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摘要：现阶段混合汽车已经成为传统的内燃机汽车的最佳替代。它也是21世纪初的最理想、最符合实际的绿交通工具。文章介绍了混合动力汽车的三种基本的驱动方式（串联式、并联式、混联式）和它们的优缺点；分析了混合动力汽车的关键技术如蓄电池技术、电机技术、内燃机技术、能量管理技术、整车技术，并提出了解决这些关键技术的措施与开发路线。
关键词：混合动力、驱动方式、关键技术、开发路线
一、引言
能源与环保问题日益突出，而我国汽车工业却日益增长，开发新型的节能环保汽车迫在眉睫。在这种形势下，混合动力汽车应运而生。它既继承了传统汽车高功率、续驶里程长的优点，又兼备电动汽车低排放的特点。显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性，增加了电动汽车的续驶里程。
混合动力汽车（HEV）具有两个或两个以上能量源，当汽车爬坡或加速时，两个或两个以上
动力源联合输出动力 ,蓄电池输出的电能通过电机进行助力；当汽车在下坡或制动时，发电机发电可以对制动能量回收，以电能形式储存在蓄电池中；当汽车较长时间怠速停车时轩逸 汽车 ,可以通过控制发动机熄火 ,实现怠速启停 ,节省燃油减少废气排放。[1]混合动力汽车是传统燃料汽车与纯电动车的完美结合体。
二、混合动力汽车的类型
目前过内外开发与研究的主要有三种类型：串联式混合动力电动汽车 （SHEV）、并联式混合动力电动汽车（PHEV）和混联式混合动力电动汽车（CHEV）。
串联式混合动力系统利用发动机和发电机提供电能 ,电动机是唯一的驱动源。其动力传动系的结构组成如图2-1所示。由于发动机与驱动车轮之间没有直接的机械连接 ,发动机不受汽车行驶工况影响 ,始终保持在最佳工作区稳定运行 ,所以特别适用于在市区低速运行的工况 。汽车在起步和低速时还可以关闭发动机 ,只利用电池提供驱动功率 ,达到零排放要求。
串联式混合动力汽车特点是整车布置的自由度较大，发动机始终保持在最佳工作状态，汽车具有良好的燃油经济性和排放指标；电力驱动是唯一的驱动模式，控制技术简单；驱动
模式决定了发动机、发电机和电动机的功率应接近或等于汽车所需的最大驱动功率，故三大动力总成的功率、外形和质量都较大，整车价格高；电池数量较多，串联布置在中、小型汽车上不容易实现；能量损失较大，发动机输出能量利用率低。
图2-1串联式动力传动系结构图
并联式混合动力系统中有发动机和电动机两套驱动系统 ,发动机和电机分别驱动车轮。它的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。其动力传动系的结构组成如图2-2。由于发动机与驱动车轮之间机械连接 ,没有串联将机械能转换为电能的发电机 ,因此提高了能量转化效率。并联系统结构紧凑 ,比较适用于轿车。并联混合动力系统的传动系统较为复杂，工作模式较多，控制系统复杂，实现形式多样化。
当汽车低速、小功率行驶时，控制器控制电池为电动机供电，实现零排放；汽车以较大功率行驶时，通过调节发动机输出转矩调节发动机的功率；汽车刹车减速，电动机相当于发电机为电池组充电；电动汽车加速、高速行驶时，电池组为电动机供电，发动机与电动机协调驱动汽车。
图2-2并联式动力传动系结构图
并联式混合动力汽车的特点是系统能量的利用率相对较高，这使得并联式的燃油经济性一般比串联的要高；发动机运行直接受到道路行驶工况影响，运行状态较为复杂，因而并联驱动排放性相对串联驱动要差，但可以在较多不良的行驶工况下运行；发动机与电动机都是动力总成，两者可以互相耦合满足汽车功率的要求，系统可采用小功率的发动机与电动机，使得整车动力总成尺寸小，质量也较轻；但发动机和机械驱动系统的机械连接使得机
