油电混合动力汽车及其关键技术探讨

赵升吨，杨雪松，王泽阳，钟玮，刘虹源

（西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049）

油电混合动力汽车及其关键技术探讨

赵升吨，杨雪松，王泽阳，钟玮，刘虹源

（西安交通大学机械工程学院，陕西 西安 710049）

新能源汽车产业革命推动了油电混合动力汽车的高速发展，在燃油经济性、整车动力性和续航里程上，混合动力系统具有不可比拟的优势。文章介绍了油电混合动力系统的定义及基本原理、混合动力汽车的发展现状，对比分析了不同类型混合动力系统的结构和特点。最后，对油电混合动力系统的关键技术进行了介绍，并对其发展趋势进行了预测。

油电混合动力；新能源；油耗；动力性能

CLC NO.:U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-20-03

引言

汽车作为目前人类社会最重要的交通工具，已有超过100年的历史，并逐渐成为人们生活中必不可少的一部分。然而随着汽车保有量与日俱增，由此产生的环境和能源问题也越来越引起人们的重视。急剧增长的石油消费、日益严峻的环保压力以及每况愈下的城市交通状况，都迫使汽车产业必须走节能环保的发展道路。中国制造2025规划中明确指出新能源汽车与智能互联汽车是十个重点发展产业其中之一。电动汽车作为新能源汽车中的代表类型，无疑是最具发展前途的。但针对中国目前的能源结构，发电过程中的环境污染不容忽视。根据“wells to wheels”概念[1]，任何与汽车生产、运行相关的环节所造成的排放都应归类于车辆排放，基于此考虑，电动汽车在目前并不是严格意义上的低排放汽车。同时，由于电池的能量密度与汽油相差很大，使得目前电动汽车的续航里程受限。在这种情况下，油电混合动力汽车作为汽柴油车向电动车转化的过渡产品，在接下来的一段时间内会在市场上占领很大的份额，并且向多元化发展。

将电能与传统能源结合使用不仅能改善车辆的燃油经济性及尾气排放，同时车辆原有的动力性能也能得到保证。混合动力汽车与传统车相比具有低油耗和低排放的优势，与电动汽车相比则不需要专门的场外充电设施。[2]参考国际电子电气技术委员会的定义，可将油电混合动力汽车理解为同时利用燃油发动机和电动机两种推动力能源的车辆。

1、油电混合动力汽车的分类

混合动力汽车根据动力源能量耦合方式的不同可以分为三类，分别是串联混合动力汽车、并联混合动力汽车和混联混合动力汽车。[3]还有另一种根据电功率占全部功率输出百分比的分类，可以将混合动力汽车分为轻度混动、中度混动和中度混动这三类。[4]

1.1 基于结构的分类

根据发动机、电机与传动系统的连接形式不同，混合动力汽车有三种结构形式，分别是：串联式、并联式和混联式。

1.1.1 串联式混合动力汽车

串联式混合动力汽车是三种中结构相对简单的一种，发动机与发电机直接连接作为能量产生环节，而电动机与减速机构连接作为驱传动环节，其结构简图如图1所示。串联式混合动力系统中，能量产生环节中产生的电能通过逆变器进行转化后，提供给电动机工作，多余的部分储存到蓄电池中。当发动机不工作或发电机产生的电功率不足时，蓄电池也向电动机供电。该结构中发动机与电机控制相对独立，燃油发动机可工作在较优工况，但是由于所有能量经过了机械能-电能-机械能的转换过程，整体效率较低。此系统较适用于公交等大型车辆，在大功率或较高车速工况下表现不好。

图1 串联式混合动力结构简图

1.1.2 并联式混合动力

并联式混合动力系统通常用在插电式混合动力车辆中，发动机与电动机同时与减速机构连接，驱动车辆行驶，其结构简图如图2所示。目前除丰田外的油电混合动力车辆多采用的是此种结构，该系统结构相对简单且油耗水平及动力性能变现良好，但是动力辅助作用受蓄电池容量的制约。

