基于混合動力技術的新能源汽車關鍵技術及策略研究

摘要：在可持續發展戰略環境下，我國更加注重環境保護以及能源節約，新能源汽車順勢而生。當前新能源汽車已成為汽車產業發展的主要方向，但其發展時間尚短，具有較大的發展空間，如氫氣等清潔燃料制取難度較大，且不易保存，影響到了實際應用與推廣，而純電動汽車續航能力有限，造價較高，所以混合動力技術成為當前新能源汽車發展中的重要研究方向。基于此，分析混合動力汽車系統的工作特點與類型，闡述其關鍵技術，并提出了發展策略。

關鍵詞：新能源汽車；混合動力技術；發展

中圖分類號：U469.7? 收稿日期：2023-04-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.005

1 混合動力汽車定義

新能源汽車行駛環節，可使用更加清潔的太陽能或電能進行驅動，減少燃油消耗，從而降低對環境的不良影響。通過應用混合動力技術，可以使新能源汽車獲得更多形式的動力，更好地突出新能源汽車優勢。混合動力汽車表示的是包含多個驅動系統的汽車，其行駛功率根據實際行駛狀態，由驅動系統單獨或共同提供。因為各部件存在不同的組成結構，在布置方式、汽車控制方式上也存在較大差距，進而構成了不同類型的混合動力汽車。由于混合動力汽車不會產生較大的能量損壞，也不會對環境產生嚴重污染，因此對混合動力汽車的開發獲得了社會各界的廣泛關注。

混合動力汽車工作原理為：汽車剛啟動時，蓄電池中由于擁有充足的電量，能夠為汽車行駛供能，此時輔助動力系統不發揮作用，處于休眠狀態，當消耗超過40%的電量后，輔助動力系統會發揮作用；若汽車能量消耗較大，無法僅通過蓄電池供能，還需要借助輔助動力系統，因此在兩者共同作用下，滿足汽車行駛需求；若汽車能量較小，通過輔助動力系統可以保證驅動系統正常工作，并且還能使蓄電池獲得能量，實現良好續航［1］。

2 混合動力汽車系統的特性

2.1 混合動力系統工作特點

a.相比于同類型的發動機車型，混合動力汽車存在較為明顯的優勢，主要體現在熱力與電力上，混合動力汽車可以合理調配熱力與電力，不僅可以減少油耗，還能有效降低污染物的排放量。

b.混合動力汽車中，電動機屬于輔助動力，在這種模式下，可以實現能量的有效回收，還能進一步提升燃料經濟性能。

c.混合動力汽車行駛環節，能夠通過降低發動機負荷，有效降低噪聲。

d.通過改造現有加油站，能夠降低混合動力汽車成本，無需進行燃料供應站的重新建設。

可見，混合動力系統存在較為明顯的特征，滿足汽車行業可持續發展要求。

2.2 混合動力汽車的類型

a.串聯式混合動力汽車。這種類型的汽車只擁有一套電力驅動系統，主要由驅動電機、發電機以及發動機構成，在以上系統的串聯下，共同構成了動力系統。串聯式混合動力汽車行駛環節，發動機啟動后，會帶動發電機，隨后由發電機為蓄電池充電，從而由蓄電池進行電能儲存。電動機工作過程中，可通過功率轉換器向電動機傳送電能，使汽車獲得驅動力。該類型汽車主要由電動機提供動力，在城市道路中較為適用，整個驅動環節處于低油耗高效工作區域，蓄電池處于充電狀態。這種動力系統常應用于卡車以及公交車上，由于機械結構較為簡單，能夠有效降低油耗。不過因為系統存在較多環節，動力到達車輪需要經過兩次傳遞，傳遞環節會損耗較多能量，無法獲得較高的機械效率，特別是在高速路況下，會增加油耗。串聯式混合動力汽車的結構如圖1所示。

b.并聯式混合動力汽車。這種類型的汽車在行駛環節中，發電機與發動機不僅能夠單獨輸出動力，還能進行動力的疊加輸出，實際上是在內燃機汽車上配置了電能驅動系統。并聯式混合動力汽車起步時，具體依靠電動機提供動力，隨著速度的不斷提升，發動機會發揮作用，為整體提供驅動力，當汽車存在較大轉矩需求時，電動機與發動機會共同為汽車提供驅動力。通常情況下，并聯式混合動力系統低速運行時，屬于純電動模式，而在高速時，通過發動機驅動，該環節會有較高的燃油效率，由于應用了功率較小的電動機與電池，在一定程度上降低了整車成本。并聯式混合動力汽車的結構如圖2所示。

c.混聯式混合動力汽車。這種類型的汽車集合前兩種汽車的優點，在結構上仍包括電動機、發電機與發動機。發電機與發動機屬于串并聯結構，汽車行駛過程中，發動機會向車輪傳遞輸出功率，并且也會滿足發電機發電需求。混聯式混合動力汽車中存在兩個電機，兩套驅動系統，一個電動機用于驅動車輪，一個電動機在汽車處于極限性能時，可以向車輪直接輸入動力，并且當蓄電池電力不足時，可以作為發電機使用，滿足蓄電池充電需求。

