浅谈汽车设计中的混合动力系统

摘 要：混合动力汽车在发达国家已经日益成熟，有些已经进入实用阶段。虽然构造复杂，成本较高，但在纯电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车作为一种过渡产品，将会在市场上持续相当长的时间。从20世纪90年代起，全世界又掀起研究开发和制造HEV的竞争热潮，21世纪HEV有可能成为汽车工业的主导产品。

关键词：汽车设计；布置形式；特点

中图分类号：T-0 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2011）023(C)-0283-02

一、混合驱动机构的布置形式

由内燃机和电力驱动结合的混合驱动，是目前唯一受到关注的混合驱动机构。它有3种布置形式，这3种布置的主要差别，在于动力源的串联或并联布置。

（一）串联方式混合动力汽车。由发动机进行发电，再向电动机供应电力，由电动机输出扭矩而使汽车运转，在车辆上装有蓄电池，储存发动机带动发电机产生的电能。这种模式能源转换效率低，内耗大，随着燃料电池与太阳能电池的不断进步，现逐步用燃料电池取动机，形成新一代燃料电池混合动力车。

（二）并联方式混合动力汽车。发动机与电动机同时使用。车辆行驶时，以发动机为主要动力源，在车辆起步或加速时则使电动机工作，作为辅助驱动力。在发动机效率低的低负荷工况时，则将电动机功能转变为发电机功能，向蓄电池充电。在车辆制动或下坡减速行驶时，通过制动能量回收系统，进行制动能量回收，进行发电，并向蓄电池充电。车辆停止时，发动机停止运转，限制能量消耗。

（三）混联方式混合动力汽车。在并联式混合动力系统中，增加专用发电机，按照车辆行驶工况，分别切换串联式混合动力系统和并联式混合动力系统模式，以提高能量使用效率。例如丰田Prius和日产汽车公司的Tino混合动力轿车。

二、混合驱动动力汽车的特点

混合驱动动力汽车的特点，是相对于传统汽车而言的。其动力系统，包括内燃机和电池组，兼备了内燃机汽车和电动汽车优点，它将内燃机、电动机与一定容量的储能器件，通过控制系统相组合，电动机可补充提供车辆起步、加速时所需转矩，又可以存储吸收内燃机富余功率和车辆制动能量，从而可大幅度降低油耗，减少污染物排放。

（一）排放指标。混合动力汽车虽然没有实现零排放，但其动力性、经济性和排放等综合指标表现优异，能满足当前社会环保节能的苛刻要求，可缓解汽车需求与环境污染及石油短缺的矛盾。与传统内燃机汽车相比，其主要优点是采用了高功率的能量储存装置（飞轮、超级电容器或蓄电池）向汽车提供瞬时能量，节省能源，可以提高效率，降低排放，因此，经济性和排放性明显改善，技术经济可行性较强。

（二）续驶里程和乘坐的舒适性。较之纯电动汽车，混合动力汽车的主要优点，是续驶里程和动力性可达到内燃机汽车的水平；空调、真空助力、转向助力及其他辅助电器，借助发动机动力，无需消耗电池组有限电能，从而保证了乘坐的舒适性；而且混合动力汽车应用技术难度相对较小，成本也相对较低，是一种承前启后的、在经济和技术方面都趋于成熟的汽车产品。混合动力驱动的车辆具有节能、低排放、低噪音等优点，并且保持了传统的由内燃机驱动的汽车续驶里程长的固有特点，混合动力驱动的车辆不论在小轿车或大型车辆领域中，均将有巨大的发展潜力和看好的市场前景。

（三）汽车的动力输出。动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的一种性能，涉及许多方面，对混合动力汽车而言，要更精确地建立特殊的动力学模型，在外形、车体重量、输出功率、加速性能、排放、能耗等诸多方面取得良好的平衡性，同时要对发动机和电动机的特性、配对进行许多因素的思量，既要在两者共同输出的时候能发挥最佳能效比，达到令人满意的动力输出，又需要发电机必要时能充分转换发动机的富裕功率，回收能量。

