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混合动力电动汽车关键技术的应用

2020-06-15 406 上传者：管理员

摘要：由于国家对汽车排放法规与油耗限值要求越来越严格，传统内燃机在汽车上无法同时满足排放与油耗法规的要求。采用混合动力方案的电动车有效降低了纯电动汽车能耗大的空调、取暖、除霜等问题，让电池保持良好的工作状态，避免过度充放电，延长蓄电池的寿命，降低汽车的生产成本，因此成为当前传统汽车向纯电动汽车过渡阶段大力发展的方向。分析了混合动力电动汽车的串联式结构、并联式结构、混联式结构三种基本形式，以及电池技术、控制技术、发动机技术等混合动力电动汽车的关键技术。

关键词：
控制技术
汽车工业
混合动力电动汽车
电动汽车能耗
电池技术
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电动汽车是近年来汽车工业发展的一项新产业，它有效缓解能源紧张以及环境污染等问题，是一种新型环保产业。由于当前的纯电动汽车受到生产价格、蓄电池续航能力、充电技术等方面的限制，一定程度上限制了纯电动汽车的发展。混合电动动力电动汽车拥有两种不同的动力源，在汽车不同的行驶状态下分别工作或者同时工作，以达到最少的油耗和尾气排放。混合动力电动汽车能源利用率高、无污染，比较环保，打破了纯电动汽车的限制，可以采用常规内燃机做动力，也可以用电机进行驱动，比传统汽车更加节能环保，因此近年来快速发展，已经成为城市重要的交通工具。由于混合动力电动汽车采用不同的动力源，对发动机技术、动力电池、电源技术等技术提出了新的要求。

1、混合动力电动车的工作形式

混合动力电动汽车的发动机与传动系统解耦合，发动机可以选择避开低效率的工作区域，发动机工作将时时处于高效区域。混合动力汽车在减速或者刹车时，可以实现能量制动回收，对能量进行循环利用。目前混合动力电动车主要有串联式、并联式、混联式的三种工作形式：

1.1 串联式结构

串联式驱动系统有发动机、电动机、控制器、传动系统以及电池组等构成，发动机发动产生的机械能直接传送到发电机，发电机将机械能转换为电能，汽车电驱动系统可以通过蓄电池的电能或者直接利用发电机产生的电能驱动车辆。串联式结构发动机仅与发电机直接连接，发动机与汽车传动系统无机械连接，发动机启动以及运行工况由发电机控制，可以选择控制发动机在最低油耗区工作，发动机热效率高，节油效果明显。相对于传统车型，发动机参与整车传动，在城市复杂的路况反复启停、怠速、急加速过程中，发动机处于低效率区，总的油耗与排放无法法规要求。这种结构适合城市大型汽车，不适合小型汽车[1]。

1.2 并联式结构

并联式驱动系统电动汽车有发动机和电动机两个独立的动力系统，汽车在行驶过程中可以由发动机或者驱动电机单独提供动力，或者也可以由两个系统共同提供动力，并联式结构将汽车机械传动装置和耦合装置串联在一起，取消了串联结构中的发电机，结构比较简单，可以在复杂的环境下运行。但是并联式结构需要安装两套动力系统、控制系统以及机械切换系统，所以生产成本比较高。

1.3 混联式结构

混合式结构是综合了串联式结构和并联式结构，这种结构下不但可以实现单串联或者单并联结构，而且还可以实现串并联共同运行。发动机发出的功率一部分通过机械传动装置传送到车轮，另外一部分则驱动发电机发电。汽车低速行驶时可以驱动系统以串联方式工作，汽车高速行驶时以并联方式工作，司机可以根据汽车行驶过程中的不同需求选择不同的驱动模式，从而更好的发挥出电动驱动工作模式和发动机驱动模式的优势，达到降低能耗的目的[2]。

2、混合动力电动汽车关键技术

混合动力电动汽车的研发需要解决内燃机燃烧系统、蓄电池的蓄电能力、传动系统的匹配性能以及控制系统的控制策略等问题，从而才能达到省油环保的目标。

2.1 发动机技术

发动机主要为汽车提供动力，是汽车的心脏，决定了汽车的动力性能、经济性能、环保性能能。发动机对混合动力电动汽车的性能影响比较大，因此需要加大发动机技术的研发，提高发动机的动力性能，达到降低能耗的目标。发动机的性能指标包括动力性、经济性、环境性、可靠性以及耐久性[3]。随着新能源汽车的发展，全球各大汽车厂商正在加快新能源汽车关键技术的研发，比如通用公司最新的2.0T发动机采用停缸技术，通过停缸机构关闭进、排气门，同时相应气缸的喷油系统也被关闭，实现了降低燃油消耗的目标。日本丰田公司混合动力车型的发动机采用阿特金森循环、高EGR率以及降摩擦等先进的节能技术。

