混合动力驱动汽车设计的优化探讨

2010-02-14张智华

装备制造技术 2010年8期

张智华

（天津机电职业技术学院，天津300131）

随着工业的飞速发展，世界各工业大国越来越认识到生态环境的重要性，许多大汽车公司正致力于开发研制生态汽车。生态汽车包括电动汽车、混合驱动汽车（HEV）、太阳能汽车和氢气汽车等。混合动力驱动汽车，在广义上来说，是表示多于一种原动机的车辆驱动机构。混合驱动机构，可备有几种相似的或不同型式的贮能装置和功率转换器，可在不同的使用条件下，利用各自优点，从而使混合驱动机构的总效益胜过这套机构所增加的费用。这种混合了传统和电动的驱动系统，能够明显减少汽车排放和降低油耗，并可以达到传统汽车同样的行驶距离和具有便利的燃料补充。

混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。虽然构造复杂，成本较高，但在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车作为一种过渡产品，将会在市场上持续相当长的时间。从20世纪90年代起，全世界又掀起研究开发和制造HEV的竞争热潮，21世纪HEV有可能成为汽车工业的主导产品。

1 混合驱动机构的布置形式

由内燃机和电力驱动结合的混合驱动，是目前唯一受到关注的混合驱动机构。它有3种布置形式，这3种布置的主要差别，在于动力源的串联或并联布置。

（1）串联方式混合动力汽车。由发动机进行发电，再向电动机供应电力，由电动机输出扭矩而使汽车运转，在车辆上装有蓄电池，储存发动机带动发电机产生的电能。随着燃料电池与太阳能电池的不断进步，可以用燃料电池取代发动机，形成新一代燃料电池混合动力车。

（2）并联方式混合动力汽车。发动机与电动机同时使用。车辆行驶时，以发动机为主要动力源，在车辆起步或加速时则使电动机工作，作为辅助驱动力。在发动机效率低的低负荷工况时，则电动机功能转变为发电机功能，向蓄电池充电。在车辆制动或下坡减速行驶时，通过制动能量回收系统，进行制动能量回收，进行发电，并向蓄电池充电。车辆停止时，发动机停止运转，限制能量消耗。

（3）混联方式混合动力汽车。在并联式混合动力系统中，增加专用发电机，按照车辆行驶工况，分别使用串联式混合动力系统和并联式混合动力系统，以提高能量使用效率。例如丰田Prius和日产汽车公司的Tino混合动力轿车。

2 混合驱动动力汽车的特点

混合驱动动力汽车的特点，是相对于传统汽车而言的。其动力系统，包括内燃机和电池组，兼备了内燃机汽车和电动汽车优点，它将内燃机、电动机与一定容量的储能器件，通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。

（1）排放指标。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标，能满足当前的苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。与传统内燃机汽车相比，其主要优点是采用了高功率的能量储存装置（飞轮、超级电容器或蓄电池）向汽车提供瞬时能量，可以提高效率，节省能源，降低排放，因此经济性和排放性明显改善，技术经济可行性较强。

（2）续驶里程和乘坐的舒适性。较之纯电动汽车，混合动力汽车的主要优点，是续驶里程和动力性可达到内燃机汽车的水平；空调、真空助力、转向助力及其他辅助电器，借助原动机动力，无需消耗电池组有限电能，从而保证了乘坐的舒适性；而且混合动力汽车技术难度相对较小，成本也相对较低。

混合动力汽车介于传统汽车和纯电动汽车、燃料电池汽车之间，是一种承前启后的，在经济和技术方面都趋于成熟的汽车产品。混合动力驱动的车辆具有节能、低排放、低噪音等优点，并且保持了传统的由内燃机驱动的汽车续驶里程长的固有特点，混合动力驱动的车辆不论在小轿车或大型车辆（如公共汽车）领域中，均将有巨大的发展潜力和看好的市场前景。

（3）汽车的动力性。动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的一种性能，要建立混合动力汽车的动力学模型，需应用计算机对汽车的动力学性能进行模拟仿真，最关键的问题就在于计算是否与实际情况相符合。所以建立适当的、符合实际的模型，对于精确描述汽车动力系统的运动状态，提高仿真模拟精度是非常重要的。

