油电混合动力汽车：节能与环保的完美结合

1 混合动力电动汽车概述

在新的社会发展背景下，各国汽车保有量逐年增加，在石油消耗量剧增和日益严峻的环保压力影响下，汽车行业被迫向节能环保方向转型升级。混合动力汽车可以有效满足环保节能的要求，不仅拥有充足的动力来源，还可以减少相关的环境污染问题，如图1所示。具体来说，混合动力汽车是一种通过一次以上的能量转换来为车辆提供驱动力，可以在一台车上使用电驱动和辅助动力装置的混合动力汽车。混合动力汽车将传统能源与电能有效结合，不仅可以提高相关车辆的燃油经济性，还可以减少尾气排放，降低环境污染程度。

图1 混合动力汽车示意图

2 混合动力电动汽车的分类

混合动力汽车按照动力源的能量耦合方式可分为并联型混合动力汽车、串联型混合动力汽车、混并联型混合动力汽车；按照电能占总输出功率的比例可分为轻度混合动力汽车、中度混合动力汽车、重度混合动力汽车三类。

2.1 结构分类

根据混合动力电动汽车电动机、发动机和传动系统之间的连接方式，混合动力电动汽车的结构形式可分为混合式、并联式和串联式三种类型[2]。

第一，串联式混合动力汽车。在油电混合动力汽车的相关结构中，串联式混合动力汽车的结构相对简单，在发电时主要连接发动机和发电机，其驱动环节需要连接减速机构和电动机。在串联式混合动力系统的实际运行过程中，发电环节可以将发电的电能通过逆变器进行转换，提供给电动机，使其进行相应的工作，多余的电能可以储存在电池中。当发电机停止工作或电力不足时，电池可以为电动机提供电能。在这种结构下，电动机和发动机之间的控制保持独立。在最佳工况下，燃油发动机可以进行相关的工作，但由于能量转换需要经过机械能到电能再到机械能的过程，其整体效率降低。对于串联式混合动力系统来说，主要适用于客车等大型车辆，但在高速度、大功率的条件下无法发挥良好的效果。

其次是并联式混合动力汽车。对于并联式混合动力系统，一般应用于插电式混合动力汽车，发电机和电动机需要同时接入减速机构，才能有效驱动车辆，保持车辆正常行驶。现在的混合动力汽车大多采用这种结构，不仅结构比较简单，而且动力性能和油耗也比较好。但当系统起到动力辅助作用时，往往会受到电池容量的限制。

最后是串并联式混合动力汽车。在三种混合动力汽车结构中，串并联式混合动力系统相对复杂，兼具了串联和并联结构的优点。串并联式混合动力系统在实际运行中，应有效配备动力耦合装置，实现发动机动力的分流，使其具体分为机械动力和电力两个分量，这样才能合理利用发动机动力，从而提高其工作效率[3]。其动力传动系统如图2所示。同时，该系统还可根据传动装置与发动机的连接方式，分为输入型、输出型和复合型分流型。其中，输入型分流系统运行时，其行星传动机构的两个分量需要分别与电动机和发动机连接，第三个分量需要与另一电动机和输出端有效连接。在传动比较低的区域，该结构的工作效率较高，而在高速状态下，电机的转速会提高，使电力的实际比例增加，使得电力出现反向的传输路径，进而产生动力循环，降低了传输效率。在行星传动机构中，输出分流系统的其中一个部件分别与发动机和电机相连，而第二个部件则需要与另一个电机相连，第三个部件作为具体的输出端。在传动比较高的区域，该结构的工作效率较高，而在低速时，会出现动力回流，从而降低系统的传输效率。对于复合式动力分流结构，一般需要配备双行星齿轮的耦合装置，六个机架中需要两个机架相互连接，形成四个独立的节点。在这个过程中，需要三个部件分别与两个电机和发动机相连，另一个作为输出口。该方法可以兼顾输入、输出两种分离模式的优点，且能量流动路线相对较多。

