油电混合动力汽车及其关键技术

来源： 刘永宁

1 油电混合动力汽车概述

在社会发展的全新背景下，各国汽车的持有量都在逐年增加，而在石油消费急剧增长以及环保压力日益严峻等的影响下，迫使汽车产业需要向节能、环保的发展方向进行转型与升级。而油电混合动力汽车可以有效满足环保节能方面的要求，不仅具有充足的动力源，而且还能够减少相关环境污染问题，如图1所示。具体来说，油电混合动力汽车是一种混合型电动汽车，可以由一种以上的能量转换来为汽车提供驱动动力，可以在一辆车上联合使用电力驱动以及辅助动力单元。而油电混合动力汽车则是将传统能源与电能进行有效结合，这样不仅能够使相关车辆的燃油经济性得到改善，而且还能够减少尾气排放，使环境污染程度得到降低。

图1 油电混合动力汽车示意图

2 油电混合动力汽车的分类

针对混合动力汽车进行分析，其结合动力源的能量耦合方式，可以将其具体分为三种类型，分别为并联混合动力汽车、串联混合动力汽车以及混联混合动力汽车。而结合电功率在全部输出功率当中所占的百分比，对混合动力汽车进行分类，则可以将其分为轻度、中度和重度三种混动汽车类型。

2.1 结构分类

结合油电混合动力汽车的电机、发动机以及传动系统之间的连接形式，可以将混合动力汽车的结构形式划分为以下三种，具体包括混连式、并联式以及串联式[2]。

首先，串联式混合动力汽车。在油电混合动力汽车的相关结构当中，串联式混合动力汽车的结构相对简单，在产生能量时主要连接发动机和发电机，而其驱动环节则需要对减速机构以及电动机进行连接。在串联式混合动力系统的实际运行过程当中，能量产生环节可以通过逆变器对产生的电能进行转化，并向电动机提供，使其开展相应的工作，而对于多余电能则可在蓄电池当中储存。在发电机停止工作或者电功率不足的情况下，蓄电池可以为电动机提供电能。在此结构当中，电机和发动机之间的控制保持独立状态，在较优工况下燃油发动机可开展相关工作，但由于能量的转换需要具体经过机械能到电能，再到机械能这一过程，因此降低了其整体效率。对于串联式混合动力系统而言，其主要对公交等大型车辆比较适用，而在车速较高以及功率较大的工况下，则无法起到良好效果。

其次，并联式混合动力汽车。对于并联式混合动力系统而言，其一般在插电式的混合动力车辆当中进行应用，需要同时将发电机、电动机连接减速机构，以此来有效驱动车辆，使其保持正常行驶。现如今，多数油电混合动力车辆都对此种结构进行采用，而该结构不仅相对简单，还具有良好的动力性能与油耗水平。但该系统在发挥动力辅助作用时，往往需要受到蓄电池容量的限制。

最后，混联式混合动力汽车。在油电混合动力汽车的三种结构当中，混联式混合动力系统相对比较复杂，其对串联式与并联式结构的优势进行了结合。在混联式混合动力系统的实际运行过程当中，应对功率耦合装置进行有效配备，从而实现发动机功率的分流处理，使其具体分为机械功率与电功率两项组成部分，这样可以使发动机功率得到合理利用，从而使其工作效率得到提高[3]，其动力传动系统如图2 所示。与此同时，该系统还可结合传动装置与发动机之间的连接方式，将其具体分为输入、输出以及复合等分流式类型。其中输入分流式系统在运行时，其行星传动机构当中的两部分构件需要分别连接电机与发动机，而第三构件则需要与另一电机和输出端进行有效连接。在较低传动比的区域，该结构的工作效率相对较高，而在高速状态下，电机的转速会有所加快，增大了电功率的实际比例，使电功率呈现出反向的传递路径，进而有功力循环产生，降低了传动效率。在行星传动机构当中，输出分流式系统的其中一个构件分别连接发动机与电机，而第二构件则需要连接另一电机，第三构件作为具体的输出端。在较高传动比的区域，该结构的工作效率也相对较高，而在低速状态下，则会有功率回流现象产生，进而降低了系统的传动效率。对于复合功率的分流式结构而言，其一般需要对双行星排的耦合装置进行配备，而其中的六个构架，有两组需要相互进行连接，以此来形成四个独立节点。在此过程当中，有三个构件需要分别连接两个电机与发动机，而另外一个则作为输出端口。此方式可以使输入和输出两种分流模式的优点得到兼顾，而且能量流路线也相对较多。

