油電混合動(dòng)力汽車(chē)的分類(lèi)及關(guān)鍵技術(shù)解析

1 油電混合動(dòng)力汽車(chē)概述

在社會(huì)發(fā)展的全新背景下，各國(guó)汽車(chē)的持有量都在逐年增加，而在石油消費(fèi)急劇增長(zhǎng)以及環(huán)保壓力日益嚴(yán)峻等的影響下，迫使汽車(chē)產(chǎn)業(yè)需要向節(jié)能、環(huán)保的發(fā)展方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型與升級(jí)。而油電混合動(dòng)力汽車(chē)可以有效滿足環(huán)保節(jié)能方面的要求，不僅具有充足的動(dòng)力源，而且還能夠減少相關(guān)環(huán)境污染問(wèn)題，如圖1所示。具體來(lái)說(shuō)，油電混合動(dòng)力汽車(chē)是一種混合型電動(dòng)汽車(chē)，可以由一種以上的能量轉(zhuǎn)換來(lái)為汽車(chē)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，可以在一輛車(chē)上聯(lián)合使用電力驅(qū)動(dòng)以及輔助動(dòng)力單元。而油電混合動(dòng)力汽車(chē)則是將傳統(tǒng)能源與電能進(jìn)行有效結(jié)合，這樣不僅能夠使相關(guān)車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性得到改善，而且還能夠減少尾氣排放，使環(huán)境污染程度得到降低。

圖1 油電混合動(dòng)力汽車(chē)示意圖

2 油電混合動(dòng)力汽車(chē)的分類(lèi)

針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行分析，其結(jié)合動(dòng)力源的能量耦合方式，可以將其具體分為三種類(lèi)型，分別為并聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)、串聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)以及混聯(lián)混合動(dòng)力汽車(chē)。而結(jié)合電功率在全部輸出功率當(dāng)中所占的百分比，對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行分類(lèi)，則可以將其分為輕度、中度和重度三種混動(dòng)汽車(chē)類(lèi)型。

2.1 結(jié)構(gòu)分類(lèi)

結(jié)合油電混合動(dòng)力汽車(chē)的電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)以及傳動(dòng)系統(tǒng)之間的連接形式，可以將混合動(dòng)力汽車(chē)的結(jié)構(gòu)形式劃分為以下三種，具體包括混連式、并聯(lián)式以及串聯(lián)式[2]。

首先，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)。在油電混合動(dòng)力汽車(chē)的相關(guān)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，在產(chǎn)生能量時(shí)主要連接發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，而其驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)則需要對(duì)減速機(jī)構(gòu)以及電動(dòng)機(jī)進(jìn)行連接。在串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)可以通過(guò)逆變器對(duì)產(chǎn)生的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并向電動(dòng)機(jī)提供，使其開(kāi)展相應(yīng)的工作，而對(duì)于多余電能則可在蓄電池當(dāng)中儲(chǔ)存。在發(fā)電機(jī)停止工作或者電功率不足的情況下，蓄電池可以為電動(dòng)機(jī)提供電能。在此結(jié)構(gòu)當(dāng)中，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的控制保持獨(dú)立狀態(tài)，在較優(yōu)工況下燃油發(fā)動(dòng)機(jī)可開(kāi)展相關(guān)工作，但由于能量的轉(zhuǎn)換需要具體經(jīng)過(guò)機(jī)械能到電能，再到機(jī)械能這一過(guò)程，因此降低了其整體效率。對(duì)于串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)而言，其主要對(duì)公交等大型車(chē)輛比較適用，而在車(chē)速較高以及功率較大的工況下，則無(wú)法起到良好效果。

其次，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)。對(duì)于并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)而言，其一般在插電式的混合動(dòng)力車(chē)輛當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，需要同時(shí)將發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)連接減速機(jī)構(gòu)，以此來(lái)有效驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，使其保持正常行駛?，F(xiàn)如今，多數(shù)油電混合動(dòng)力車(chē)輛都對(duì)此種結(jié)構(gòu)進(jìn)行采用，而該結(jié)構(gòu)不僅相對(duì)簡(jiǎn)單，還具有良好的動(dòng)力性能與油耗水平。但該系統(tǒng)在發(fā)揮動(dòng)力輔助作用時(shí)，往往需要受到蓄電池容量的限制。

