混合动力电动汽车关键技术及发展前景

　　摘要：本文首先介绍混合动力电动汽车(HEV)的国内外发展现状，其次介绍了HEV的分类及关键技术，最后对其发展前景提出了展望。

　　关键字：混合动力电动汽车;关键技术;发展前景

　　国际电工委员会电动汽车技术委员会对混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle，HEV) 定义为: 多于一种能量转换器来提供驱动动力的混合型电动汽车。具体是指采用发动机和电动机共同协作的车辆，通过先进的控制系统使两种动力装置达到最优化的协作，实现最佳能量分配[1]。HEV融合了传统燃油汽车和纯电动汽车的优点，既达到了节能减排的目的，也弥补了纯电动汽车续驶里程差的缺点。

　　由于环境污染和石油危机等问题，清洁环保的新能源汽车逐渐登上历史的舞台。纯电动汽车受电池技术制约不能满足实用化要求，而燃料电池汽车尚有待进一步发展，也未能达到实用化阶段，因而作为纯电动汽车替代内燃机汽车的过渡产品，HEV将获得极大程度的发展空间，是目前最切实可行的发展方向。

　　一、 国内外发展现状

　　自1995年起，包括日本丰田与美国三大汽车公司在内的多家汽车厂商陆续投入HEV的研发。至1997年12月，丰田Prius成为了世界第一款量产的HEV。至2010年，世界汽车市场HEV销量已超过了100万辆。

　　美国奥巴马政府实施绿色新政，计划到2015年普及100万辆混合动力电动汽车。对电动汽车实施税收优惠，并且对电动汽车生产予以贷款资助，大力培植电动汽车技术的发展。预计美国混合动力电动汽车2013年销量将达到87.2万辆，市场占有率将达到5%。

　　而日本也同样重视电动汽车，在2010年推出以旧换新及购买新能源汽车补助金政策，并在2011年投入5亿元用于先进动力电池技术研究，以期推动EV/HEV的普及应用。日本计划到2020年开发出至少38款混合动力车，以及17款纯电动汽车。

　　我国对于HEV的研究也已卓有成效：上汽集团目前已推出荣威750 混合动力、荣威350纯电动轿车、上海牌燃料电池轿车三款代表不同技术方向的新能源汽车。一汽集团已确定以混合动力为主导的新能源发展战略，2012 年将建成年产1.1万台混合动力轿车生产基地。作为国内新能源汽车的先驱，比亚迪2008年已推出插电式混合动力车F3DM，2009 年推出纯电动轿车E6，计划以新能源汽车进军国际市场，成为中国乃至全球新能源汽车行业的领先企业。

　　二、HEV分类

　　根据混合动力驱动的连结方式，混合动力系统主要分为串联式(SHEV)、并联式(PHEV)、混联式(PSHEV)和复合式(CHEV)四种类型。SHEV系统是由发动机直接驱动发电机对电池组和电动机供电，再由电动机驱动车轮。在这种连结方式下，电池组起到调节发动机输出和电动机需求平衡的作用。发动机在最佳工况点附近运转，避免了怠速等情况，从而提高了效率和排放性能。但其缺点在于油耗并未大幅度降低，且行驶里程较短;PHEV系统的发动机与电动机共同驱动汽车，这两套独立系统分别向汽车传动系提供扭矩。电动机用以平衡发动机所受载荷，使其保持在高效率区域工作，因而PHEV系统能量利用率相对较高，行驶里程更长。但由于其传动结构较为复杂，对控制单元要求高，因而不适于变化较大的行驶工况;PSHEV驱动系统结合了串并联的优点，能使发动机不受道路工况的影响，让发动机始终保持在最佳工作区域，发动机和发电机共同或单独驱动，各部件之间可以通过优化匹配提高性能。但结构比较复杂，控制技术相对较难;CHEV与PSHEV的主要区别是CHEV中的电动机允许功率流双向流动，一般用于双轴独立系统，工作模式更多样化，相应的，成本也就最高，控制系统也最复杂。