图2 电力传输系统示意图

2.2 混合度的分类

依据混合动力汽车的混合动力程度，即电力占总动力的比例油电混合动力汽车大全，混合动力汽车可分为轻度混合动力、中度混合动力和重度混合动力三种类型。

第一，轻度混合动力系统。这种混合动力系统一般配备ISG电机，即集成启动发电电机。利用这种电机可以避免发动机怠速运转。电机不参与驱动或能量转换过程。

其次是轻度混合动力系统，这个系统在实际运行过程中，使用的是功率更大的ISG电机，和轻度系统的区别在于，这个电机在车辆正常行驶时，能够提供不错的驱动力。

最后是重度混合动力系统，这种系统通常是混合动力程度在30%以上的混合动力系统，这种结构在实际应用中，需要配备大功率的电动机和发电机[4]。

3 混合动力汽车关键技术

分析了混合动力系统的能量传输路线，具体包括机械动力和电力两种，涉及的环节比较多，包括发动机驱动、电机驱动、变速箱驱动以及电池等，因此系统集成度比较高。在未来混合动力汽车的发展中，为有效提高混合动力系统的燃油经济性和动力性，需要加大对其关键技术的研发，包括以下几个方面。

3.1 高能量密度电池

目前纯电动汽车由于电池性能不足，续航里程相对较短，混合动力汽车的研发与应用可以在一定程度上有效解决这一问题。为保证混合动力汽车在爬坡、加速过程中能有较大的峰值功率，对电池的功率和能量密度也提出了更高的要求。随着我国汽车轻量化革命的不断深入和有效推进，需要为混合动力汽车有效配备高效的电池管理系统和高能量密度的电池，进一步提升混合动力汽车的综合性能。具体而言，在插电式混合动力汽车的实际使用过程中，电池容量对车辆的油耗水平有着重要的影响，而相关的非插电式混合动力汽车为了延长车辆电池的使用寿命，往往会在电池系统中采用浅充电、浅放电等相关控制策略，从而降低了电池的能量密度，不符合汽车轻量化的相关发展要求。因此，在未来混合动力汽车的发展中，无论采用磷酸铁锂电池、三元锂电池、镍氢电池中的哪一种，都应有效提高电池能量密度。此外，还需开发完善的电池使用状态监测管理系统，并在混合动力汽车上进行有效配置，以充分发挥电池性能，有效延长电池的实际使用寿命。

3.2机械传动结构

对于纯电动汽车而言，整车结构中已不再安装传统意义上的变速箱。而混合动力汽车往往仍具有相应的机械传动环节。尤其在采用串并联混合动力系统时，行星齿轮与齿轮传动可构成特定的动力耦合装置，其工作效率和可靠性对整车性能有决定性的影响。在对混合动力汽车系统进行改进更新时，为减少传动环节的磨损，保证传动可靠性，对传动比为1:1的第二排行星传动进行相应修改，将其改造为平行轴齿轮传动[5]。

3.3 电机驱动技术

随着我国科技水平的不断提高，混合动力技术也得到了快速发展，有效提升了电机的性能。在混合动力汽车中，电机除了作为驱动装置外油电混合动力汽车大全，还能参与能量转换过程，是实现能量转换的重要环节。这也使得混合动力汽车在电动模式和发电模式下都能保证运行的有效性。同时，当电机达到峰值功率时，还能有效发挥制动恢复、车辆加速、电驱动、起步等相关功能。目前，在混合动力汽车的实际使用中，电机主要有异步电机、开关磁阻电机、直流永磁电机和交流永磁同步电机等四种类型。在选择电机时，需要充分考虑其成本、效率、性能和质量等因素。因此，在未来的混合动力汽车发展中，需要切实开展电机质量提升、体积减小、性能提升等方面的研发工作。要实现电机的高效运行，需要合理采用相关的驱动技术。在混合动力汽车产业的快速发展中，混动系统电机功率也显著提升，这也对驱动电路的性能提出了新的要求，需要有效保证电路中功率放大模块的作用。另外，还需对具体的控制算法进行合理优化，以有效提高电机转速和转矩控制的稳定性、可靠性和准确性[6]。