图2 并联式混合动力结构简图

1.1.3 混联式混合动力

混联式混合动力系统是三种中结构最复杂的一种，它集合了串联式和并联式结构的优点，如图3所示为混联式混合动力结构简图。在混联式系统中，通常需配备行星排等功率耦合装置以将发动机功率分流成为机械功率和电动率两部分，从而尽可能地合理利用发动机功率，提高发动机的工作效率。该系统又可根据行星传动装置与发动机、两电机间及行星传动构件间的不同连接方式分为输入分流式、输出分流式和复合分流式。

图3 混联式混合动力结构简图

输入功率分流式和输出功率分流式系统只需要单行星排进行功率耦合分流。其中输入分流式的行星传动机构中两构件分别与发动机和一个电机机械连接，第三构件同时与输出端和另一电机连接，如图4所示。此结构在低传动比区域有较好的工作效率，高速下电机2转速过高，电功率比例增加，电功率传递路径反向，会产生功率循环，传动效率急速下降。

图4 输入分流模式构型

输出分流式的行星传动机构的三构件中，一个同时与发动机和某一电机相连，第二个构件与另一电机连接，第三构件为输出端，其连接方式及低速工作时能量传递路径如图5所示。此结构在高传动比区域有较好的工作效率，低速下会产生如图所示的功率回流现象，系统传动效率很低。

图5 输出分流模式构型

图6 复合分流模式构型

复合功率分流式结构通常需配备双行星排等耦合装置，双行星排的六个构件中有两组相互连接产生四个独立接点，其中三个分别与发动机及两电机机械连接，另一个为输出端口。该方式兼顾输入和输出分流模式的优点，具有多种能量流路线，此结构在一定传动比范围内都具有较高的工作效率，如图6所示位复合分流模式构型。

1.2 基于混合度的分类

也有学者根据混合度，即电功率占总功率的比例，将油电混合动力车辆分为轻度混合动力、中度混合动力和重度混合动力三种类型。

（1）轻度混合动力系统。这种混合动力系统通常是配备了一台ISG电机，即启动发电一体化电机，该电机的作用是使发动机不再在怠速工况下工作，但是电机本身不参与驱动或能量转换过程。

（2）中度混合动力系统。该系统可理解为采用了更大功率ISG电机的轻混系统，不同的是在中混系统中，ISG电机可为车辆的行驶提供驱动力。

（3）重度混合动力系统。通常定义重度混合动力系统为混合度大于或等于30%的混动系统，这种结构通常需配备大功率的发电机和电动机。

2、关键技术

油电混合动力系统有机械功率和电功率两条能量传递路线，包含发动机、变速箱、电机及其驱动、电池等多个环节，是一个集成度很高的系统。相信在未来10~20年的发展过程中，要想使混合动力系统具有更加优良的燃油经济性和出色的动力性能，还需在以下几点关键技术上下功夫。

2.1 高能量密度电池及其管理系统

一定程度上，油电混合动力汽车的出现是为了解决现阶段电池性能不足而造成的纯电动汽车续航里程较短的问题。但同时，为确保混合动力汽车在加速与爬坡时能有效提供较大的峰值功率，对电池的能量密度和功率密度也提出了很高的要求。特别是随着汽车轻量化革命的推进，为混动汽车配备高能量密度的电池以及更加高效的电池管理系统成为需要重点解决的问题。具体来讲，插电式混合动力汽车的电池容量直接影响到车辆的油耗水平，而以丰田“PRIUS”为代表的非插电式混合动力为延长电池寿命，对其电池系统设计了浅充浅放的控制策略，无形中降低了电池的有效能量密度，与汽车轻量化的发展趋势不符。因此，无论未来的油电混合动力汽车是采用镍氢电池、磷酸铁锂电池还是三元锂电池，都急需提高电池的能量密度，同时为其配备一套完善的电池状态监测管理系统，以最大限度的发挥电池性能、延长电池使用寿命。

