基于混合动力技术的新能源汽车应用及发展趋势*

张景轩，程子健

（1.合肥职业技术学院，安徽 合肥 230000；2.兰州交通大学，甘肃 兰州 730000）

20 世纪80 年代以来，许多发达国家纷纷投入巨资研发电动汽车，我国的“863 计划”也已明确将电动汽车作为重点攻关项目。混合动力技术作为一项崭新的技术，20 世纪90 年代初，混合动力汽车的开发得到了欧美等许多发达国家的高度重视，并已经取得了一些重大的成果。与此同时，我国也积极开展了混合动力电动汽车的研究，毋庸置疑，混合动力汽车发展前景十分广阔。混合动力指在车辆动力系统中采用两种不同动力源的一种技术，区别于传统车辆的新能源车辆技术，通常意义上是指油、电混合动力，是以传统的燃油技术为蓝本发展起来的，因此较为可靠[1-2]。混合动力汽车的燃油经济性能较高，行驶性能优越，在起步、加速时，由于有电动马达的辅助，可以降低油耗，辅助发动机的电动马达可以在启动的瞬间产生强大的动力，司机在驾驶过程中可以享受更强劲的起步、加速体验，能实现较高水平的燃油经济性。相关数据显示，2022 年3 月，新能源汽车产销延续了快速增长势头，双双超过100 万辆，市场占有率达到19.3%，新能源汽车战略引领作用进一步凸显。

1 混合动力汽车概述

1.1 混合动力汽车简介

新能源汽车分为很多种，有燃料电池型的汽车（EV）、生物燃料型的汽车（FCEV）、纯电动型的汽车以及混合动力型的汽车（HEV）等类型。混合动力汽车将传统驱动模式和电动驱动这两种驱动方式的优点综合起来，可以将续航里程提高至同等电动车的1～3 倍。而且，混合动力汽车与纯电动车相比，价格要低廉，同时，相关技术也比较成熟，稳定性及可靠性高。

1）按动力系统的连接方式来划分，可分为串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车。①串联式混合动力汽车。串联式混合动力系统由汽车引擎、电瓶及发电电动机相互连接而成。不能由引擎直接驱动汽车。首先，将燃油点燃，燃烧时的热能被发动机转化为了机械能，再将能量输送给发电机，带动其转动，进而产生电能。发电机发出的交流电通过整流器转化为直流电，再通过电动机来驱动汽车。同时，电动机也可直接由电瓶来供电，至于在哪种情况下使用哪种模式，根据实际的道路状况和汽车运行状况电控单元会自动切换[3-5]。比如，缓速行驶时，所需的动力少，就可以关闭发动机，仅通过电池给电机充电以驱动汽车。②并联式混合动力汽车。并联式驱动系统是由互不干预的发电电动机与汽车燃油动力装置并联形成的。汽车在行驶时会依据实际路况和行驶工况选择驱动模式。在坡度较大的情况下，需要有充足的后备功率，此时的发动机与电动机一同驱动汽车行驶；在所需的动力较小时，仅凭发动机驱动汽车。并联式的电机驱动装置属于动力辅助装置。它的优点众多，不仅节能，而且稳定性高、排放的污染物少、能量利用率高。但是，发动机需要通过传动装置与车轮相连接，因此结构相对复杂，而且外界环境对能量利用率有影响。③混联式混合动力汽车。混联式混合动力汽车综合了并联式混合动力汽车和串联式混合动力汽车的各种优点，弥补了这两种模式的诸多不足。在以不高的速度行驶时或减速时，可以仅由串联模式提供动力；当高速行驶时或加速、上坡时，需要较大的功率驱动汽车，此时采用并联模式驱动。混联式有多种驱动模式，其中发动机产生的能量可以经传动机构传至车轮，进而驱动汽车，也可带动发电机发电，所产生的电能可直接存入电瓶中或进一步带动电动机来驱动汽车[6]。

2）按是否要外接电源来划分，可分为插电式混合动力汽车和非插电式混合动力汽车。①插电式混合动力汽车电池数量较多，能储存更多的电量，既可以通过外接电桩来充电，也可通过发动机带动发电机产生电能。插电式汽车更省油、更环保，较之普通型的混动汽车其续航里程更长，而且各种驱动形式也不尽相同，可当作纯电动车使用。②非插电式混合动力汽车为不插电混动，不能外接电源充电，电池容量较小。

