搞好混合动力，这五大关键技术怎能不行？

当前混合动力系统在乘用车、商用车、特种车中得到了广泛应用。按照发动机与电机的机电耦合形式，可将车辆混合动力技术划分为串联式、并联式、功率分流（混联）式和串并联式。

串联式

并联式

功率分流（混联）

串并联式

混合动力技术作为未来车辆发展的一种重要方向，需要的关键技术包括混合动力专用发动机、混合动力电机、混合动力机电耦合装置、高效能量管理策略和热管理技术。

高效能混合动力发动机的研发及应用是解决混合动力系统能源利用率低和排放污染的主要技术方案。该技术方案得益于对多项关键技术的灵活运用，包括阿特金森循环/米勒循环技术、低压废气再循环技术、转子发动机技术。

19世纪末，英国工程师詹姆期·阿特金森通过设计复杂的机械结构来改变压缩、膨胀行程的长短，提高发动机热效率。基于此制造出的发动机在特定工作区域内具有较高的热效率。米勒循环是通过另外一种思路实现，它是通过提前关闭进气门的技术，让进气冲程少进入空气，使混合气行程小于做功冲程气缸行程，释放完整做功冲程行程，进而提升发动机的热效率。

低压废气再循环技术是将废气引入进气管，与新鲜空气一同进入缸内混合，提高了缸内气体的总热容，降低了缸内燃烧温度，从而减少了氮氧化物的排放。应用此技术的发动机通过废气再循环系统的优化，减少发动机在中低负荷工况下的进气损失，同时也降低了氮氧化物的排放。

此外，转子发动机在混合动力专用发动机中的应用越来越受到关注。转子发动机由于自身结构特性，具备体积小、升功率大和重量轻的优点。相比传统的往复式发动机，转子发动机可以实现更稳定的动力输出与较小的噪音。而作为混合动力专用发动机不需长时间工作，避免了因转子磨损导致发动机寿命较短的问题。

图6　废气再循环发动机（a）与混动专用发动机（b）

总体来说，高效混合动力专用发动机从最初的混合动力概念到现代化的燃油经济性和排放控制要求，其技术不断演进。随着电动技术和燃料电池技术的成熟，高效混合动力专用发动机在整车系统中的地位日益重要。

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电机是混合动力系统的关键部件之一。混合动力电机技术关乎混合动力系统的运行性能和工作效率。目前，混合动力电机关键技术主要包括高速电机技术、电机无位传感器控制技术和电机减振控制技术。

高速电机具有转速高、功率密度高、体积小、传动效率高、噪声小、响应速度快等特点。这些特点使得高速电机在混合动力系统中受到了广泛应用。高速电机关键技术主要包括冷却、转子结构等关键技术。为了实现高功率密度，发热和冷却是高速电机必须要面对的重要问题。在有强风可利用的场景下，通常采用内强迫风冷的方式，在无强风的应用环境中，采用最多的是内油冷方式。转子结构方面，高速电机的转子结构必须要克服离心应力，一般在“高速”的范围内采用金属护套，在“超高速”的范围内采用碳纤维缠绕，或者将转子做成实心一体结构。

电机无位传感器控制技术是混合动力电机控制的关键技术之一。传统的电机控制技术依赖于位置传感器来检测电机转子的位置，但这种方法存在精度不高、易受干扰等问题，且增加了系统成本和维护难度。而电机无位传感器控制技术在电机中不安装位置传感器，仅凭借电机自身的反电动势信号或其他电气信号来检测和控制电机转子的位置。通过建立电机的数学模型，估算电机转子的位置和角度，并通过自适应控制算法进行实时调整，实现较高的控制精度和稳定性。

混合动力车辆高速运行过程中，驱动电机的高转频使系统的振动频率范围变宽，容易引起系统共振，加剧电机的振动、噪声等问题。由于混合动力系统的电机扭矩响应特性、结构形式等与传统燃油车辆动力系统有较大差异，目前主要采用建立电机的振动预测模型、注入谐波电流、增加转矩环和改进电机脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）控制策略等，从而降低电机的输出转矩脉动，实现电机的振动抑制。

随着混合动力车辆的广泛应用，电机的控制精度不足、振动较大的问题给混合动力系统转矩高精度控制、能量高效利用带来了全新挑战。

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机电耦合装置是耦合机械驱动、电力驱动、变速调节并将耦合后的总动力进行再分配的部件，是混合动力系统的关键零部件。

机电耦合装置

按动力耦合方式进行分类，机电耦合装置可以分为转矩耦合装置、转速耦合装置和功率耦合装置。转矩耦合装置可以将多个动力源的线性耦合转矩传递给驱动轮，而转速则保持一定的比例关系，不可独立控制。

由于转矩耦合装置较为简单实用，目前国内对于转矩耦合装置的设计制造已经发展到比较成熟的阶段。

类似地，转速耦合装置则可以不同动力源转速的耦合作为输出转速，而其转矩不可独立控制。常见的转速耦合装置有行星齿轮机构和双转子电机。转速耦合装置的优点在于可以通过调节电机转速实现整车的无级变速，但这种耦合方式转矩偏小，仅适合轻载且负荷变化小的微型汽车，因此目前市面少有搭载转速耦合装置的混合动力系统。

功率耦合装置则同时结合了转矩耦合和转速耦合的优点，使各个动力源的转矩与转速都能够实现单独控制，其中最典型的代表便是丰田普锐斯混合动力系统（Toyota Hybrid System, THS）中的单行星排机电耦合机构。

