汽車的心臟，決定了汽車的動力性能、經濟性能、環保性能能。發動機對混合動力電動汽車的性能影響比較大，因此需要加大發動機技術的研發，提高發動機的動力性能，達到降低能耗的目標。發動機的性能指標包括動力性、經濟性、環境性、可靠性以及耐久性[3]。隨著新能源汽車的發展，全球各大汽車廠商正在加快新能源汽車關鍵技術的研發，比如通用公司最新的2.0T 發動機采用停缸技術，通過停缸機構關閉進、排氣門，同時相應氣缸的噴油系統也被關閉，實現了降低燃油消耗的目標。日本豐田公司混合動力車型的發動機采用阿特金森循環、高EGR 率以及降摩擦等先進的節能技術。

2.2 電池技術。電池技術是電動汽車發展遇到的主要瓶頸，混合動力汽車的電池處于頻繁充、放電過程，電池、電壓變化比較大，如何提高電池快速充電或者放電效率，并在充放電過程中保持相對穩定的工況，以免影響到整個汽車的傳動系統。目前主要的電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰電池，鋰電池內部主要由正極、負極、電解質及隔膜組成，正負極及電解質材料的不同和工藝的差異使電池具有不同的性能。目前鋰電池正極材料主要是鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料鎳鈷酸鋰以及磷酸鐵鋰。負極主要是碳材料，新的負極材料有錫基、硅基、合金材料（鈦酸鋰）等。鋰電池的質量比能量高達300Wh/kg 以上，是鎳氫電池的4 倍以上；而且體積比能量高達400Wh/L 以上，體積是相同能量鉛酸電池的1/3 到1/4；鋰電池的循環壽命長，循環次數可達1000 到2000 次；另外鋰離子自放電率低，充放電無記憶效應，目前是最理想也是應用得最多的動力電池方案。鋰電池在使用過程中不會產生有害重金屬元素和物質，是一種非常環保的產品。因此，廣泛應用在水力、風力、太陽能電站等儲能裝置。電池技術一直是新能源汽車研發的重點內容，國內的新能源汽車廠商比亞迪研發的動力電池秦Pro EV500 具有高容量、熱穩定、充放電壓寬等優點，提高電池的續航能力，并采用柔性電路板，確保了線束的安全性和電池模塊的安全[4]。

2.3 控制技術。電動汽車電子控制系統由傳感器、電子控制元件和執行元件構成，汽車行駛過程中，傳感器采集到汽車運行的各類信息，并將信息傳輸到電子控制元件，電子控制元件接收到這些信息以后，按照控制系統預先編寫好的控制程序進行決策和處理，并將控制信號傳送給執行元件，執行元件接收控制信息，執行相應的動作。隨著汽車工業的發展，計算機信息技術、物聯網技術、人工智能技術、自動控制技術以及專家控制系統等廣泛應用在汽車生產領域。目前，混合動力電動汽車控制技術研究方向主要是將傳統的汽車動力控制系統、混合動力控制系統以及制動能量回收控制結合起來，打造更舒適、安全、節能的空間環境[5]?？刂萍夹g主要目的是讓發動機處于高效的工作區域，減少汽車的油耗和排污，充分利用發動機的熱量。能量制動回收是混合動力電動汽車研究的重點內容，目前發達國家的電動汽車，在相同的WLTC 工況測試中，能量制動回收可以節省20%的能量需求。

2.4 電機技術。電機主要通過電磁感應產生驅動轉矩，為混合動力電動汽車提供動力源。汽車行駛過程中，會頻繁的減速、加速、停車、啟動，在減速或者加速運行時，需要高轉矩，在勻速行駛過程中需要低轉矩。汽車在不同工況下對電機的性能要求不同，因此，電機必修具備大的工作轉矩，較寬的速度調節范圍，足夠的轉速以及能量回收，滿足混合動力電動汽車的要求。目前的直流電動機、異步電動機、交流電動機以及開關磁阻電動機技術相對已經成熟，但是無法適應電動汽車運行工況要求，因此需要加快驅動電機的研究。哈爾濱工業大學研發的一種多臺電機將混合式進步電動機和異步電動機結合在一起，形成多組態電動機，可以同時發揮出進步電動機和異步電動機的優勢，提高電動機的傳動效率。

混合動力電動汽車有效解決了傳統汽車高能耗、高排放的問題，是未來汽車工業相對一段時間發展的方向。然而，當前的混合動力電動汽車在發展過程還存在續航能力差、發動機燃燒效率低等問題，嚴重影響到混合動力電動汽車的發展。因此，需要加快混合動力電動汽車的關鍵技術研發，促進新能源汽車行業的發展。