（四）汽车的制动性。制动性是汽车安全行驶的重要保障，据统计40%的交通事故是由于制动距离太长、制动侧滑和跑偏造成的。所以在进行混合动力汽车制动系统的设计时，应该同样地充分重视汽车的制动力学重要性，把安全放在首位。而特别的，混合动力汽车制动系统被赋予了一项特殊的功能：回收汽车行驶的动能，转换为电能。通过与发电机联动，制动系统将车辆行驶时的惯性动量，转换为电能，在储存容器中储存起来。

（五）动力传动控制系统。动力传动控制系统是混合动力汽车的关键技术。混合动力传动系统控制，可分为动力传动系统的能量控制和过渡品质控制。能量控制，就是确定动力传动系统中各个部件的运行状态及其工作参数；品质控制，则是协调动力源与动力源，动力源和自动变速器以及变速器本身控制。

三、面临的关键性技术和需解决的问题

混合动力汽车要进入实用化，急切需要具备高比能量和高比功率的能量存储装置，低成本、高效率的功率电子设备和燃料经济性高、排放低的发动机。所面临的关键性技术和需要解决的问题包括以下方面：

（一）混合动力汽车发动机的起动、驱动和制动，电力系统中能量的正向流动（协力驱动）、反向流动（富裕功率和制动动量的回收），使车辆的能量管理变得相当复杂。这需要先进、高效的传感技术和控制系统。

（二）以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油燃烧的热能转化为有用功的同时，既要提高转化效率，还要满足严格的排放标准。

（三）能量存储装置(电池)要具有较高的比功率，满足汽车启动、加速和爬坡时大功率的需要，也要具备高效的充放效能和极低的自损耗特性，必要时采用热能控制管理，要有较高的比能量、较长的使用寿命和低廉的制造成本。

（四）电力电子器件必须减小尺寸、减轻质量和降低制造成本，同时也要具备高效的工作特性和极小的能耗。

（五）需要建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态的和动态的)，这是计算机仿真和分析的基础。在此基础上，进行车辆空气动力学、多动力源的协同和干涉、传动系统的能效比、制动系统的回收效能等各方面的复杂计算。

（六）制定完善的混合动力汽车相关技术范畴、设计标准和法规，为混合动力汽车的市场化奠定基础。

四、能量控制策略

（一）动力的合理分配。混合动力传动系统之所以有良好的经济性能，是靠合理的分配发动机、电动机和发电机的功率或扭矩来保证的，而能量控制策略，就是完成这一任务的控制系统。它是指汽车在某一工况下，满足驾驶员的操作要求的情况下，使整车性能达到某一目标的多动力源作功比例和传动系统工作状态确定。动力源工作状态确定，就是确定动力装置是否工作，假如工作的话，是吸收能量还是释放能量，吸收或释放多少能量；传动系统工作状态确定，就是确定传动系统工作于什么档位。

（二）混合动力传动控制系统，涉及到机械、控制、硬件和软件等子系统。机械是对象，控制是工具，硬件和软件是载体。对于混合动力传动系统来讲，机械的输入输出相对明确，能量的流动和转换取决于硬件和软件的控制，而控制器使用的微控制器和存储器容量（硬件），取决于控制算法的复杂程度（软件）。简单的控制算法，使用8位微控制器；复杂的算法，使用16位微处理器或32位微处理器，而对于具有特殊计算的控制算法，则必须使用带有数字信号处理功能的微控制器。

（三）传动系统的控制算法。混合动力传动系统控制算法，一般使用基于模型的设计方法。基于模型的设计方法由来已久，例如控制理论常用电路模型，研究具有相同规律的其他物理模型，这样避免构造真实的控制对象物理模型，降低了研究开发成本。一套好的混合动力传动系统，需要针对各种可能的工况，进行千百次的计算和修正。随着计算机控制技术的发展，基于模型的计算机仿真技术，在混合动力传动系统算法研究中得到了广泛的应用。

结束语：混合动力电动汽车的各方面表现并不逊色于传统汽车，具有节约能源的优点，还显著降低了排放污染，并且不用改变道路基础设施或设立专用充电设施，是目前实现汽车产业低耗环保化的最佳产品。

作者单位：佛山市鸿安交通服务有限公司