雷汝婧

摘要：本文對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研究現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)要的敘述，對(duì)其未來的發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)要的分析，著重針對(duì)混合動(dòng)力汽車的工作模式、能量源、及可再生能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為詳盡的分析。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；工作模式；能量源；能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)

近年來，隨著科技的不斷進(jìn)步，技術(shù)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車技術(shù)得到了迅猛地發(fā)展，很多汽車制造商也將目光投向電動(dòng)汽車領(lǐng)域，不斷促進(jìn)了電動(dòng)汽車的商業(yè)化。電能是無污染的清潔能源，但是，純粹的電動(dòng)汽車商業(yè)化的過程中存在生產(chǎn)成本高、行程短、使用成本高等弱勢(shì)，所以混合動(dòng)力電動(dòng)汽車優(yōu)勢(shì)凸顯?；旌蟿?dòng)力汽車能源利用率高、相對(duì)環(huán)境污染率較小，也克服了純電動(dòng)汽車行程短的缺點(diǎn)。

我國(guó)已在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)鍵單元技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及整車技術(shù)上已經(jīng)取得了一些重要進(jìn)展，混合動(dòng)力車輛的研發(fā)工作在各大汽車公司和各大高校中取得了一定的成果。

1.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車工作模式分析

1.1串聯(lián)式運(yùn)行模式

串聯(lián)式運(yùn)行模式多見于城市公交車或原型車，優(yōu)點(diǎn)獨(dú)特。通過APu和電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的連接，形成了更加靈活的系統(tǒng)布局，如果行駛里程較短，可以實(shí)現(xiàn)在不啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下驅(qū)動(dòng)車輛，驅(qū)動(dòng)能量來源于電池，有效控制排放。

具體到串聯(lián)式系統(tǒng)的工作模式，可以分為充電、輔助、零排放以及能量再生四種。關(guān)于充電模式：發(fā)動(dòng)機(jī)工作，向系統(tǒng)提供能量，但是仍有剩余，這部分多余的能量可以電池的形式儲(chǔ)存。關(guān)于輔助模式：此模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)也照常工作，但是與充電模式相反，所提供的電能要低于需求，而此時(shí)，電池中儲(chǔ)存的電能得以釋放，作為輔助驅(qū)動(dòng)能量保證汽車的正常運(yùn)行。關(guān)于零排放模式，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，車輛的驅(qū)動(dòng)能量完全由電池承擔(dān)。關(guān)于能量再生模式：如遭遇制動(dòng)工況系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械能就會(huì)轉(zhuǎn)化為電能，并儲(chǔ)存到電池中，如果電池電量已充滿，繼續(xù)轉(zhuǎn)化的電能可以直接轉(zhuǎn)化為熱能，以減少電池發(fā)熱的問題。

在串聯(lián)式系統(tǒng)下，在能量消耗方面既有優(yōu)勢(shì)也有不足。一方面，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)相互獨(dú)立，對(duì)于汽車的能量需求，需采用相關(guān)控制措施對(duì)動(dòng)力單元進(jìn)行調(diào)控，用來滿足車輛對(duì)動(dòng)力的需求，使動(dòng)力系統(tǒng)的工作效率得以提升。為了保證汽車系統(tǒng)的工作效率，必須設(shè)置與之匹配的內(nèi)燃機(jī)。另一方面，在串聯(lián)系統(tǒng)中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程中存在能量損失，使得整流器、電動(dòng)機(jī)、電池等部分都會(huì)成為發(fā)生能量損失的節(jié)點(diǎn)，多方累計(jì)之后，能量損失就會(huì)變得嚴(yán)重。

1.2并聯(lián)式運(yùn)行模式

并聯(lián)式系統(tǒng)下，車輛的驅(qū)動(dòng)主要依靠發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)，在傳動(dòng)系統(tǒng)的作用下驅(qū)動(dòng)車輪實(shí)現(xiàn)車輛的運(yùn)行。其中，在汽車行駛過程中的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力來自汽車自身所裝配的電池，在車輛運(yùn)行的同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。大量混合動(dòng)力電動(dòng)汽車為了提升動(dòng)力系統(tǒng)的性能，往往前輪和后輪的能量來源不一致，前輪由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，后輪由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

并聯(lián)系統(tǒng)的工作模式與串聯(lián)系統(tǒng)相似。在充電模式下，車輛由電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，由于車輛所需能量較少，發(fā)動(dòng)機(jī)可以將多余的能量?jī)?chǔ)存在電池內(nèi)。其次，在輔助模式下，車輛的驅(qū)動(dòng)也由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)提供，但是，此時(shí)停止對(duì)電池的充電，全部用于汽車的驅(qū)動(dòng)。關(guān)于常規(guī)模式，就是利用發(fā)動(dòng)機(jī)來對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，確保汽車的正常運(yùn)行。在零排放模式下，所屬的車輛屬于完全電動(dòng)的狀態(tài)下，再次狀態(tài)的能量再生模式下，系統(tǒng)將制動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存于電池中。

