混合动力电动汽车的研发实践

2020-01-07李韦良王温都苏

湖北农机化 2020年7期

李韦良王温都苏

(1.锦州汉拿电机有限公司，辽宁锦州，121000；2.锦州韩华电装有限公司，辽宁锦州，121000)

1 混合动力电动汽车分类及特点

1.1 串联式混合动力电动汽车

所谓串联式动力主要由三部分动力总成组成，分别为发电机、电动机、发动机三部分，在三者之间按照串联的方式组成动力单元系统。车轮需要电池驱动电动机带动转动，如果在负荷较大的过程中，电动机则需要由发动机带动发电机发电，继而对电动机驱动。如果混合动力电动汽车处于加速、爬坡等高负荷情况的时候，电动机则需要从发动机-电动机组、电池组两组获取电能；如果汽车处于怠速或者是低速、滑行的状态中，电动机主要受到电池组的驱动，这时候发电机-发动机组会向电池组进行充电。这种串联式的电动汽车，无论在任何情况下，车轮都是由电动机进行驱动，在市内交通情况下，如频繁起步、加速等情况，就可以保持发动机在最佳状态附近运转；通过电动机、电池两者的输出调整，从而实现车速的调整，进而如果面对复杂的工况，就可以有效提升系统的性能。如果电池的SoC较高，就可以将原动机关闭，单纯利用电池保持功率的输出，从而有效提升发动机的效率，有效降低有害物质排放，但这种串联式的结构，在燃油经济方面还有很多不足之处，虽然这种方式改善了发动机的工况，但是发动机所产生的功，会经过控制器、发电机、电池等，最终在转化为机械能的过程中产生较为明显的效率损失，从而没有提升根本性的效率，因此，这种技术当前主要应用于城市大型客车之中。

1.2 并联式混合动力电动汽车

在并联式结构中有两套驱动系统，分别为电动机和发动机驱动系统，两者通过并联的方式连接，并且任何单独的系统都可以实现驱动车轮的作用。电动机会直接给电池充电，发挥发电机的作用，因此就不需要再配置单独的发电机。在汽车行驶的过程中，车辆无论是加速、起步都使用的是电动机，而发动机作为主要的动力源，电动机作为辅助动力源。在低负荷工况情况下，发动机效率较低，此时电动机开始发挥发电机功能进行电池充电；其次，在车辆制动或下坡减速过程中，可以将制动能量进行回收发电及充电。

1.3 混联式混合动力电动汽车

所谓混联式也可以成为串并联式，这种方式可以综合发挥出并联和串联两种方式的优点，丰田Prius系列的混合动力系统就是采用的混联式动力系统，在实际工作中，发动机的动力会经过动力分配器进行自动分配，在直接驱动车轮的同时，还可以进行自主控制发电，但因为需要通过电能的利用来对电动机形成驱动，从而较并联式混合动力增加了电动机的使用比率。

2 混合动力电动汽车研发需要解决的问题和技术

2.1 需要解决的问题

(1)车况在行使的过程中，必然会产生多种变化，从而对电池就提出了更高的要求，电池需要经受多种电流充电、放电的循环，如此需要电池的能量密度较高，并且对使用寿命、功率密度、充放电效率都有较高的要求，另外能量存储装置还需要具有较高的比功率，从而可以满足汽车行驶过程中，爬坡、加速行驶对大功率的需求。

(2)在汽车行驶的过程中，如若想要实现对各种运行状态的良好控制管理，其核心主要依托于能量管理系统和动力分配装置，但是两者生产都具有较高的技术难度，对加工精度方面也有很高的要求。汽车行驶过程中，需要频繁的起动或关闭发动机，从而在附件、驱动系统的电能管理中就变得更加复杂，当前多数混合动力单元多以热力发动机为主，需要将燃油转化为有用功，与此同时，将转化效率提升，并要满足排放要求。

(3)进行计算机仿真、分析工作，但在此之前，首先需要建立现今的驱动系统数学模型。

(4)混合动力系统具有非常复杂的结构，因此制作混合动力系统就会有较高的成本，并且在维修混合动力系统中也有更高的难度，继而混合动力汽车的售价也相对要高一些，因此，必须要通过减小尺寸、降低制造成本等多方面采取相应的措施。

2.2 关键技术

(1)能量存储技术。在混合动力电动汽车的研发过程中，汽车蓄电池的充放电特性、开发工作是最为关键的研究内容之一，在混合动力电动汽车中，电池的主要功能就是储存电能以及尽可能多的输出电能，从而有效提升电动汽车的行使里程数，因此，电池不仅需要具备高能量密度，并且其功率也要很高。在当前的混合动力电动汽车中，几乎都会选择镍氢电池或者是锂离子电池，镍氢电池技术主要是因为其储存的氢合金，可以经受电动汽车行驶中无数次的循环反复使用材料，并且拥有容量大的优势，但其成本却更高，效率很低，并且还要对氢的损失进行有效控制。而对于锂离子电池来说，这种电池技术在功率、电压、能量密度方面都很高，并且充电时间也很短，随着锂离子电池的发展，在当今混合动力电动汽车市场占有了很大的市场份额，并且还在逐步扩大。

而在能量存储装置的研发工作中，应该侧重于如下3方面的工作：

首先，要改进电池的设计和制造工艺、技术，不仅要降低制造的成本，同时还需要有效提升电池的寿命，改善其性能，深入研究电池充放电动态特征。其次，对电池内部的监控、检测、连接等需要进行深层次的研究，从而可以在汽车的支撑机构中安装电池子系统。最后，加强对于电池热能和剩余电量的管理工作，提升电池的利用率和续航里程。

(2)控制策略技术。在研发的过程中，最关键的环节就是混合动力驱动系统之间的差异，根据实际需要，制定出具有针对性的优化控制策略。可以根据开发的目的、价格、使用环境等方面因素差异，选择并联、串联或混联式的模式，并且每种模式中，动力混合的轻重也要有所差别，从而致使所采用的控制策略也具有不同的特征。如若想要保证混合动力系统实现精准的运转，需要以优化控制为基础，由此可见，在混合动力系统的研发工作中，控制系统是其中最为关键的技术创新，在控制系统实现功能的过程中，需要根据系统所采集到的速度、负荷等方面的数据进行分析计算，从而得出相应需要输出的功率；以最高的效率从而就可以有效优化最优功率的分配比率；在此之后，以功率的分配比值作为基础，综合电动机功率值等数据内容，从而得出电动机、内燃机的控制参数，与此同时，需要通过驱动执行器，对不同的两个层次进行相应的控制，因此，在执行器的设计工作中，主要在于功率分配装置的设计，以及执行器与变速器形成一体化的设计，因为需要根据控制器的指令，实现分解内燃机功率向驱动车辆功率、驱动发电机功率转变。因此，在混合动力系统的研发工作中，不仅是针对计算理论、软件技术和电子技术的研发，同时在于执行部件设计、制造方面的工作。