3）按动力混合的程度来划分，可分为重度混合动力汽车、轻度混合动力汽车及轻微度混合动力汽车。①重度动力混合汽车主要通过电力驱动，发动机驱动为辅。②轻度动力混合汽车能量的利用率不及重度动力混合汽车高，无法仅靠电机来驱动，因而废气排放增加。③轻微度混合动力汽车以引擎驱动为主，电力驱动装置只起到辅助作用[7-8]。

1.2 混合动力汽车的特性

在各种新能源车型中混合动力汽车是唯一获得大规模生产的车型，而且它属于承上启下的车型，电动车和燃油汽车两者的优点兼而有之。如混合动力汽车噪声小，没有传统发动机的振动，舒适感好，而且驾驶员能根据行驶时的状态选择不同的模式，续航行驶路程长。

2 混合动力汽车的再生制动系统

2.1 一般的制动装置

燃油汽车通常由制动器、制动传动装置和助力装置来组成制动系统。其中，被称为刹车的制动器有多种样式，并且各有各的特点，包括鼓式、领从蹄式、盘式和双领蹄式等。刹车过程中，大量的能量会因为摩擦生热而损耗掉，无法做到能量回收。

2.2 制动能量再生装置

按照能量储存方式的不同，分为飞轮储能、电瓶储能、压力储能。通常情况下由控制装置、能量储存器、转换装置、速度协调装置组成再生制动系统。利用飞轮来回收能量的再生系统结构简单，且飞轮转动惯量大，能防止大量能量耗失。但由于飞轮转速高，相应的摩擦阻力对于能量回收就会有很大影响，一般只在混合动力的大客车上使用。汽车上有许多的压力控制系统，包括液压式、气压式等[9]。

2.3 制动能量再生的原理及作用

制动时根据驾驶员踩刹车所用的力，凭借电控单元的一系列计算得出所需的最佳制动力的数值。之后，实际由制动系统产生的制动力会通过ECU 将其与理想状况下所需的制动力进行比对，根据实际需要，再向各个执行装置发布指令。若所需的能量小于可以提供的能量，则将多余的部分存储起来；若供不应求，则将之前存储的能量转化为制动能量。汽车在路况复杂的情况下行驶时，再生制动装置可以提高汽车燃油或电能的使用效率，这是再生制动装置的主要功能之一，该装置还能合理地将动力分配到驱动轮上，提高汽车行驶的安全系数，防止车轮抱死所导致的侧滑或失去转向的现象的发生。汽车的各类制动控制及辅助装置属于电控系统，制动时可靠性更高。

3 混合动力的协调控制系统

3.1 协调控制的类型

按控制方式分，可分为手动模式和自动模式，手动模式是指驾驶员根据自己的判断来开启能量再生装置，自动模式是指汽车的电控单元将接收到的车速、踏板力、制动压力等信号，与由传感器所感知到的信号进行比对分析，并根据这些信号自动在各功能之间进行转换，协同完成任务，更便于司机驾驶车辆。

3.2 协调控制策略

1）ESC 系统与制动能量再生装置的协调控制。稳定控制系统在汽车行驶在坏路、无路地段或进行急转弯时，为了保证行驶的平顺性，在其开始工作后要与能量回收装置相协调。ESC 系统适当地增大或减少制动力，进而通过调节车辆的横摆角速度，使其行驶相对平稳。与此同时，把储能装置中回收的能量转化为制动能量，从而降低地面的侧向反作用力，确保在行进中的汽车受到干扰时不会发生危险。

2）ABS 系统与制动能量再生装置的协调控制。虽然防抱死系统与制动能量再生装置都是通过改变制动力大小来实现刹车，但是ABS 调节制动力是为了将驱动轮的滑移率调整到近似理想的状态，防止出现侧滑或转向失灵的现象。二者由于工作原理及目的不同，在发挥各自作用时会相互干涉，因此，需要协调控制。电控单元会以传感器所反馈的数据为参考对象，从而作出判断。如果管路压力突然增大，可以确认汽车正处于急刹车状态，此时为了防止抱死的发生，不应该提供过大的制动力矩。

4 动力电池系统

蓄电池在燃油汽车中也有应用，一般只为汽车各类需用电的装置供电，不为汽车提供动力，而电瓶在新能源汽车中的应用，功效与发动机等同，起到动力输出作用。

4.1 蓄电池的类型

蓄电池的类型一般有镍氢电池、锂离子电池和含铅电池等，其中应用范围最广的应属含铅电池，这种电池推向市场最早，技术完备，电能会在铅和电解液反应时源源不断地放出，且具有抗寒耐热、价格低廉的特点，能在极端天气下使用。含铅电池虽然应用广泛，但是这种电池储量小且在报废后难于处理，其中所含的铅会对环境造成影响，不符合绿色发展理念[10]。锂离子电池种类多样且与含铅电池相比能释放或存储更多的电量，有诸多优点，但锂电池安全性能不高、稳定性差，易存在安全隐患。镍氢电池是一种性能良好的蓄电池，具有性能稳定、安全性好和污染小的特点，备受各大汽车企业的青睐。

