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混动汽车能量管理策略研究
2022-01-10 20:49:30· 来源：ATC汽车技术会议 作者：王明昇
摘要：文章以并联式新能源混动汽车作为研究对象，根据其工作模式提出一种能量管理策略，实现工作模式的平稳切换及混动系统的动力分配。过 Matlab/Simulink 软件
摘要：文章以并联式新能源混动汽车作为研究对象，根据其工作模式提出一种能量管理策略，实现工作模式的平稳切换及混动系统的动力分配。过 Matlab/Simulink 软件建立整车控制策略数学模型，对所设计逻辑门限能量管理策略的有效性进行验证。仿真结果表明：所设计的新能源混合动力汽车能量管理策略可以在满足车辆行驶性能的同时，有效提高 24.2%的燃油经济性，减少排放，实现节能减排的目的。
关键词：并联式混动汽车；能量管理策略；动力分配；燃油经济性
引言
氢燃料早期是应用于航天领域的，在数十年的技术研发与应用的过程中，技术成果相对显著。人们需要以实践工作为基础，探索优化制氢技术的有效方式。氢燃料电池应用的目标，是为了实现汽车驱动或者发电。氢燃料电池汽车能实现零排放的目标，一次加氢的续航时间较长，加氢的过程耗费时间相对较短，与汽油车补充能源的速度相似，所以氢能源汽车也是新能源汽车主要技术形式。氢燃料与一般的化学电池相比，完成燃料补充的时间是5分钟左右，不如电动汽车那样需要耗费几个小时。
实践研究表明，氢燃料的电能转化率相对较高，甚至能高达70%以上，燃料最终的产物是纯净水，从理论层面进行分析。氢燃料适合应用于新能源汽车之中。分析汽车行业发展情况，根据纯铝车身开发纯电动汽车，与氢燃料汽车的通用化平台进行对比，该技术的应用效能较好，也会引领我国的汽车行业发展形势。
1 纯电动汽车与氢能源汽车技术应用实际情况
1.1 纯电动汽车
纯电动汽车的产出时间相对较早，在1873年英国率先制造出可供实用的电动汽车，这种汽车相对于汽油汽车，早很多年。后续燃油技术获得了突破式发展，但是电动汽车在能源技术以及驾驶历程方面，有关于技术应用的成果不佳，未能实现突破式发展的目标，导致这一类产品后 续的发展动力不足。在20世纪60年代，电动汽车进入一种停滞的发展状态，直到70年代石油危机出现之后，人们对生存环境质量关注度提升，电动汽车就成为一种重要的能源技术形式，各个国家在实践研究方面，投入了大量的时间和资金。现如今在产业发展工程中，所面临的能源问题以及环境问题逐渐增多，各个国家也面临着发展局限，尤其是在新兴发展的过程中，我国作为发展中国家，在城市尾气污染方面，所面临的问题逐渐增多。因此各国的政 府以及相关的汽车工业企业，在电动汽车开发与应用期间，做好投资与管理，为实现电动汽车商品化发展而不断努力。
电动汽车的电池（如图 1），是汽车运行阶段的关键， 在电池质量以及容量方面，电动汽车是否能够普及，属于 一种核心技术问题。车载电池技术不断发展，会影响电动汽车整体的发展质量。在汽车厂商以及电池商深入工作阶段，会将技术核心放置在，提升电动汽车容量，扩大电容量 这一方面。从国际品牌来看，特斯拉品牌的电动汽车，与松下企业联合使用钴酸锂电池，电池的容量较大，能够提供 更多的电能资源。在动力系统之中，使用电池组的管控策略，钴酸锂电池组重量较大，但是应用优势较为显著，在汽车整体结构之中较为稳定，容量也比较高，是有良好综合性能的电池类型。但是实践表明，钴酸锂电池的安全性不足，且成本相对较高，有很多企业在投入应用期间存在一定的问题。
图 1 纯电动汽车电池
我国人口技术较大，近年来生产和消费水平显著提升。每年在生产和消费汽车方面，以数千万的汽车交易量，在世界有一定的影响力。现如今在汽车行业发展阶段，国家提出可持续发展战略，使得电动汽车发展迅猛。在电动汽车研发方面，比亚迪电动车作为代表性品牌，每年的汽车销售量，处于持续增长状态，属于全球领先的汽车销售品牌。比亚迪电动汽车，自主研发的磷酸铁锂电池（如图2），放电的效率相对较高，充放电的效率高达 80%。在电动汽车研发阶段，使用比亚迪电动车，最核心的原因，是因为它的安全性，相对于其他的车载电池有自身的优势，理论研究寿命也相对较长，能够超出七年，当然如果消耗较大， 就会减少寿命。比亚迪电动汽车，所研发的磷酸铁锰锂电池，将传统的磷酸铁锂电池的应用密度有效控制，对于企业来讲成本投入显著降低，且汽车的续航时间延长，公里数也会增大。