2.2 高可靠性、高效率的机械传动结构

纯电动汽车已没有传统意义上的变速箱，但现阶段的混合动力车辆都还或多或少有机械传动环节，尤其是在混联式混合动力系统中，由行星排和齿轮传动构成的功率耦合装置作为核心环节，其效率和可靠性很大程度上决定了整车的性能。丰田“PRIUS”在进行换代改进时，为降低传动环节的磨损、增强可靠性，专门将定传动比的第二排行星传动改成了平行轴齿轮传动。

2.3 高性能电机及其驱动技术

随着混合动力技术的发展，电机已经不仅仅作为一项驱动单元，还要作为能量转换过程中极为重要的一环，在电动以及发电模式下都能高效运行。并且，在电机峰值功率上，需具备启动发动、电驱动、整车加速、制动回收等各方面的能力。现阶段在混动汽车上使用的电机主要有交流永磁同步、直流永磁、开关磁阻以及异步电机等四种类型。在进行电机选用时，需要综合考虑性能、质量、效率、成本等因素。因此，接下来的电机研发工作集中在质量改进、性能提升以及体积缩小上。电机的高效工作与其驱动技术密不可分，随着混合动力汽车的发展，系统中电机功率不断增大，这就对驱动电路中的功率放大模块提出了很高的要求。此外，电机转速、转矩控制的精确性和稳定性也离不开优化的控制算法。

2.4 优化的整车控制策略

混合动力汽车的控制策略是整个混合动力系统的大脑，国内早期的有关研究主要是利用实验数据映射出发动机工作点，与所建立的控制策略仿真结果进行对比，反推国外车型的控制策略。控制策略通常可分为基于确定规则的控制策略、离线全局优化算法和预测控制算法三种，它们各具优缺点。基于确定规则的控制算法难以充分发挥行星混联系统的节能潜力，控制效果有限；离线全局优化算法往往难以保证实时性，也不具有普遍的工况适应性，预测控制摆脱了工况局限性，但实时性仍是应用瓶颈。因此，若要使混合动力系统的综合性能再上一个台阶，还需设计出实时性良好，可应用于实车控制器，又能大幅提升整车燃油经济性的控制策略。

3、结论

（1）油电混合动力汽车具有优良的燃油经济性和低排放特性，是现阶段纯电动汽车续航里程瓶颈无法突破时的情况下，推进新能源汽车产业的不二选择。

（2）混合动力汽车的发展离不开电池技术、电机及驱动技术和整车控制策略的优化改进，未来的混合动力车辆对电池的能量密度、电机的性能和控制策略的实时性将提出很高的要求。

Discussion of Hybrid Electric Vehicles and the Relevant Key Technologies

Zhao Shengdun, Yang Xuesong, Wang Zeyang, Zhong Wei, Liu Hongyuan
( School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Shaanxi Xi'an 710049 )

The new energy automotive industry revolution has promoted the rapid development of hybrid electric vehicles, which has incomparable advantages in fuel economy, vehicle power performance and cruising radius. This paper introduces the definition and basic principles of the hybrid electric power system, the development status of hybrid electric vehicles, and the structure and characteristics of different types of hybrid power system are compared and analyzed. At last, the key technologies of the hybrid electric power system are introduced, and the development trend is forecasted.

Hybrid electric vehicles; new energy; oil consumption; dynamic performance

U469.7

A

1671-7988(2016)07-20-03

李旭海.混联式混合动力电动客车动力系统设计[D].武汉理工大学,2008.

10.7666/d.y1364475.

赵升吨，西安交通大学教授，博士生导师，研究方向为汽车节能机电一体化设备开发。基金项目：国家自然科学基金重点项目（编号：51335009）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.007

[2] 余志生.汽车理论.第3版[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3] 孙逢春,何洪文.混合动力车辆的归类方法研究[J].北京理工大学学报,2002,22.

[4] 邵毅明主编.汽车新能源与节能技术.[M].人民交通出版社.