4.2 对电池功效产生影响的因素

就电池本身而言，电池结构、电解液的种类及浓度、电极板的材质等对电池功效造成的影响差异很大。如温度、湿度、路面状况等，在严寒地区制动液可能会达到凝点，在高温地带制动液又会蒸发过快，因此由温度造成的影响很大。

5 动力电池管理系统

电池管理系统（BMS）是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，电池组在工作时需要和汽车引擎以及电机等元件相互配合，与此同时，还要给其他各类电子设备提供电能。而且与电池组工作相关的性能会受到外界环境及自身的影响，因此混合动力汽车的动力电池管理系统非常重要。电池管理系统能时刻向电控单元反馈电池的温度、剩余电量及所发出的电流的大小等相关动态，并得出可靠的措施加以处理。

5.1 电池管理系统的功能

1）由于电池之间连接方式各异会导致工作状态不一致，而且在一组电池中的每一个的工作状态也是有差异的，因此，实时收集传感装置所反馈的剩余电量、电压、温度、电流等信息是有必要的[11]。2）电控单元根据所反馈的数据来判断电池是否处于正常状态，如参考用于驱动汽车及供给用电器的电压、电流的大小、电量余值的多少及电池负载程度的大小来判断电池的工作状态是否正常，并向ECU 及时反馈监测到的可能发生的危险，将电池的状态始终置于最优的状态。3）要将发现的问题加以解决，如电池发热时通过控制冷却系统来给它降温，在电池负载过大时适时关闭不必要的耗能元件，并调节电流及电压的大小。因此，电池管理系统必须囊括诸如保护电源、信息实时反馈、对所反馈的信息加以分析并处理以及令电池始终保持在最佳状态，并具有延长使用期限的功能。

5.2 电池管理策略

1）基于规则的管理。基于规则的电池管理策略具有工程开发周期短与策略逻辑清晰的优点，在汽车控制领域具有重要意义。行驶中的汽车在不同工况下，动力电池会处于不同的工作状态，而且不同的电池组对应的连接方式是不一样的，因此需要实施不同的管理策略。在混合动力汽车上得以最先实行的是基于规则的能量（电池）管理，该方案具有步骤少、操作便利等优势，有以确定规则为基础的管理策略和以模糊性规则为基础的管理策略两种。其中，以确定规则为基础的管理策略方便操作，且应用较广，是通过ECU、各类传感器以及执行机构来完成能量管理的[12]。实施办法如下：在电瓶剩余电量多且车速较慢时，汽车仅需电池驱动，引擎处于熄火状态；当汽车以中等车速行驶时，电动机停止工作；若汽车处于高速行驶状态经过陡坡的路段时，就要采用混合驱动模式。2）其他管理。其他的管理策略有很多，其中比较典型的是功率跟踪策略、全局优化管理策略及非稳态优化管理策略。功率跟踪策略要不断收集与汽车引擎和电瓶发出功率有关的数据，具有工作稳定的优点，全局优化管理策略都是以此为基础改进得来的，非稳态优化管理策略最为完善[13-14]。

6 结语

随着我国科技创新不断取得突破，制造业发展突飞猛进，汽车行业发展也得到了质的提高。新能源汽车种类繁多，课题小组对比各类新能源汽车并分析其优缺点，燃料电池车和以氢气等为动力来源的汽车能实现零排放，但是造价较高，难于普及；纯电动车虽然绿色环保，但是现阶段其续行里程短、电池容量小、制造成本高；混合动力汽车既能降低污染物的排放，又能弥补现有电动汽车的不足，因此广受青睐。制动再生协调控制系统和动力电池管理系统是混合动力汽车的两个非常关键的技术，制动再生及分配控制技术是混合动力汽车发展的关键之所在，有关纯电动汽车的相关技术难题或将因此而取得突破，电池是混动汽车的动力来源之一，不断优化其性能可提高能源利用率。相信在政策和需求的推动下，混动技术将迎来市场大发展。而推动混动技术迭代升级，对于降低汽车行业的碳排放，具有非常现实和积极的意义，目前也正是推动混动技术应用和发展的关键期。