摘要：本文首先介紹混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，其次介紹了HEV的分類及關(guān)鍵技術(shù)，最后對(duì)其發(fā)展前景提出了展望。

　　關(guān)鍵字：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車;關(guān)鍵技術(shù);發(fā)展前景

　　國(guó)際電工委員會(huì)電動(dòng)汽車技術(shù)委員會(huì)對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(Hybrid Electric Vehicle，HEV) 定義為: 多于一種能量轉(zhuǎn)換器來(lái)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的混合型電動(dòng)汽車。具體是指采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同協(xié)作的車輛，通過(guò)先進(jìn)的控制系統(tǒng)使兩種動(dòng)力裝置達(dá)到最優(yōu)化的協(xié)作，實(shí)現(xiàn)最佳能量分配[1]。HEV融合了傳統(tǒng)燃油汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，既達(dá)到了節(jié)能減排的目的，也彌補(bǔ)了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程差的缺點(diǎn)。

　　由于環(huán)境污染和石油危機(jī)等問(wèn)題，清潔環(huán)保的新能源汽車逐漸登上歷史的舞臺(tái)。純電動(dòng)汽車受電池技術(shù)制約不能滿足實(shí)用化要求，而燃料電池汽車尚有待進(jìn)一步發(fā)展，也未能達(dá)到實(shí)用化階段，因而作為純電動(dòng)汽車替代內(nèi)燃機(jī)汽車的過(guò)渡產(chǎn)品，HEV將獲得極大程度的發(fā)展空間，是目前最切實(shí)可行的發(fā)展方向。

　　一、 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　自1995年起，包括日本豐田與美國(guó)三大汽車公司在內(nèi)的多家汽車廠商陸續(xù)投入HEV的研發(fā)。至1997年12月，豐田Prius成為了世界第一款量產(chǎn)的HEV。至2010年，世界汽車市場(chǎng)HEV銷量已超過(guò)了100萬(wàn)輛。

　　美國(guó)奧巴馬政府實(shí)施綠色新政，計(jì)劃到2015年普及100萬(wàn)輛混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)施稅收優(yōu)惠，并且對(duì)電動(dòng)汽車生產(chǎn)予以貸款資助，大力培植電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展。預(yù)計(jì)美國(guó)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車2013年銷量將達(dá)到87.2萬(wàn)輛，市場(chǎng)占有率將達(dá)到5%。

　　而日本也同樣重視電動(dòng)汽車，在2010年推出以舊換新及購(gòu)買新能源汽車補(bǔ)助金政策，并在2011年投入5億元用于先進(jìn)動(dòng)力電池技術(shù)研究，以期推動(dòng)EV/HEV的普及應(yīng)用。日本計(jì)劃到2020年開(kāi)發(fā)出至少38款混合動(dòng)力車，以及17款純電動(dòng)汽車。

　　我國(guó)對(duì)于HEV的研究也已卓有成效：上汽集團(tuán)目前已推出榮威750 混合動(dòng)力、榮威350純電動(dòng)轎車、上海牌燃料電池轎車三款代表不同技術(shù)方向的新能源汽車。一汽集團(tuán)已確定以混合動(dòng)力為主導(dǎo)的新能源發(fā)展戰(zhàn)略，2012 年將建成年產(chǎn)1.1萬(wàn)臺(tái)混合動(dòng)力轎車生產(chǎn)基地。作為國(guó)內(nèi)新能源汽車的先驅(qū)，比亞迪2008年已推出插電式混合動(dòng)力車F3DM，2009 年推出純電動(dòng)轎車E6，計(jì)劃以新能源汽車進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)，成為中國(guó)乃至全球新能源汽車行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)。

