張景軒，程子健

（1.合肥職業(yè)技術(shù)學院，安徽 合肥 230000；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730000）

20 世紀80 年代以來，許多發(fā)達國家紛紛投入巨資研發(fā)電動汽車，我國的“863 計劃”也已明確將電動汽車作為重點攻關(guān)項目?；旌蟿恿夹g(shù)作為一項嶄新的技術(shù)，20 世紀90 年代初，混合動力汽車的開發(fā)得到了歐美等許多發(fā)達國家的高度重視，并已經(jīng)取得了一些重大的成果。與此同時，我國也積極開展了混合動力電動汽車的研究，毋庸置疑，混合動力汽車發(fā)展前景十分廣闊。混合動力指在車輛動力系統(tǒng)中采用兩種不同動力源的一種技術(shù)，區(qū)別于傳統(tǒng)車輛的新能源車輛技術(shù)，通常意義上是指油、電混合動力，是以傳統(tǒng)的燃油技術(shù)為藍本發(fā)展起來的，因此較為可靠[1-2]?；旌蟿恿ζ嚨娜加徒?jīng)濟性能較高，行駛性能優(yōu)越，在起步、加速時，由于有電動馬達的輔助，可以降低油耗，輔助發(fā)動機的電動馬達可以在啟動的瞬間產(chǎn)生強大的動力，司機在駕駛過程中可以享受更強勁的起步、加速體驗，能實現(xiàn)較高水平的燃油經(jīng)濟性。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022 年3 月，新能源汽車產(chǎn)銷延續(xù)了快速增長勢頭，雙雙超過100 萬輛，市場占有率達到19.3%，新能源汽車戰(zhàn)略引領(lǐng)作用進一步凸顯。

1 混合動力汽車概述

1.1 混合動力汽車簡介

新能源汽車分為很多種，有燃料電池型的汽車（EV）、生物燃料型的汽車（FCEV）、純電動型的汽車以及混合動力型的汽車（HEV）等類型?；旌蟿恿ζ噷鹘y(tǒng)驅(qū)動模式和電動驅(qū)動這兩種驅(qū)動方式的優(yōu)點綜合起來，可以將續(xù)航里程提高至同等電動車的1～3 倍。而且，混合動力汽車與純電動車相比，價格要低廉，同時，相關(guān)技術(shù)也比較成熟，穩(wěn)定性及可靠性高。

1）按動力系統(tǒng)的連接方式來劃分，可分為串聯(lián)式混合動力汽車、并聯(lián)式混合動力汽車和混聯(lián)式混合動力汽車。①串聯(lián)式混合動力汽車。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)由汽車引擎、電瓶及發(fā)電電動機相互連接而成。不能由引擎直接驅(qū)動汽車。首先，將燃油點燃，燃燒時的熱能被發(fā)動機轉(zhuǎn)化為了機械能，再將能量輸送給發(fā)電機，帶動其轉(zhuǎn)動，進而產(chǎn)生電能。發(fā)電機發(fā)出的交流電通過整流器轉(zhuǎn)化為直流電，再通過電動機來驅(qū)動汽車。同時，電動機也可直接由電瓶來供電，至于在哪種情況下使用哪種模式，根據(jù)實際的道路狀況和汽車運行狀況電控單元會自動切換[3-5]。比如，緩速行駛時，所需的動力少，就可以關(guān)閉發(fā)動機，僅通過電池給電機充電以驅(qū)動汽車。②并聯(lián)式混合動力汽車。并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)是由互不干預的發(fā)電電動機與汽車燃油動力裝置并聯(lián)形成的。汽車在行駛時會依據(jù)實際路況和行駛工況選擇驅(qū)動模式。在坡度較大的情況下，需要有充足的后備功率，此時的發(fā)動機與電動機一同驅(qū)動汽車行駛；在所需的動力較小時，僅憑發(fā)動機驅(qū)動汽車。并聯(lián)式的電機驅(qū)動裝置屬于動力輔助裝置。它的優(yōu)點眾多，不僅節(jié)能，而且穩(wěn)定性高、排放的污染物少、能量利用率高。但是，發(fā)動機需要通過傳動裝置與車輪相連接，因此結(jié)構(gòu)相對復雜，而且外界環(huán)境對能量利用率有影響。③混聯(lián)式混合動力汽車。混聯(lián)式混合動力汽車綜合了并聯(lián)式混合動力汽車和串聯(lián)式混合動力汽車的各種優(yōu)點，彌補了這兩種模式的諸多不足。在以不高的速度行駛時或減速時，可以僅由串聯(lián)模式提供動力；當高速行駛時或加速、上坡時，需要較大的功率驅(qū)動汽車，此時采用并聯(lián)模式驅(qū)動?；炻?lián)式有多種驅(qū)動模式，其中發(fā)動機產(chǎn)生的能量可以經(jīng)傳動機構(gòu)傳至車輪，進而驅(qū)動汽車，也可帶動發(fā)電機發(fā)電，所產(chǎn)生的電能可直接存入電瓶中或進一步帶動電動機來驅(qū)動汽車[6]。

