摘要：本文首先介紹混合動力電動汽車(HEV)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，其次介紹了HEV的分類及關(guān)鍵技術(shù)，最后對其發(fā)展前景提出了展望。

　　關(guān)鍵字：混合動力電動汽車;關(guān)鍵技術(shù);發(fā)展前景

　　國際電工委員會電動汽車技術(shù)委員會對混合動力電動汽車(Hybrid Electric Vehicle，HEV) 定義為: 多于一種能量轉(zhuǎn)換器來提供驅(qū)動動力的混合型電動汽車。具體是指采用發(fā)動機和電動機共同協(xié)作的車輛，通過先進的控制系統(tǒng)使兩種動力裝置達到最優(yōu)化的協(xié)作，實現(xiàn)最佳能量分配[1]。HEV融合了傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車的優(yōu)點，既達到了節(jié)能減排的目的，也彌補了純電動汽車續(xù)駛里程差的缺點。

　　由于環(huán)境污染和石油危機等問題，清潔環(huán)保的新能源汽車逐漸登上歷史的舞臺。純電動汽車受電池技術(shù)制約不能滿足實用化要求，而燃料電池汽車尚有待進一步發(fā)展，也未能達到實用化階段，因而作為純電動汽車替代內(nèi)燃機汽車的過渡產(chǎn)品，HEV將獲得極大程度的發(fā)展空間，是目前最切實可行的發(fā)展方向。

　　一、 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　自1995年起，包括日本豐田與美國三大汽車公司在內(nèi)的多家汽車廠商陸續(xù)投入HEV的研發(fā)。至1997年12月，豐田Prius成為了世界第一款量產(chǎn)的HEV。至2010年，世界汽車市場HEV銷量已超過了100萬輛。

　　美國奧巴馬政府實施綠色新政，計劃到2015年普及100萬輛混合動力電動汽車。對電動汽車實施稅收優(yōu)惠，并且對電動汽車生產(chǎn)予以貸款資助，大力培植電動汽車技術(shù)的發(fā)展。預計美國混合動力電動汽車2013年銷量將達到87.2萬輛，市場占有率將達到5%。

　　而日本也同樣重視電動汽車，在2010年推出以舊換新及購買新能源汽車補助金政策，并在2011年投入5億元用于先進動力電池技術(shù)研究，以期推動EV/HEV的普及應用。日本計劃到2020年開發(fā)出至少38款混合動力車，以及17款純電動汽車。

　　我國對于HEV的研究也已卓有成效：上汽集團目前已推出榮威750 混合動力、榮威350純電動轎車、上海牌燃料電池轎車三款代表不同技術(shù)方向的新能源汽車。一汽集團已確定以混合動力為主導的新能源發(fā)展戰(zhàn)略，2012 年將建成年產(chǎn)1.1萬臺混合動力轎車生產(chǎn)基地。作為國內(nèi)新能源汽車的先驅(qū)，比亞迪2008年已推出插電式混合動力車F3DM，2009 年推出純電動轎車E6，計劃以新能源汽車進軍國際市場，成為中國乃至全球新能源汽車行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)。

　　二、HEV分類

　　根據(jù)混合動力驅(qū)動的連結(jié)方式，混合動力系統(tǒng)主要分為串聯(lián)式(SHEV)、并聯(lián)式(PHEV)、混聯(lián)式(PSHEV)和復合式(CHEV)四種類型。SHEV系統(tǒng)是由發(fā)動機直接驅(qū)動發(fā)電機對電池組和電動機供電，再由電動機驅(qū)動車輪。在這種連結(jié)方式下，電池組起到調(diào)節(jié)發(fā)動機輸出和電動機需求平衡的作用。發(fā)動機在最佳工況點附近運轉(zhuǎn)，避免了怠速等情況，從而提高了效率和排放性能。但其缺點在于油耗并未大幅度降低，且行駛里程較短;PHEV系統(tǒng)的發(fā)動機與電動機共同驅(qū)動汽車，這兩套獨立系統(tǒng)分別向汽車傳動系提供扭矩。電動機用以平衡發(fā)動機所受載荷，使其保持在高效率區(qū)域工作，因而PHEV系統(tǒng)能量利用率相對較高，行駛里程更長。但由于其傳動結(jié)構(gòu)較為復雜，對控制單元要求高，因而不適于變化較大的行駛工況;PSHEV驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合了串并聯(lián)的優(yōu)點，能使發(fā)動機不受道路工況的影響，讓發(fā)動機始終保持在最佳工作區(qū)域，發(fā)動機和發(fā)電機共同或單獨驅(qū)動，各部件之間可以通過優(yōu)化匹配提高性能。但結(jié)構(gòu)比較復雜，控制技術(shù)相對較難;CHEV與PSHEV的主要區(qū)別是CHEV中的電動機允許功率流雙向流動，一般用于雙軸獨立系統(tǒng)，工作模式更多樣化，相應的，成本也就最高，控制系統(tǒng)也最復雜。

