基于混合動力技術的新能源汽車應用及發展趨勢*

張景軒，程子健

（1.合肥職業技術學院，安徽 合肥 230000；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730000）

20 世紀80 年代以來，許多發達國家紛紛投入巨資研發電動汽車，我國的“863 計劃”也已明確將電動汽車作為重點攻關項目。混合動力技術作為一項嶄新的技術，20 世紀90 年代初，混合動力汽車的開發得到了歐美等許多發達國家的高度重視，并已經取得了一些重大的成果。與此同時，我國也積極開展了混合動力電動汽車的研究，毋庸置疑，混合動力汽車發展前景十分廣闊。混合動力指在車輛動力系統中采用兩種不同動力源的一種技術，區別于傳統車輛的新能源車輛技術，通常意義上是指油、電混合動力，是以傳統的燃油技術為藍本發展起來的，因此較為可靠[1-2]。混合動力汽車的燃油經濟性能較高，行駛性能優越，在起步、加速時，由于有電動馬達的輔助，可以降低油耗，輔助發動機的電動馬達可以在啟動的瞬間產生強大的動力，司機在駕駛過程中可以享受更強勁的起步、加速體驗，能實現較高水平的燃油經濟性。相關數據顯示，2022 年3 月，新能源汽車產銷延續了快速增長勢頭，雙雙超過100 萬輛，市場占有率達到19.3%，新能源汽車戰略引領作用進一步凸顯。

1 混合動力汽車概述

1.1 混合動力汽車簡介

新能源汽車分為很多種，有燃料電池型的汽車（EV）、生物燃料型的汽車（FCEV）、純電動型的汽車以及混合動力型的汽車（HEV）等類型。混合動力汽車將傳統驅動模式和電動驅動這兩種驅動方式的優點綜合起來，可以將續航里程提高至同等電動車的1～3 倍。而且，混合動力汽車與純電動車相比，價格要低廉，同時，相關技術也比較成熟，穩定性及可靠性高。

1）按動力系統的連接方式來劃分，可分為串聯式混合動力汽車、并聯式混合動力汽車和混聯式混合動力汽車。①串聯式混合動力汽車。串聯式混合動力系統由汽車引擎、電瓶及發電電動機相互連接而成。不能由引擎直接驅動汽車。首先，將燃油點燃，燃燒時的熱能被發動機轉化為了機械能，再將能量輸送給發電機，帶動其轉動，進而產生電能。發電機發出的交流電通過整流器轉化為直流電，再通過電動機來驅動汽車。同時，電動機也可直接由電瓶來供電，至于在哪種情況下使用哪種模式，根據實際的道路狀況和汽車運行狀況電控單元會自動切換[3-5]。比如，緩速行駛時，所需的動力少，就可以關閉發動機，僅通過電池給電機充電以驅動汽車。②并聯式混合動力汽車。并聯式驅動系統是由互不干預的發電電動機與汽車燃油動力裝置并聯形成的。汽車在行駛時會依據實際路況和行駛工況選擇驅動模式。在坡度較大的情況下，需要有充足的后備功率，此時的發動機與電動機一同驅動汽車行駛；在所需的動力較小時，僅憑發動機驅動汽車。并聯式的電機驅動裝置屬于動力輔助裝置。它的優點眾多，不僅節能，而且穩定性高、排放的污染物少、能量利用率高。但是，發動機需要通過傳動裝置與車輪相連接，因此結構相對復雜，而且外界環境對能量利用率有影響。③混聯式混合動力汽車。混聯式混合動力汽車綜合了并聯式混合動力汽車和串聯式混合動力汽車的各種優點，彌補了這兩種模式的諸多不足。在以不高的速度行駛時或減速時，可以僅由串聯模式提供動力；當高速行駛時或加速、上坡時，需要較大的功率驅動汽車，此時采用并聯模式驅動。混聯式有多種驅動模式，其中發動機產生的能量可以經傳動機構傳至車輪，進而驅動汽車，也可帶動發電機發電，所產生的電能可直接存入電瓶中或進一步帶動電動機來驅動汽車[6]。

2）按是否要外接電源來劃分，可分為插電式混合動力汽車和非插電式混合動力汽車。①插電式混合動力汽車電池數量較多，能儲存更多的電量，既可以通過外接電樁來充電，也可通過發動機帶動發電機產生電能。插電式汽車更省油、更環保，較之普通型的混動汽車其續航里程更長，而且各種驅動形式也不盡相同，可當作純電動車使用。②非插電式混合動力汽車為不插電混動，不能外接電源充電，電池容量較小。