图 2 磷酸铁锂电池
除去电池续航里程这一技术指标，在电池充放电时间管理期间，电动汽车行业也有一个具体的指标。技术研发的过程中，电池充放电的时间，也是电动企业所关注的指 标之一。通常情况之下汽油加满需要十几分钟的时间，但 是电动汽车充电则需要花费几个小时，甚至会超出十个小时，所以电动汽车的效率不足，也成为技术攻克的要点。实践研究表明，使用石墨烯电池能够在一小时之内，基本完成充电的操作，所以技术应用效果也相对较好。分析电动汽车动力控制、驱动以及互联网技术应用方面，会发现技术研发速度较快，逐步建立一个成熟的技术体系。在动力控制、驱动、互联网技术应用期间，经过统筹规划管理，能实现控制电池技术，把控成本的目标，纯电动汽车也逐渐深入人们的生活。
1.2 氢能源汽车
1968 年第一辆氢燃料电池汽车诞生，这种汽车的动力系统之中，主要是厢式货车为主要研究对象，装载了大功率的燃料电池组，续航里程是200千米。但是这一新能源汽车，自身的结构较为复杂，身体结构的部件体积相对较大，由于当时的市场主流趋势与现在不同，而且环境和能源问题各个国家也不够重视，所以在开发管理的过程中，技术应用会存在问题。到了20世纪末年，为有效解决环境污染以及能源供需问题，燃料电池电动车技术（如图3）受到社会各界的广泛关注，一些汽车生产商以及管理部门，在技术研发方面，投入大量的财力、物力。
图 3 燃料电池电动车技术原理
现如今氢燃料汽车（如图 4）研究工作，日本已经建立较为成熟的技术管理体系。氢燃料在汽车运行阶段，作为能源材料只会排放一定的水分，在技术应用阶段有一定的复杂性，这方面与电动汽车相似。氢燃料汽车在技术应用期间，构建储氢系统之后，以及使用燃料电池组。在系统之中日本本田使用纤维氢燃料罐，能够将燃料电池堆突破性应用，经过改进之后，燃料电池堆的体积减小，但是输出功率明显增大，而且输出密度控制也相对较为理想。补充一次燃料的时间基本能控制在五分钟左右，与一般的燃油汽车加油的时间相同。日本汽车厂新能源技术较为成熟，日本国内逐步建立加氢站，实现氢能源汽车的推广，在北美推广这种类型的新能源，技术应用效果相对较好。但是结合实践进行分析，大规模制氢技术以及储氢技术，是氢能源汽车的瓶颈问题，想要实现飞速发展，在技术应用期间还有很多可以突破的环节。氢燃料电池汽车研发与应用方面，我国尚未建立系统性的研发管理体系以及专业体系，在关键技术以及核心材料应用期间，技术仍然在不断地改进，处于一种探索阶段。储氢系统以及燃料电池研发方面，技术应用有一定的问题。
图 4 氢气燃料汽车结构
2 氢能源汽车与纯电动汽车技术研究方面的问题
2.1 技术成熟度不足
结合实践研究表明，我国的氢能源汽车以及纯电动车研究工作，相关技术还不够成熟。分析产业发展实际情况，会发现在实施规模化发展阶段，存在一系列的问题，比方说企业的创新实践精神不足，更注重传统思维的引导，由于消费者的节能环保意识不足，想要实现产业规模化，所应用的管控机制，最常见的问题是政府职能的错位。电动汽车应用期间，尽管不会出现直接的污染物排放，但是一些间接性的污染也是不能忽略的。充电所应用的电能资源制造模式，主要是通过火力发电完成的，水利以及核能等清洁能源的比例相对较少，也有可能会出现环境污染。
在技术研制期间，如果是太过于冒进或者追求效率， 就会出现人力物力等资源投入较大，但是最终的技术应用效果不为理想化。有很多企业在实践工作阶段，都想完成纯电动车或者氢能源汽车的制造，但是还是很少有人会关心在技术不成熟的情形之下，生产过渡产品的重要作用， 比方说生产混合动力汽车。
2.2 市场管理问题
