張智華

（天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300131）

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，世界各工業(yè)大國(guó)越來越認(rèn)識(shí)到生態(tài)環(huán)境的重要性，許多大汽車公司正致力于開發(fā)研制生態(tài)汽車。生態(tài)汽車包括電動(dòng)汽車、混合驅(qū)動(dòng)汽車（HEV）、太陽(yáng)能汽車和氫氣汽車等。混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車，在廣義上來說，是表示多于一種原動(dòng)機(jī)的車輛驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)?；旌向?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可備有幾種相似的或不同型式的貯能裝置和功率轉(zhuǎn)換器，可在不同的使用條件下，利用各自優(yōu)點(diǎn)，從而使混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的總效益勝過這套機(jī)構(gòu)所增加的費(fèi)用。這種混合了傳統(tǒng)和電動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠明顯減少汽車排放和降低油耗，并可以達(dá)到傳統(tǒng)汽車同樣的行駛距離和具有便利的燃料補(bǔ)充。

混合動(dòng)力汽車在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)日益成熟，有些已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。雖然構(gòu)造復(fù)雜，成本較高，但在電動(dòng)汽車時(shí)代到來之前，混合動(dòng)力型汽車作為一種過渡產(chǎn)品，將會(huì)在市場(chǎng)上持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。從20世紀(jì)90年代起，全世界又掀起研究開發(fā)和制造HEV的競(jìng)爭(zhēng)熱潮，21世紀(jì)HEV有可能成為汽車工業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。

1 混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的布置形式

由內(nèi)燃機(jī)和電力驅(qū)動(dòng)結(jié)合的混合驅(qū)動(dòng)，是目前唯一受到關(guān)注的混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它有3種布置形式，這3種布置的主要差別，在于動(dòng)力源的串聯(lián)或并聯(lián)布置。

（1）串聯(lián)方式混合動(dòng)力汽車。由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電，再向電動(dòng)機(jī)供應(yīng)電力，由電動(dòng)機(jī)輸出扭矩而使汽車運(yùn)轉(zhuǎn)，在車輛上裝有蓄電池，儲(chǔ)存發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能。隨著燃料電池與太陽(yáng)能電池的不斷進(jìn)步，可以用燃料電池取代發(fā)動(dòng)機(jī)，形成新一代燃料電池混合動(dòng)力車。

（2）并聯(lián)方式混合動(dòng)力汽車。發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)使用。車輛行駛時(shí)，以發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?，在車輛起步或加速時(shí)則使電動(dòng)機(jī)工作，作為輔助驅(qū)動(dòng)力。在發(fā)動(dòng)機(jī)效率低的低負(fù)荷工況時(shí)，則電動(dòng)機(jī)功能轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)功能，向蓄電池充電。在車輛制動(dòng)或下坡減速行駛時(shí)，通過制動(dòng)能量回收系統(tǒng)，進(jìn)行制動(dòng)能量回收，進(jìn)行發(fā)電，并向蓄電池充電。車輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，限制能量消耗。

（3）混聯(lián)方式混合動(dòng)力汽車。在并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)中，增加專用發(fā)電機(jī)，按照車輛行駛工況，分別使用串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)和并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，以提高能量使用效率。例如豐田Prius和日產(chǎn)汽車公司的Tino混合動(dòng)力轎車。

2 混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力汽車的特點(diǎn)

混合驅(qū)動(dòng)動(dòng)力汽車的特點(diǎn)，是相對(duì)于傳統(tǒng)汽車而言的。其動(dòng)力系統(tǒng)，包括內(nèi)燃機(jī)和電池組，兼?zhèn)淞藘?nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車優(yōu)點(diǎn)，它將內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)與一定容量的儲(chǔ)能器件，通過控制系統(tǒng)相組合，電動(dòng)機(jī)可補(bǔ)充提供車輛起步、加速時(shí)所需轉(zhuǎn)矩，又可以存儲(chǔ)吸收內(nèi)燃機(jī)富余功率和車輛制動(dòng)能量，從而可大幅度降低油耗，減少污染物排放。

