混合動力汽車發(fā)展的必要性及關鍵技術分析*

楊仕清

混合動力汽車發(fā)展的必要性及關鍵技術分析*

楊仕清

（云南交通運輸職業(yè)學院，云南 昆明 650300）

混合動力汽車綜合了內燃機驅動式汽車及電動機驅動式汽車的二者優(yōu)勢，具有環(huán)保、節(jié)油的特點，得到了各國的廣泛重視。文章主要闡述了混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了混合動力汽車發(fā)展的必要性，并結合混合動力汽車應用的特點，分析了影響混合動力汽車性能的關鍵性技術。

混合動力汽車；發(fā)展必要性；關鍵技術

1 引言

近年來，能源危機和環(huán)境污染的問題也越來越嚴峻，甚至已直接威脅到我們的生活，世界各國對此引起了高度的重視。汽車是造成能源日趨稀少和環(huán)境污染的一個重要因素，因此，世界各國政府都相應地出臺了與能源及環(huán)境相關的政策，各大車企和汽車研發(fā)機構也都開始將汽車研發(fā)的重點定位在汽車節(jié)能研究和汽車環(huán)保研究方面。研究開發(fā)新能源汽車是大勢所趨，而混合動力汽車是新能源汽車中很重要的一種。混合動力汽車在生產成本，節(jié)約能源以及排放污染物等方面都低于傳統(tǒng)的普通汽車，且混動汽車的動力性與傳統(tǒng)的普通汽車相差不大，能帶來較高的經濟效益和社會效益。因此，混合動力汽車成為近年來各大汽車生產商的研究重點，研究和開發(fā)混合動力汽車也成為維護社會可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。因此，文章主要針對混合動力汽車發(fā)展的必要性進行了探討，并在探討的基礎上分析了混合動力汽車研究開發(fā)過程中的關鍵技術。

2 混合動力汽車的國內外發(fā)展現(xiàn)狀

從二十世紀九十年代初開始，混合動力汽車的研究開發(fā)就被美國、德國、日本、歐洲等發(fā)達國家高度重視。目前，日本正積極推動三類新能源汽車發(fā)展，其中日本的混合動力汽車在全球領先且已壟斷全球90%的市場，燃料電池產品的研發(fā)和產業(yè)化推進也在世界領先，純電動汽車的規(guī)劃和產業(yè)化推進步伐也有所加快。日本計劃到2020年新能源汽車汽車年銷量達200萬輛（其中混合動力汽車120萬輛、電動車80萬輛）。美國插電式混合動力汽車是國內新能源汽車市場銷量最大、增幅最大的產品，2016年售出15082輛，2017年全年銷量接近20萬輛（同比增長 27％）。在歐洲國家，以德國為例，在2009年的下半年，德國就發(fā)布一項汽車發(fā)展計劃，即《高度重視純電驅動的電動汽車發(fā)展計劃》，以純電為重點分別提出了2012年、2016年、2020年的產業(yè)化和市場化目標。德國計劃到2020年實現(xiàn)100萬輛的電動車保有量，到2030年實現(xiàn)500萬輛的電動車保有量[1]。

我國對于混合動力汽車的研發(fā)開始于二十世紀九十年代初，但是，由于受到當時經濟發(fā)展水平及工業(yè)制造技術的限制，混合動力汽車沒能得到發(fā)展。直到二十世紀九十年代末，清華大學與廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司合作成功研制了國內第一輛混合動力輕型客車。直到2004年，中國發(fā)布了“中國汽車產業(yè)發(fā)展計劃（AIDP）”，混合動力汽車的研究開發(fā)并市場化才成為了在中國新能源汽車的開發(fā)目標。后續(xù)中國又發(fā)布了《中國制造2025重點領域技術路線圖》，該計劃圖中計劃到2020年中國自主研究開發(fā)的新能源汽車年銷量能突破100萬輛，汽車銷售市場份額達到70%以上。另外，計劃中還提到打造明星車型，汽車銷量排名闖進全球前十名。動力電池、驅動電機等新能源汽車的關鍵系統(tǒng)開發(fā)水平達到國際先進，且這些關鍵系統(tǒng)在國內市場的占有率達到80%及以上。但與其它國家相比，我國自主品牌在普通混合動力汽車行業(yè)布局相對較少，主要原因有兩點：1）與日本相比，日本的普通混合動力汽車經過多年的研究開發(fā)，技術相對已成熟、消費者認可度也比較高，而我國還需要長期的技術積累及發(fā)展；2）在中國，普通混合動力汽車并不包含在新能源汽車的補貼政策中，因此，汽車企業(yè)對混合動力汽車的研究開發(fā)力度不大，而個人購買混合動力汽車的愿望更不大[2]。

