楊仕清

混合動(dòng)力汽車發(fā)展的必要性及關(guān)鍵技術(shù)分析*

楊仕清

（云南交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，云南 昆明 650300）

混合動(dòng)力汽車綜合了內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)式汽車及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式汽車的二者優(yōu)勢(shì)，具有環(huán)保、節(jié)油的特點(diǎn)，得到了各國(guó)的廣泛重視。文章主要闡述了混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了混合動(dòng)力汽車發(fā)展的必要性，并結(jié)合混合動(dòng)力汽車應(yīng)用的特點(diǎn)，分析了影響混合動(dòng)力汽車性能的關(guān)鍵性技術(shù)。

混合動(dòng)力汽車；發(fā)展必要性；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

近年來，能源危機(jī)和環(huán)境污染的問題也越來越嚴(yán)峻，甚至已直接威脅到我們的生活，世界各國(guó)對(duì)此引起了高度的重視。汽車是造成能源日趨稀少和環(huán)境污染的一個(gè)重要因素，因此，世界各國(guó)政府都相應(yīng)地出臺(tái)了與能源及環(huán)境相關(guān)的政策，各大車企和汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)也都開始將汽車研發(fā)的重點(diǎn)定位在汽車節(jié)能研究和汽車環(huán)保研究方面。研究開發(fā)新能源汽車是大勢(shì)所趨，而混合動(dòng)力汽車是新能源汽車中很重要的一種。混合動(dòng)力汽車在生產(chǎn)成本，節(jié)約能源以及排放污染物等方面都低于傳統(tǒng)的普通汽車，且混動(dòng)汽車的動(dòng)力性與傳統(tǒng)的普通汽車相差不大，能帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，混合動(dòng)力汽車成為近年來各大汽車生產(chǎn)商的研究重點(diǎn)，研究和開發(fā)混合動(dòng)力汽車也成為維護(hù)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一。因此，文章主要針對(duì)混合動(dòng)力汽車發(fā)展的必要性進(jìn)行了探討，并在探討的基礎(chǔ)上分析了混合動(dòng)力汽車研究開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

2 混合動(dòng)力汽車的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

從二十世紀(jì)九十年代初開始，混合動(dòng)力汽車的研究開發(fā)就被美國(guó)、德國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視。目前，日本正積極推動(dòng)三類新能源汽車發(fā)展，其中日本的混合動(dòng)力汽車在全球領(lǐng)先且已壟斷全球90%的市場(chǎng)，燃料電池產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)也在世界領(lǐng)先，純電動(dòng)汽車的規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)步伐也有所加快。日本計(jì)劃到2020年新能源汽車汽車年銷量達(dá)200萬輛（其中混合動(dòng)力汽車120萬輛、電動(dòng)車80萬輛）。美國(guó)插電式混合動(dòng)力汽車是國(guó)內(nèi)新能源汽車市場(chǎng)銷量最大、增幅最大的產(chǎn)品，2016年售出15082輛，2017年全年銷量接近20萬輛（同比增長(zhǎng) 27％）。在歐洲國(guó)家，以德國(guó)為例，在2009年的下半年，德國(guó)就發(fā)布一項(xiàng)汽車發(fā)展計(jì)劃，即《高度重視純電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車發(fā)展計(jì)劃》，以純電為重點(diǎn)分別提出了2012年、2016年、2020年的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化目標(biāo)。德國(guó)計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)100萬輛的電動(dòng)車保有量，到2030年實(shí)現(xiàn)500萬輛的電動(dòng)車保有量[1]。

