基于混合动力技术的新能源汽车关键技术及策略研究

摘要：在可持续发展战略环境下，我国更加注重环境保护以及能源节约，新能源汽车顺势而生。当前新能源汽车已成为汽车产业发展的主要方向，但其发展时间尚短，具有较大的发展空间，如氢气等清洁燃料制取难度较大，且不易保存，影响到了实际应用与推广，而纯电动汽车续航能力有限，造价较高，所以混合动力技术成为当前新能源汽车发展中的重要研究方向。基于此，分析混合动力汽车系统的工作特点与类型，阐述其关键技术，并提出了发展策略。

关键词：新能源汽车；混合动力技术；发展

中图分类号：U469.7  收稿日期：2023-04-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.005

1 混合动力汽车定义

新能源汽车行驶环节，可使用更加清洁的太阳能或电能进行驱动，减少燃油消耗，从而降低对环境的不良影响。通过应用混合动力技术，可以使新能源汽车获得更多形式的动力，更好地突出新能源汽车优势。混合动力汽车表示的是包含多个驱动系统的汽车，其行驶功率根据实际行驶状态，由驱动系统单独或共同提供。因为各部件存在不同的组成结构，在布置方式、汽车控制方式上也存在较大差距，进而构成了不同类型的混合动力汽车。由于混合动力汽车不会产生较大的能量损坏，也不会对环境产生严重污染，因此对混合动力汽车的开发获得了社会各界的广泛关注。

混合动力汽车工作原理为：汽车刚启动时，蓄电池中由于拥有充足的电量，能够为汽车行驶供能，此时辅助动力系统不发挥作用，处于休眠状态，当消耗超过40%的电量后，辅助动力系统会发挥作用；若汽车能量消耗较大，无法仅通过蓄电池供能，还需要借助辅助动力系统，因此在两者共同作用下，满足汽车行驶需求；若汽车能量较小，通过辅助动力系统可以保证驱动系统正常工作，并且还能使蓄电池获得能量，实现良好续航［1］。

2 混合动力汽车系统的特性

2.1 混合动力系统工作特点

a.相比于同类型的发动机车型，混合动力汽车存在较为明显的优势，主要体现在热力与电力上，混合动力汽车可以合理调配热力与电力，不仅可以减少油耗，还能有效降低污染物的排放量。

b.混合动力汽车中，电动机属于辅助动力，在这种模式下，可以实现能量的有效回收，还能进一步提升燃料经济性能。

c.混合动力汽车行驶环节，能够通过降低发动机负荷，有效降低噪声。

d.通过改造现有加油站，能够降低混合动力汽车成本，无需进行燃料供应站的重新建设。

可见，混合动力系统存在较为明显的特征，满足汽车行业可持续发展要求。

2.2 混合动力汽车的类型

a.串联式混合动力汽车。这种类型的汽车只拥有一套电力驱动系统，主要由驱动电机、发电机以及发动机构成，在以上系统的串联下，共同构成了动力系统。串联式混合动力汽车行驶环节，发动机启动后，会带动发电机，随后由发电机为蓄电池充电，从而由蓄电池进行电能储存。电动机工作过程中，可通过功率转换器向电动机传送电能，使汽车获得驱动力。该类型汽车主要由电动机提供动力，在城市道路中较为适用，整个驱动环节处于低油耗高效工作区域，蓄电池处于充电状态。这种动力系统常应用于卡车以及公交车上，由于机械结构较为简单，能够有效降低油耗。不过因为系统存在较多环节，动力到达车轮需要经过两次传递，传递环节会损耗较多能量，无法获得较高的机械效率，特别是在高速路况下，会增加油耗。串联式混合动力汽车的结构如图1所示。

b.并联式混合动力汽车。这种类型的汽车在行驶环节中，发电机与发动机不仅能够单独输出动力，还能进行动力的叠加输出，实际上是在内燃机汽车上配置了电能驱动系统。并联式混合动力汽车起步时，具体依靠电动机提供动力，随着速度的不断提升，发动机会发挥作用，为整体提供驱动力，当汽车存在较大转矩需求时，电动机与发动机会共同为汽车提供驱动力。通常情况下，并联式混合动力系統低速运行时，属于纯电动模式，而在高速时，通过发动机驱动，该环节会有较高的燃油效率，由于应用了功率较小的电动机与电池，在一定程度上降低了整车成本。并联式混合动力汽车的结构如图2所示。

c.混联式混合动力汽车。这种类型的汽车集合前两种汽车的优点，在结构上仍包括电动机、发电机与发动机。发电机与发动机属于串并联结构，汽车行驶过程中，发动机会向车轮传递输出功率，并且也会满足发电机发电需求。混联式混合动力汽车中存在两个电机，两套驱动系统，一个电动机用于驱动车轮，一个电动机在汽车处于极限性能时，可以向车轮直接输入动力，并且当蓄电池电力不足时，可以作为发电机使用，满足蓄电池充电需求。