由此可以看出，該類型汽車存在兩種工作模式，汽車在極限工況時，會通過串聯式模式工作，當汽車行駛于高速路段時，會通過并聯式模式工作。混聯式混合動力汽車包含串聯和并聯的優點，無論在何種工況下，均能實現高效率、低排放。不過這種結構存在一定的復雜性，受技術水平限制重量加大，加上工作模式復雜，成本相對較高。混聯式混合動力汽車的結構如圖3所示。

3 混合動力汽車的關鍵技術

3.1 整車能量管理控制系統技術

研發混合動力汽車時，實現控制策略屬于其動力系統的核心，國外在混合動力汽車策略的實現能力上相對成熟，而我國混合動力汽車發展較晚，加上技術水平的限制，在相關工作開展環節，只能借助實驗數據實施仿真分析，對國外應用策略進行測算。

通常情況下，可將控制策略分為以下幾種：a.以確定規則為主的控制策略；b.離線全局優化算法；c.預測控制算法[2]。以上幾種控制策略有著不同的優點與缺點，其中，確定規則為主的控制策略，其算法獲得的結果存在較大的局限性，無法全面展現出混合動力系統的節能優勢，因此若想提升混動系統性能水平，需要重點開發控制策略，同時確保開發的策略具有較強的實時性，有效提升燃油效率與節能效果。

實際設計控制策略時，應做好如下工作：重點優化發動機工作點；優化發動機工作曲線；優化發動機工作區；減小發動機動態波動；限制發動機最低轉速；減少發動機開/關次數；保證蓄電池荷電狀態；保證蓄電池電壓安全；分工適當。

3.2 驅動電機控制技術

對電動汽車而言，電動機屬于心臟，其重要程度等同于發動機，需要滿足效率高、能量密度高、重量輕、體積小等要求。研發過程中，應注重永磁同步電動機與交流感應電動機，對于經常停車、啟動、低速運行的城市工況，應采用永磁同步電動機驅動，對于高速、勻速行駛的工況，需要采用感應電動機驅動。當前雖然純電動汽車不再涉及傳統變速箱構架，不過受到技術水平限制，系統中仍存在通過齒輪類結構轉動的功率耦合裝置，這種裝置的可靠性會對整車性能產生直接影響。混合動力技術發展中，電機的功能發生了重大變化，不只屬于驅動單元，還能實現能量有效轉換。具體設計環節，應綜合考慮各項因素，做好電機選型工作，以保證整車性能。

3.3 電池管理系統技術

相比于純電動汽車，混合動力汽車在電池性能上存在不同的要求。混合動力汽車電池工作時，通常會進入非周期性充放電循環中，存在較高的電池充放電速率，這種情況下，混合動力汽車電池不僅要滿足高能量密度要求，還應滿足高功率密度要求，從而在爬坡與加速環節可使汽車獲得更大的峰值功率[3]。電池工作溫度、充放電歷史等，均會對電池壽命及性能產生影響，如果出現過放電以及過充電等不良問題，很容易使電池性能大幅降低，嚴重情況下還會使電池損壞。而利用電池管理系統可全面監控電池工作環境與工作過程，準確預測電池剩余電量，實現對電池能效的充分利用，有效延長電池使用壽命，因此混合動力汽車發展中，需要進一步提升電池與其管理系統的技術水平。

3.4 混合動力切換控制關鍵技術

a.切換系統與車輛動力學建模。針對不同工作情況，進行混合動力電動汽車相關設備動力學模型構建，在轉矩模型觀測器的應用下，實時監控內部設施運行數據，獲得動態數據變化模型，對電動機與發動機動力特性實施專業分析，對控制系統中各耗能、供能裝置間的關系進行研究。

b.通過分析混合動力汽車駕駛工作狀況、動力切換穩定時間、駕駛狀態，了解動力切換協調系統的影響因素，保證汽車能夠穩定地進行動力切換。

c.通過仿真模擬研究，可獲得相應經驗，不過研究數據會與實際數據存在差距，這種情況下需要對研究項目做出調整，通過搭建硬件設施，確保試驗數據與實際使用數據相接近，通過對典型狀態下混合動力系統動態數據的驗證與修改，最終獲得針對混合動力系統的協調控制技術。

d.實施動力切換瞬態穩定性實驗時，需要對混合動力汽車行駛中，動力系統運行模式及相關數據進行分析。動力系統切換時，應對數據瞬態穩定性問題進行重點考慮，構建動態分析模型，明確動力切換模式臨界值。對動力切換協調控制技術過程進行分析，借助軟件仿真實驗，對比分析動力切換協調控制數據，研究后期應利用硬件設施分析動力切換協調控制數據，若條件允許，應使混合動力汽車在正常路況中行駛，實施監控系統的實際運行狀態，進而促進協調控制系統正常運行。通過有效控制動力切換時的瞬態穩定性，避免動力切換時發生故障，提升行駛安全。