在技术不完善的情形之下，新能源汽车的市场秩序会受到影响。比方说在纯电动车市场之中，高速与低速两种汽车产品推出，但是国家在高速的纯电动车，也给予了很多的政策扶持条件。但是低速类电动汽车产品，制造成本较低且投资相对较少，尽管研究成果较为显著，但是市场发展阶段，技术影响力较小。由于缺乏政策支持条件，一些企业进入低速电动汽车市场之后，技术成熟度不足，所以生产出的产品质量也有着较大的差异。但是消费者会更 关注汽车的销售价格，进而忽视汽车本身的技术成熟度，所以在新技术应用期间就会出现一系列的问题。
2.3 过分依赖政府补贴的现象
现如今我国在新能源汽车研发与管理期间，国家给予很多的技术支持条件，当然政府补贴对企业运营管理有重要影响，很难去界定补贴政策是否合理。我国的汽车产业影响力较大，与国民经济发展有紧密联系。但是早期的发展基础技术条件不足，还未能达到产业协调发展目标。政策条件是系统管理的依据，没有足够的补贴条件，企业往往没有启动资金，而补贴的时间太长，也会导致企业发展惰性问题出现。现如今我国在提供政策补贴的过程中，已经建立完善的管理系统，列出具体的退坡时间。所以企业在技术研发的过程中，如何实现技术突破并控制成本，是保障新能源汽车发展水平的有效措施，单纯的依靠政府补没有发展出路。
3 氢燃料与纯电动汽车的技术差异
3.1 动能条件有一定的差异
纯电动汽车会使用单一的蓄电池，作为汽车的储能动力条件，利用电池向电机提供相应的电能资源，最终实现驱动电机运行的目标，汽车平稳运行。该技术应用的优点， 就是无污染、噪声小，所以在环境保护方面，技术应用优势相对较为明显。纯电动汽车内，燃机的汽车结构设置较为简单，在运行过程中，所使用的传动部件较少，所以后续的维修与保养要求也比较少。
氢能源汽车，主要是使用燃料电池驱动系统运行的， 燃料电池主要是利用氢气与空气的氧气，经过催化反应之后，实现化学能转化为电能的目标，电化学反应能将化学能源转化为电能资源。在电化学反应过程中，所使用的还原剂主要是氢气，氧化剂则主要是氧气。纯电动汽车充足的充电时间，基本是八个小时左右，而添加氢能源之后，会减少一半的时间，而且氢燃料汽车在一次加氢之后，续航里程显著提升，相对于纯电动汽车有自身的优势。
3.2 电力来源差异
纯电动车的动力来源，主要是动力电池。通过充电的方式，输送动力电池蓄电，动力电池向电机控制器供电，随后再向电机控制器控制电机（图 5），此时车辆运行效率显著提升。氢燃料电池，主要是氢气与氧气形成化学反应之后产生电能，最终实现电机控制能源的目标，驱动电机运行，所以在电力来源方面有所不同。氢燃料汽车的电池，与纯电动汽车的动力电池，本身就有着较大的差异，氢燃料汽车的电池，能够向低压电器供电，而且氢燃料电池前期启动，能更好地满足整车运行的需要，但是纯电动汽车则是一种高压系统，需要逐步向驱动系统供电。
图 5 纯电动车控制器电机
4 氢能源汽车与纯电动车发展前景
从世界范围的技术应用情况来看，现如今电动汽车技术突破发展，各个国家在新能源汽车推广方面，会将注意力集中在电动汽车层面上，但是氢燃料电池，只有少数国家在技术推广，有些国家的政府部门提供发展条件，颁布政策并给予相关企业一定的补贴。现如今一些知名的汽车生产商，在电动汽车研发方面，也投入了大量的时间和精力。如果纯电动汽车，在电池容量以及电池快充技术应用阶段，在数十年之内未能实现突破发展，氢燃料电池汽车，就会有更多的突破式发展机会。这是因为补充氢能源的时间耗费较少，而且续航的时间比较长，汽车有更长的驾驶时间。纯电动汽车以及氢燃料电池汽车，究竟哪种技术，会成为汽车行业的主流，需要关注技术突破情况以及当地的政策情况。
5 结束语
分析氢能源汽车与纯电动汽车发展实际情况，总结实践经验并探寻技术研发实际需要，在实践工作阶段，对其存在的问题全面剖析。分析政策的支持条件，全方位探索技术优化形式，构建完善的氢能源以及纯电动车应用市场，技术应用效果显著提升。注重产业布局管理，分析新能源汽车所需要应用的关键技术，各个企业建立良好的合作关系，协同落实技术研发管理工作，经过交流与互动，在新能源汽车研发管理期间，技术突破能够给汽车产业的发展 奠定良好条件。
作者：王明昇
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