械装置较复杂，增加了整车布置的难度。当汽车在市区行驶时，可以关闭发动机，由电池组为电动机供电提供汽车的驱动功率，实现零排放。
混联式结构综合了串联式和并联式的特点，其动力传动系的结构组成如图2-3。混联式结构一般以行星齿轮作为动力复合装置的基本构架，混联式混合动力汽车配备的发动机和电动机的功率可以比较小，发动机也比较容易控制在高效区稳定工作，控制策略比较灵活。缺点是结构复杂，成本较高，与其复杂的结构相应，其控制系统也较为复杂。
图2-3混联式动力传动系结构图
该系统适合各种行驶条件，具有良好的燃油经济性和排放性能，既可以外接充电，也可自充电，续驶里程相比内燃机汽车远，是很理想的混合电动方案。整车布置难度较高，电池数量较少，但增加了发电机。控制技术含量高，整车价格高。
三、混合动力汽车开发的关键技术
混合动力汽车是一个复杂的系统工程,涉及的关键技术有蓄电池技术、电机技术、内燃机技术、能量管理技术、整车技术和现代控制理论等。[2-4]
(1)蓄电池技术
作为混合动力汽车的动力源之一，电池性能的高低极大的决定了混合动力汽车技术的先进性。混合动力汽车在工作中电池处于非周期性的充放电循环中,对电池的充放电速率和效率很高。研究与开发高性能充放电、低成本、寿命长的电池,是发展混合动力电动汽车的关键问题之一。
目前，除铅酸电池外，正在研究与开发的电池有镍氢蓄电池、铁镍蓄电池、银锌蓄电池、锂蓄电池、燃料蓄电池、太阳能蓄电池。铅酸电池在国内技术成熟，成本低廉，跟随负荷
输出特性好，比较适合我国发展的需要。但其快速充放电困难，使用寿命不够理想、质量大等方面仍需改进，如可以通过增加电池片数，改进包装方法、使用高效添加剂，开发质量轻便的隔板材料等方法。在国外，各种镍电池飞速进展，这类镍电池储能较大、过充电和过放电性能优良、能带电充电并可以实现快速充电、使用寿命长。突出优点是全密封，免维护。目前，国外大多采用这些高性能的电池提高汽车的续驶里程和性能。但在价格昂贵，研发降低其成本是其推广的关键。
银锌蓄电池的电池能量高,质量轻,温度特性稳定,但价格高,寿命短；锂蓄电池的比能量大,比功率高,充电放电效率高,可以快速充电,功率输出密度大，但锂的制取较困难,管理和使用较复杂,要有严格的安全措施,价格也高。它是未来电池研发的一个方向。
在新型高性能电池的开发方面，燃料蓄电池转换效率高，容量大，比功率和毕能量高。具有广阔的发展前景。已经成为各国研究的焦点。最常见的燃料蓄电池有:碱性燃料蓄电池、磷酸燃料蓄电池、熔融碳酸盐燃料蓄电池、固体氧化物燃料蓄电池、质子交换膜燃料蓄电池等,而以质子交换膜燃料蓄电池应用于电动汽车上最为可能。在绿环保方面，太阳能蓄电池最为理想。它直接将太阳能转换为电能，无污染，零排放。太阳能电池主要有三种结
构：非晶硅，单晶硅，多晶硅。太阳能蓄电池在光电转换率，降低成本方面还需要进一步突破。目前有少数汽车公司把太阳辐射的能量收集起来，并转换成电能，以此为动力的汽车就是太阳能汽车，它是最洁净无污染的交通工具。太阳辐射到地球表面的能量转换成电能，效率可达30%。目前世界上最先进的技术已经能够达35%左右的转换效率。8平米大小的太阳能板能提供一辆小型汽车所需的电力。经测算，一辆太阳能轿车一年可省油500L.今后汽车动力的发展方向最有可能是使用太阳能、燃油、电力等多种能源的混合动力车。[5]
(2)电动机技术
混合动力电动汽车上使用的电动机有感应电动机、永磁无刷电动机等。研究开发体积小、重量轻、工作可靠、动态响应好的电机,对混合动力电动汽车进一步提高动力性和经济性极为重要。
感应电动（交流异步电机）机以鼠笼式感应电动机应用最广,感应电动机的功率容量覆盖面很宽广,转速最高可以达到1.2万r/min,可以采用空气冷却或液体冷却方式,冷却自由度高,对环境的适应性好,并且能够实现再生反馈制动。具有结构简单、维修方便、运行可靠、价格便宜、经久耐用等优点,具有较好的稳态和动态特性。为了解决感应电动机能够在低速下输