　　二、HEV分類

　　根據(jù)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的連結(jié)方式，混合動(dòng)力系統(tǒng)主要分為串聯(lián)式(SHEV)、并聯(lián)式(PHEV)、混聯(lián)式(PSHEV)和復(fù)合式(CHEV)四種類型。SHEV系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)對(duì)電池組和電動(dòng)機(jī)供電，再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。在這種連結(jié)方式下，電池組起到調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出和電動(dòng)機(jī)需求平衡的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工況點(diǎn)附近運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了怠速等情況，從而提高了效率和排放性能。但其缺點(diǎn)在于油耗并未大幅度降低，且行駛里程較短;PHEV系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)汽車，這兩套獨(dú)立系統(tǒng)分別向汽車傳動(dòng)系提供扭矩。電動(dòng)機(jī)用以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)所受載荷，使其保持在高效率區(qū)域工作，因而PHEV系統(tǒng)能量利用率相對(duì)較高，行駛里程更長(zhǎng)。但由于其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)控制單元要求高，因而不適于變化較大的行駛工況;PSHEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合了串并聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，能使發(fā)動(dòng)機(jī)不受道路工況的影響，讓發(fā)動(dòng)機(jī)始終保持在最佳工作區(qū)域，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)共同或單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，各部件之間可以通過(guò)優(yōu)化匹配提高性能。但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，控制技術(shù)相對(duì)較難;CHEV與PSHEV的主要區(qū)別是CHEV中的電動(dòng)機(jī)允許功率流雙向流動(dòng)，一般用于雙軸獨(dú)立系統(tǒng)，工作模式更多樣化，相應(yīng)的，成本也就最高，控制系統(tǒng)也最復(fù)雜。

　　混合動(dòng)力系統(tǒng)還有其他分類方式：根據(jù)在混合動(dòng)力系統(tǒng)中電機(jī)的輸出功率在整個(gè)系統(tǒng)輸出功率中占的比重(即混合度)，混合動(dòng)力系統(tǒng)還可分為微混合動(dòng)力系統(tǒng)，輕混合動(dòng)力系統(tǒng)，中混合動(dòng)力系統(tǒng)和完全混合動(dòng)力系統(tǒng)。此外，根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)變化情況，HEV也可分為電量維持型和電量耗盡型。

　　三、HEV關(guān)鍵技術(shù)

　　HEV要進(jìn)入實(shí)用化，應(yīng)具備控制精度高、系統(tǒng)可靠性好及成本低的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，高比能量和高比功率的電池管理系統(tǒng)以及優(yōu)化控制策略技術(shù)[2]。

　　3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　作為電動(dòng)汽車的心臟，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、功率變換器及其控制系統(tǒng)。為滿足整車動(dòng)力性能的需要，對(duì)電動(dòng)機(jī)的具體要求為：①瞬時(shí)功率大、功率密度高、過(guò)載能力強(qiáng);②效率高;③運(yùn)行速度范圍要廣，高、低速綜合效率也要高。電動(dòng)機(jī)在低速區(qū)具有恒轉(zhuǎn)矩特性，在高速區(qū)具有恒功率特性。④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，耐沖擊，運(yùn)行可靠，免維護(hù)，低成本等。

　　用于HEV的電機(jī)必須要具有良好的可控性和容錯(cuò)能力，具有低噪聲、高效率的特點(diǎn)，以及對(duì)電壓波動(dòng)不敏感等性能。用于HEV的電機(jī)類型有交流感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。具有代表性的是交流感應(yīng)電機(jī), 但這種電機(jī)很難解決其功率和效率之間的矛盾，因此，需要研究出能夠用于HEV的具有更高效率和功率密度的永磁電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等先進(jìn)電機(jī)來(lái)替代目前使用的交流感應(yīng)電機(jī)。同時(shí)對(duì)電機(jī)的控制方法和冷卻系統(tǒng)的研究也應(yīng)繼續(xù)深入。

　　3.2 控制策略

　　如何優(yōu)化控制策略是實(shí)現(xiàn)HEV低油耗低排放目標(biāo)的關(guān)鍵所在。在滿足汽車的動(dòng)力性和其他基本技術(shù)性能以及成本等要求的前提下、針對(duì)各部件的特性及汽車的運(yùn)行工況，控制策略要實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)之間的合理而有效分配、使整車系統(tǒng)效率達(dá)到最高，獲得整車最大的燃油經(jīng)濟(jì)性、最低的排放以及平穩(wěn)的駕駛性能[3]。開(kāi)展HEV控制策略的研究，對(duì)掌握HEV關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)能力，促進(jìn)我國(guó)HEV的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有著有著十分深遠(yuǎn)的意義。

