油電混合動力汽車的分類及關(guān)鍵技術(shù)解析

1 油電混合動力汽車概述

在社會發(fā)展的全新背景下，各國汽車的持有量都在逐年增加，而在石油消費(fèi)急劇增長以及環(huán)保壓力日益嚴(yán)峻等的影響下，迫使汽車產(chǎn)業(yè)需要向節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型與升級。而油電混合動力汽車可以有效滿足環(huán)保節(jié)能方面的要求，不僅具有充足的動力源，而且還能夠減少相關(guān)環(huán)境污染問題，如圖1所示。具體來說，油電混合動力汽車是一種混合型電動汽車，可以由一種以上的能量轉(zhuǎn)換來為汽車提供驅(qū)動動力，可以在一輛車上聯(lián)合使用電力驅(qū)動以及輔助動力單元。而油電混合動力汽車則是將傳統(tǒng)能源與電能進(jìn)行有效結(jié)合，這樣不僅能夠使相關(guān)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善，而且還能夠減少尾氣排放，使環(huán)境污染程度得到降低。

圖1 油電混合動力汽車示意圖

2 油電混合動力汽車的分類

針對混合動力汽車進(jìn)行分析，其結(jié)合動力源的能量耦合方式，可以將其具體分為三種類型，分別為并聯(lián)混合動力汽車、串聯(lián)混合動力汽車以及混聯(lián)混合動力汽車。而結(jié)合電功率在全部輸出功率當(dāng)中所占的百分比，對混合動力汽車進(jìn)行分類，則可以將其分為輕度、中度和重度三種混動汽車類型。

2.1 結(jié)構(gòu)分類

結(jié)合油電混合動力汽車的電機(jī)、發(fā)動機(jī)以及傳動系統(tǒng)之間的連接形式，可以將混合動力汽車的結(jié)構(gòu)形式劃分為以下三種，具體包括混連式、并聯(lián)式以及串聯(lián)式[2]。

首先，串聯(lián)式混合動力汽車。在油電混合動力汽車的相關(guān)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，串聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)相對簡單，在產(chǎn)生能量時主要連接發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)，而其驅(qū)動環(huán)節(jié)則需要對減速機(jī)構(gòu)以及電動機(jī)進(jìn)行連接。在串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的實際運(yùn)行過程當(dāng)中，能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)可以通過逆變器對產(chǎn)生的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并向電動機(jī)提供，使其開展相應(yīng)的工作，而對于多余電能則可在蓄電池當(dāng)中儲存。在發(fā)電機(jī)停止工作或者電功率不足的情況下，蓄電池可以為電動機(jī)提供電能。在此結(jié)構(gòu)當(dāng)中，電機(jī)和發(fā)動機(jī)之間的控制保持獨(dú)立狀態(tài)，在較優(yōu)工況下燃油發(fā)動機(jī)可開展相關(guān)工作，但由于能量的轉(zhuǎn)換需要具體經(jīng)過機(jī)械能到電能，再到機(jī)械能這一過程，因此降低了其整體效率。對于串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)而言，其主要對公交等大型車輛比較適用，而在車速較高以及功率較大的工況下，則無法起到良好效果。

其次，并聯(lián)式混合動力汽車。對于并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)而言，其一般在插電式的混合動力車輛當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，需要同時將發(fā)電機(jī)、電動機(jī)連接減速機(jī)構(gòu)，以此來有效驅(qū)動車輛，使其保持正常行駛?，F(xiàn)如今，多數(shù)油電混合動力車輛都對此種結(jié)構(gòu)進(jìn)行采用，而該結(jié)構(gòu)不僅相對簡單，還具有良好的動力性能與油耗水平。但該系統(tǒng)在發(fā)揮動力輔助作用時，往往需要受到蓄電池容量的限制。