關(guān)于并聯(lián)式系統(tǒng)的能耗優(yōu)勢(shì)，首先是發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接向車輛提供驅(qū)動(dòng)，能量傳遞過程中的消耗僅僅集中在傳動(dòng)系統(tǒng)，比串聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)越。但是在系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)域處于變化之中，這種變化與功率有關(guān)系，當(dāng)大功率輸出時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在適當(dāng)區(qū)域（兼顧動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等）提供主要?jiǎng)恿?，電池輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，提供剩余部分的能量；當(dāng)小功率輸出時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)只需用少部分能量來維持其基本工作狀態(tài)，余下的能量都用來對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。與串聯(lián)式車輛相比它可以提供更高的轉(zhuǎn)矩，與常規(guī)車輛相比效率更高。但是，在并聯(lián)式系統(tǒng)下，也由于多不容忽視的弊端，汽車中存在著過多所需要的零部件增加了車輛的有效重量，從而影響到汽車中相關(guān)資源的功率輸出和能量消耗的問題。

2.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的能量源分析

2.1串聯(lián)式系統(tǒng)組成和能量傳遞

串聯(lián)式的動(dòng)力組成分為兩部分：電池一驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)，后者的電能可以通過控制器、逆變器等裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，也可以憑借控制器和整流器等實(shí)現(xiàn)電能的電池存儲(chǔ)。在串聯(lián)方式下，能量傳遞的流程如下圖1所示，直流電源由動(dòng)力電池組提供，電能在輸送、轉(zhuǎn)化以及傳遞過程中存在著能量的損失，故電機(jī)輸出功率相較比車輛行駛中的阻力功率和能量損失來說，還有比較大的差值。此外，再生制動(dòng)能量回收也會(huì)作為能量傳遞和損失的重要方面，但是不具有穩(wěn)定性、可靠性和確定性，能量來源功能不具有說服力。

2.2并聯(lián)式系統(tǒng)組成和能量傳遞

在并聯(lián)結(jié)構(gòu)下，動(dòng)力來源于發(fā)動(dòng)機(jī)或動(dòng)力電池組一電動(dòng)/發(fā)電機(jī)，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)是主要的動(dòng)力源，用于驅(qū)動(dòng)汽車的行駛。而另一部分的電動(dòng)/發(fā)電機(jī)僅僅起到輔助作用，用于啟動(dòng)、加速或爬坡過程中。發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的功率之和就上面的分析相比不會(huì)大于相關(guān)阻力耗損，而是與之相等或小于車輛阻力之和，這樣的設(shè)計(jì)可以將汽車重量得到控制，體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，并有效控制成本，下圖2為并聯(lián)式能量傳遞流程圖。

3.可再充式能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)

電池的應(yīng)用歷史較為持久，從19世紀(jì)中葉開始的鉛酸電池，再到后來的鐵鎳電池、鎳鎘電池，電池在結(jié)構(gòu)、工藝、材料等方面不斷改進(jìn)，性能日益完善。上世界80年代，氫鎳電池的誕生和應(yīng)用以及90年代的鋰電池，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，并使其性能得到了提高。從目前的情況看，電動(dòng)汽車的電池主要有鉛酸電池、氫鎳電池以及鋰電池，尤其是后兩者，在實(shí)踐應(yīng)用中最為廣泛。

其中，氫鎳電池是屬于堿性電池的一種，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成重金屬污染，被稱為“綠色電池”。其優(yōu)點(diǎn)在于具有良好的能量密度和功率密度，在車輛的使用過程中，循環(huán)使用壽命較其他電池更高，能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電和深度放電，充電效率和放電效率都很高，能量損失少。但是，在實(shí)際中，缺點(diǎn)也十分明顯，成本高，單體電池電壓低，自放電過程中損耗較大。

鋰電池是目前各方面性能最佳的電池，將其用于電動(dòng)汽車，可以充分發(fā)揮容量和功率方面的優(yōu)勢(shì)。鋰電池具有的優(yōu)勢(shì)包括：較高的能量密度和功率密度，較大的功率輸出密度，單體電池電壓較高，充電和放電效率也較高。但是，鋰電池并不是完美的，在使用過程中也暴露出一些問題，比如充放電性能差，價(jià)格較高，過充放電保護(hù)等。

此外，超級(jí)電容器和飛輪電池也是十分常用的。超級(jí)電容器，又被稱為電化學(xué)雙電層電容器，是目前一種新型的儲(chǔ)能元件，主要的優(yōu)點(diǎn)包括：動(dòng)力性能優(yōu)越、能量回收率高、儲(chǔ)能設(shè)備性能更加優(yōu)化、低溫性能較好、輔助性能較高。而飛輪電池的應(yīng)用能有效地提升主動(dòng)力源功率輸出的穩(wěn)定性，并使能量回收的效率得到提高，實(shí)踐意義重大。