　　目前運(yùn)用較多的的SHEV控制策略有開(kāi)關(guān)式和功率跟蹤式兩種，其基本原理都是以電池電荷狀態(tài)(SOC)的上下界作為臨界點(diǎn)來(lái)分段執(zhí)行操作。開(kāi)關(guān)式控制策略以SOC為控制變量，當(dāng)其低于設(shè)定最低值時(shí)，APU開(kāi)啟，以最低油耗點(diǎn)按功率輸出;反之，當(dāng)SOC高于最高設(shè)定值時(shí)，APU關(guān)閉，以純電動(dòng)模式運(yùn)行。而功率跟隨器控制策略設(shè)定當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率小于輸出功率時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率調(diào)整為最小值;當(dāng)SOC高于下界，汽車總需求負(fù)荷未超出電池容量但超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率調(diào)整為最大值。此控制策略使得蓄電池組的損失降到最低，但會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和排放性能。

　　常用的PHEV控制策略一般有并聯(lián)電輔助驅(qū)動(dòng)式控制策略、并聯(lián)自適應(yīng)式控制策略( 實(shí)時(shí)控制策略) 和模糊邏輯控制策略三種。在電輔助驅(qū)動(dòng)控制策略中, 利用電動(dòng)機(jī)提供額外功率, 并要保持電池的荷電狀態(tài)處于允許的工作范圍。出發(fā)點(diǎn)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較高效率區(qū)，由電動(dòng)機(jī)來(lái)提供余下的功率，沒(méi)有考慮到電機(jī)的效率和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的效率。并聯(lián)自適應(yīng)式控制策略在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩分配進(jìn)行優(yōu)化控制，根據(jù)用戶定義的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放目標(biāo)，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)及蓄電池的狀態(tài)和可回收的制動(dòng)能量等條件，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略。模糊邏輯控制策略的出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池的工作效率來(lái)實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力系統(tǒng)的整體效率達(dá)到最高。模糊邏輯控制策略目標(biāo)與實(shí)時(shí)控制策略類似，但是與實(shí)時(shí)控制策略相比，模糊邏輯控制策略具有魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。

　　PSHEV的基本控制策略為：

　　①起動(dòng)時(shí), 由電池組分別向車輛前驅(qū)動(dòng)軸、后驅(qū)動(dòng)軸電機(jī)供電直到發(fā)動(dòng)機(jī)可以較高效率工作時(shí), 起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并用于驅(qū)動(dòng)車輛前軸。

　　② 正常行駛時(shí), 由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛前驅(qū)動(dòng)軸。

　　③加速時(shí), 發(fā)動(dòng)機(jī)和兩個(gè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作用于提供車輛驅(qū)動(dòng)行駛功率。

　　④減速/ 制動(dòng)時(shí), 電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)模式工作, 實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。

　　⑤電池組充電模式, 在車輛正常行駛過(guò)程中, 當(dāng)電池組電量偏低時(shí), 應(yīng)對(duì)電池組進(jìn)行補(bǔ)充充電。

　　3.3 電池管理系統(tǒng)

　　HEV用動(dòng)力電池的壽命、充放電效率、內(nèi)阻等都受到電池充放電深度、充放電電流的大小以及具體的車輛行駛工況等因素影響。因此，建立一個(gè)合理、符合電池實(shí)際使用環(huán)境的電池能量管理系統(tǒng)，對(duì)HEV的發(fā)展至關(guān)重要。一般說(shuō)來(lái)，電池管理系統(tǒng)的基本功能應(yīng)該有安全保護(hù)功能、電池模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)、輸出數(shù)據(jù)功能、一致性補(bǔ)償功能、電池溫度控制功能。電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)主要功能：