图2 动力传动系统示意图

2.2 混合度分类

结合油电混合动力汽车的混合度，也就是按照电功率在总功率当中所占的比例，可以将油电混合动力汽车具体划分为轻度、中度以及重度三种混合动力。

首先，轻度混合动力系统。该混合动力系统一般情况下，对一台ISG电机进行配备，也就是启动发电一体化电机。通过对此电机进行采用，可以避免发动机在怠速工况下运行，该电机并不在驱动或者能量转换等过程中参与。

其次，中度混合动力系统。此系统在实际运行时对具有更大功率的ISG电机进行采用，与轻度系统的不同在于，该电机能够为车辆正常行驶提供良好的驱动力。

最后，重度混合动力系统。该系统通常为混合度达到或者超过30%的相关混动系统，而在该结构的实际应用过程当中，需要对大功率电动机以及发电机等进行配备[4]。

3 油电混合动力汽车的关键技术

针对油电混合动力系统的能量传递路线进行分析，其具体包括机械功率以及电功率两种类型，而所涉及到的环节相对较多，具体包括发动机驱动、电机驱动、变速箱驱动以及电池等，因此该系统的集成度相对较高。在油电混合动力汽车的未来发展过程当中，想要使混合动力系统的燃油经济性以及动力性能得到有效提升，需要对其关键技术加大研发力度，具体包括以下几个方面。

3.1 高能量密度电池

目前，由于电池性能不足，进而导致纯电动汽车的续航里程相对较短。而油电混合动力汽车的研发与应用，可以在一定程度上使这一问题得到有效解决。而为了保证混合动力汽车在爬坡加速等过程当中，能够具有较大的峰值功率，对电池功率和能量的密度也有了更高要求。伴随着我国汽车轻量化革命的持续深入与有效推进，需要将高效电池管理系统以及高能量密度电池在混合汽车上有效配备，以此来进一步提升油电混合动力汽车的整体性能。具体来说，插电式混合动力汽车在实际使用过程当中，其电池容量对车辆油耗水平具有重要影响，而相关非插电式混合动力汽车，为了使车辆电池的使用寿命得到延长，往往在电池系统当中采取了相关控制策略，如浅充浅放等，这使电池的能量密度有所下降，不符合汽车轻量化的相关发展要求。所以，在油电混合动力汽车的未来发展过程当中，无论对磷酸铁锂电池、三元锂电池、镍氢电池中的哪一种进行采用，都应对电池能量密度进行有效提升。除此之外，还需要针对电池使用研发出完善的状态监测管理系统，并在油电混合动力汽车上有效配置，从而使电池性能得到充分发挥，使电池的实际使用寿命得到有效延长。

3.2 机械传动结构

对于纯电动汽车而言，在车辆结构组成当中并没有安装传统意义上的变速箱，但目前混合动力车辆往往还存在相应的机械传动环节，特别在采用混联式混合动力系统时，行星排以及齿轮传动可以构成具体的功率耦合装置，其工作效率以及可靠性对整车性能具有决定性的影响。在对油电混合动力汽车系统进行改进与更新时，为了使传动环节的磨损程度得到降低，也为了保证传动可靠性，对传动比的第二排行星传动进行相应改造，使其转变成平行轴齿轮传动[5]。

3.3 电机驱动技术

随着我国科学技术水平的不断提升，混合动力技术也得到了快速发展，这使电机的性能得到了有效提高。在油电混合动力汽车当中，电机除了可以作为驱动单元以外，还可以参与到能量转化过程当中，是实现能量转换的一项重要环节，这也使油电混合动力汽车在电动模式和发电模式下都能够保证运行的有效性。与此同时，在达到电机峰值功率时，其可以有效发挥制动回收、整车加速、电驱动以及启动发动等相关功能。目前，在混合动力汽车的实际使用过程当中，其电机类型具体包括四种，分别为异步电机、开关磁阻、直流永磁以及交流永磁同步。在选用电机时需要对其成本、效率、性能以及质量等因素进行充分考虑。所以，在油电混合动力汽车的未来发展过程当中，需要针对电机的质量改进、体积缩小和性能提升等方面有效开展研发工作。而想要实现电机的高效运转，需要合理采用相关驱动技术。在混合动力汽车行业的快速发展过程中，混合动力系统的电机功率也得到了明显增大，这也对驱动电路性能提出了全新要求，需要有效保证电路中功率放大模块的作用发挥。除此之外，还需要对具体的控制算法进行合理优化，从而使电机转速以及转矩控制的稳定性、可靠性与精确性得到有效提高[6]。