　　混合动力系统还有其他分类方式：根据在混合动力系统中电机的输出功率在整个系统输出功率中占的比重(即混合度)，混合动力系统还可分为微混合动力系统，轻混合动力系统，中混合动力系统和完全混合动力系统。此外，根据蓄电池荷电状态变化情况，HEV也可分为电量维持型和电量耗尽型。

　　三、HEV关键技术

　　HEV要进入实用化，应具备控制精度高、系统可靠性好及成本低的电机驱动系统，高比能量和高比功率的电池管理系统以及优化控制策略技术[2]。

　　3.1 电机驱动系统

　　作为电动汽车的心脏，电机驱动系统包括驱动电机、功率变换器及其控制系统。为满足整车动力性能的需要，对电动机的具体要求为：①瞬时功率大、功率密度高、过载能力强;②效率高;③运行速度范围要广，高、低速综合效率也要高。电动机在低速区具有恒转矩特性，在高速区具有恒功率特性。④结构简单牢固，耐冲击，运行可靠，免维护，低成本等。

　　用于HEV的电机必须要具有良好的可控性和容错能力，具有低噪声、高效率的特点，以及对电压波动不敏感等性能。用于HEV的电机类型有交流感应电机、永磁电机和开关磁阻电机。具有代表性的是交流感应电机, 但这种电机很难解决其功率和效率之间的矛盾，因此，需要研究出能够用于HEV的具有更高效率和功率密度的永磁电机、开关磁阻电机等先进电机来替代目前使用的交流感应电机。同时对电机的控制方法和冷却系统的研究也应继续深入。

　　3.2 控制策略

　　如何优化控制策略是实现HEV低油耗低排放目标的关键所在。在满足汽车的动力性和其他基本技术性能以及成本等要求的前提下、针对各部件的特性及汽车的运行工况，控制策略要实现能量在发动机、电机之间的合理而有效分配、使整车系统效率达到最高，获得整车最大的燃油经济性、最低的排放以及平稳的驾驶性能[3]。开展HEV控制策略的研究，对掌握HEV关键技术的自主研发能力，促进我国HEV的产业化进程有着有着十分深远的意义。

　　目前运用较多的的SHEV控制策略有开关式和功率跟踪式两种，其基本原理都是以电池电荷状态(SOC)的上下界作为临界点来分段执行操作。开关式控制策略以SOC为控制变量，当其低于设定最低值时，APU开启，以最低油耗点按功率输出;反之，当SOC高于最高设定值时，APU关闭，以纯电动模式运行。而功率跟随器控制策略设定当发动机功率小于输出功率时，将发动机输出功率调整为最小值;当SOC高于下界，汽车总需求负荷未超出电池容量但超过发动机最大功率时，将发动机输出功率调整为最大值。此控制策略使得蓄电池组的损失降到最低，但会影响发动机的效率和排放性能。

　　常用的PHEV控制策略一般有并联电辅助驱动式控制策略、并联自适应式控制策略( 实时控制策略) 和模糊逻辑控制策略三种。在电辅助驱动控制策略中, 利用电动机提供额外功率, 并要保持电池的荷电状态处于允许的工作范围。出发点是保证发动机工作在较高效率区，由电动机来提供余下的功率，没有考虑到电机的效率和发动机产生的机械能转化为电能的效率。并联自适应式控制策略在每一个时间段内都对发动机和电动机的转矩分配进行优化控制，根据用户定义的燃油经济性和排放目标，由发动机、电动机及蓄电池的状态和可回收的制动能量等条件，动态调整控制策略。模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机和蓄电池的工作效率来实现混合动力系统的整体效率达到最高。模糊逻辑控制策略目标与实时控制策略类似，但是与实时控制策略相比，模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点。

　　PSHEV的基本控制策略为：

　　①起动时, 由电池组分别向车辆前驱动轴、后驱动轴电机供电直到发动机可以较高效率工作时, 起动发动机并用于驱动车辆前轴。

　　② 正常行驶时, 由发动机直接驱动车辆前驱动轴。

　　③加速时, 发动机和两个电动机同时工作用于提供车辆驱动行驶功率。

　　④减速/ 制动时, 电动机以发电机模式工作, 实现再生制动。

　　⑤电池组充电模式, 在车辆正常行驶过程中, 当电池组电量偏低时, 应对电池组进行补充充电。

　　3.3 电池管理系统

　　HEV用动力电池的寿命、充放电效率、内阻等都受到电池充放电深度、充放电电流的大小以及具体的车辆行驶工况等因素影响。因此，建立一个合理、符合电池实际使用环境的电池能量管理系统，对HEV的发展至关重要。一般说来，电池管理系统的基本功能应该有安全保护功能、电池模块状态监测、统计、输出数据功能、一致性补偿功能、电池温度控制功能。电动汽车电池管理系统要实现以下几个主要功能：