　　混合動力系統(tǒng)還有其他分類方式：根據(jù)在混合動力系統(tǒng)中電機的輸出功率在整個系統(tǒng)輸出功率中占的比重(即混合度)，混合動力系統(tǒng)還可分為微混合動力系統(tǒng)，輕混合動力系統(tǒng)，中混合動力系統(tǒng)和完全混合動力系統(tǒng)。此外，根據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)變化情況，HEV也可分為電量維持型和電量耗盡型。

　　三、HEV關(guān)鍵技術(shù)

　　HEV要進入實用化，應具備控制精度高、系統(tǒng)可靠性好及成本低的電機驅(qū)動系統(tǒng)，高比能量和高比功率的電池管理系統(tǒng)以及優(yōu)化控制策略技術(shù)[2]。

　　3.1 電機驅(qū)動系統(tǒng)

　　作為電動汽車的心臟，電機驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電機、功率變換器及其控制系統(tǒng)。為滿足整車動力性能的需要，對電動機的具體要求為：①瞬時功率大、功率密度高、過載能力強;②效率高;③運行速度范圍要廣，高、低速綜合效率也要高。電動機在低速區(qū)具有恒轉(zhuǎn)矩特性，在高速區(qū)具有恒功率特性。④結(jié)構(gòu)簡單牢固，耐沖擊，運行可靠，免維護，低成本等。

　　用于HEV的電機必須要具有良好的可控性和容錯能力，具有低噪聲、高效率的特點，以及對電壓波動不敏感等性能。用于HEV的電機類型有交流感應電機、永磁電機和開關(guān)磁阻電機。具有代表性的是交流感應電機, 但這種電機很難解決其功率和效率之間的矛盾，因此，需要研究出能夠用于HEV的具有更高效率和功率密度的永磁電機、開關(guān)磁阻電機等先進電機來替代目前使用的交流感應電機。同時對電機的控制方法和冷卻系統(tǒng)的研究也應繼續(xù)深入。

　　3.2 控制策略

　　如何優(yōu)化控制策略是實現(xiàn)HEV低油耗低排放目標的關(guān)鍵所在。在滿足汽車的動力性和其他基本技術(shù)性能以及成本等要求的前提下、針對各部件的特性及汽車的運行工況，控制策略要實現(xiàn)能量在發(fā)動機、電機之間的合理而有效分配、使整車系統(tǒng)效率達到最高，獲得整車最大的燃油經(jīng)濟性、最低的排放以及平穩(wěn)的駕駛性能[3]。開展HEV控制策略的研究，對掌握HEV關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)能力，促進我國HEV的產(chǎn)業(yè)化進程有著有著十分深遠的意義。

　　目前運用較多的的SHEV控制策略有開關(guān)式和功率跟蹤式兩種，其基本原理都是以電池電荷狀態(tài)(SOC)的上下界作為臨界點來分段執(zhí)行操作。開關(guān)式控制策略以SOC為控制變量，當其低于設定最低值時，APU開啟，以最低油耗點按功率輸出;反之，當SOC高于最高設定值時，APU關(guān)閉，以純電動模式運行。而功率跟隨器控制策略設定當發(fā)動機功率小于輸出功率時，將發(fā)動機輸出功率調(diào)整為最小值;當SOC高于下界，汽車總需求負荷未超出電池容量但超過發(fā)動機最大功率時，將發(fā)動機輸出功率調(diào)整為最大值。此控制策略使得蓄電池組的損失降到最低，但會影響發(fā)動機的效率和排放性能。

　　常用的PHEV控制策略一般有并聯(lián)電輔助驅(qū)動式控制策略、并聯(lián)自適應式控制策略( 實時控制策略) 和模糊邏輯控制策略三種。在電輔助驅(qū)動控制策略中, 利用電動機提供額外功率, 并要保持電池的荷電狀態(tài)處于允許的工作范圍。出發(fā)點是保證發(fā)動機工作在較高效率區(qū)，由電動機來提供余下的功率，沒有考慮到電機的效率和發(fā)動機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能的效率。并聯(lián)自適應式控制策略在每一個時間段內(nèi)都對發(fā)動機和電動機的轉(zhuǎn)矩分配進行優(yōu)化控制，根據(jù)用戶定義的燃油經(jīng)濟性和排放目標，由發(fā)動機、電動機及蓄電池的狀態(tài)和可回收的制動能量等條件，動態(tài)調(diào)整控制策略。模糊邏輯控制策略的出發(fā)點是通過綜合考慮發(fā)動機和蓄電池的工作效率來實現(xiàn)混合動力系統(tǒng)的整體效率達到最高。模糊邏輯控制策略目標與實時控制策略類似，但是與實時控制策略相比，模糊邏輯控制策略具有魯棒性好的優(yōu)點。

　　PSHEV的基本控制策略為：

　　①起動時, 由電池組分別向車輛前驅(qū)動軸、后驅(qū)動軸電機供電直到發(fā)動機可以較高效率工作時, 起動發(fā)動機并用于驅(qū)動車輛前軸。

　　② 正常行駛時, 由發(fā)動機直接驅(qū)動車輛前驅(qū)動軸。

　　③加速時, 發(fā)動機和兩個電動機同時工作用于提供車輛驅(qū)動行駛功率。

　　④減速/ 制動時, 電動機以發(fā)電機模式工作, 實現(xiàn)再生制動。

　　⑤電池組充電模式, 在車輛正常行駛過程中, 當電池組電量偏低時, 應對電池組進行補充充電。

　　3.3 電池管理系統(tǒng)