2.2 电池技术

电池技术是电动汽车发展遇到的主要瓶颈，混合动力汽车的电池处于频繁充、放电过程，电池、电压变化比较大，如何提高电池快速充电或者放电效率，并在充放电过程中保持相对稳定的工况，以免影响到整个汽车的传动系统。目前主要的电池有铅酸电池、镍氢电池、锂电池，锂电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成，正负极及电解质材料的不同和工艺的差异使电池具有不同的性能。目前锂电池正极材料主要是钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料镍钴酸锂以及磷酸铁锂。负极主要是碳材料，新的负极材料有锡基、硅基、合金材料（钛酸锂）等。

锂电池的质量比能量高达300Wh/kg以上，是镍氢电池的4倍以上；而且体积比能量高达400Wh/L以上，体积是相同能量铅酸电池的1/3到1/4；锂电池的循环寿命长，循环次数可达1000到2000次；另外锂离子自放电率低，充放电无记忆效应，目前是最理想也是应用得最多的动力电池方案。锂电池在使用过程中不会产生有害重金属元素和物质，是一种非常环保的产品。因此，广泛应用在水力、风力、太阳能电站等储能装置。电池技术一直是新能源汽车研发的重点内容，国内的新能源汽车厂商比亚迪研发的动力电池秦Pro EV500具有高容量、热稳定、充放电压宽等优点，提高电池的续航能力，并采用柔性电路板，确保了线束的安全性和电池模块的安全[4]。

2.3 控制技术

电动汽车电子控制系统由传感器、电子控制元件和执行元件构成，汽车行驶过程中，传感器采集到汽车运行的各类信息，并将信息传输到电子控制元件，电子控制元件接收到这些信息以后，按照控制系统预先编写好的控制程序进行决策和处理，并将控制信号传送给执行元件，执行元件接收控制信息，执行相应的动作。随着汽车工业的发展，计算机信息技术、物联网技术、人工智能技术、自动控制技术以及专家控制系统等广泛应用在汽车生产领域。

目前，混合动力电动汽车控制技术研究方向主要是将传统的汽车动力控制系统、混合动力控制系统以及制动能量回收控制结合起来，打造更舒适、安全、节能的空间环境[5]。控制技术主要目的是让发动机处于高效的工作区域，减少汽车的油耗和排污，充分利用发动机的热量。能量制动回收是混合动力电动汽车研究的重点内容，目前发达国家的电动汽车，在相同的WLTC工况测试中，能量制动回收可以节省20%的能量需求。

2.4 电机技术

电机主要通过电磁感应产生驱动转矩，为混合动力电动汽车提供动力源。汽车行驶过程中，会频繁的减速、加速、停车、启动，在减速或者加速运行时，需要高转矩，在匀速行驶过程中需要低转矩。汽车在不同工况下对电机的性能要求不同，因此，电机必修具备大的工作转矩，较宽的速度调节范围，足够的转速以及能量回收，满足混合动力电动汽车的要求。目前的直流电动机、异步电动机、交流电动机以及开关磁阻电动机技术相对已经成熟，但是无法适应电动汽车运行工况要求，因此需要加快驱动电机的研究。哈尔滨工业大学研发的一种多台电机将混合式进步电动机和异步电动机结合在一起，形成多组态电动机，可以同时发挥出进步电动机和异步电动机的优势，提高电动机的传动效率。

3、结束语

混合动力电动汽车有效解决了传统汽车高能耗、高排放的问题，是未来汽车工业相对一段时间发展的方向。然而，当前的混合动力电动汽车在发展过程还存在续航能力差、发动机燃烧效率低等问题，严重影响到混合动力电动汽车的发展。因此，需要加快混合动力电动汽车的关键技术研发，促进新能源汽车行业的发展。

参考文献：

[1]梁力艳.混合动力电动汽车关键技术浅析[J].科学与财富,2019(25):287-289.

[2]韦志成.探析新能源汽车维修关键技术的应用[J].大科技,2019(3):186-187.

[3]应状.混合动力电动汽车核心技术分析与研究[J].建筑工程技术与设计,2018(20):3991.

[4]李心月.混合动力电动汽车关键技术分析[J].南方农机,2019(17):94-95.

[5]周浩.混合动力汽车用超级电容及其关键技术的浅析[J].山东工业技术,2018(5):178.

黄家贵.混合动力电动汽车关键技术分析[J].科学技术创新,2020(14):60-61.