3）按動力混合的程度來劃分，可分為重度混合動力汽車、輕度混合動力汽車及輕微度混合動力汽車。①重度動力混合汽車主要通過電力驅動，發動機驅動為輔。②輕度動力混合汽車能量的利用率不及重度動力混合汽車高，無法僅靠電機來驅動，因而廢氣排放增加。③輕微度混合動力汽車以引擎驅動為主，電力驅動裝置只起到輔助作用[7-8]。

1.2 混合動力汽車的特性

在各種新能源車型中混合動力汽車是唯一獲得大規模生產的車型，而且它屬于承上啟下的車型，電動車和燃油汽車兩者的優點兼而有之。如混合動力汽車噪聲小，沒有傳統發動機的振動，舒適感好，而且駕駛員能根據行駛時的狀態選擇不同的模式，續航行駛路程長。

2 混合動力汽車的再生制動系統

2.1 一般的制動裝置

燃油汽車通常由制動器、制動傳動裝置和助力裝置來組成制動系統。其中，被稱為剎車的制動器有多種樣式，并且各有各的特點，包括鼓式、領從蹄式、盤式和雙領蹄式等。剎車過程中，大量的能量會因為摩擦生熱而損耗掉，無法做到能量回收。

2.2 制動能量再生裝置

按照能量儲存方式的不同，分為飛輪儲能、電瓶儲能、壓力儲能。通常情況下由控制裝置、能量儲存器、轉換裝置、速度協調裝置組成再生制動系統。利用飛輪來回收能量的再生系統結構簡單，且飛輪轉動慣量大，能防止大量能量耗失。但由于飛輪轉速高，相應的摩擦阻力對于能量回收就會有很大影響，一般只在混合動力的大客車上使用。汽車上有許多的壓力控制系統，包括液壓式、氣壓式等[9]。

2.3 制動能量再生的原理及作用

制動時根據駕駛員踩剎車所用的力，憑借電控單元的一系列計算得出所需的最佳制動力的數值。之后，實際由制動系統產生的制動力會通過ECU 將其與理想狀況下所需的制動力進行比對，根據實際需要，再向各個執行裝置發布指令。若所需的能量小于可以提供的能量，則將多余的部分存儲起來；若供不應求，則將之前存儲的能量轉化為制動能量。汽車在路況復雜的情況下行駛時，再生制動裝置可以提高汽車燃油或電能的使用效率，這是再生制動裝置的主要功能之一，該裝置還能合理地將動力分配到驅動輪上，提高汽車行駛的安全系數，防止車輪抱死所導致的側滑或失去轉向的現象的發生。汽車的各類制動控制及輔助裝置屬于電控系統，制動時可靠性更高。

3 混合動力的協調控制系統

3.1 協調控制的類型

按控制方式分，可分為手動模式和自動模式，手動模式是指駕駛員根據自己的判斷來開啟能量再生裝置，自動模式是指汽車的電控單元將接收到的車速、踏板力、制動壓力等信號，與由傳感器所感知到的信號進行比對分析，并根據這些信號自動在各功能之間進行轉換，協同完成任務，更便于司機駕駛車輛。

3.2 協調控制策略

1）ESC 系統與制動能量再生裝置的協調控制。穩定控制系統在汽車行駛在壞路、無路地段或進行急轉彎時，為了保證行駛的平順性，在其開始工作后要與能量回收裝置相協調。ESC 系統適當地增大或減少制動力，進而通過調節車輛的橫擺角速度，使其行駛相對平穩。與此同時，把儲能裝置中回收的能量轉化為制動能量，從而降低地面的側向反作用力，確保在行進中的汽車受到干擾時不會發生危險。

2）ABS 系統與制動能量再生裝置的協調控制。雖然防抱死系統與制動能量再生裝置都是通過改變制動力大小來實現剎車，但是ABS 調節制動力是為了將驅動輪的滑移率調整到近似理想的狀態，防止出現側滑或轉向失靈的現象。二者由于工作原理及目的不同，在發揮各自作用時會相互干涉，因此，需要協調控制。電控單元會以傳感器所反饋的數據為參考對象，從而作出判斷。如果管路壓力突然增大，可以確認汽車正處于急剎車狀態，此時為了防止抱死的發生，不應該提供過大的制動力矩。

4 動力電池系統

蓄電池在燃油汽車中也有應用，一般只為汽車各類需用電的裝置供電，不為汽車提供動力，而電瓶在新能源汽車中的應用，功效與發動機等同，起到動力輸出作用。

4.1 蓄電池的類型

蓄電池的類型一般有鎳氫電池、鋰離子電池和含鉛電池等，其中應用范圍最廣的應屬含鉛電池，這種電池推向市場最早，技術完備，電能會在鉛和電解液反應時源源不斷地放出，且具有抗寒耐熱、價格低廉的特點，能在極端天氣下使用。含鉛電池雖然應用廣泛，但是這種電池儲量小且在報廢后難于處理，其中所含的鉛會對環境造成影響，不符合綠色發展理念[10]。鋰離子電池種類多樣且與含鉛電池相比能釋放或存儲更多的電量，有諸多優點，但鋰電池安全性能不高、穩定性差，易存在安全隱患。鎳氫電池是一種性能良好的蓄電池，具有性能穩定、安全性好和污染小的特點，備受各大汽車企業的青睞。