由此可以看出，该类型汽车存在两种工作模式，汽车在极限工况时，会通过串联式模式工作，当汽车行驶于高速路段时，会通过并联式模式工作。混联式混合动力汽车包含串联和并联的优点，无论在何种工况下，均能实现高效率、低排放。不过这种结构存在一定的复杂性，受技术水平限制重量加大，加上工作模式复杂，成本相对较高。混联式混合动力汽车的结构如图3所示。

3 混合动力汽车的关键技术

3.1 整车能量管理控制系统技术

研发混合动力汽车时，实现控制策略属于其动力系统的核心，国外在混合动力汽车策略的实现能力上相对成熟，而我国混合动力汽车发展较晚，加上技术水平的限制，在相关工作开展环节，只能借助实验数据实施仿真分析，对国外应用策略进行测算。

通常情况下，可将控制策略分为以下几种：a.以确定规则为主的控制策略；b.离线全局优化算法；c.预测控制算法[2]。以上几种控制策略有着不同的优点与缺点，其中，确定规则为主的控制策略，其算法获得的结果存在较大的局限性，无法全面展现出混合动力系统的节能优势，因此若想提升混动系统性能水平，需要重点开发控制策略，同时确保开发的策略具有较强的实时性，有效提升燃油效率与节能效果。

实际设计控制策略时，应做好如下工作：重点优化发动机工作点；优化发动机工作曲线；优化发动机工作区；减小发动机动态波动；限制发动机最低转速；减少发动机开/关次数；保证蓄电池荷电状态；保证蓄電池电压安全；分工适当。

3.2 驱动电机控制技术

对电动汽车而言，电动机属于心脏，其重要程度等同于发动机，需要满足效率高、能量密度高、重量轻、体积小等要求。研发过程中，应注重永磁同步电动机与交流感应电动机，对于经常停车、启动、低速运行的城市工况，应采用永磁同步电动机驱动，对于高速、匀速行驶的工况，需要采用感应电动机驱动。当前虽然纯电动汽车不再涉及传统变速箱构架，不过受到技术水平限制，系统中仍存在通过齿轮类结构转动的功率耦合装置，这种装置的可靠性会对整车性能产生直接影响。混合动力技术发展中，电机的功能发生了重大变化，不只属于驱动单元，还能实现能量有效转换。具体设计环节，应综合考虑各项因素，做好电机选型工作，以保证整车性能。

3.3 电池管理系统技术

相比于纯电动汽车，混合动力汽车在电池性能上存在不同的要求。混合动力汽车电池工作时，通常会进入非周期性充放电循环中，存在较高的电池充放电速率，这种情况下，混合动力汽车电池不仅要满足高能量密度要求，还应满足高功率密度要求，从而在爬坡与加速环节可使汽车获得更大的峰值功率[3]。电池工作温度、充放电历史等，均会对电池寿命及性能产生影响，如果出现过放电以及过充电等不良问题，很容易使电池性能大幅降低，严重情况下还会使电池损坏。而利用电池管理系统可全面监控电池工作环境与工作过程，准确预测电池剩余电量，实现对电池能效的充分利用，有效延长电池使用寿命，因此混合动力汽车发展中，需要进一步提升电池与其管理系统的技术水平。

3.4 混合动力切换控制关键技术

a.切换系统与车辆动力学建模。针对不同工作情况，进行混合动力电动汽车相关设备动力学模型构建，在转矩模型观测器的应用下，实时监控内部设施运行数据，获得动态数据变化模型，对电动机与发动机动力特性实施专业分析，对控制系统中各耗能、供能装置间的关系进行研究。

b.通过分析混合动力汽车驾驶工作状况、动力切换稳定时间、驾驶状态，了解动力切换协调系统的影响因素，保证汽车能够稳定地进行动力切换。

c.通过仿真模拟研究，可获得相应经验，不过研究数据会与实际数据存在差距，这种情况下需要对研究项目做出调整，通过搭建硬件设施，确保试验数据与实际使用数据相接近，通过对典型状态下混合动力系统动态数据的验证与修改，最终获得针对混合动力系统的协调控制技术。

d.实施动力切换瞬态稳定性实验时，需要对混合动力汽车行驶中，动力系统运行模式及相关数据进行分析。动力系统切换时，应对数据瞬态稳定性问题进行重点考虑，构建动态分析模型，明确动力切换模式临界值。对动力切换协调控制技术过程进行分析，借助软件仿真实验，对比分析动力切换协调控制数据，研究后期应利用硬件设施分析动力切换协调控制数据，若条件允许，应使混合动力汽车在正常路况中行驶，实施监控系统的实际运行状态，进而促进协调控制系统正常运行。通过有效控制动力切换时的瞬态稳定性，避免动力切换时发生故障，提升行驶安全。