最后，混聯(lián)式混合動力汽車。在油電混合動力汽車的三種結(jié)構(gòu)當(dāng)中，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相對比較復(fù)雜，其對串聯(lián)式與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢進(jìn)行了結(jié)合。在混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的實際運(yùn)行過程當(dāng)中，應(yīng)對功率耦合裝置進(jìn)行有效配備，從而實現(xiàn)發(fā)動機(jī)功率的分流處理，使其具體分為機(jī)械功率與電功率兩項組成部分，這樣可以使發(fā)動機(jī)功率得到合理利用，從而使其工作效率得到提高[3]，其動力傳動系統(tǒng)如圖2 所示。與此同時，該系統(tǒng)還可結(jié)合傳動裝置與發(fā)動機(jī)之間的連接方式，將其具體分為輸入、輸出以及復(fù)合等分流式類型。其中輸入分流式系統(tǒng)在運(yùn)行時，其行星傳動機(jī)構(gòu)當(dāng)中的兩部分構(gòu)件需要分別連接電機(jī)與發(fā)動機(jī)，而第三構(gòu)件則需要與另一電機(jī)和輸出端進(jìn)行有效連接。在較低傳動比的區(qū)域，該結(jié)構(gòu)的工作效率相對較高，而在高速狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會有所加快，增大了電功率的實際比例，使電功率呈現(xiàn)出反向的傳遞路徑，進(jìn)而有功力循環(huán)產(chǎn)生，降低了傳動效率。在行星傳動機(jī)構(gòu)當(dāng)中，輸出分流式系統(tǒng)的其中一個構(gòu)件分別連接發(fā)動機(jī)與電機(jī)，而第二構(gòu)件則需要連接另一電機(jī)，第三構(gòu)件作為具體的輸出端。在較高傳動比的區(qū)域，該結(jié)構(gòu)的工作效率也相對較高，而在低速狀態(tài)下，則會有功率回流現(xiàn)象產(chǎn)生，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的傳動效率。對于復(fù)合功率的分流式結(jié)構(gòu)而言，其一般需要對雙行星排的耦合裝置進(jìn)行配備，而其中的六個構(gòu)架，有兩組需要相互進(jìn)行連接，以此來形成四個獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。在此過程當(dāng)中，有三個構(gòu)件需要分別連接兩個電機(jī)與發(fā)動機(jī)，而另外一個則作為輸出端口。此方式可以使輸入和輸出兩種分流模式的優(yōu)點(diǎn)得到兼顧，而且能量流路線也相對較多。

圖2 動力傳動系統(tǒng)示意圖

2.2 混合度分類

結(jié)合油電混合動力汽車的混合度，也就是按照電功率在總功率當(dāng)中所占的比例，可以將油電混合動力汽車具體劃分為輕度、中度以及重度三種混合動力。

首先，輕度混合動力系統(tǒng)。該混合動力系統(tǒng)一般情況下，對一臺ISG電機(jī)進(jìn)行配備，也就是啟動發(fā)電一體化電機(jī)。通過對此電機(jī)進(jìn)行采用，可以避免發(fā)動機(jī)在怠速工況下運(yùn)行，該電機(jī)并不在驅(qū)動或者能量轉(zhuǎn)換等過程中參與。

其次，中度混合動力系統(tǒng)。此系統(tǒng)在實際運(yùn)行時對具有更大功率的ISG電機(jī)進(jìn)行采用，與輕度系統(tǒng)的不同在于，該電機(jī)能夠為車輛正常行駛提供良好的驅(qū)動力。

最后，重度混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常為混合度達(dá)到或者超過30%的相關(guān)混動系統(tǒng)，而在該結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用過程當(dāng)中，需要對大功率電動機(jī)以及發(fā)電機(jī)等進(jìn)行配備[4]。

3 油電混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)

針對油電混合動力系統(tǒng)的能量傳遞路線進(jìn)行分析，其具體包括機(jī)械功率以及電功率兩種類型，而所涉及到的環(huán)節(jié)相對較多，具體包括發(fā)動機(jī)驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動、變速箱驅(qū)動以及電池等，因此該系統(tǒng)的集成度相對較高。在油電混合動力汽車的未來發(fā)展過程當(dāng)中，想要使混合動力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性以及動力性能得到有效提升，需要對其關(guān)鍵技術(shù)加大研發(fā)力度，具體包括以下幾個方面。