4.2 對電池功效產生影響的因素

就電池本身而言，電池結構、電解液的種類及濃度、電極板的材質等對電池功效造成的影響差異很大。如溫度、濕度、路面狀況等，在嚴寒地區制動液可能會達到凝點，在高溫地帶制動液又會蒸發過快，因此由溫度造成的影響很大。

5 動力電池管理系統

電池管理系統（BMS）是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶，電池組在工作時需要和汽車引擎以及電機等元件相互配合，與此同時，還要給其他各類電子設備提供電能。而且與電池組工作相關的性能會受到外界環境及自身的影響，因此混合動力汽車的動力電池管理系統非常重要。電池管理系統能時刻向電控單元反饋電池的溫度、剩余電量及所發出的電流的大小等相關動態，并得出可靠的措施加以處理。

5.1 電池管理系統的功能

1）由于電池之間連接方式各異會導致工作狀態不一致，而且在一組電池中的每一個的工作狀態也是有差異的，因此，實時收集傳感裝置所反饋的剩余電量、電壓、溫度、電流等信息是有必要的[11]。2）電控單元根據所反饋的數據來判斷電池是否處于正常狀態，如參考用于驅動汽車及供給用電器的電壓、電流的大小、電量余值的多少及電池負載程度的大小來判斷電池的工作狀態是否正常，并向ECU 及時反饋監測到的可能發生的危險，將電池的狀態始終置于最優的狀態。3）要將發現的問題加以解決，如電池發熱時通過控制冷卻系統來給它降溫，在電池負載過大時適時關閉不必要的耗能元件，并調節電流及電壓的大小。因此，電池管理系統必須囊括諸如保護電源、信息實時反饋、對所反饋的信息加以分析并處理以及令電池始終保持在最佳狀態，并具有延長使用期限的功能。

5.2 電池管理策略

1）基于規則的管理。基于規則的電池管理策略具有工程開發周期短與策略邏輯清晰的優點，在汽車控制領域具有重要意義。行駛中的汽車在不同工況下，動力電池會處于不同的工作狀態，而且不同的電池組對應的連接方式是不一樣的，因此需要實施不同的管理策略。在混合動力汽車上得以最先實行的是基于規則的能量（電池）管理，該方案具有步驟少、操作便利等優勢，有以確定規則為基礎的管理策略和以模糊性規則為基礎的管理策略兩種。其中，以確定規則為基礎的管理策略方便操作，且應用較廣，是通過ECU、各類傳感器以及執行機構來完成能量管理的[12]。實施辦法如下：在電瓶剩余電量多且車速較慢時，汽車僅需電池驅動，引擎處于熄火狀態；當汽車以中等車速行駛時，電動機停止工作；若汽車處于高速行駛狀態經過陡坡的路段時，就要采用混合驅動模式。2）其他管理。其他的管理策略有很多，其中比較典型的是功率跟蹤策略、全局優化管理策略及非穩態優化管理策略。功率跟蹤策略要不斷收集與汽車引擎和電瓶發出功率有關的數據，具有工作穩定的優點，全局優化管理策略都是以此為基礎改進得來的，非穩態優化管理策略最為完善[13-14]。

6 結語

隨著我國科技創新不斷取得突破，制造業發展突飛猛進，汽車行業發展也得到了質的提高。新能源汽車種類繁多，課題小組對比各類新能源汽車并分析其優缺點，燃料電池車和以氫氣等為動力來源的汽車能實現零排放，但是造價較高，難于普及；純電動車雖然綠色環保，但是現階段其續行里程短、電池容量小、制造成本高；混合動力汽車既能降低污染物的排放，又能彌補現有電動汽車的不足，因此廣受青睞。制動再生協調控制系統和動力電池管理系統是混合動力汽車的兩個非常關鍵的技術，制動再生及分配控制技術是混合動力汽車發展的關鍵之所在，有關純電動汽車的相關技術難題或將因此而取得突破，電池是混動汽車的動力來源之一，不斷優化其性能可提高能源利用率。相信在政策和需求的推動下，混動技術將迎來市場大發展。而推動混動技術迭代升級，對于降低汽車行業的碳排放，具有非常現實和積極的意義，目前也正是推動混動技術應用和發展的關鍵期。