趙升噸，楊雪松，王澤陽，鐘瑋，劉虹源

（西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

油電混合動力汽車及其關(guān)鍵技術(shù)探討

趙升噸，楊雪松，王澤陽，鐘瑋，劉虹源

（西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

新能源汽車產(chǎn)業(yè)革命推動了油電混合動力汽車的高速發(fā)展，在燃油經(jīng)濟性、整車動力性和續(xù)航里程上，混合動力系統(tǒng)具有不可比擬的優(yōu)勢。文章介紹了油電混合動力系統(tǒng)的定義及基本原理、混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，對比分析了不同類型混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點。最后，對油電混合動力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行了介紹，并對其發(fā)展趨勢進行了預(yù)測。

油電混合動力；新能源；油耗；動力性能

CLC NO.:U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-20-03

引言

汽車作為目前人類社會最重要的交通工具，已有超過100年的歷史，并逐漸成為人們生活中必不可少的一部分。然而隨著汽車保有量與日俱增，由此產(chǎn)生的環(huán)境和能源問題也越來越引起人們的重視。急劇增長的石油消費、日益嚴峻的環(huán)保壓力以及每況愈下的城市交通狀況，都迫使汽車產(chǎn)業(yè)必須走節(jié)能環(huán)保的發(fā)展道路。中國制造2025規(guī)劃中明確指出新能源汽車與智能互聯(lián)汽車是十個重點發(fā)展產(chǎn)業(yè)其中之一。電動汽車作為新能源汽車中的代表類型，無疑是最具發(fā)展前途的。但針對中國目前的能源結(jié)構(gòu)，發(fā)電過程中的環(huán)境污染不容忽視。根據(jù)“wells to wheels”概念[1]，任何與汽車生產(chǎn)、運行相關(guān)的環(huán)節(jié)所造成的排放都應(yīng)歸類于車輛排放，基于此考慮，電動汽車在目前并不是嚴格意義上的低排放汽車。同時，由于電池的能量密度與汽油相差很大，使得目前電動汽車的續(xù)航里程受限。在這種情況下，油電混合動力汽車作為汽柴油車向電動車轉(zhuǎn)化的過渡產(chǎn)品，在接下來的一段時間內(nèi)會在市場上占領(lǐng)很大的份額，并且向多元化發(fā)展。

將電能與傳統(tǒng)能源結(jié)合使用不僅能改善車輛的燃油經(jīng)濟性及尾氣排放，同時車輛原有的動力性能也能得到保證?；旌蟿恿ζ嚺c傳統(tǒng)車相比具有低油耗和低排放的優(yōu)勢，與電動汽車相比則不需要專門的場外充電設(shè)施。[2]參考國際電子電氣技術(shù)委員會的定義，可將油電混合動力汽車理解為同時利用燃油發(fā)動機和電動機兩種推動力能源的車輛。

1、油電混合動力汽車的分類

混合動力汽車根據(jù)動力源能量耦合方式的不同可以分為三類，分別是串聯(lián)混合動力汽車、并聯(lián)混合動力汽車和混聯(lián)混合動力汽車。[3]還有另一種根據(jù)電功率占全部功率輸出百分比的分類，可以將混合動力汽車分為輕度混動、中度混動和中度混動這三類。[4]

1.1 基于結(jié)構(gòu)的分類

根據(jù)發(fā)動機、電機與傳動系統(tǒng)的連接形式不同，混合動力汽車有三種結(jié)構(gòu)形式，分別是：串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式。

1.1.1 串聯(lián)式混合動力汽車

串聯(lián)式混合動力汽車是三種中結(jié)構(gòu)相對簡單的一種，發(fā)動機與發(fā)電機直接連接作為能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)，而電動機與減速機構(gòu)連接作為驅(qū)傳動環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中，能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的電能通過逆變器進行轉(zhuǎn)化后，提供給電動機工作，多余的部分儲存到蓄電池中。當發(fā)動機不工作或發(fā)電機產(chǎn)生的電功率不足時，蓄電池也向電動機供電。該結(jié)構(gòu)中發(fā)動機與電機控制相對獨立，燃油發(fā)動機可工作在較優(yōu)工況，但是由于所有能量經(jīng)過了機械能-電能-機械能的轉(zhuǎn)換過程，整體效率較低。此系統(tǒng)較適用于公交等大型車輛，在大功率或較高車速工況下表現(xiàn)不好。

圖1 串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)簡圖

1.1.2 并聯(lián)式混合動力

并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)通常用在插電式混合動力車輛中，發(fā)動機與電動機同時與減速機構(gòu)連接，驅(qū)動車輛行駛，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。目前除豐田外的油電混合動力車輛多采用的是此種結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單且油耗水平及動力性能變現(xiàn)良好，但是動力輔助作用受蓄電池容量的制約。