我國(guó)對(duì)于混合動(dòng)力汽車的研發(fā)開始于二十世紀(jì)九十年代初，但是，由于受到當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及工業(yè)制造技術(shù)的限制，混合動(dòng)力汽車沒能得到發(fā)展。直到二十世紀(jì)九十年代末，清華大學(xué)與廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司合作成功研制了國(guó)內(nèi)第一輛混合動(dòng)力輕型客車。直到2004年，中國(guó)發(fā)布了“中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃（AIDP）”，混合動(dòng)力汽車的研究開發(fā)并市場(chǎng)化才成為了在中國(guó)新能源汽車的開發(fā)目標(biāo)。后續(xù)中國(guó)又發(fā)布了《中國(guó)制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》，該計(jì)劃圖中計(jì)劃到2020年中國(guó)自主研究開發(fā)的新能源汽車年銷量能突破100萬輛，汽車銷售市場(chǎng)份額達(dá)到70%以上。另外，計(jì)劃中還提到打造明星車型，汽車銷量排名闖進(jìn)全球前十名。動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等新能源汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)開發(fā)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，且這些關(guān)鍵系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的占有率達(dá)到80%及以上。但與其它國(guó)家相比，我國(guó)自主品牌在普通混合動(dòng)力汽車行業(yè)布局相對(duì)較少，主要原因有兩點(diǎn)：1）與日本相比，日本的普通混合動(dòng)力汽車經(jīng)過多年的研究開發(fā)，技術(shù)相對(duì)已成熟、消費(fèi)者認(rèn)可度也比較高，而我國(guó)還需要長(zhǎng)期的技術(shù)積累及發(fā)展；2）在中國(guó)，普通混合動(dòng)力汽車并不包含在新能源汽車的補(bǔ)貼政策中，因此，汽車企業(yè)對(duì)混合動(dòng)力汽車的研究開發(fā)力度不大，而個(gè)人購(gòu)買混合動(dòng)力汽車的愿望更不大[2]。

3 混合動(dòng)力汽車發(fā)展的必要性

混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)能源車相比有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比如：動(dòng)力性能高、清潔環(huán)保較好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、節(jié)能型、低能耗等。如果在混動(dòng)汽車的開發(fā)中能將這些優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來,并且讓公眾了解并認(rèn)可混合動(dòng)力汽車，就能真正打開中國(guó)的混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)。這樣，中國(guó)的混合動(dòng)力汽車發(fā)展起來，不僅保護(hù)了環(huán)境，還能節(jié)約能源，對(duì)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展是有利的。

3.1 排放、油耗及碳排放標(biāo)準(zhǔn)要求的必要性

截至2016年，中國(guó)已連續(xù)八年全球汽車銷量第一。但同時(shí)，每年新增石油消費(fèi)量的70%以上也被新增汽車所消耗，所排CO2約占溫室氣體排放總量的2成以上，汽車領(lǐng)域節(jié)能減排刻不容緩[3]。

從汽車油耗法規(guī)上看，第三階段、第四階段油耗法規(guī)要求相應(yīng)出臺(tái)，歐盟法規(guī)要求為整車油耗將控制在95g/km（約為4.1L/100km），日本法規(guī)要求為整車油耗將控制在105g/km（約為4.5L/100km），美國(guó)的整車油耗將控制在5.5L/100km，而中國(guó)第四階段油耗法規(guī)也要求從2016年-2020年油耗需逐年減少，且到2020年及以后平均油耗約5L/100km（CO2約為120g/km）[4]。具體如圖1所示：

圖1 平均油耗變化情況

輕型商用車三階段油耗限值征求意見稿《輕型商用車輛燃料消耗量限值》GB20997-2016中，據(jù)不同車型規(guī)定了輕型商用車輛燃料消耗量的限值。

重型商用車第三階段油耗限值《重型商用車輛燃料消耗量限值》GB30510-2014中，規(guī)定依據(jù)GB/T 27840-2011測(cè)定貨車、客車等車型的綜合工況燃料消耗量限值。

從排放法規(guī)上看，2017年在輕型車上，歐盟將實(shí)行歐六c排放法規(guī)、美國(guó)實(shí)行第三階段排放法規(guī)（Tier3）。而中國(guó)2018年全面實(shí)行國(guó)五排放法規(guī)，到2020年、2023年分別實(shí)行國(guó)六a和國(guó)六b排放法規(guī)。