增程器和混合动力专用变速箱是不同混合动力构型中两类重要的机电耦合装置。常见的增程器总成是由发动机、发电机和控制器组成。三者简单的组合导致增程器体积和重量较大，无法满足混合动力系统集成化和轻量化的发展趋势。为了实现整车轻量化的目标，可以采用发动机、发电机及其控制器三合一集成设计。该方案可以极大缩减增程器的长度，减小增程器总成体积和重量，同时能有效改善增程器性能。

混合动力专用变速箱的集成开发也受到国内各大汽车企业的青睐。混合动力专用变速器是通过集成1个或多个电动机到变速器中形成带电动机的自动变速器系统，加上发动机输入后即可实现混合驱动的功能。专用混合动力变速器由于电机的存在，可以帮助发动机运行在经济区，使混合动力系统的档位数可以适当减少，因此其结构也就相对简单，占用的空间也较小。

总体来说，混合动力系统的机电耦合装置正朝着结构集成化、功能全面化、控制智能化的方向迈进，中国需要抓住此机遇，实现混合动力系统机电耦合装置这一核心技术的完全国产化。通过国产化的混合动力系统机电耦合装置，中国汽车产业能够降低对进口零部件的依赖，提高产品的竞争力和市场份额。同时，这也将降低对传统燃油的依赖，减少尾气的排放，为环境保护及可持续发展目标的实现作出积极贡献。

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混合动力系统需要性能优越的控制策略优化各能源系统之间的能量分配，从而实现最佳的能耗控制效果。能量管理策略是混合动力系统的关键技术，能够直接决定混合动力系统的工况效率，对提升整车经济性具有决定性的作用。能量管理策略可分为3类：基于规则、基于优化、基于学习的能量管理策略。

基于规则的能量管理策略是目前工程实践领域应用最为广泛的能量管理策略，该策略通过制定一系列规则来确定车辆每个时刻的控制动作，通常不需要提前了解驾驶工况，其规则的制定往往是依据于工程经验。规则型能量管理策略的主要优点是简单实用，便于实时控制；局限性在于过于依赖工程经验和已有的静态数据，其灵活性较差，难以适用于多个不同的工况。

基于优化的能量管理策略，可以分为基于瞬时优化、滚动优化、全局优化。基于瞬时优化的策略结合当前时刻的车辆状态和工况信息，通过以最小化混合动力系统的瞬时等效油耗、排放等为优化目标进行优化，获得混合动力系统最优控制量。等效燃油消耗最小策略是一种典型的瞬时优化能量管理策略。瞬时优化策略的优势在于不需要预知车辆工况信息，能够在每个控制周期内对系统的能量分配进行瞬时优化，相比基于规则的能量管理策略，瞬时优化策略能够显著提升车辆的燃油经济性。但其实现的是一种局部最优，无法保证车辆在行驶过程中的总能耗最低。

基于滚动优化的能量管理策略通过在每一时刻根据当前的预测模型和系统状态，求解一个有限时域内的局部最优控制序列。这个最优控制序列只执行第1个控制指令，在下一个时刻根据更新后的系统状态重新预测并求解新的最优控制序列。模型预测控制是一种典型的滚动优化能量管理策略。滚动优化策略能够在每个采样时刻求解预测时域内的局部最优控制序列，从而在一定程度上逼近全局最优解。但其计算复杂，在计算资源受限的情况下实时性难以保证，并且其性能受预测模型精度影响较大。

基于全局优化的能量管理策略是一种求解整个行驶循环工况内的最优解的能量管理策略。典型的全局优化能量管理策略包括动态规划、庞特里亚金极小值原理和遗传算法等。由于全局优化策略需要提前预知整体工况信息并且计算量十分巨大，一般用作验证的基准策略。

此外，得益于人工智能与机器学习技术的发展，学习型能量管理策略（如强化学习、深度强化学习等方法）因自适应性强、优化性和实时性好的优势也在能量管理策略中得到了较为广泛的应用。近年来尤其是基于强化学习的策略，引起了广泛的关注。强化学习通过与真实车辆或车辆模拟的交互学习来提升动力传动系统的性能，其无需精确模型即可处理非线性、高维度问题，适用于如燃油经济性、排放、电池寿命等多目标协同优化，并可通过在线学习适应动态工况。

混合动力能量管理策略的实际应用具有系统性强、协同性广、高度复杂等特征，受限于多源信息的获取、未来驾驶工况的预测、芯片算力与通信机制等诸多工程问题。因此，未来不仅需要算法原理的创新，也需要基础设施、通信设备等多方资源协同建设规划，推动混合车辆能量管理技术的发展。

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混合动力系统热管理技术对于提升系统性能和整车驾乘体验具有重要意义。针对电机的热管理是混合动力车热管理技术的重要内容。

大多数电机失效都是由于电机过热导致的，因此需要对电机热动力学和能量管理策略进行集成控制。为了防止电机出现过热的现象，可以通过控制电机扭矩保证电机温度处于安全范围。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）温度管理技术也是提高热可靠性的关键技术。例如，在目标函数中考虑IGBT温度，构建预测能量管理框架，在预测时域内采用优化方法对目标函数进行优化，以获取最优的能量分配。此外，随着先进流体控制技术与智能传感技术的发展，冷却润滑流量技术也逐渐应用于电机热管理。通过结合驾驶员信息和动力总成系统的系统温度确定冷却润滑油液流量，从而控制油泵转速以实现电机温度的精确控制。

当前，热管理的主要方法集中于在车载设备层上实施。然而，随着混合动力系统的发展，整车热管理相关零部件数量骤增、系统之间关联融合度提升、热管理控制对象更加复杂，并且还需要考虑各种条件的约束和限制、耗散热量的再利用等。因此，推动整车热管理系统的精细化、多样化、智能化控制，将成为混合动力系统热管理技术未来发展的重要方向。