2）按是否要外接電源來劃分，可分為插電式混合動力汽車和非插電式混合動力汽車。①插電式混合動力汽車電池數(shù)量較多，能儲存更多的電量，既可以通過外接電樁來充電，也可通過發(fā)動機帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能。插電式汽車更省油、更環(huán)保，較之普通型的混動汽車其續(xù)航里程更長，而且各種驅(qū)動形式也不盡相同，可當作純電動車使用。②非插電式混合動力汽車為不插電混動，不能外接電源充電，電池容量較小。

3）按動力混合的程度來劃分，可分為重度混合動力汽車、輕度混合動力汽車及輕微度混合動力汽車。①重度動力混合汽車主要通過電力驅(qū)動，發(fā)動機驅(qū)動為輔。②輕度動力混合汽車能量的利用率不及重度動力混合汽車高，無法僅靠電機來驅(qū)動，因而廢氣排放增加。③輕微度混合動力汽車以引擎驅(qū)動為主，電力驅(qū)動裝置只起到輔助作用[7-8]。

1.2 混合動力汽車的特性

在各種新能源車型中混合動力汽車是唯一獲得大規(guī)模生產(chǎn)的車型，而且它屬于承上啟下的車型，電動車和燃油汽車兩者的優(yōu)點兼而有之。如混合動力汽車噪聲小，沒有傳統(tǒng)發(fā)動機的振動，舒適感好，而且駕駛員能根據(jù)行駛時的狀態(tài)選擇不同的模式，續(xù)航行駛路程長。

2 混合動力汽車的再生制動系統(tǒng)

2.1 一般的制動裝置

燃油汽車通常由制動器、制動傳動裝置和助力裝置來組成制動系統(tǒng)。其中，被稱為剎車的制動器有多種樣式，并且各有各的特點，包括鼓式、領(lǐng)從蹄式、盤式和雙領(lǐng)蹄式等。剎車過程中，大量的能量會因為摩擦生熱而損耗掉，無法做到能量回收。

2.2 制動能量再生裝置

按照能量儲存方式的不同，分為飛輪儲能、電瓶儲能、壓力儲能。通常情況下由控制裝置、能量儲存器、轉(zhuǎn)換裝置、速度協(xié)調(diào)裝置組成再生制動系統(tǒng)。利用飛輪來回收能量的再生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且飛輪轉(zhuǎn)動慣量大，能防止大量能量耗失。但由于飛輪轉(zhuǎn)速高，相應(yīng)的摩擦阻力對于能量回收就會有很大影響，一般只在混合動力的大客車上使用。汽車上有許多的壓力控制系統(tǒng)，包括液壓式、氣壓式等[9]。

2.3 制動能量再生的原理及作用

制動時根據(jù)駕駛員踩剎車所用的力，憑借電控單元的一系列計算得出所需的最佳制動力的數(shù)值。之后，實際由制動系統(tǒng)產(chǎn)生的制動力會通過ECU 將其與理想狀況下所需的制動力進行比對，根據(jù)實際需要，再向各個執(zhí)行裝置發(fā)布指令。若所需的能量小于可以提供的能量，則將多余的部分存儲起來；若供不應(yīng)求，則將之前存儲的能量轉(zhuǎn)化為制動能量。汽車在路況復雜的情況下行駛時，再生制動裝置可以提高汽車燃油或電能的使用效率，這是再生制動裝置的主要功能之一，該裝置還能合理地將動力分配到驅(qū)動輪上，提高汽車行駛的安全系數(shù)，防止車輪抱死所導致的側(cè)滑或失去轉(zhuǎn)向的現(xiàn)象的發(fā)生。汽車的各類制動控制及輔助裝置屬于電控系統(tǒng)，制動時可靠性更高。