3.5 液壓蓄能器與多動力源匹配技術

a.液壓蓄能器。合理選用液壓蓄能器，會對液壓輔助單元正常工作產生直接影響，當蓄能器容量過大時，會使系統反應速度明顯降低，加大系統布置難度，若蓄能器容量過小，則會影響到制動能量的及時收回。蓄能器性能主要通過兩個指標進行衡量，即能量密度和功率密度。能量密度高，可使汽車擁有足夠的能量，而較大的功能密度，能夠確保車輛制動能量的快速儲存與釋放。所以，確保蓄能器容積不變的情況下，通過應用合成材料與制作工藝，研究出大功率密度、高能量密度、高能量回收率等蓄能器，應作為該技術的重要發展方向。

b.多動力源匹配技術。對于液壓混合動力系統而言，其中包含兩套驅動系統，即液壓源驅動系統和發動機驅動系統，兩者主要是借助動力復合裝置進行高效匹配，而混合動力車輛經濟性、動力性、排放性能，會受到匹配技術的直接影響，所以，實際匹配環節應綜合分析系統關鍵元件的性能、工作時間以及工作效率，了解各部分的相互影響情況，對關鍵元件匹配關系進行優化，從而獲得更高的車輛性能。

4 混合動力汽車技術的發展策略

4.1 提升技術優勢

與其他類型汽車相比，混合動力汽車具有眾多優勢，如動力性能好、經濟實用、清潔環保，因此若想有效促進混合動力汽車技術健康發展，需要進一步提升其技術優勢，使更多人認識到混合動力汽車的優勢與好處，拓寬受眾群[4]。若想實現這一目標，需要將先進的內燃機技術應用于混合動力汽車中，突出其低耗油特性；還應科學選擇電機，保證去擁有良好的運行效率；對混合動力汽車實施全面的分析與實驗，進一步提升混合動力汽車整體性能，進而使混合動力汽車具備更強的動力性、經濟性與環保性。

4.2 降低成本，提升能量再生利用率

a.降低成本。混合動力汽車中不僅擁有動力裝置，還擁有電池，這使得混合動力汽車存在較高的制造成本，在一定程度上影響到了混合動力汽車的快速發展。因此需要重點關注混合動力汽車成本高的問題，積極探究電力設備成本的降低策略，通過有效控制電池與電子設備成本，將混合動力汽車成本控制在合理范圍內，進一步擴大消費群體。

b.提升能量再生利用率。混合動力汽車技術發展環節，應合理設計汽車內部系統，并且經過一段時間運行后，需要作出合理優化，確保混合動力汽車符合再生制動要求，通過再生能力的應用，使汽車在行駛環節獲得更高的再生能量使用率，促進混合動力汽車快速發展。

4.3 重視自主開發與知識產權

我國傳統汽車企業發展中，更多的是從國外進行技術、經驗引進，技術水平相對落后，因此，混合動力汽車發展環節，應注重自主開發，研發出更多具有自主知識產權的部件與產品[5]。此外，我國存在較多混合動力汽車零部件制造商，其與汽車制造商發展存在較為密切的聯系，國家需要為其提供相應政策支持，減少零部件制造商成本資金壓力，并且提供一定的財政補貼[6]。只有這樣，才能使國內汽車制造商積極進行新產品開發，為混合動力汽車制造商提供性能更優的關鍵部件，從而有效提升混合動力汽車技術水平。

5 結語

新能源汽車發展中，通過混合動力技術的合理應用，能夠有效滿足節能減排需求，解決以往汽車高廢氣排放問題，避免對生態環境產生嚴重污染。在現代混合動力技術持續發展下，所制造出來的混合動力汽車可更好地滿足民眾需求，促進社會交通服務不斷優化。因此新能源汽車未來發展中，需要加大對混合動力技術的研究力度，充分突出該技術的應用優勢，促進新能源汽車朝綠色、低碳、可持續發展的方向邁進。

參考文獻：

[1]付寬，辜文杰.淺談不同視角下混合動力汽車技術的分類[J].時代汽車，2023（8）：17-19.

[2]王春洋，李殿起.混合動力汽車發動機啟停控制策略研究[J].機械管理開發，2022，37（12）：304-306.

[3]蔡蘭蘭.混合動力汽車常見故障與排除技術[J].專用汽車，2022（12）：71-73.

[4]張景軒，程子健.基于混合動力技術的新能源汽車應用及發展趨勢[J].南方農機，2022，53（10）：152-155.

[5]李永鈞.淺議混合動力技術路線[J].重型汽車，2022（1）：3-5.

[6]張曉英.混合動力汽車的探索與思考[J].汽車工藝師，2020（12）：8-9.

作者簡介：

吳小麗，女，1990年生，助教，研究方向為新能源汽車技術。