3.4 整车控制

在油电混合动力系统当中，汽车的控制策略是其大脑所在。我国早期所开展的相关研究工作，可以通过具体的实验数据对发动机工作点进行有效映射，并通过对比控制策略的仿真结果，从而对国外车型的相关控制策略进行反推。对于控制策略而言，其一般可以分为三种类型，分别为预测控制算法、离线全局优化算法以及确定规则的控制策略，对于这三种控制策略来说、其各自具有相应的优缺点。首先、确定规则的相关控制算法、无法使行星混联系统具有的节能潜力得到充分发挥，所能起到的控制效果相对有限。其次，离线全局优化算法无法充分保证控制的实时性，而且工况适应性也相对较低。最后，预测控制虽然对工况局限性进行了有效摆脱，但在实时性方面仍然存在一些不足[7]。对此，想要有效提高混合动力系统的性能 需要对控制策略进行有效研发与完善，使其具有良好的实时性，能够在实车控制器当中进行应用，并使燃油经济性得到提升。

4 车载能量管理系统

在能源短缺和环境污染问题不断加剧的背景下，我国对新能源产业发展也提出了更高要求，需要加大对节能环保技术的应用力度。而混合动力汽车可对多种动力源进行采用，并多样化回收能量流，有效实现低排放、低能耗的发展目标，对我国新能源产业的发展具有重要意义。在油电混合动力汽车当中，电机是十分重要的一项组成部分。在汽车制动时，电机可以作为发电机进行使用，从而使车辆动能能够向电池电能有效转化。对于电机而言，其在转矩和功率等方面具有输出特性，所以在建模时需要将电机和控制器作为整体充分考虑。在具体构建电机模型时，需要确保使制动和电动这两类工作模式得到满足。

油电混合动力汽车的电机驱动系统，对比工业驱动电机在要求上存在较大差别。对于工业驱动电机而言，其主要优化额定的工作点，需要结合典型工况展开设计。而混合动力汽车所采用的驱动电机，需要对更为复杂的路况进行适应，而且还需要能够频繁的进行加速、减速、停车和启动等操作，在进行爬坡或者低速运行时应能保证高转矩输出，而在高速行驶过程当中还需要确保输出功率较高，以及具有较宽的电机调速范围。与此同时，燃油发动机是油电混合动力汽车中另外一个动力源，和其相比采用驱动电机的方式，可以有效降低控制成本。在匹配混合动力时，通常需要对发动机进行选择，并在此基础上对驱动电机进行配备。因此，驱动电机的控制和选型，对于混合动力汽车而言十分重要，对其动力输出的及时性和稳定性具有直接影响，而且还关系到驾驶员的驾驭感。现如今，在混合动力汽车当中，相关电力驱动部分主要对电刷式直流电机、永磁电机感应电机以及磁阻电机等进行使用，而其中永磁同步电机所形成的驱动系统不仅效率较高，而且体积相对较小，具有结构简单、重量轻以及出力大等优势，可以实现有效控制，因此在混合动力汽车当中，永磁式电机的应用相对广泛。

对于混合动力汽车而言，其与传统的燃油汽车和电动车不同，其车载能量源有两种以上，而且可通过两种能量源具有的特性互补改善和提高整车性能。为了能够协调两种能量源的互补，需要采取相应的控制策略，从而使燃油经济性得到提升，使汽车驱动性能保持最佳状态。

5 结束语

综上所述，在我国发展过程当中，能源短缺与环境污染是影响可持续发展的两大根本问题。在经济快速发展的背景下，城市汽车保有量也在不断增加，这使两大问题不断加剧。对此，我国需要对低排放、低污染、节能高效的混合动力汽车进行有效研发，以此来缓解能源和环境问题。油电混合动力汽车具有十分显著的优势，对我国汽车产业的健康发展也具有重要促进作用，因此现阶段需要针对油电混合动力汽车加大研发力度，并深入分析与研究相关关键技术，使油电混合动力汽车的整体性能得到进一步提升，发挥出该类动力汽车具有的技术优势，缓解能源消耗问题，改善环境污染现状，从而促进我国的可持续发展[8]。