3 混合動力汽車發(fā)展的必要性

混合動力汽車與傳統(tǒng)能源車相比有很多獨特的優(yōu)勢，比如：動力性能高、清潔環(huán)保較好、經濟實用、節(jié)能型、低能耗等。如果在混動汽車的開發(fā)中能將這些優(yōu)勢充分發(fā)揮出來,并且讓公眾了解并認可混合動力汽車，就能真正打開中國的混合動力汽車市場。這樣，中國的混合動力汽車發(fā)展起來，不僅保護了環(huán)境，還能節(jié)約能源，對中國的經濟社會發(fā)展是有利的。

3.1 排放、油耗及碳排放標準要求的必要性

截至2016年，中國已連續(xù)八年全球汽車銷量第一。但同時，每年新增石油消費量的70%以上也被新增汽車所消耗，所排CO2約占溫室氣體排放總量的2成以上，汽車領域節(jié)能減排刻不容緩[3]。

從汽車油耗法規(guī)上看，第三階段、第四階段油耗法規(guī)要求相應出臺，歐盟法規(guī)要求為整車油耗將控制在95g/km（約為4.1L/100km），日本法規(guī)要求為整車油耗將控制在105g/km（約為4.5L/100km），美國的整車油耗將控制在5.5L/100km，而中國第四階段油耗法規(guī)也要求從2016年-2020年油耗需逐年減少，且到2020年及以后平均油耗約5L/100km（CO2約為120g/km）[4]。具體如圖1所示：

圖1 平均油耗變化情況

輕型商用車三階段油耗限值征求意見稿《輕型商用車輛燃料消耗量限值》GB20997-2016中，據不同車型規(guī)定了輕型商用車輛燃料消耗量的限值。

重型商用車第三階段油耗限值《重型商用車輛燃料消耗量限值》GB30510-2014中，規(guī)定依據GB/T 27840-2011測定貨車、客車等車型的綜合工況燃料消耗量限值。

從排放法規(guī)上看，2017年在輕型車上，歐盟將實行歐六c排放法規(guī)、美國實行第三階段排放法規(guī)（Tier3）。而中國2018年全面實行國五排放法規(guī)，到2020年、2023年分別實行國六a和國六b排放法規(guī)。

綜上所述，隨著國家油耗、排放、碳排放標準及積分管理整車相應法規(guī)的出臺，整車節(jié)油性能將成為市場選擇的主要指標，而傳統(tǒng)內燃機技術路線無法滿足和應對越來越嚴峻的油耗法規(guī)要求，而混合動力汽車能完全滿足國家油耗法規(guī)要求，同時實現(xiàn)電子控制的無極變速（E-CVT），使整車具有優(yōu)越的燃油經濟性和駕駛舒適性。

3.2 市場需求的必要性

混合動力汽車1997年開始發(fā)展，2009年步入快速發(fā)展軌道，截至2016年4月，全球混合動力汽車累計銷量突破1000萬輛。目前國內混合動力汽車主要技術路線是以能獲得國家財政電池補貼的插電式混合動力，且以汽油乘用車為主，商用車僅在城市公交車市場上應用。2012年—2016年混合動力汽車市場銷量概況見表1（單位：萬輛）。

表1 2015年—2018年混合動力汽車市場銷量概況

綜合考慮各國的政策法規(guī)動向、汽車廠商的中長期展望及顧客的需求等因素，預計2020年全球混合動力（含插電式）車型的年銷量占比將達25%，2030年將接近40%。混合動力汽車市場銷量預測見表2，動力總成全球市場銷量變化情況及預測見圖2。

表2 混合動力汽車市場銷量預測

2015年10月，工信部發(fā)布了《中國制造2025》重點領域技術路線圖，路線圖中提出“到2020年，中國的節(jié)能汽車年銷量將達到中國汽車市場總需求量的30%，到2025年新能源汽車銷量占汽車銷量超過40%”，在路線圖中還將混合動力車列入節(jié)能汽車發(fā)展重點。

4 影響混合動力的關鍵技術

4.1 電池及電池管理系統(tǒng)

電池的能量密度與功率密度影響著電池的輸出功率，當混合動力汽車在加速與爬坡時，需要電池能有效地提供較大峰值功率；電池的使用壽命與性能狀態(tài)又受電池的充放電次數、工作溫度等因素的影響；另外，電池的過度充放電，都會嚴重影響電池的性能，甚至可能損壞電池，縮短電池的使用壽命，因此，還需要實時對電池的工作過程與所處環(huán)境、狀態(tài)進行監(jiān)控[5]。