　　HEV用動力電池的壽命、充放電效率、內(nèi)阻等都受到電池充放電深度、充放電電流的大小以及具體的車輛行駛工況等因素影響。因此，建立一個合理、符合電池實際使用環(huán)境的電池能量管理系統(tǒng)，對HEV的發(fā)展至關(guān)重要。一般說來，電池管理系統(tǒng)的基本功能應該有安全保護功能、電池模塊狀態(tài)監(jiān)測、統(tǒng)計、輸出數(shù)據(jù)功能、一致性補償功能、電池溫度控制功能。電動汽車電池管理系統(tǒng)要實現(xiàn)以下幾個主要功能：

　　①動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài),即實時采集電動汽車蓄電池組中的模塊電池的端電壓和溫度、充放電電流以及電池包總電壓。

　　② 準確估測動力電池組的荷電狀態(tài)( SOC ),從而隨時預報HEV儲能電池還剩余多少能量或儲能電池的荷電狀態(tài),使電池SOC值工作范圍控制在 30% ～70%。

　　③蓄電池故障的早期預測和報警,當蓄電池電量或能量過低,需要充電時,及時報警 ,以防止電池過放電而損害電池的使用壽命。當電池組的溫度過高 ,非正常工作時,及時報警,以保證蓄電池正常工作。

　　④電動汽車動力電池組的熱平衡管理。

　　⑤整車高壓絕緣性能的預測報警。

　　⑥與整車進行數(shù)據(jù)通訊。

　　3.4 HEV仿真技術(shù)

　　為了減少HEV的開發(fā)費用，縮短研發(fā)周期以及系統(tǒng)的評估整車性能，仿真軟件的開發(fā)便顯得至關(guān)重要。其中ADVISOR是一種比較優(yōu)秀的車輛分析研究工具，可用于車輛傳動方案的性能分析。但它的主要缺點在于只適用于單軸車輛仿真，而目前對ADVISOR的二次開發(fā)，以嵌入雙軸驅(qū)動模塊庫用來補充對四輪驅(qū)動汽車的仿真。

　　目前HEV仿真有兩種基本方法，即后向仿真(backward-facing vehicle simulation)和前向仿真(forward-facing vehicle simulation)。國內(nèi)應用最為普遍的HEV性能反向仿真的軟件之一便是ADVISOR，而正向仿真軟件使用較普遍的是AVL的CRUISE軟件。另外美國阿貢國家實驗室(argonne national laboratory)的PSAT也是一種正向式仿真模型，但國內(nèi)應用較少。

　　四、發(fā)展前景

　　在油價持續(xù)走高以及排放法規(guī)日趨嚴格化的情況下，計算機技術(shù)及各種智能控制技術(shù)的成熟和迅猛發(fā)展將進一步推動HEV的發(fā)展。

　　然而目前阻礙HEV的技術(shù)問題還有很多，比如需要較高比能量和較長使用壽命的蓄電池組，以及內(nèi)燃機與電機的最優(yōu)耦合功率分配比的實現(xiàn)等等。

　　而HEV若要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其關(guān)鍵因素在于[4]：(1)價格不高于傳統(tǒng)車，(2)使用方便程度與傳統(tǒng)車相當，(3)能耗和排放低于傳統(tǒng)車。現(xiàn)在只有第三點已做到。因而下一階段的任務就是降低成本，提高實用性，使其能夠順應市場的需求。

　　五、結(jié)束語

　　HEV充分發(fā)揮了發(fā)動機和電動機的最大優(yōu)勢，提高了燃料經(jīng)濟性和減少了排放。與相同性能傳統(tǒng)型汽車相比，HEV 在節(jié)能和排放上更有優(yōu)勢。與純電動車相比，其蓄電池容量大大減小，因而其造價成本低于電動汽車。降低成本，是提高HEV 競爭能力的主要方向。同時也要提高汽車行駛過程中的能量再回收效率。隨著各國環(huán)境立法的日趨嚴厲，HEV 性能的日益提高以及其成本的不斷降低，HEV 的市場份額將逐漸增大。總之，HEV 在相當一段時間內(nèi)前景廣闊，將逐漸成為汽車行業(yè)的主導產(chǎn)品。

　　參考文獻：

　　[1] 何云信，謝文尚. 汽車混合動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景. 裝備制造技術(shù)，2010， 8：133-134.

　　[2] 張衛(wèi)青. HEV的發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù). 重慶工學學報，2006, 20(5)：20-22.

　　[3]舒紅, 秦大同, 胡建軍, 等. HEV控制策略研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 重慶大學學報，2001, 11：28- 31.

　　[4] 陳清泉. 全球電動汽車的發(fā)展前景及其對動力電池的挑戰(zhàn). 2011.