最后，混聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)。在油電混合動(dòng)力汽車(chē)的三種結(jié)構(gòu)當(dāng)中，混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，其對(duì)串聯(lián)式與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了結(jié)合。在混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)對(duì)功率耦合裝置進(jìn)行有效配備，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的分流處理，使其具體分為機(jī)械功率與電功率兩項(xiàng)組成部分，這樣可以使發(fā)動(dòng)機(jī)功率得到合理利用，從而使其工作效率得到提高[3]，其動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2 所示。與此同時(shí)，該系統(tǒng)還可結(jié)合傳動(dòng)裝置與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的連接方式，將其具體分為輸入、輸出以及復(fù)合等分流式類(lèi)型。其中輸入分流式系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，其行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)中的兩部分構(gòu)件需要分別連接電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)，而第三構(gòu)件則需要與另一電機(jī)和輸出端進(jìn)行有效連接。在較低傳動(dòng)比的區(qū)域，該結(jié)構(gòu)的工作效率相對(duì)較高，而在高速狀態(tài)下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)有所加快，增大了電功率的實(shí)際比例，使電功率呈現(xiàn)出反向的傳遞路徑，進(jìn)而有功力循環(huán)產(chǎn)生，降低了傳動(dòng)效率。在行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)中，輸出分流式系統(tǒng)的其中一個(gè)構(gòu)件分別連接發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)，而第二構(gòu)件則需要連接另一電機(jī)，第三構(gòu)件作為具體的輸出端。在較高傳動(dòng)比的區(qū)域，該結(jié)構(gòu)的工作效率也相對(duì)較高，而在低速狀態(tài)下，則會(huì)有功率回流現(xiàn)象產(chǎn)生，進(jìn)而降低了系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。對(duì)于復(fù)合功率的分流式結(jié)構(gòu)而言，其一般需要對(duì)雙行星排的耦合裝置進(jìn)行配備，而其中的六個(gè)構(gòu)架，有兩組需要相互進(jìn)行連接，以此來(lái)形成四個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。在此過(guò)程當(dāng)中，有三個(gè)構(gòu)件需要分別連接兩個(gè)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)，而另外一個(gè)則作為輸出端口。此方式可以使輸入和輸出兩種分流模式的優(yōu)點(diǎn)得到兼顧，而且能量流路線也相對(duì)較多。

圖2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.2 混合度分類(lèi)

結(jié)合油電混合動(dòng)力汽車(chē)的混合度，也就是按照電功率在總功率當(dāng)中所占的比例，可以將油電混合動(dòng)力汽車(chē)具體劃分為輕度、中度以及重度三種混合動(dòng)力。

首先，輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)。該混合動(dòng)力系統(tǒng)一般情況下，對(duì)一臺(tái)ISG電機(jī)進(jìn)行配備，也就是啟動(dòng)發(fā)電一體化電機(jī)。通過(guò)對(duì)此電機(jī)進(jìn)行采用，可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況下運(yùn)行，該電機(jī)并不在驅(qū)動(dòng)或者能量轉(zhuǎn)換等過(guò)程中參與。

其次，中度混合動(dòng)力系統(tǒng)。此系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)對(duì)具有更大功率的ISG電機(jī)進(jìn)行采用，與輕度系統(tǒng)的不同在于，該電機(jī)能夠?yàn)檐?chē)輛正常行駛提供良好的驅(qū)動(dòng)力。

最后，重度混合動(dòng)力系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常為混合度達(dá)到或者超過(guò)30%的相關(guān)混動(dòng)系統(tǒng)，而在該結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，需要對(duì)大功率電動(dòng)機(jī)以及發(fā)電機(jī)等進(jìn)行配備[4]。

3 油電混合動(dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)的能量傳遞路線進(jìn)行分析，其具體包括機(jī)械功率以及電功率兩種類(lèi)型，而所涉及到的環(huán)節(jié)相對(duì)較多，具體包括發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、變速箱驅(qū)動(dòng)以及電池等，因此該系統(tǒng)的集成度相對(duì)較高。在油電混合動(dòng)力汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，想要使混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)性以及動(dòng)力性能得到有效提升，需要對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)加大研發(fā)力度，具體包括以下幾個(gè)方面。