出稳定的大转矩。解决感应电机的低速问题的方法主要有:采用滑模方法实现解耦控制,解决低速稳定性问题的；设计专门的低速混合磁链模型,调整定子电阻,解决了低速下恒定大转矩输出的问题。此外，噪音和开关损耗问题也是困扰交流异步电机在电动汽车上应用的问题之一。当感应电机工作在高转速区时,由于电机电感相对较小,容易产生很大的峰值电流,从而引起大量的噪声和开关损耗。因此,需要对功率开关器件的开关频率进行控制,抑止噪声和能量损耗。我过在交流异步电机的设计与制造方面有比较大的优势，所设计的交流异步计电机性能好、工艺先进，可靠性高，已经向包括美国在内等国家出口。
宝马m4随着永磁无刷电动机的性能不断提高,价格逐渐下降，永磁无刷电动机的应用前景将会越来越广泛。主要有两种：永磁同步电动机、永磁无刷直流电机。永磁同步电动机在高速转动时有良好的可靠性,运转平稳,工作时电流损耗小、弱磁控制也容易实现,工作噪声低。所以,它非常适用于混合动力汽车驱动系统。永磁同步电机的基本控制策略是,在低速时采用转子磁链定向的矢量控制,而高速时用弱磁控制,以使电动机基本保持恒定功率,满足电动汽车负载要求。和永磁同步电动机相比，永磁无刷直流电动机的效率高,起动力矩大,过载能力强,高速操作性能好,结构简单牢固,免维护或少维护,体积小质量轻,特别适合混合动力轿车的开发。缺点是噪声较大，可以考虑噪声加消除装置。永磁无刷直流电机的基本控制策略是,在
低速时采用电流斩波控制,而高速时采用弱磁控制,增加电流的去磁分量。方波无刷电动机的弱磁控制通过调节开通角来达到弱磁效果。
(3)内燃机技术
电动汽车电耗内燃机有汽油机和柴油机。先进内燃机技术要求内燃机体积小、重量轻。由于采用了各种先进控制技术,汽油机的排放已降到未加控制前的1%以下。缸内直喷方式有望取代进气道喷射成为汽油喷射主要形式,代表汽油机的发展方向。汽油机存在的问题是缸内积碳、高压油泵的润滑和密封性、喷油器堵塞。因此有效而可靠地实现部分负荷下缸内混合气的分层与稀薄燃烧,是缸内直喷式汽油机的关键。柴油机的燃油经济性优于汽油,如不用催化剂,柴油机的排放性能要优于汽油机。但柴油机的弱点是氮氧化物、微粒和噪声较难控制。已采用的控制措施有:气门、增压中冷、电控高压喷油、滚流/螺旋气道、可变涡流、强紊流燃烧室等。电控共轨式柴油喷射系统是最有发展前途的喷油系统,可以自由控制喷油量、喷油压力、喷油速率和喷油定时。未来柴油机将采用更加轻质材料和超高压喷油、高增压、智能EGR控制、在燃料方面，甲醇、乙醇、CNG、LPG、DME、H2等代用燃料在内燃机上的开发应用会进一步发展,但由于社会基础设施等因素限制,短期内进展不会很快。日产b级车[6]参考文
献 [7]所给出的内燃机的重量已达到临界状态, 它采用内燃机起动机/发电机一体化( ISA/ ISG)技术 , 广泛使用铝镁合金、塑料作零件， 采用薄汽缸体 , 连杆为细的铸钢件加渗碳等 , 整个发动机降低重量达 30 %。丰田生产Prius的的发动机技术达到当代的最高技术水平 , 它的尾气排放污染物降低到同类轿车排放污染物的 10 %左右，在车上的应用效果显示，加上再生制动能量回收，整车效率提高近一倍，整车路边停车技巧CO2 排放降低一半。
(4)能量管理策略
如果说驱动系统是混合动力汽车的心脏,则能量管理系统无疑就是电动车的大脑。能量管理系统协调混合动力汽车发动机、电动机之间的动力分配，电池电荷状态控制等。它包括储能单元，能量管理单元，混合动力系统中央控制单元。能量管理策略作为混合动力汽车控制系统的关键技术，可以大致分为基于规则的能量管理策略、基于智能控制的能量管理策略和基于优化算法的能量管理策略三大类。[8]
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