3.4 车辆控制

在混合动力系统中，车辆的控制策略就是其大脑。我国前期开展的相关研究工作，可以通过具体的实验数据，有效地映射出发动机的工作点，并通过对比控制策略的仿真结果，反推出国外车型的相关控制策略。至于控制策略，一般可以分为三种类型，即预测控制算法、离线全局优化算法和基于规则的控制策略。这三种控制策略各有优缺点。首先，基于规则的相关控制算法不能充分发挥行星混合动力系统的节能潜力，所能达到的控制效果比较有限。其次，离线全局优化算法不能充分保证控制的实时性，对工况的适应性比较低。最后，预测控制虽然有效地摆脱了工况的限制，但在实时性上仍然存在一些不足[7]。对此,为了有效提高混合动力系统的性能,需要对控制策略进行有效的开发和改进,使得其具有良好的实时性,能够应用于实际的车辆控制器中,并提高燃油经济性。

4 车载能源管理系统

在能源短缺和环境污染日益加剧的背景下，我国对新能源产业的发展也提出了更高的要求，需要加大节能环保技术的应用。混合动力汽车可以采用多种动力源，实现能量流的多样化回收，有效实现低排放、低能耗的发展目标，对我国新能源产业的发展具有重要意义。在混合动力汽车中，电机是非常重要的部件，当汽车制动时，电机可以作为发电机使用，使车辆的动能有效转化为电池电能。对于电机来说，其具有扭矩和功率方面的输出特性，因此建模时需要将电机和控制器作为一个整体进行充分考虑。在构建电机模型时，需要保证满足制动和电动两种工作模式。

混合动力汽车的电机驱动系统与工业驱动电机的要求有较大不同，对于工业驱动电机，主要优化的是额定工作点，需要结合典型工况进行设计。混合动力汽车所采用的驱动电机需要适应更加复杂的路况，还需要能够频繁地进行加速、减速、停车、启动等操作，在爬坡或低速行驶时要保证大扭矩输出，在高速行驶时还要保证输出功率大和电机转速范围宽。同时，燃油发动机是混合动力汽车中的另一个动力源，与其相比，使用驱动电机可以有效降低控制成本。在匹配混合动力时，通常需要在此基础上选择发动机并配备驱动电机。因此，驱动电机的控制和选择对于混合动力汽车来说非常重要，直接影响到其动力输出的及时性和稳定性，也关系到驾驶员的操控感。如今在混合动力汽车中，相关电驱动部分主要采用有刷直流电机、永磁感应电机和磁阻电机。其中，由永磁同步电机组成的驱动系统不仅效率高，而且体积相对较小，具有结构简单、重量轻、输出功率大等优点，并能实现有效的控制。因此在混合动力汽车中，永磁电机的应用相对比较广泛。

与传统燃油汽车和电动汽车不同，混合动力汽车拥有两种以上的车载能源，两种能源的特性可以互补，从而改善和提升车辆的性能。为了协调两种能源的互补性，需要采用相应的控制策略，以提高燃油经济性并使车辆行驶性能保持在最佳状态。

5 结论

综上所述，在我国发展过程中，能源短缺和环境污染是影响可持续发展的两个根本问题。在经济快速发展的背景下，城市汽车数量也不断增加，使两个问题更加严重。对此，我国需要有效发展低排放、低污染、节能高效的混合动力汽车，以缓解能源和环境问题。混合动力汽车具有非常显著的优势，对我国汽车产业的健康发展也具有重要作用。因此，现阶段需要加大对混合动力汽车的研发力度，对相关关键技术进行深入分析和研究，进一步提高混合动力汽车的综合性能，充分发挥该类动力汽车的技术优势，缓解能源消耗问题，改善环境污染现状，从而促进我国的可持续发展[8]。