3.1 高能量密度電池

目前，由于電池性能不足，進(jìn)而導(dǎo)致純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程相對(duì)較短。而油電混合動(dòng)力汽車(chē)的研發(fā)與應(yīng)用，可以在一定程度上使這一問(wèn)題得到有效解決。而為了保證混合動(dòng)力汽車(chē)在爬坡加速等過(guò)程當(dāng)中，能夠具有較大的峰值功率，對(duì)電池功率和能量的密度也有了更高要求。伴隨著我國(guó)汽車(chē)輕量化革命的持續(xù)深入與有效推進(jìn)，需要將高效電池管理系統(tǒng)以及高能量密度電池在混合汽車(chē)上有效配備，以此來(lái)進(jìn)一步提升油電混合動(dòng)力汽車(chē)的整體性能。具體來(lái)說(shuō)，插電式混合動(dòng)力汽車(chē)在實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中，其電池容量對(duì)車(chē)輛油耗水平具有重要影響，而相關(guān)非插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，為了使車(chē)輛電池的使用壽命得到延長(zhǎng)，往往在電池系統(tǒng)當(dāng)中采取了相關(guān)控制策略，如淺充淺放等，這使電池的能量密度有所下降，不符合汽車(chē)輕量化的相關(guān)發(fā)展要求。所以，在油電混合動(dòng)力汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，無(wú)論對(duì)磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鎳氫電池中的哪一種進(jìn)行采用，都應(yīng)對(duì)電池能量密度進(jìn)行有效提升。除此之外，還需要針對(duì)電池使用研發(fā)出完善的狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，并在油電混合動(dòng)力汽車(chē)上有效配置，從而使電池性能得到充分發(fā)揮，使電池的實(shí)際使用壽命得到有效延長(zhǎng)。

3.2 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)而言，在車(chē)輛結(jié)構(gòu)組成當(dāng)中并沒(méi)有安裝傳統(tǒng)意義上的變速箱，但目前混合動(dòng)力車(chē)輛往往還存在相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，特別在采用混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，行星排以及齒輪傳動(dòng)可以構(gòu)成具體的功率耦合裝置，其工作效率以及可靠性對(duì)整車(chē)性能具有決定性的影響。在對(duì)油電混合動(dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與更新時(shí)，為了使傳動(dòng)環(huán)節(jié)的磨損程度得到降低，也為了保證傳動(dòng)可靠性，對(duì)傳動(dòng)比的第二排行星傳動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)改造，使其轉(zhuǎn)變成平行軸齒輪傳動(dòng)[5]。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，混合動(dòng)力技術(shù)也得到了快速發(fā)展，這使電機(jī)的性能得到了有效提高。在油電混合動(dòng)力汽車(chē)當(dāng)中，電機(jī)除了可以作為驅(qū)動(dòng)單元以外，還可以參與到能量轉(zhuǎn)化過(guò)程當(dāng)中，是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，這也使油電混合動(dòng)力汽車(chē)在電動(dòng)模式和發(fā)電模式下都能夠保證運(yùn)行的有效性。與此同時(shí)，在達(dá)到電機(jī)峰值功率時(shí)，其可以有效發(fā)揮制動(dòng)回收、整車(chē)加速、電驅(qū)動(dòng)以及啟動(dòng)發(fā)動(dòng)等相關(guān)功能。目前，在混合動(dòng)力汽車(chē)的實(shí)際使用過(guò)程當(dāng)中，其電機(jī)類(lèi)型具體包括四種，分別為異步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻、直流永磁以及交流永磁同步。在選用電機(jī)時(shí)需要對(duì)其成本、效率、性能以及質(zhì)量等因素進(jìn)行充分考慮。所以，在油電混合動(dòng)力汽車(chē)的未來(lái)發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，需要針對(duì)電機(jī)的質(zhì)量改進(jìn)、體積縮小和性能提升等方面有效開(kāi)展研發(fā)工作。而想要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，需要合理采用相關(guān)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在混合動(dòng)力汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展過(guò)程中，混合動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)功率也得到了明顯增大，這也對(duì)驅(qū)動(dòng)電路性能提出了全新要求，需要有效保證電路中功率放大模塊的作用發(fā)揮。除此之外，還需要對(duì)具體的控制算法進(jìn)行合理優(yōu)化，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)定性、可靠性與精確性得到有效提高[6]。

3.4 整車(chē)控制

在油電混合動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)中，汽車(chē)的控制策略是其大腦所在。我國(guó)早期所開(kāi)展的相關(guān)研究工作，可以通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)行有效映射，并通過(guò)對(duì)比控制策略的仿真結(jié)果，從而對(duì)國(guó)外車(chē)型的相關(guān)控制策略進(jìn)行反推。對(duì)于控制策略而言，其一般可以分為三種類(lèi)型，分別為預(yù)測(cè)控制算法、離線全局優(yōu)化算法以及確定規(guī)則的控制策略，對(duì)于這三種控制策略來(lái)說(shuō)、其各自具有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。首先、確定規(guī)則的相關(guān)控制算法、無(wú)法使行星混聯(lián)系統(tǒng)具有的節(jié)能潛力得到充分發(fā)揮，所能起到的控制效果相對(duì)有限。其次，離線全局優(yōu)化算法無(wú)法充分保證控制的實(shí)時(shí)性，而且工況適應(yīng)性也相對(duì)較低。最后，預(yù)測(cè)控制雖然對(duì)工況局限性進(jìn)行了有效擺脫，但在實(shí)時(shí)性方面仍然存在一些不足[7]。對(duì)此，想要有效提高混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能 需要對(duì)控制策略進(jìn)行有效研發(fā)與完善，使其具有良好的實(shí)時(shí)性，能夠在實(shí)車(chē)控制器當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，并使燃油經(jīng)濟(jì)性得到提升。