（1）排放指標(biāo)?；旌蟿?dòng)力汽車雖然沒有實(shí)現(xiàn)零排放，但其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放等綜合指標(biāo)，能滿足當(dāng)前的苛刻要求，可緩解汽車需求與環(huán)境污染及石油短缺的矛盾。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是采用了高功率的能量?jī)?chǔ)存裝置（飛輪、超級(jí)電容器或蓄電池）向汽車提供瞬時(shí)能量，可以提高效率，節(jié)省能源，降低排放，因此經(jīng)濟(jì)性和排放性明顯改善，技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性較強(qiáng)。

（2）續(xù)駛里程和乘坐的舒適性。較之純電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力汽車的主要優(yōu)點(diǎn)，是續(xù)駛里程和動(dòng)力性可達(dá)到內(nèi)燃機(jī)汽車的水平；空調(diào)、真空助力、轉(zhuǎn)向助力及其他輔助電器，借助原動(dòng)機(jī)動(dòng)力，無需消耗電池組有限電能，從而保證了乘坐的舒適性；而且混合動(dòng)力汽車技術(shù)難度相對(duì)較小，成本也相對(duì)較低。

混合動(dòng)力汽車介于傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車之間，是一種承前啟后的，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面都趨于成熟的汽車產(chǎn)品。混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的車輛具有節(jié)能、低排放、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，并且保持了傳統(tǒng)的由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車?yán)m(xù)駛里程長(zhǎng)的固有特點(diǎn)，混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的車輛不論在小轎車或大型車輛（如公共汽車）領(lǐng)域中，均將有巨大的發(fā)展?jié)摿涂春玫氖袌?chǎng)前景。

（3）汽車的動(dòng)力性。動(dòng)力性是汽車各種性能中最基本、最重要的一種性能，要建立混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力學(xué)模型，需應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)汽車的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行模擬仿真，最關(guān)鍵的問題就在于計(jì)算是否與實(shí)際情況相符合。所以建立適當(dāng)?shù)摹⒎蠈?shí)際的模型，對(duì)于精確描述汽車動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高仿真模擬精度是非常重要的。

（4）汽車的制動(dòng)性。制動(dòng)性是汽車安全行駛的重要保障，據(jù)統(tǒng)計(jì)40%的交通事故是由于制動(dòng)距離太長(zhǎng)、制動(dòng)側(cè)滑和跑偏造成的。所以在進(jìn)行混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該充分重視汽車的制動(dòng)力學(xué)重要性，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)精確建立汽車動(dòng)力學(xué)的模型，提高仿真度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的越真實(shí)，交通事故的發(fā)生率就會(huì)越降低。

（5）動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)。動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車的關(guān)鍵技術(shù)?；旌蟿?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制，可分為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的能量控制和過渡品質(zhì)控制。能量控制，就是確定動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)部件的運(yùn)行狀態(tài)及其工作參數(shù)；品質(zhì)控制，則是協(xié)調(diào)動(dòng)力源與動(dòng)力源，動(dòng)力源和自動(dòng)變速器以及變速器本身控制。

不管混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如何變化，從能量傳遞角度來講，它們多屬于多能源動(dòng)力系統(tǒng)的范疇?；旌蟿?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)有兩種動(dòng)力源，一種是產(chǎn)生機(jī)械能量的動(dòng)力源，一般采用的是燃料燃燒產(chǎn)生熱能，由熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；另一種是產(chǎn)生電能的動(dòng)力源，由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。前者為機(jī)械動(dòng)力源，后者為電力源。并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)的機(jī)械動(dòng)力源有兩個(gè)，一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)，另一個(gè)是電動(dòng)機(jī)；電力源也有兩個(gè)，一個(gè)是電池，另一個(gè)是發(fā)電機(jī)。

并聯(lián)式混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制，就是確定各個(gè)動(dòng)力源和機(jī)械傳動(dòng)部件工作狀態(tài)，以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中各個(gè)部件的協(xié)調(diào)工作。前者是并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)能量控制的研究問題，是宏觀研究；后者屬于模式轉(zhuǎn)換時(shí)的過渡品質(zhì)研究問題，是微觀和細(xì)節(jié)研究。能量控制策略，是并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)研究最多的問題，而過渡品質(zhì)研究卻很少。