（4）汽车的制动性。制动性是汽车安全行驶的重要保障，据统计40%的交通事故是由于制动距离太长、制动侧滑和跑偏造成的。所以在进行混合动力汽车系统时，应该充分重视汽车的制动力学重要性，在设计系统时，应精确建立汽车动力学的模型，提高仿真度，系统设计的越真实，交通事故的发生率就会越降低。

（5）动力传动控制系统。动力传动控制系统是混合动力汽车的关键技术。混合动力传动系统控制，可分为动力传动系统的能量控制和过渡品质控制。能量控制，就是确定动力传动系统中各个部件的运行状态及其工作参数；品质控制，则是协调动力源与动力源，动力源和自动变速器以及变速器本身控制。

不管混合动力传动系统的结构如何变化，从能量传递角度来讲，它们多属于多能源动力系统的范畴。混合动力传动系统有两种动力源，一种是产生机械能量的动力源，一般采用的是燃料燃烧产生热能，由热能转化为机械能；另一种是产生电能的动力源，由发电机产生电能。前者为机械动力源，后者为电力源。并联式混合动力系统的机械动力源有两个，一个是发动机，另一个是电动机；电力源也有两个，一个是电池，另一个是发电机。

并联式混合动力传动系统控制，就是确定各个动力源和机械传动部件工作状态，以及状态转换过程中各个部件的协调工作。前者是并联式混合动力系统能量控制的研究问题，是宏观研究；后者属于模式转换时的过渡品质研究问题，是微观和细节研究。能量控制策略，是并联式混合动力系统研究最多的问题，而过渡品质研究却很少。

3 面临的关键性技术和需解决的问题

混合动力汽车要进入实用化，需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的发动机。所面临的关键性技术和需要解决的问题包括以下方面：

（1）混合动力汽车发动机频繁起动、关闭，使驱动系统和附件(如空调和动力转向等)的电能管理变得复杂。此需要先进的检测和控制系统，以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油转化为有用功的同时，既要提高转化效率，还要满足严格的排放标准。

（2）能量存储装置(电池)要具有较高的比功率，满足汽车加速和爬坡时对大功率的需要。能量存储装置必须采用热能控制管理，要有较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造成本。

（3）电力电子器件必须减小尺寸、减轻质量和降低制造成本。

（4）需要建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态的和动态的)，这是计算机仿真和分析的基础。

（5）制定完善的混合动力汽车相关标准和法规，为混合动力汽车的市场化奠定基础。

4 能量控制策略

（1）动力的合理分配。混合动力传动系统之所以有良好的经济性能，是靠合理的分配发动机、电动机和发电机的功率或扭矩来保证的，而能量控制策略，就是完成这一任务的控制系统。它是指汽车在某一工况下，满足驾驶员的操作要求的情况下，使整车性能达到某一目标的动力源和传动系统工作状态确定。动力源工作状态确定，就是确定动力装置是否工作，假如工作的话，是吸收能量还是释放能量，吸收或释放多少能量；传动系统工作状态确定，就是确定传动系统工作于什么档位。

混合动力传动控制系统，涉及到机械、控制、硬件和软件等子系统。机械是对象，控制是工具，硬件和软件是载体。对于混合动力传动系统来讲，输入输出信号比较固定，外围电路设计比较规范，而控制器使用的微控制器和存储器容量，取决于控制算法的复杂程度。简单的控制算法，使用8位微控制器；复杂的算法，使用16位微处理器或32位微处理器，而对于具有特殊计算的控制算法，则必须使用带有数字信号处理功能的微控制器。

（2）传动系统的控制算法。混合动力传动系统控制算法，一般使用基于模型的设计方法。基于模型的设计方法由来已久，例如控制理论常用电路模型，研究具有相同规律的其他物理模型，这样避免构造真实的控制对象物理模型，降低了研究开发成本。随着计算机控制技术的发展，基于模型的计算机仿真技术，在混合动力传动系统算法研究中得到了广泛的应用。目前，在国外的汽车控制系统设计领域，越来越多的工程技术人员使用MATLAB/Simulink工具。这是由于MATLAB编程简单，具有很强的计算和图形处理能力；Simulink是图形化建模环境，构建系统模型简单;另外MATALB和Simulink都是开放结构，便于研究者构建自己的专用模块，并且它们还具有丰富模型库供研究者使用。常用的HEV仿真软件，大部分基于MATLAB/Simulink，如 ADVISOR，PSAT等。

电力驱动系统作为混合动力汽车的核心部分，主要涉及到储能元件的功率变换、电机驱动等技术。