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

　　關鍵字：混合動力電動汽車;關鍵技術;發展前景

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

　　由于環境污染和石油危機等問題，清潔環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展，也未能達到實用化階段，因而作為純電動汽車替代內燃機汽車的過渡產品，HEV將獲得極大程度的發展空間，是目前最切實可行的發展方向。

　　一、 國內外發展現狀

　　自1995年起，包括日本豐田與美國三大汽車公司在內的多家汽車廠商陸續投入HEV的研發。至1997年12月，豐田Prius成為了世界第一款量產的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惠，并且對電動汽車生產予以貸款資助，大力培植電動汽車技術的發展。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研究，以期推動EV/HEV的普及應用。日本計劃到2020年開發出至少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展戰略，2012 年將建成年產1.1萬臺混合動力轎車生產基地。作為國內新能源汽車的先驅，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的領先企業。

　　二、HEV分類

　　根據混合動力驅動的連結方式，混合動力系統主要分為串聯式(SHEV)、并聯式(PHEV)、混聯式(PSHEV)和復合式(CHEV)四種類型。SHEV系統是由發動機直接驅動發電機對電池組和電動機供電，再由電動機驅動車輪。在這種連結方式下，電池組起到調節發動機輸出和電動機需求平衡的作用。發動機在最佳工況點附近運轉，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系統的發動機與電動機共同驅動汽車，這兩套獨立系統分別向汽車傳動系提供扭矩。電動機用以平衡發動機所受載荷，使其保持在高效率區域工作，因而PHEV系統能量利用率相對較高，行駛里程更長。但由于其傳動結構較為復雜，對控制單元要求高，因而不適于變化較大的行駛工況;PSHEV驅動系統結合了串并聯的優點，能使發動機不受道路工況的影響，讓發動機始終保持在最佳工作區域，發動機和發電機共同或單獨驅動，各部件之間可以通過優化匹配提高性能。但結構比較復雜，控制技術相對較難;CHEV與PSHEV的主要區別是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，工作模式更多樣化，相應的，成本也就最高，控制系統也最復雜。

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

　　三、HEV關鍵技術

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

　　3.1 電機驅動系統

　　作為電動汽車的心臟，電機驅動系統包括驅動電機、功率變換器及其控制系統。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。電動機在低速區具有恒轉矩特性，在高速區具有恒功率特性。④結構簡單牢固，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的研究也應繼續深入。

　　3.2 控制策略

　　如何優化控制策略是實現HEV低油耗低排放目標的關鍵所在。在滿足汽車的動力性和其他基本技術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，控制策略要實現能量在發動機、電機之間的合理而有效分配、使整車系統效率達到最高，獲得整車最大的燃油經濟性、最低的排放以及平穩的駕駛性能[3]。開展HEV控制策略的研究，對掌握HEV關鍵技術的自主研發能力，促進我國HEV的產業化進程有著有著十分深遠的意義。

　　目前運用較多的的SHEV控制策略有開關式和功率跟蹤式兩種，其基本原理都是以電池電荷狀態(SOC)的上下界作為臨界點來分段執行操作。開關式控制策略以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關閉，以純電動模式運行。而功率跟隨器控制策略設定當發動機功率小于輸出功率時，將發動機輸出功率調整為最小值;當SOC高于下界，汽車總需求負荷未超出電池容量但超過發動機最大功率時，將發動機輸出功率調整為最大值。此控制策略使得蓄電池組的損失降到最低，但會影響發動機的效率和排放性能。

　　常用的PHEV控制策略一般有并聯電輔助驅動式控制策略、并聯自適應式控制策略( 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處于允許的工作范圍。出發點是保證發動機工作在較高效率區，由電動機來提供余下的功率，沒有考慮到電機的效率和發動機產生的機械能轉化為電能的效率。并聯自適應式控制策略在每一個時間段內都對發動機和電動機的轉矩分配進行優化控制，根據用戶定義的燃油經濟性和排放目標，由發動機、電動機及蓄電池的狀態和可回收的制動能量等條件，動態調整控制策略。模糊邏輯控制策略的出發點是通過綜合考慮發動機和蓄電池的工作效率來實現混合動力系統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動軸、后驅動軸電機供電直到發動機可以較高效率工作時, 起動發動機并用于驅動車輛前軸。

　　② 正常行駛時, 由發動機直接驅動車輛前驅動軸。

　　③加速時, 發動機和兩個電動機同時工作用于提供車輛驅動行駛功率。

　　④減速/ 制動時, 電動機以發電機模式工作, 實現再生制動。

　　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

　　HEV用動力電池的壽命、充放電效率、內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境的電池能量管理系統，對HEV的發展至關重要。一般說來，電池管理系統的基本功能應該有安全保護功能、電池模塊狀態監測、統計、輸出數據功能、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要實現以下幾個主要功能：

　　①動態監測動力電池組的工作狀態,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( 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,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與整車進行數據通訊。

　　3.4 HEV仿真技術

　　為了減少HEV的開發費用，縮短研發周期以及系統的評估整車性能，仿真軟件的開發便顯得至關重要。其中ADVISOR是一種比較優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，以嵌入雙軸驅動模塊庫用來補充對四輪驅動汽車的仿真。

　　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，但國內應用較少。

　　四、發展前景

　　在油價持續走高以及排放法規日趨嚴格化的情況下，計算機技術及各種智能控制技術的成熟和迅猛發展將進一步推動HEV的發展。

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

　　而HEV若要實現產業化，其關鍵因素在于[4]：(1)價格不高于傳統車，(2)使用方便程度與傳統車相當，(3)能耗和排放低于傳統車。現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、結束語

　　HEV充分發揮了發動機和電動機的最大優勢，提高了燃料經濟性和減少了排放。與相同性能傳統型汽車相比，HEV 在節能和排放上更有優勢。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 在相當一段時間內前景廣闊，將逐漸成為汽車行業的主導產品。

　　參考文獻：

　　[1] 何云信，謝文尚. 汽車混合動力技術發展現狀及前景. 裝備制造技術，2010， 8：133-134.

　　[2] 張衛青. HEV的發展現狀及其關鍵技術. 重慶工學學報，2006, 20(5)：20-22.

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

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