圖2 并聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)簡圖

1.1.3 混聯(lián)式混合動力

混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)是三種中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一種，它集合了串聯(lián)式和并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，如圖3所示為混聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)簡圖。在混聯(lián)式系統(tǒng)中，通常需配備行星排等功率耦合裝置以將發(fā)動機功率分流成為機械功率和電動率兩部分，從而盡可能地合理利用發(fā)動機功率，提高發(fā)動機的工作效率。該系統(tǒng)又可根據(jù)行星傳動裝置與發(fā)動機、兩電機間及行星傳動構(gòu)件間的不同連接方式分為輸入分流式、輸出分流式和復(fù)合分流式。

圖3 混聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)簡圖

輸入功率分流式和輸出功率分流式系統(tǒng)只需要單行星排進行功率耦合分流。其中輸入分流式的行星傳動機構(gòu)中兩構(gòu)件分別與發(fā)動機和一個電機機械連接，第三構(gòu)件同時與輸出端和另一電機連接，如圖4所示。此結(jié)構(gòu)在低傳動比區(qū)域有較好的工作效率，高速下電機2轉(zhuǎn)速過高，電功率比例增加，電功率傳遞路徑反向，會產(chǎn)生功率循環(huán)，傳動效率急速下降。

圖4 輸入分流模式構(gòu)型

輸出分流式的行星傳動機構(gòu)的三構(gòu)件中，一個同時與發(fā)動機和某一電機相連，第二個構(gòu)件與另一電機連接，第三構(gòu)件為輸出端，其連接方式及低速工作時能量傳遞路徑如圖5所示。此結(jié)構(gòu)在高傳動比區(qū)域有較好的工作效率，低速下會產(chǎn)生如圖所示的功率回流現(xiàn)象，系統(tǒng)傳動效率很低。

圖5 輸出分流模式構(gòu)型

圖6 復(fù)合分流模式構(gòu)型

復(fù)合功率分流式結(jié)構(gòu)通常需配備雙行星排等耦合裝置，雙行星排的六個構(gòu)件中有兩組相互連接產(chǎn)生四個獨立接點，其中三個分別與發(fā)動機及兩電機機械連接，另一個為輸出端口。該方式兼顧輸入和輸出分流模式的優(yōu)點，具有多種能量流路線，此結(jié)構(gòu)在一定傳動比范圍內(nèi)都具有較高的工作效率，如圖6所示位復(fù)合分流模式構(gòu)型。

1.2 基于混合度的分類

也有學(xué)者根據(jù)混合度，即電功率占總功率的比例，將油電混合動力車輛分為輕度混合動力、中度混合動力和重度混合動力三種類型。

（1）輕度混合動力系統(tǒng)。這種混合動力系統(tǒng)通常是配備了一臺ISG電機，即啟動發(fā)電一體化電機，該電機的作用是使發(fā)動機不再在怠速工況下工作，但是電機本身不參與驅(qū)動或能量轉(zhuǎn)換過程。

（2）中度混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)可理解為采用了更大功率ISG電機的輕混系統(tǒng)，不同的是在中混系統(tǒng)中，ISG電機可為車輛的行駛提供驅(qū)動力。

（3）重度混合動力系統(tǒng)。通常定義重度混合動力系統(tǒng)為混合度大于或等于30%的混動系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)通常需配備大功率的發(fā)電機和電動機。

2、關(guān)鍵技術(shù)

油電混合動力系統(tǒng)有機械功率和電功率兩條能量傳遞路線，包含發(fā)動機、變速箱、電機及其驅(qū)動、電池等多個環(huán)節(jié)，是一個集成度很高的系統(tǒng)。相信在未來10~20年的發(fā)展過程中，要想使混合動力系統(tǒng)具有更加優(yōu)良的燃油經(jīng)濟性和出色的動力性能，還需在以下幾點關(guān)鍵技術(shù)上下功夫。

2.1 高能量密度電池及其管理系統(tǒng)

一定程度上，油電混合動力汽車的出現(xiàn)是為了解決現(xiàn)階段電池性能不足而造成的純電動汽車續(xù)航里程較短的問題。但同時，為確?；旌蟿恿ζ囋诩铀倥c爬坡時能有效提供較大的峰值功率，對電池的能量密度和功率密度也提出了很高的要求。特別是隨著汽車輕量化革命的推進，為混動汽車配備高能量密度的電池以及更加高效的電池管理系統(tǒng)成為需要重點解決的問題。具體來講，插電式混合動力汽車的電池容量直接影響到車輛的油耗水平，而以豐田“PRIUS”為代表的非插電式混合動力為延長電池壽命，對其電池系統(tǒng)設(shè)計了淺充淺放的控制策略，無形中降低了電池的有效能量密度，與汽車輕量化的發(fā)展趨勢不符。因此，無論未來的油電混合動力汽車是采用鎳氫電池、磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池，都急需提高電池的能量密度，同時為其配備一套完善的電池狀態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)，以最大限度的發(fā)揮電池性能、延長電池使用壽命。

