混合动力电动汽车关键技术研究

雷汝婧

摘要：本文对混合动力电动汽车的研究现状做了简要的叙述，对其未来的发展趋势做了简要的分析，着重针对混合动力汽车的工作模式、能量源、及可再生能量储存系统等关键技术进行了较为详尽的分析。

关键词：混合动力；工作模式；能量源；能量储存系统

近年来，随着科技的不断进步，技术的不断发展，电动汽车技术得到了迅猛地发展，很多汽车制造商也将目光投向电动汽车领域，不断促进了电动汽车的商业化。电能是无污染的清洁能源，但是，纯粹的电动汽车商业化的过程中存在生产成本高、行程短、使用成本高等弱势，所以混合动力电动汽车优势凸显。混合动力汽车能源利用率高、相对环境污染率较小，也克服了纯电动汽车行程短的缺点。

我国已在混合动力电动汽车的关键单元技术、系统集成技术及整车技术上已经取得了一些重要进展，混合动力车辆的研发工作在各大汽车公司和各大高校中取得了一定的成果。

1.混合动力电动汽车工作模式分析

1.1串联式运行模式

串联式运行模式多见于城市公交车或原型车，优点独特。通过APu和电力驱动系统的连接，形成了更加灵活的系统布局，如果行驶里程较短，可以实现在不启动发动机的情况下驱动车辆，驱动能量来源于电池，有效控制排放。

具体到串联式系统的工作模式，可以分为充电、辅助、零排放以及能量再生四种。关于充电模式：发动机工作，向系統提供能量，但是仍有剩余，这部分多余的能量可以电池的形式储存。关于辅助模式：此模式下的发动机也照常工作，但是与充电模式相反，所提供的电能要低于需求，而此时，电池中储存的电能得以释放，作为辅助驱动能量保证汽车的正常运行。关于零排放模式，发动机不工作，车辆的驱动能量完全由电池承担。关于能量再生模式：如遭遇制动工况系统产生的机械能就会转化为电能，并储存到电池中，如果电池电量已充满，继续转化的电能可以直接转化为热能，以减少电池发热的问题。

在串联式系统下，在能量消耗方面既有优势也有不足。一方面，由于其独特的结构，发动机与传动系统相互独立，对于汽车的能量需求，需采用相关控制措施对动力单元进行调控，用来满足车辆对动力的需求，使动力系统的工作效率得以提升。为了保证汽车系统的工作效率，必须设置与之匹配的内燃机。另一方面，在串联系统中，机械能转化为电能的过程中存在能量损失，使得整流器、电动机、电池等部分都会成为发生能量损失的节点，多方累计之后，能量损失就会变得严重。

1.2并联式运行模式

并联式系统下，车辆的驱动主要依靠发动机和电动机/发电机，在传动系统的作用下驱动车轮实现车辆的运行。其中，在汽车行驶过程中的电动机/发电机的运行驱动力来自汽车自身所装配的电池，在车辆运行的同时对电池进行充电。大量混合动力电动汽车为了提升动力系统的性能，往往前轮和后轮的能量来源不一致，前轮由发动机驱动，后轮由电动机驱动。

并联系统的工作模式与串联系统相似。在充电模式下，车辆由电动机和发动机共同驱动，同时，由于车辆所需能量较少，发动机可以将多余的能量储存在电池内。其次，在辅助模式下，车辆的驱动也由发动机和电动机提供，但是，此时停止对电池的充电，全部用于汽车的驱动。关于常规模式，就是利用发动机来对车辆进行驱动，确保汽车的正常运行。在零排放模式下，所属的车辆属于完全电动的状态下，再次状态的能量再生模式下，系统将制动产生的能量转化为电能，储存于电池中。

关于并联式系统的能耗优势，首先是发动机可以直接向车辆提供驱动，能量传递过程中的消耗仅仅集中在传动系统，比串联系统优越。但是在系统内，发动机的工作区域处于变化之中，这种变化与功率有关系，当大功率输出时，发动机工作在适当区域（兼顾动力性和经济性等）提供主要动力，电池辅助发动机，提供剩余部分的能量；当小功率输出时，发动机只需用少部分能量来维持其基本工作状态，余下的能量都用来对蓄电池进行充电。与串联式车辆相比它可以提供更高的转矩，与常规车辆相比效率更高。但是，在并联式系统下，也由于多不容忽视的弊端，汽车中存在着过多所需要的零部件增加了车辆的有效重量，从而影响到汽车中相关资源的功率输出和能量消耗的问题。

2.混合动力电动汽车的能量源分析

2.1串联式系统组成和能量传递

串联式的动力组成分为两部分：电池一驱动电动机以及发动机一发电机，后者的电能可以通过控制器、逆变器等装置实现对电能的传递，实现对电机的驱动，同时，也可以凭借控制器和整流器等实现电能的电池存储。在串联方式下，能量传递的流程如下图1所示，直流电源由动力电池组提供，电能在输送、转化以及传递过程中存在着能量的损失，故电机输出功率相较比车辆行驶中的阻力功率和能量损失来说，还有比较大的差值。此外，再生制动能量回收也会作为能量传递和损失的重要方面，但是不具有稳定性、可靠性和确定性，能量来源功能不具有说服力。

2.2并联式系统组成和能量传递

在并联结构下，动力来源于发动机或动力电池组一电动/发电机，其中，发动机是主要的动力源，用于驱动汽车的行驶。而另一部分的电动/发电机仅仅起到辅助作用，用于启动、加速或爬坡过程中。发动机、电动/发电机的功率之和就上面的分析相比不会大于相关阻力耗损，而是与之相等或小于车辆阻力之和，这样的设计可以将汽车重量得到控制，体现经济性和动力性，并有效控制成本，下图2为并联式能量传递流程图。

3.可再充式能量储存系统

电池的应用历史较为持久，从19世纪中叶开始的铅酸电池，再到后来的铁镍电池、镍镉电池，电池在结构、工艺、材料等方面不断改进，性能日益完善。上世界80年代，氢镍电池的诞生和应用以及90年代的锂电池，延长了电池的使用寿命，并使其性能得到了提高。从目前的情况看，电动汽车的电池主要有铅酸电池、氢镍电池以及锂电池，尤其是后两者，在实践应用中最为广泛。

其中，氢镍电池是属于碱性电池的一种，不会对环境造成重金属污染，被称为“绿色电池”。其优点在于具有良好的能量密度和功率密度，在车辆的使用过程中，循环使用寿命较其他电池更高，能够实现快速充电和深度放电，充电效率和放电效率都很高，能量损失少。但是，在实际中，缺点也十分明显，成本高，单体电池电压低，自放电过程中损耗较大。

锂电池是目前各方面性能最佳的电池，将其用于电动汽车，可以充分发挥容量和功率方面的优势。锂电池具有的优势包括：较高的能量密度和功率密度，较大的功率输出密度，单体电池电压较高，充电和放电效率也较高。但是，锂电池并不是完美的，在使用过程中也暴露出一些问题，比如充放电性能差，价格较高，过充放电保护等。

此外，超级电容器和飞轮电池也是十分常用的。超级电容器，又被称为电化学双电层电容器，是目前一种新型的储能元件，主要的优点包括：动力性能优越、能量回收率高、储能设备性能更加优化、低温性能较好、辅助性能较高。而飞轮电池的应用能有效地提升主动力源功率输出的稳定性，并使能量回收的效率得到提高，实践意义重大。