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混動汽車能量管理策略研究

2022-01-10 20:49:30·  來源：ATC汽車技術(shù)會議  作者：王明昇  
　
摘要：文章以并聯(lián)式新能源混動汽車作為研究對象，根據(jù)其工作模式提出一種能量管理策略，實現(xiàn)工作模式的平穩(wěn)切換及混動系統(tǒng)的動力分配。過 Matlab/Simulink 軟件
摘要：文章以并聯(lián)式新能源混動汽車作為研究對象，根據(jù)其工作模式提出一種能量管理策略，實現(xiàn)工作模式的平穩(wěn)切換及混動系統(tǒng)的動力分配。過 Matlab/Simulink 軟件建立整車控制策略數(shù)學(xué)模型，對所設(shè)計邏輯門限能量管理策略的有效性進行驗證。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計的新能源混合動力汽車能量管理策略可以在滿足車輛行駛性能的同時，有效提高 24.2%的燃油經(jīng)濟性，減少排放，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。
關(guān)鍵詞：并聯(lián)式混動汽車；能量管理策略；動力分配；燃油經(jīng)濟性
引言
氫燃料早期是應(yīng)用于航天領(lǐng)域的，在數(shù)十年的技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的過程中，技術(shù)成果相對顯著。人們需要以實踐工作為基礎(chǔ)，探索優(yōu)化制氫技術(shù)的有效方式。氫燃料電池應(yīng)用的目標(biāo)，是為了實現(xiàn)汽車驅(qū)動或者發(fā)電。氫燃料電池汽車能實現(xiàn)零排放的目標(biāo)，一次加氫的續(xù)航時間較長，加氫的過程耗費時間相對較短，與汽油車補充能源的速度相似，所以氫能源汽車也是新能源汽車主要技術(shù)形式。氫燃料與一般的化學(xué)電池相比，完成燃料補充的時間是5分鐘左右，不如電動汽車那樣需要耗費幾個小時。
實踐研究表明，氫燃料的電能轉(zhuǎn)化率相對較高，甚至能高達70%以上，燃料最終的產(chǎn)物是純凈水，從理論層面進行分析。氫燃料適合應(yīng)用于新能源汽車之中。分析汽車行業(yè)發(fā)展情況，根據(jù)純鋁車身開發(fā)純電動汽車，與氫燃料汽車的通用化平臺進行對比，該技術(shù)的應(yīng)用效能較好，也會引領(lǐng)我國的汽車行業(yè)發(fā)展形勢。
1 純電動汽車與氫能源汽車技術(shù)應(yīng)用實際情況
1.1 純電動汽車
純電動汽車的產(chǎn)出時間相對較早，在1873年英國率先制造出可供實用的電動汽車，這種汽車相對于汽油汽車，早很多年。后續(xù)燃油技術(shù)獲得了突破式發(fā)展，但是電動汽車在能源技術(shù)以及駕駛歷程方面，有關(guān)于技術(shù)應(yīng)用的成果不佳，未能實現(xiàn)突破式發(fā)展的目標(biāo)，導(dǎo)致這一類產(chǎn)品后 續(xù)的發(fā)展動力不足。在20世紀60年代，電動汽車進入一種停滯的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，直到70年代石油危機出現(xiàn)之后，人們對生存環(huán)境質(zhì)量關(guān)注度提升，電動汽車就成為一種重要的能源技術(shù)形式，各個國家在實踐研究方面，投入了大量的時間和資金?，F(xiàn)如今在產(chǎn)業(yè)發(fā)展工程中，所面臨的能源問題以及環(huán)境問題逐漸增多，各個國家也面臨著發(fā)展局限，尤其是在新興發(fā)展的過程中，我國作為發(fā)展中國家，在城市尾氣污染方面，所面臨的問題逐漸增多。因此各國的政 府以及相關(guān)的汽車工業(yè)企業(yè)，在電動汽車開發(fā)與應(yīng)用期間，做好投資與管理，為實現(xiàn)電動汽車商品化發(fā)展而不斷努力。
電動汽車的電池（如圖 1），是汽車運行階段的關(guān)鍵， 在電池質(zhì)量以及容量方面，電動汽車是否能夠普及，屬于 一種核心技術(shù)問題。車載電池技術(shù)不斷發(fā)展，會影響電動汽車整體的發(fā)展質(zhì)量。在汽車廠商以及電池商深入工作階段，會將技術(shù)核心放置在，提升電動汽車容量，擴大電容量 這一方面。從國際品牌來看，特斯拉品牌的電動汽車，與松下企業(yè)聯(lián)合使用鈷酸鋰電池，電池的容量較大，能夠提供 更多的電能資源。在動力系統(tǒng)之中，使用電池組的管控策略，鈷酸鋰電池組重量較大，但是應(yīng)用優(yōu)勢較為顯著，在汽車整體結(jié)構(gòu)之中較為穩(wěn)定，容量也比較高，是有良好綜合性能的電池類型。但是實踐表明，鈷酸鋰電池的安全性不足，且成本相對較高，有很多企業(yè)在投入應(yīng)用期間存在一定的問題。
圖 1 純電動汽車電池