3 面臨的關(guān)鍵性技術(shù)和需解決的問題

混合動(dòng)力汽車要進(jìn)入實(shí)用化，需要具備高比能量和高比功率的能量存儲(chǔ)裝置，低成本、高效率的功率電子設(shè)備和燃料經(jīng)濟(jì)性高、排放低的發(fā)動(dòng)機(jī)。所面臨的關(guān)鍵性技術(shù)和需要解決的問題包括以下方面：

（1）混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)、關(guān)閉，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和附件(如空調(diào)和動(dòng)力轉(zhuǎn)向等)的電能管理變得復(fù)雜。此需要先進(jìn)的檢測(cè)和控制系統(tǒng)，以熱力發(fā)動(dòng)機(jī)為主的混合動(dòng)力單元在將燃油轉(zhuǎn)化為有用功的同時(shí)，既要提高轉(zhuǎn)化效率，還要滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）能量存儲(chǔ)裝置(電池)要具有較高的比功率，滿足汽車加速和爬坡時(shí)對(duì)大功率的需要。能量存儲(chǔ)裝置必須采用熱能控制管理，要有較高的比能量、較長(zhǎng)的使用壽命和低廉的制造成本。

（3）電力電子器件必須減小尺寸、減輕質(zhì)量和降低制造成本。

（4）需要建立更先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(包括靜態(tài)的和動(dòng)態(tài)的)，這是計(jì)算機(jī)仿真和分析的基礎(chǔ)。

（5）制定完善的混合動(dòng)力汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，為混合動(dòng)力汽車的市場(chǎng)化奠定基礎(chǔ)。

4 能量控制策略

（1）動(dòng)力的合理分配?；旌蟿?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)之所以有良好的經(jīng)濟(jì)性能，是靠合理的分配發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率或扭矩來保證的，而能量控制策略，就是完成這一任務(wù)的控制系統(tǒng)。它是指汽車在某一工況下，滿足駕駛員的操作要求的情況下，使整車性能達(dá)到某一目標(biāo)的動(dòng)力源和傳動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)確定。動(dòng)力源工作狀態(tài)確定，就是確定動(dòng)力裝置是否工作，假如工作的話，是吸收能量還是釋放能量，吸收或釋放多少能量；傳動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)確定，就是確定傳動(dòng)系統(tǒng)工作于什么檔位。

混合動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)，涉及到機(jī)械、控制、硬件和軟件等子系統(tǒng)。機(jī)械是對(duì)象，控制是工具，硬件和軟件是載體。對(duì)于混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)來講，輸入輸出信號(hào)比較固定，外圍電路設(shè)計(jì)比較規(guī)范，而控制器使用的微控制器和存儲(chǔ)器容量，取決于控制算法的復(fù)雜程度。簡(jiǎn)單的控制算法，使用8位微控制器；復(fù)雜的算法，使用16位微處理器或32位微處理器，而對(duì)于具有特殊計(jì)算的控制算法，則必須使用帶有數(shù)字信號(hào)處理功能的微控制器。

（2）傳動(dòng)系統(tǒng)的控制算法?；旌蟿?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)控制算法，一般使用基于模型的設(shè)計(jì)方法。基于模型的設(shè)計(jì)方法由來已久，例如控制理論常用電路模型，研究具有相同規(guī)律的其他物理模型，這樣避免構(gòu)造真實(shí)的控制對(duì)象物理模型，降低了研究開發(fā)成本。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，基于模型的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)算法研究中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，在國(guó)外的汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，越來越多的工程技術(shù)人員使用MATLAB/Simulink工具。這是由于MATLAB編程簡(jiǎn)單，具有很強(qiáng)的計(jì)算和圖形處理能力；Simulink是圖形化建模環(huán)境，構(gòu)建系統(tǒng)模型簡(jiǎn)單;另外MATALB和Simulink都是開放結(jié)構(gòu)，便于研究者構(gòu)建自己的專用模塊，并且它們還具有豐富模型庫(kù)供研究者使用。常用的HEV仿真軟件，大部分基于MATLAB/Simulink，如 ADVISOR，PSAT等。

電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車的核心部分，主要涉及到儲(chǔ)能元件的功率變換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車?yán)^承了傳統(tǒng)燃油車?yán)m(xù)駛里程長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，還顯著降低了污染排放，不用改變基礎(chǔ)設(shè)施，并具有節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，是目前實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的最佳產(chǎn)品。

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