4.2 電機系統(tǒng)

混動動力汽車上使用的電池須具備起動發(fā)動、電驅動、整車加速、制動回收等方面能力。目前，混合動力汽車主要選用永磁無刷同步、直流永磁、開關磁阻以及交流異步等四種類型的電機。另外，在車輛進行制動減速及下坡行駛時，應確保電機處于發(fā)電機工作狀態(tài)，讓機械能轉化為電能，存儲于電池內。

4.3 發(fā)動機

在混合動力汽車系統(tǒng)中，可通過對發(fā)動機的優(yōu)化設計，來提高汽車的經濟性能，減少尾氣排放。對發(fā)動機改進技術的研究，主要從采用其他型式熱機或改進內燃機兩方面進行。

4.4 變速器

混合動力汽車可以采用的變速器型較多，包括機械式自動變速器、手動變速器、帶傳動無級變速器、電子式無級變速器、行星齒輪自動變速器等，我們需要綜合各種類型變速器的優(yōu)缺點進行選擇以適配各車型的需求，來實現(xiàn)各車型性能的最優(yōu)。

4.5 動力耦合裝置

混合動力汽車的動力耦合裝置一直都是其研究的重點與難點，直接影響著對車輛整體性能的控制。目前，主要采用轉矩結合式、驅動力結合式、轉速結合式等三種動力耦合方式。我們需要綜合各種動力耦合方式的優(yōu)缺點進行選擇以適配各車型的需求，來實現(xiàn)各車型性能的最優(yōu)。

4.6 驅動系統(tǒng)控制策略

混合動力汽車的驅動系統(tǒng)控制策略需結合汽車相關的行駛狀況、發(fā)動機與電機工作性能、電池SOC（荷電狀態(tài)）、汽車起步、模式切換、汽車換擋等動態(tài)過程的數據進行編制程序，最終實現(xiàn)對驅動系統(tǒng)的有效控制，以確保發(fā)動機能在較短時間內平穩(wěn)起動；能確保有效控制驅動前的轉速與離合器結合過程；能協(xié)調控制動機與電機轉矩；能確保在汽車總需求轉矩造成較大波動時，能有效協(xié)調控制電機與發(fā)動機的轉矩[6]。

5 結束語

隨著電池補貼的逐年減少，到2020年將取消對電池的補貼，再加上國家油耗法規(guī)的實施，國家支持政策的減輕，自身制造成本的上升，必然導致得到財政補貼的純電及插電式新能源車型下滑，混合動力汽車通過電機與發(fā)動機高效的動力分配，使發(fā)動機運行在經濟油耗區(qū)，實現(xiàn)節(jié)油率在35%以上，能較好地滿足國家油耗法規(guī)要求。因此，節(jié)能環(huán)保的混合動力汽車必將成為未來汽車的主動力。

[1] 李凱.混合動力汽車現(xiàn)狀分析[J] .新能源汽車2018,18(10):40-43.

[2] 莊偉超,丁洋,邱立琦,等.插電式混合動力汽車控制策略的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機械設計與制造工程,2016,45(6):113-17.

[3] 宮佳鵬,張錦,付進軍等.重型混合動力車用發(fā)電單元設計與研究[J].移動電源與車輛,2017,34(2):15-19.

[4] 張佩.重型混合動力車能耗和排放測試方法研究[J].北京汽車, 2016,45(4):23-27.

[5] 區(qū)燦輝.混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及其關鍵技術分析[J],科技資訊,2017,12(12):33-37.

[6] 蘇嶺,曾育平,秦大同.插電式混合動力汽車能量管理策略研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].重慶大學學報,2017,40(2):103-135.

Necessity and Key Technologies of Hybrid Electric Vehicle Development*

Yang Shiqing

( Yunnan Vocational College Of Transportation, Yunnan Kunming 650300 )

Hybrid electric vehicle combines the advantages of internal combustion engine-driven vehicle and motor-driven vehicle. It has the characteristics of environmental protection and fuel-saving, and has been widely valued by various countries. In this paper, the development status of hybrid electric vehicle is described, the necessity of hybrid electric vehicle development is analyzed, and the key technologies affecting the performance of hybrid electric vehicle are analyzed according to the characteristics of hybrid electric vehicle application.

Hybrid electric vehicle; Development necessity; Key technologies

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.067

U461.99

B

1671-7988(2021)02-210-03

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1671-7988(2021)02-210-03

楊仕清，就職于云南交通運輸職業(yè)學院。

云南省教育廳科學研究基金項目《基于太陽能車頂的汽車輔助制動研究》項目資助。項目編號：2019J0506。