3.1 高能量密度電池

目前，由于電池性能不足，進(jìn)而導(dǎo)致純電動汽車的續(xù)航里程相對較短。而油電混合動力汽車的研發(fā)與應(yīng)用，可以在一定程度上使這一問題得到有效解決。而為了保證混合動力汽車在爬坡加速等過程當(dāng)中，能夠具有較大的峰值功率，對電池功率和能量的密度也有了更高要求。伴隨著我國汽車輕量化革命的持續(xù)深入與有效推進(jìn)，需要將高效電池管理系統(tǒng)以及高能量密度電池在混合汽車上有效配備，以此來進(jìn)一步提升油電混合動力汽車的整體性能。具體來說，插電式混合動力汽車在實際使用過程當(dāng)中，其電池容量對車輛油耗水平具有重要影響，而相關(guān)非插電式混合動力汽車，為了使車輛電池的使用壽命得到延長，往往在電池系統(tǒng)當(dāng)中采取了相關(guān)控制策略，如淺充淺放等，這使電池的能量密度有所下降，不符合汽車輕量化的相關(guān)發(fā)展要求。所以，在油電混合動力汽車的未來發(fā)展過程當(dāng)中，無論對磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鎳氫電池中的哪一種進(jìn)行采用，都應(yīng)對電池能量密度進(jìn)行有效提升。除此之外，還需要針對電池使用研發(fā)出完善的狀態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)，并在油電混合動力汽車上有效配置，從而使電池性能得到充分發(fā)揮，使電池的實際使用壽命得到有效延長。

3.2 機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)

對于純電動汽車而言，在車輛結(jié)構(gòu)組成當(dāng)中并沒有安裝傳統(tǒng)意義上的變速箱，但目前混合動力車輛往往還存在相應(yīng)的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，特別在采用混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)時，行星排以及齒輪傳動可以構(gòu)成具體的功率耦合裝置，其工作效率以及可靠性對整車性能具有決定性的影響。在對油電混合動力汽車系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與更新時，為了使傳動環(huán)節(jié)的磨損程度得到降低，也為了保證傳動可靠性，對傳動比的第二排行星傳動進(jìn)行相應(yīng)改造，使其轉(zhuǎn)變成平行軸齒輪傳動[5]。

3.3 電機(jī)驅(qū)動技術(shù)

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，混合動力技術(shù)也得到了快速發(fā)展，這使電機(jī)的性能得到了有效提高。在油電混合動力汽車當(dāng)中，電機(jī)除了可以作為驅(qū)動單元以外，還可以參與到能量轉(zhuǎn)化過程當(dāng)中，是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的一項重要環(huán)節(jié)，這也使油電混合動力汽車在電動模式和發(fā)電模式下都能夠保證運(yùn)行的有效性。與此同時，在達(dá)到電機(jī)峰值功率時，其可以有效發(fā)揮制動回收、整車加速、電驅(qū)動以及啟動發(fā)動等相關(guān)功能。目前，在混合動力汽車的實際使用過程當(dāng)中，其電機(jī)類型具體包括四種，分別為異步電機(jī)、開關(guān)磁阻、直流永磁以及交流永磁同步。在選用電機(jī)時需要對其成本、效率、性能以及質(zhì)量等因素進(jìn)行充分考慮。所以，在油電混合動力汽車的未來發(fā)展過程當(dāng)中，需要針對電機(jī)的質(zhì)量改進(jìn)、體積縮小和性能提升等方面有效開展研發(fā)工作。而想要實現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，需要合理采用相關(guān)驅(qū)動技術(shù)。在混合動力汽車行業(yè)的快速發(fā)展過程中，混合動力系統(tǒng)的電機(jī)功率也得到了明顯增大，這也對驅(qū)動電路性能提出了全新要求，需要有效保證電路中功率放大模塊的作用發(fā)揮。除此之外，還需要對具體的控制算法進(jìn)行合理優(yōu)化，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)定性、可靠性與精確性得到有效提高[6]。

3.4 整車控制

在油電混合動力系統(tǒng)當(dāng)中，汽車的控制策略是其大腦所在。我國早期所開展的相關(guān)研究工作，可以通過具體的實驗數(shù)據(jù)對發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行有效映射，并通過對比控制策略的仿真結(jié)果，從而對國外車型的相關(guān)控制策略進(jìn)行反推。對于控制策略而言，其一般可以分為三種類型，分別為預(yù)測控制算法、離線全局優(yōu)化算法以及確定規(guī)則的控制策略，對于這三種控制策略來說、其各自具有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。首先、確定規(guī)則的相關(guān)控制算法、無法使行星混聯(lián)系統(tǒng)具有的節(jié)能潛力得到充分發(fā)揮，所能起到的控制效果相對有限。其次，離線全局優(yōu)化算法無法充分保證控制的實時性，而且工況適應(yīng)性也相對較低。最后，預(yù)測控制雖然對工況局限性進(jìn)行了有效擺脫，但在實時性方面仍然存在一些不足[7]。對此，想要有效提高混合動力系統(tǒng)的性能 需要對控制策略進(jìn)行有效研發(fā)與完善，使其具有良好的實時性，能夠在實車控制器當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，并使燃油經(jīng)濟(jì)性得到提升。