4 車(chē)載能量管理系統(tǒng)

在能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題不斷加劇的背景下，我國(guó)對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展也提出了更高要求，需要加大對(duì)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用力度。而混合動(dòng)力汽車(chē)可對(duì)多種動(dòng)力源進(jìn)行采用，并多樣化回收能量流，有效實(shí)現(xiàn)低排放、低能耗的發(fā)展目標(biāo)，對(duì)我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。在油電混合動(dòng)力汽車(chē)當(dāng)中，電機(jī)是十分重要的一項(xiàng)組成部分。在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行使用，從而使車(chē)輛動(dòng)能能夠向電池電能有效轉(zhuǎn)化。對(duì)于電機(jī)而言，其在轉(zhuǎn)矩和功率等方面具有輸出特性，所以在建模時(shí)需要將電機(jī)和控制器作為整體充分考慮。在具體構(gòu)建電機(jī)模型時(shí)，需要確保使制動(dòng)和電動(dòng)這兩類(lèi)工作模式得到滿足。

油電混合動(dòng)力汽車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)比工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在要求上存在較大差別。對(duì)于工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)而言，其主要優(yōu)化額定的工作點(diǎn)，需要結(jié)合典型工況展開(kāi)設(shè)計(jì)。而混合動(dòng)力汽車(chē)所采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要對(duì)更為復(fù)雜的路況進(jìn)行適應(yīng)，而且還需要能夠頻繁的進(jìn)行加速、減速、停車(chē)和啟動(dòng)等操作，在進(jìn)行爬坡或者低速運(yùn)行時(shí)應(yīng)能保證高轉(zhuǎn)矩輸出，而在高速行駛過(guò)程當(dāng)中還需要確保輸出功率較高，以及具有較寬的電機(jī)調(diào)速范圍。與此同時(shí)，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)是油電混合動(dòng)力汽車(chē)中另外一個(gè)動(dòng)力源，和其相比采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方式，可以有效降低控制成本。在匹配混合動(dòng)力時(shí)，通常需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行選擇，并在此基礎(chǔ)上對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行配備。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制和選型，對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)而言十分重要，對(duì)其動(dòng)力輸出的及時(shí)性和穩(wěn)定性具有直接影響，而且還關(guān)系到駕駛員的駕馭感?，F(xiàn)如今，在混合動(dòng)力汽車(chē)當(dāng)中，相關(guān)電力驅(qū)動(dòng)部分主要對(duì)電刷式直流電機(jī)、永磁電機(jī)感應(yīng)電機(jī)以及磁阻電機(jī)等進(jìn)行使用，而其中永磁同步電機(jī)所形成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅效率較高，而且體積相對(duì)較小，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕以及出力大等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)有效控制，因此在混合動(dòng)力汽車(chē)當(dāng)中，永磁式電機(jī)的應(yīng)用相對(duì)廣泛。

對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)而言，其與傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)和電動(dòng)車(chē)不同，其車(chē)載能量源有兩種以上，而且可通過(guò)兩種能量源具有的特性互補(bǔ)改善和提高整車(chē)性能。為了能夠協(xié)調(diào)兩種能量源的互補(bǔ)，需要采取相應(yīng)的控制策略，從而使燃油經(jīng)濟(jì)性得到提升，使汽車(chē)驅(qū)動(dòng)性能保持最佳狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在我國(guó)發(fā)展過(guò)程當(dāng)中，能源短缺與環(huán)境污染是影響可持續(xù)發(fā)展的兩大根本問(wèn)題。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，城市汽車(chē)保有量也在不斷增加，這使兩大問(wèn)題不斷加劇。對(duì)此，我國(guó)需要對(duì)低排放、低污染、節(jié)能高效的混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行有效研發(fā)，以此來(lái)緩解能源和環(huán)境問(wèn)題。油電混合動(dòng)力汽車(chē)具有十分顯著的優(yōu)勢(shì)，對(duì)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展也具有重要促進(jìn)作用，因此現(xiàn)階段需要針對(duì)油電混合動(dòng)力汽車(chē)加大研發(fā)力度，并深入分析與研究相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，使油電混合動(dòng)力汽車(chē)的整體性能得到進(jìn)一步提升，發(fā)揮出該類(lèi)動(dòng)力汽車(chē)具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，緩解能源消耗問(wèn)題，改善環(huán)境污染現(xiàn)狀，從而促進(jìn)我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展[8]。

審核編輯：郭婷