2.2 高可靠性、高效率的機械傳動結(jié)構(gòu)

純電動汽車已沒有傳統(tǒng)意義上的變速箱，但現(xiàn)階段的混合動力車輛都還或多或少有機械傳動環(huán)節(jié)，尤其是在混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)中，由行星排和齒輪傳動構(gòu)成的功率耦合裝置作為核心環(huán)節(jié)，其效率和可靠性很大程度上決定了整車的性能。豐田“PRIUS”在進行換代改進時，為降低傳動環(huán)節(jié)的磨損、增強可靠性，專門將定傳動比的第二排行星傳動改成了平行軸齒輪傳動。

2.3 高性能電機及其驅(qū)動技術(shù)

隨著混合動力技術(shù)的發(fā)展，電機已經(jīng)不僅僅作為一項驅(qū)動單元，還要作為能量轉(zhuǎn)換過程中極為重要的一環(huán)，在電動以及發(fā)電模式下都能高效運行。并且，在電機峰值功率上，需具備啟動發(fā)動、電驅(qū)動、整車加速、制動回收等各方面的能力?，F(xiàn)階段在混動汽車上使用的電機主要有交流永磁同步、直流永磁、開關(guān)磁阻以及異步電機等四種類型。在進行電機選用時，需要綜合考慮性能、質(zhì)量、效率、成本等因素。因此，接下來的電機研發(fā)工作集中在質(zhì)量改進、性能提升以及體積縮小上。電機的高效工作與其驅(qū)動技術(shù)密不可分，隨著混合動力汽車的發(fā)展，系統(tǒng)中電機功率不斷增大，這就對驅(qū)動電路中的功率放大模塊提出了很高的要求。此外，電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制的精確性和穩(wěn)定性也離不開優(yōu)化的控制算法。

2.4 優(yōu)化的整車控制策略

混合動力汽車的控制策略是整個混合動力系統(tǒng)的大腦，國內(nèi)早期的有關(guān)研究主要是利用實驗數(shù)據(jù)映射出發(fā)動機工作點，與所建立的控制策略仿真結(jié)果進行對比，反推國外車型的控制策略?？刂撇呗酝ǔ？煞譃榛诖_定規(guī)則的控制策略、離線全局優(yōu)化算法和預(yù)測控制算法三種，它們各具優(yōu)缺點?；诖_定規(guī)則的控制算法難以充分發(fā)揮行星混聯(lián)系統(tǒng)的節(jié)能潛力，控制效果有限；離線全局優(yōu)化算法往往難以保證實時性，也不具有普遍的工況適應(yīng)性，預(yù)測控制擺脫了工況局限性，但實時性仍是應(yīng)用瓶頸。因此，若要使混合動力系統(tǒng)的綜合性能再上一個臺階，還需設(shè)計出實時性良好，可應(yīng)用于實車控制器，又能大幅提升整車燃油經(jīng)濟性的控制策略。

3、結(jié)論

（1）油電混合動力汽車具有優(yōu)良的燃油經(jīng)濟性和低排放特性，是現(xiàn)階段純電動汽車續(xù)航里程瓶頸無法突破時的情況下，推進新能源汽車產(chǎn)業(yè)的不二選擇。

（2）混合動力汽車的發(fā)展離不開電池技術(shù)、電機及驅(qū)動技術(shù)和整車控制策略的優(yōu)化改進，未來的混合動力車輛對電池的能量密度、電機的性能和控制策略的實時性將提出很高的要求。

Discussion of Hybrid Electric Vehicles and the Relevant Key Technologies

Zhao Shengdun, Yang Xuesong, Wang Zeyang, Zhong Wei, Liu Hongyuan
( School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Shaanxi Xi'an 710049 )

The new energy automotive industry revolution has promoted the rapid development of hybrid electric vehicles, which has incomparable advantages in fuel economy, vehicle power performance and cruising radius. This paper introduces the definition and basic principles of the hybrid electric power system, the development status of hybrid electric vehicles, and the structure and characteristics of different types of hybrid power system are compared and analyzed. At last, the key technologies of the hybrid electric power system are introduced, and the development trend is forecasted.

Hybrid electric vehicles; new energy; oil consumption; dynamic performance

U469.7

A

1671-7988(2016)07-20-03

李旭海.混聯(lián)式混合動力電動客車動力系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢理工大學(xué),2008.

10.7666/d.y1364475.

趙升噸，西安交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為汽車節(jié)能機電一體化設(shè)備開發(fā)?；痦椖浚簢易匀豢茖W(xué)基金重點項目（編號：51335009）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.007

[2] 余志生.汽車理論.第3版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[3] 孫逢春,何洪文.混合動力車輛的歸類方法研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2002,22.

[4] 邵毅明主編.汽車新能源與節(jié)能技術(shù).[M].人民交通出版社.