4 車載能量管理系統(tǒng)

在能源短缺和環(huán)境污染問題不斷加劇的背景下，我國對新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展也提出了更高要求，需要加大對節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用力度。而混合動力汽車可對多種動力源進(jìn)行采用，并多樣化回收能量流，有效實現(xiàn)低排放、低能耗的發(fā)展目標(biāo)，對我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。在油電混合動力汽車當(dāng)中，電機(jī)是十分重要的一項組成部分。在汽車制動時，電機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行使用，從而使車輛動能能夠向電池電能有效轉(zhuǎn)化。對于電機(jī)而言，其在轉(zhuǎn)矩和功率等方面具有輸出特性，所以在建模時需要將電機(jī)和控制器作為整體充分考慮。在具體構(gòu)建電機(jī)模型時，需要確保使制動和電動這兩類工作模式得到滿足。

油電混合動力汽車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，對比工業(yè)驅(qū)動電機(jī)在要求上存在較大差別。對于工業(yè)驅(qū)動電機(jī)而言，其主要優(yōu)化額定的工作點(diǎn)，需要結(jié)合典型工況展開設(shè)計。而混合動力汽車所采用的驅(qū)動電機(jī)，需要對更為復(fù)雜的路況進(jìn)行適應(yīng)，而且還需要能夠頻繁的進(jìn)行加速、減速、停車和啟動等操作，在進(jìn)行爬坡或者低速運(yùn)行時應(yīng)能保證高轉(zhuǎn)矩輸出，而在高速行駛過程當(dāng)中還需要確保輸出功率較高，以及具有較寬的電機(jī)調(diào)速范圍。與此同時，燃油發(fā)動機(jī)是油電混合動力汽車中另外一個動力源，和其相比采用驅(qū)動電機(jī)的方式，可以有效降低控制成本。在匹配混合動力時，通常需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行選擇，并在此基礎(chǔ)上對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行配備。因此，驅(qū)動電機(jī)的控制和選型，對于混合動力汽車而言十分重要，對其動力輸出的及時性和穩(wěn)定性具有直接影響，而且還關(guān)系到駕駛員的駕馭感。現(xiàn)如今，在混合動力汽車當(dāng)中，相關(guān)電力驅(qū)動部分主要對電刷式直流電機(jī)、永磁電機(jī)感應(yīng)電機(jī)以及磁阻電機(jī)等進(jìn)行使用，而其中永磁同步電機(jī)所形成的驅(qū)動系統(tǒng)不僅效率較高，而且體積相對較小，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕以及出力大等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)有效控制，因此在混合動力汽車當(dāng)中，永磁式電機(jī)的應(yīng)用相對廣泛。

對于混合動力汽車而言，其與傳統(tǒng)的燃油汽車和電動車不同，其車載能量源有兩種以上，而且可通過兩種能量源具有的特性互補(bǔ)改善和提高整車性能。為了能夠協(xié)調(diào)兩種能量源的互補(bǔ)，需要采取相應(yīng)的控制策略，從而使燃油經(jīng)濟(jì)性得到提升，使汽車驅(qū)動性能保持最佳狀態(tài)。

5 結(jié)束語

綜上所述，在我國發(fā)展過程當(dāng)中，能源短缺與環(huán)境污染是影響可持續(xù)發(fā)展的兩大根本問題。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，城市汽車保有量也在不斷增加，這使兩大問題不斷加劇。對此，我國需要對低排放、低污染、節(jié)能高效的混合動力汽車進(jìn)行有效研發(fā)，以此來緩解能源和環(huán)境問題。油電混合動力汽車具有十分顯著的優(yōu)勢，對我國汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展也具有重要促進(jìn)作用，因此現(xiàn)階段需要針對油電混合動力汽車加大研發(fā)力度，并深入分析與研究相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，使油電混合動力汽車的整體性能得到進(jìn)一步提升，發(fā)揮出該類動力汽車具有的技術(shù)優(yōu)勢，緩解能源消耗問題，改善環(huán)境污染現(xiàn)狀，從而促進(jìn)我國的可持續(xù)發(fā)展[8]。

審核編輯：郭婷