3 混合動力的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

3.1 協(xié)調(diào)控制的類型

按控制方式分，可分為手動模式和自動模式，手動模式是指駕駛員根據(jù)自己的判斷來開啟能量再生裝置，自動模式是指汽車的電控單元將接收到的車速、踏板力、制動壓力等信號，與由傳感器所感知到的信號進行比對分析，并根據(jù)這些信號自動在各功能之間進行轉(zhuǎn)換，協(xié)同完成任務(wù)，更便于司機駕駛車輛。

3.2 協(xié)調(diào)控制策略

1）ESC 系統(tǒng)與制動能量再生裝置的協(xié)調(diào)控制。穩(wěn)定控制系統(tǒng)在汽車行駛在壞路、無路地段或進行急轉(zhuǎn)彎時，為了保證行駛的平順性，在其開始工作后要與能量回收裝置相協(xié)調(diào)。ESC 系統(tǒng)適當?shù)卦龃蠡驕p少制動力，進而通過調(diào)節(jié)車輛的橫擺角速度，使其行駛相對平穩(wěn)。與此同時，把儲能裝置中回收的能量轉(zhuǎn)化為制動能量，從而降低地面的側(cè)向反作用力，確保在行進中的汽車受到干擾時不會發(fā)生危險。

2）ABS 系統(tǒng)與制動能量再生裝置的協(xié)調(diào)控制。雖然防抱死系統(tǒng)與制動能量再生裝置都是通過改變制動力大小來實現(xiàn)剎車，但是ABS 調(diào)節(jié)制動力是為了將驅(qū)動輪的滑移率調(diào)整到近似理想的狀態(tài)，防止出現(xiàn)側(cè)滑或轉(zhuǎn)向失靈的現(xiàn)象。二者由于工作原理及目的不同，在發(fā)揮各自作用時會相互干涉，因此，需要協(xié)調(diào)控制。電控單元會以傳感器所反饋的數(shù)據(jù)為參考對象，從而作出判斷。如果管路壓力突然增大，可以確認汽車正處于急剎車狀態(tài)，此時為了防止抱死的發(fā)生，不應(yīng)該提供過大的制動力矩。

4 動力電池系統(tǒng)

蓄電池在燃油汽車中也有應(yīng)用，一般只為汽車各類需用電的裝置供電，不為汽車提供動力，而電瓶在新能源汽車中的應(yīng)用，功效與發(fā)動機等同，起到動力輸出作用。

4.1 蓄電池的類型

蓄電池的類型一般有鎳氫電池、鋰離子電池和含鉛電池等，其中應(yīng)用范圍最廣的應(yīng)屬含鉛電池，這種電池推向市場最早，技術(shù)完備，電能會在鉛和電解液反應(yīng)時源源不斷地放出，且具有抗寒耐熱、價格低廉的特點，能在極端天氣下使用。含鉛電池雖然應(yīng)用廣泛，但是這種電池儲量小且在報廢后難于處理，其中所含的鉛會對環(huán)境造成影響，不符合綠色發(fā)展理念[10]。鋰離子電池種類多樣且與含鉛電池相比能釋放或存儲更多的電量，有諸多優(yōu)點，但鋰電池安全性能不高、穩(wěn)定性差，易存在安全隱患。鎳氫電池是一種性能良好的蓄電池，具有性能穩(wěn)定、安全性好和污染小的特點，備受各大汽車企業(yè)的青睞。

4.2 對電池功效產(chǎn)生影響的因素

就電池本身而言，電池結(jié)構(gòu)、電解液的種類及濃度、電極板的材質(zhì)等對電池功效造成的影響差異很大。如溫度、濕度、路面狀況等，在嚴寒地區(qū)制動液可能會達到凝點，在高溫地帶制動液又會蒸發(fā)過快，因此由溫度造成的影響很大。

5 動力電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（BMS）是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶，電池組在工作時需要和汽車引擎以及電機等元件相互配合，與此同時，還要給其他各類電子設(shè)備提供電能。而且與電池組工作相關(guān)的性能會受到外界環(huán)境及自身的影響，因此混合動力汽車的動力電池管理系統(tǒng)非常重要。電池管理系統(tǒng)能時刻向電控單元反饋電池的溫度、剩余電量及所發(fā)出的電流的大小等相關(guān)動態(tài)，并得出可靠的措施加以處理。