綜上所述，隨著國(guó)家油耗、排放、碳排放標(biāo)準(zhǔn)及積分管理整車相應(yīng)法規(guī)的出臺(tái)，整車節(jié)油性能將成為市場(chǎng)選擇的主要指標(biāo)，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)路線無法滿足和應(yīng)對(duì)越來越嚴(yán)峻的油耗法規(guī)要求，而混合動(dòng)力汽車能完全滿足國(guó)家油耗法規(guī)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電子控制的無極變速（E-CVT），使整車具有優(yōu)越的燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛舒適性。

3.2 市場(chǎng)需求的必要性

混合動(dòng)力汽車1997年開始發(fā)展，2009年步入快速發(fā)展軌道，截至2016年4月，全球混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)銷量突破1000萬輛。目前國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力汽車主要技術(shù)路線是以能獲得國(guó)家財(cái)政電池補(bǔ)貼的插電式混合動(dòng)力，且以汽油乘用車為主，商用車僅在城市公交車市場(chǎng)上應(yīng)用。2012年—2016年混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)銷量概況見表1（單位：萬輛）。

表1 2015年—2018年混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)銷量概況

綜合考慮各國(guó)的政策法規(guī)動(dòng)向、汽車廠商的中長(zhǎng)期展望及顧客的需求等因素，預(yù)計(jì)2020年全球混合動(dòng)力（含插電式）車型的年銷量占比將達(dá)25%，2030年將接近40%?；旌蟿?dòng)力汽車市場(chǎng)銷量預(yù)測(cè)見表2，動(dòng)力總成全球市場(chǎng)銷量變化情況及預(yù)測(cè)見圖2。

表2 混合動(dòng)力汽車市場(chǎng)銷量預(yù)測(cè)

2015年10月，工信部發(fā)布了《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖，路線圖中提出“到2020年，中國(guó)的節(jié)能汽車年銷量將達(dá)到中國(guó)汽車市場(chǎng)總需求量的30%，到2025年新能源汽車銷量占汽車銷量超過40%”，在路線圖中還將混合動(dòng)力車列入節(jié)能汽車發(fā)展重點(diǎn)。

4 影響混合動(dòng)力的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 電池及電池管理系統(tǒng)

電池的能量密度與功率密度影響著電池的輸出功率，當(dāng)混合動(dòng)力汽車在加速與爬坡時(shí)，需要電池能有效地提供較大峰值功率；電池的使用壽命與性能狀態(tài)又受電池的充放電次數(shù)、工作溫度等因素的影響；另外，電池的過度充放電，都會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能，甚至可能損壞電池，縮短電池的使用壽命，因此，還需要實(shí)時(shí)對(duì)電池的工作過程與所處環(huán)境、狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控[5]。

4.2 電機(jī)系統(tǒng)

混動(dòng)動(dòng)力汽車上使用的電池須具備起動(dòng)發(fā)動(dòng)、電驅(qū)動(dòng)、整車加速、制動(dòng)回收等方面能力。目前，混合動(dòng)力汽車主要選用永磁無刷同步、直流永磁、開關(guān)磁阻以及交流異步等四種類型的電機(jī)。另外，在車輛進(jìn)行制動(dòng)減速及下坡行駛時(shí)，應(yīng)確保電機(jī)處于發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)，讓機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，存儲(chǔ)于電池內(nèi)。

4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)

在混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)中，可通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來提高汽車的經(jīng)濟(jì)性能，減少尾氣排放。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)技術(shù)的研究，主要從采用其他型式熱機(jī)或改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)兩方面進(jìn)行。