3.5 液压蓄能器与多动力源匹配技术

a.液压蓄能器。合理选用液压蓄能器，会对液压辅助单元正常工作产生直接影响，当蓄能器容量过大时，会使系统反应速度明显降低，加大系统布置难度，若蓄能器容量过小，则会影响到制动能量的及时收回。蓄能器性能主要通过两个指标进行衡量，即能量密度和功率密度。能量密度高，可使汽车拥有足够的能量，而较大的功能密度，能够确保车辆制动能量的快速储存与释放。所以，确保蓄能器容积不变的情况下，通过应用合成材料与制作工艺，研究出大功率密度、高能量密度、高能量回收率等蓄能器，应作为该技术的重要发展方向。

b.多动力源匹配技术。对于液压混合动力系统而言，其中包含两套驱动系统，即液压源驱动系统和发动机驱动系统，两者主要是借助动力复合装置进行高效匹配，而混合动力车辆经济性、动力性、排放性能，会受到匹配技术的直接影响，所以，实际匹配环节应综合分析系统关键元件的性能、工作时间以及工作效率，了解各部分的相互影响情况，对关键元件匹配关系进行优化，从而获得更高的车辆性能。

4 混合动力汽车技术的发展策略

4.1 提升技术优势

与其他类型汽车相比，混合动力汽车具有众多优势，如动力性能好、经济实用、清洁环保，因此若想有效促进混合动力汽车技术健康发展，需要进一步提升其技术优势，使更多人认识到混合动力汽车的优势与好处，拓宽受众群[4]。若想实现这一目标，需要将先进的内燃机技术应用于混合动力汽车中，突出其低耗油特性；还应科学选择电机，保证去拥有良好的运行效率；对混合动力汽车实施全面的分析与实验，进一步提升混合动力汽车整体性能，进而使混合动力汽车具备更强的动力性、经济性与环保性。

4.2 降低成本，提升能量再生利用率

a.降低成本。混合动力汽车中不仅拥有动力装置，还拥有电池，这使得混合动力汽车存在较高的制造成本，在一定程度上影响到了混合动力汽车的快速发展。因此需要重点关注混合动力汽车成本高的问题，积极探究电力设备成本的降低策略，通过有效控制电池与电子设备成本，将混合动力汽车成本控制在合理范围内，进一步扩大消费群体。

b.提升能量再生利用率。混合动力汽车技术发展环节，应合理设计汽车内部系统，并且经过一段时间运行后，需要作出合理优化，确保混合动力汽车符合再生制动要求，通过再生能力的应用，使汽车在行驶环节获得更高的再生能量使用率，促进混合动力汽车快速发展。

4.3 重视自主开发与知识产权

我国传统汽车企业发展中，更多的是从国外进行技术、经验引进，技术水平相对落后，因此，混合动力汽车发展环节，应注重自主开发，研发出更多具有自主知识产权的部件与产品[5]。此外，我国存在较多混合动力汽车零部件制造商，其与汽车制造商发展存在较为密切的联系，国家需要为其提供相应政策支持，减少零部件制造商成本资金压力，并且提供一定的财政补贴[6]。只有这样，才能使国内汽车制造商积极进行新产品开发，为混合动力汽车制造商提供性能更优的关键部件，从而有效提升混合动力汽车技术水平。

5 结语

新能源汽车发展中，通过混合动力技术的合理应用，能够有效满足节能减排需求，解决以往汽车高废气排放问题，避免对生态环境产生严重污染。在现代混合动力技术持续发展下，所制造出来的混合动力汽车可更好地满足民众需求，促进社会交通服务不断优化。因此新能源汽车未来发展中，需要加大对混合动力技术的研究力度，充分突出该技术的应用优势，促进新能源汽车朝绿色、低碳、可持续发展的方向迈进。

参考文献：

[1]付宽，辜文杰.浅谈不同视角下混合动力汽车技术的分类[J].时代汽车，2023（8）：17-19.

[2]王春洋，李殿起.混合动力汽车发动机启停控制策略研究[J].机械管理开发，2022，37（12）：304-306.

[3]蔡兰兰.混合动力汽车常见故障与排除技术[J].专用汽车，2022（12）：71-73.

[4]张景轩，程子健.基于混合动力技术的新能源汽车应用及发展趋势[J].南方农机，2022，53（10）：152-155.

[5]李永钧.浅议混合动力技术路线[J].重型汽车，2022（1）：3-5.

[6]张晓英.混合动力汽车的探索与思考[J].汽车工艺师，2020（12）：8-9.

作者简介：

吴小丽，女，1990年生，助教，研究方向为新能源汽车技术。