5.1 電池管理系統(tǒng)的功能

1）由于電池之間連接方式各異會導致工作狀態(tài)不一致，而且在一組電池中的每一個的工作狀態(tài)也是有差異的，因此，實時收集傳感裝置所反饋的剩余電量、電壓、溫度、電流等信息是有必要的[11]。2）電控單元根據(jù)所反饋的數(shù)據(jù)來判斷電池是否處于正常狀態(tài)，如參考用于驅(qū)動汽車及供給用電器的電壓、電流的大小、電量余值的多少及電池負載程度的大小來判斷電池的工作狀態(tài)是否正常，并向ECU 及時反饋監(jiān)測到的可能發(fā)生的危險，將電池的狀態(tài)始終置于最優(yōu)的狀態(tài)。3）要將發(fā)現(xiàn)的問題加以解決，如電池發(fā)熱時通過控制冷卻系統(tǒng)來給它降溫，在電池負載過大時適時關(guān)閉不必要的耗能元件，并調(diào)節(jié)電流及電壓的大小。因此，電池管理系統(tǒng)必須囊括諸如保護電源、信息實時反饋、對所反饋的信息加以分析并處理以及令電池始終保持在最佳狀態(tài)，并具有延長使用期限的功能。

5.2 電池管理策略

1）基于規(guī)則的管理。基于規(guī)則的電池管理策略具有工程開發(fā)周期短與策略邏輯清晰的優(yōu)點，在汽車控制領(lǐng)域具有重要意義。行駛中的汽車在不同工況下，動力電池會處于不同的工作狀態(tài)，而且不同的電池組對應(yīng)的連接方式是不一樣的，因此需要實施不同的管理策略。在混合動力汽車上得以最先實行的是基于規(guī)則的能量（電池）管理，該方案具有步驟少、操作便利等優(yōu)勢，有以確定規(guī)則為基礎(chǔ)的管理策略和以模糊性規(guī)則為基礎(chǔ)的管理策略兩種。其中，以確定規(guī)則為基礎(chǔ)的管理策略方便操作，且應(yīng)用較廣，是通過ECU、各類傳感器以及執(zhí)行機構(gòu)來完成能量管理的[12]。實施辦法如下：在電瓶剩余電量多且車速較慢時，汽車僅需電池驅(qū)動，引擎處于熄火狀態(tài)；當汽車以中等車速行駛時，電動機停止工作；若汽車處于高速行駛狀態(tài)經(jīng)過陡坡的路段時，就要采用混合驅(qū)動模式。2）其他管理。其他的管理策略有很多，其中比較典型的是功率跟蹤策略、全局優(yōu)化管理策略及非穩(wěn)態(tài)優(yōu)化管理策略。功率跟蹤策略要不斷收集與汽車引擎和電瓶發(fā)出功率有關(guān)的數(shù)據(jù)，具有工作穩(wěn)定的優(yōu)點，全局優(yōu)化管理策略都是以此為基礎(chǔ)改進得來的，非穩(wěn)態(tài)優(yōu)化管理策略最為完善[13-14]。

6 結(jié)語

隨著我國科技創(chuàng)新不斷取得突破，制造業(yè)發(fā)展突飛猛進，汽車行業(yè)發(fā)展也得到了質(zhì)的提高。新能源汽車種類繁多，課題小組對比各類新能源汽車并分析其優(yōu)缺點，燃料電池車和以氫氣等為動力來源的汽車能實現(xiàn)零排放，但是造價較高，難于普及；純電動車雖然綠色環(huán)保，但是現(xiàn)階段其續(xù)行里程短、電池容量小、制造成本高；混合動力汽車既能降低污染物的排放，又能彌補現(xiàn)有電動汽車的不足，因此廣受青睞。制動再生協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和動力電池管理系統(tǒng)是混合動力汽車的兩個非常關(guān)鍵的技術(shù)，制動再生及分配控制技術(shù)是混合動力汽車發(fā)展的關(guān)鍵之所在，有關(guān)純電動汽車的相關(guān)技術(shù)難題或?qū)⒁虼硕〉猛黄?，電池是混動汽車的動力來源之一，不斷?yōu)化其性能可提高能源利用率。相信在政策和需求的推動下，混動技術(shù)將迎來市場大發(fā)展。而推動混動技術(shù)迭代升級，對于降低汽車行業(yè)的碳排放，具有非?，F(xiàn)實和積極的意義，目前也正是推動混動技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展的關(guān)鍵期。