　　①動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組的工作狀態(tài),即實(shí)時(shí)采集電動(dòng)汽車蓄電池組中的模塊電池的端電壓和溫度、充放電電流以及電池包總電壓。

　　② 準(zhǔn)確估測(cè)動(dòng)力電池組的荷電狀態(tài)( SOC ),從而隨時(shí)預(yù)報(bào)HEV儲(chǔ)能電池還剩余多少能量或儲(chǔ)能電池的荷電狀態(tài),使電池SOC值工作范圍控制在 30% ～70%。

　　③蓄電池故障的早期預(yù)測(cè)和報(bào)警,當(dāng)蓄電池電量或能量過(guò)低,需要充電時(shí),及時(shí)報(bào)警 ,以防止電池過(guò)放電而損害電池的使用壽命。當(dāng)電池組的溫度過(guò)高 ,非正常工作時(shí),及時(shí)報(bào)警,以保證蓄電池正常工作。

　　④電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的熱平衡管理。

　　⑤整車高壓絕緣性能的預(yù)測(cè)報(bào)警。

　　⑥與整車進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

　　3.4 HEV仿真技術(shù)

　　為了減少HEV的開(kāi)發(fā)費(fèi)用，縮短研發(fā)周期以及系統(tǒng)的評(píng)估整車性能，仿真軟件的開(kāi)發(fā)便顯得至關(guān)重要。其中ADVISOR是一種比較優(yōu)秀的車輛分析研究工具，可用于車輛傳動(dòng)方案的性能分析。但它的主要缺點(diǎn)在于只適用于單軸車輛仿真，而目前對(duì)ADVISOR的二次開(kāi)發(fā)，以嵌入雙軸驅(qū)動(dòng)模塊庫(kù)用來(lái)補(bǔ)充對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)汽車的仿真。

　　目前HEV仿真有兩種基本方法，即后向仿真(backward-facing vehicle simulation)和前向仿真(forward-facing vehicle simulation)。國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為普遍的HEV性能反向仿真的軟件之一便是ADVISOR，而正向仿真軟件使用較普遍的是AVL的CRUISE軟件。另外美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(argonne national laboratory)的PSAT也是一種正向式仿真模型，但國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。

　　四、發(fā)展前景

　　在油價(jià)持續(xù)走高以及排放法規(guī)日趨嚴(yán)格化的情況下，計(jì)算機(jī)技術(shù)及各種智能控制技術(shù)的成熟和迅猛發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)HEV的發(fā)展。

　　然而目前阻礙HEV的技術(shù)問(wèn)題還有很多，比如需要較高比能量和較長(zhǎng)使用壽命的蓄電池組，以及內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)的最優(yōu)耦合功率分配比的實(shí)現(xiàn)等等。

　　而HEV若要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其關(guān)鍵因素在于[4]：(1)價(jià)格不高于傳統(tǒng)車，(2)使用方便程度與傳統(tǒng)車相當(dāng)，(3)能耗和排放低于傳統(tǒng)車。現(xiàn)在只有第三點(diǎn)已做到。因而下一階段的任務(wù)就是降低成本，提高實(shí)用性，使其能夠順應(yīng)市場(chǎng)的需求。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　HEV充分發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)，提高了燃料經(jīng)濟(jì)性和減少了排放。與相同性能傳統(tǒng)型汽車相比，HEV 在節(jié)能和排放上更有優(yōu)勢(shì)。與純電動(dòng)車相比，其蓄電池容量大大減小，因而其造價(jià)成本低于電動(dòng)汽車。降低成本，是提高HEV 競(jìng)爭(zhēng)能力的主要方向。同時(shí)也要提高汽車行駛過(guò)程中的能量再回收效率。隨著各國(guó)環(huán)境立法的日趨嚴(yán)厲，HEV 性能的日益提高以及其成本的不斷降低，HEV 的市場(chǎng)份額將逐漸增大。總之，HEV 在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)前景廣闊，將逐漸成為汽車行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。

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