4.4 變速器

混合動(dòng)力汽車可以采用的變速器型較多，包括機(jī)械式自動(dòng)變速器、手動(dòng)變速器、帶傳動(dòng)無級(jí)變速器、電子式無級(jí)變速器、行星齒輪自動(dòng)變速器等，我們需要綜合各種類型變速器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行選擇以適配各車型的需求，來實(shí)現(xiàn)各車型性能的最優(yōu)。

4.5 動(dòng)力耦合裝置

混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力耦合裝置一直都是其研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)，直接影響著對(duì)車輛整體性能的控制。目前，主要采用轉(zhuǎn)矩結(jié)合式、驅(qū)動(dòng)力結(jié)合式、轉(zhuǎn)速結(jié)合式等三種動(dòng)力耦合方式。我們需要綜合各種動(dòng)力耦合方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行選擇以適配各車型的需求，來實(shí)現(xiàn)各車型性能的最優(yōu)。

4.6 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略

混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略需結(jié)合汽車相關(guān)的行駛狀況、發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)工作性能、電池SOC（荷電狀態(tài)）、汽車起步、模式切換、汽車換擋等動(dòng)態(tài)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行編制程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的有效控制，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)能在較短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)起動(dòng)；能確保有效控制驅(qū)動(dòng)前的轉(zhuǎn)速與離合器結(jié)合過程；能協(xié)調(diào)控制動(dòng)機(jī)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩；能確保在汽車總需求轉(zhuǎn)矩造成較大波動(dòng)時(shí)，能有效協(xié)調(diào)控制電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩[6]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著電池補(bǔ)貼的逐年減少，到2020年將取消對(duì)電池的補(bǔ)貼，再加上國(guó)家油耗法規(guī)的實(shí)施，國(guó)家支持政策的減輕，自身制造成本的上升，必然導(dǎo)致得到財(cái)政補(bǔ)貼的純電及插電式新能源車型下滑，混合動(dòng)力汽車通過電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)高效的動(dòng)力分配，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)，實(shí)現(xiàn)節(jié)油率在35%以上，能較好地滿足國(guó)家油耗法規(guī)要求。因此，節(jié)能環(huán)保的混合動(dòng)力汽車必將成為未來汽車的主動(dòng)力。

[1] 李凱.混合動(dòng)力汽車現(xiàn)狀分析[J] .新能源汽車2018,18(10):40-43.

[2] 莊偉超,丁洋,邱立琦,等.插電式混合動(dòng)力汽車控制策略的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2016,45(6):113-17.

[3] 宮佳鵬,張錦,付進(jìn)軍等.重型混合動(dòng)力車用發(fā)電單元設(shè)計(jì)與研究[J].移動(dòng)電源與車輛,2017,34(2):15-19.

[4] 張佩.重型混合動(dòng)力車能耗和排放測(cè)試方法研究[J].北京汽車, 2016,45(4):23-27.

[5] 區(qū)燦輝.混合動(dòng)力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)分析[J],科技資訊,2017,12(12):33-37.

[6] 蘇嶺,曾育平,秦大同.插電式混合動(dòng)力汽車能量管理策略研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2017,40(2):103-135.

Necessity and Key Technologies of Hybrid Electric Vehicle Development*

Yang Shiqing

( Yunnan Vocational College Of Transportation, Yunnan Kunming 650300 )

Hybrid electric vehicle combines the advantages of internal combustion engine-driven vehicle and motor-driven vehicle. It has the characteristics of environmental protection and fuel-saving, and has been widely valued by various countries. In this paper, the development status of hybrid electric vehicle is described, the necessity of hybrid electric vehicle development is analyzed, and the key technologies affecting the performance of hybrid electric vehicle are analyzed according to the characteristics of hybrid electric vehicle application.

Hybrid electric vehicle; Development necessity; Key technologies

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.067

U461.99

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1671-7988(2021)02-210-03

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楊仕清，就職于云南交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院。

云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目《基于太陽(yáng)能車頂?shù)钠囕o助制動(dòng)研究》項(xiàng)目資助。項(xiàng)目編號(hào)：2019J0506。