　　①动态监测动力电池组的工作状态,即实时采集电动汽车蓄电池组中的模块电池的端电压和温度、充放电电流以及电池包总电压。

　　② 准确估测动力电池组的荷电状态( SOC ),从而随时预报HEV储能电池还剩余多少能量或储能电池的荷电状态,使电池SOC值工作范围控制在 30% ～70%。

　　③蓄电池故障的早期预测和报警,当蓄电池电量或能量过低,需要充电时,及时报警 ,以防止电池过放电而损害电池的使用寿命。当电池组的温度过高 ,非正常工作时,及时报警,以保证蓄电池正常工作。

　　④电动汽车动力电池组的热平衡管理。

　　⑤整车高压绝缘性能的预测报警。

　　⑥与整车进行数据通讯。

　　3.4 HEV仿真技术

　　为了减少HEV的开发费用，缩短研发周期以及系统的评估整车性能，仿真软件的开发便显得至关重要。其中ADVISOR是一种比较优秀的车辆分析研究工具，可用于车辆传动方案的性能分析。但它的主要缺点在于只适用于单轴车辆仿真，而目前对ADVISOR的二次开发，以嵌入双轴驱动模块库用来补充对四轮驱动汽车的仿真。

　　目前HEV仿真有两种基本方法，即后向仿真(backward-facing vehicle simulation)和前向仿真(forward-facing vehicle simulation)。国内应用最为普遍的HEV性能反向仿真的软件之一便是ADVISOR，而正向仿真软件使用较普遍的是AVL的CRUISE软件。另外美国阿贡国家实验室(argonne national laboratory)的PSAT也是一种正向式仿真模型，但国内应用较少。

　　四、发展前景

　　在油价持续走高以及排放法规日趋严格化的情况下，计算机技术及各种智能控制技术的成熟和迅猛发展将进一步推动HEV的发展。

　　然而目前阻碍HEV的技术问题还有很多，比如需要较高比能量和较长使用寿命的蓄电池组，以及内燃机与电机的最优耦合功率分配比的实现等等。

　　而HEV若要实现产业化，其关键因素在于[4]：(1)价格不高于传统车，(2)使用方便程度与传统车相当，(3)能耗和排放低于传统车。现在只有第三点已做到。因而下一阶段的任务就是降低成本，提高实用性，使其能够顺应市场的需求。

　　五、结束语

　　HEV充分发挥了发动机和电动机的最大优势，提高了燃料经济性和减少了排放。与相同性能传统型汽车相比，HEV 在节能和排放上更有优势。与纯电动车相比，其蓄电池容量大大减小，因而其造价成本低于电动汽车。降低成本，是提高HEV 竞争能力的主要方向。同时也要提高汽车行驶过程中的能量再回收效率。随着各国环境立法的日趋严厉，HEV 性能的日益提高以及其成本的不断降低，HEV 的市场份额将逐渐增大。总之，HEV 在相当一段时间内前景广阔，将逐渐成为汽车行业的主导产品。

　　参考文献：

　　[1] 何云信，谢文尚. 汽车混合动力技术发展现状及前景. 装备制造技术，2010， 8：133-134.

　　[2] 张卫青. HEV的发展现状及其关键技术. 重庆工学学报，2006, 20(5)：20-22.

　　[3]舒红, 秦大同, 胡建军, 等. HEV控制策略研究现状及发展趋势. 重庆大学学报，2001, 11：28- 31.

　　[4] 陈清泉. 全球电动汽车的发展前景及其对动力电池的挑战. 2011.

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文章名称： 混合动力电动汽车关键技术及发展前景

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