我國人口技術(shù)較大，近年來生產(chǎn)和消費水平顯著提升。每年在生產(chǎn)和消費汽車方面，以數(shù)千萬的汽車交易量，在世界有一定的影響力?，F(xiàn)如今在汽車行業(yè)發(fā)展階段，國家提出可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，使得電動汽車發(fā)展迅猛。在電動汽車研發(fā)方面，比亞迪電動車作為代表性品牌，每年的汽車銷售量，處于持續(xù)增長狀態(tài)，屬于全球領(lǐng)先的汽車銷售品牌。比亞迪電動汽車，自主研發(fā)的磷酸鐵鋰電池（如圖2），放電的效率相對較高，充放電的效率高達 80%。在電動汽車研發(fā)階段，使用比亞迪電動車，最核心的原因，是因為它的安全性，相對于其他的車載電池有自身的優(yōu)勢，理論研究壽命也相對較長，能夠超出七年，當(dāng)然如果消耗較大， 就會減少壽命。比亞迪電動汽車，所研發(fā)的磷酸鐵錳鋰電池，將傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用密度有效控制，對于企業(yè)來講成本投入顯著降低，且汽車的續(xù)航時間延長，公里數(shù)也會增大。
圖 2 磷酸鐵鋰電池
除去電池續(xù)航里程這一技術(shù)指標(biāo)，在電池充放電時間管理期間，電動汽車行業(yè)也有一個具體的指標(biāo)。技術(shù)研發(fā)的過程中，電池充放電的時間，也是電動企業(yè)所關(guān)注的指 標(biāo)之一。通常情況之下汽油加滿需要十幾分鐘的時間，但 是電動汽車充電則需要花費幾個小時，甚至?xí)鍪畟€小時，所以電動汽車的效率不足，也成為技術(shù)攻克的要點。實踐研究表明，使用石墨烯電池能夠在一小時之內(nèi)，基本完成充電的操作，所以技術(shù)應(yīng)用效果也相對較好。分析電動汽車動力控制、驅(qū)動以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用方面，會發(fā)現(xiàn)技術(shù)研發(fā)速度較快，逐步建立一個成熟的技術(shù)體系。在動力控制、驅(qū)動、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用期間，經(jīng)過統(tǒng)籌規(guī)劃管理，能實現(xiàn)控制電池技術(shù)，把控成本的目標(biāo)，純電動汽車也逐漸深入人們的生活。
1.2 氫能源汽車
1968 年第一輛氫燃料電池汽車誕生，這種汽車的動力系統(tǒng)之中，主要是廂式貨車為主要研究對象，裝載了大功率的燃料電池組，續(xù)航里程是200千米。但是這一新能源汽車，自身的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，身體結(jié)構(gòu)的部件體積相對較大，由于當(dāng)時的市場主流趨勢與現(xiàn)在不同，而且環(huán)境和能源問題各個國家也不夠重視，所以在開發(fā)管理的過程中，技術(shù)應(yīng)用會存在問題。到了20世紀末年，為有效解決環(huán)境污染以及能源供需問題，燃料電池電動車技術(shù)（如圖3）受到社會各界的廣泛關(guān)注，一些汽車生產(chǎn)商以及管理部門，在技術(shù)研發(fā)方面，投入大量的財力、物力。
圖 3 燃料電池電動車技術(shù)原理
現(xiàn)如今氫燃料汽車（如圖 4）研究工作，日本已經(jīng)建立較為成熟的技術(shù)管理體系。氫燃料在汽車運行階段，作為能源材料只會排放一定的水分，在技術(shù)應(yīng)用階段有一定的復(fù)雜性，這方面與電動汽車相似。氫燃料汽車在技術(shù)應(yīng)用期間，構(gòu)建儲氫系統(tǒng)之后，以及使用燃料電池組。在系統(tǒng)之中日本本田使用纖維氫燃料罐，能夠?qū)⑷剂想姵囟淹黄菩詰?yīng)用，經(jīng)過改進之后，燃料電池堆的體積減小，但是輸出功率明顯增大，而且輸出密度控制也相對較為理想。補充一次燃料的時間基本能控制在五分鐘左右，與一般的燃油汽車加油的時間相同。日本汽車廠新能源技術(shù)較為成熟，日本國內(nèi)逐步建立加氫站，實現(xiàn)氫能源汽車的推廣，在北美推廣這種類型的新能源，技術(shù)應(yīng)用效果相對較好。但是結(jié)合實踐進行分析，大規(guī)模制氫技術(shù)以及儲氫技術(shù)，是氫能源汽車的瓶頸問題，想要實現(xiàn)飛速發(fā)展，在技術(shù)應(yīng)用期間還有很多可以突破的環(huán)節(jié)。氫燃料電池汽車研發(fā)與應(yīng)用方面，我國尚未建立系統(tǒng)性的研發(fā)管理體系以及專業(yè)體系，在關(guān)鍵技術(shù)以及核心材料應(yīng)用期間，技術(shù)仍然在不斷地改進，處于一種探索階段。儲氫系統(tǒng)以及燃料電池研發(fā)方面，技術(shù)應(yīng)用有一定的問題。


圖 4 氫氣燃料汽車結(jié)構(gòu)
2 氫能源汽車與純電動汽車技術(shù)研究方面的問題

2.1 技術(shù)成熟度不足
結(jié)合實踐研究表明，我國的氫能源汽車以及純電動車研究工作，相關(guān)技術(shù)還不夠成熟。分析產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際情況，會發(fā)現(xiàn)在實施規(guī)?；l(fā)展階段，存在一系列的問題，比方說企業(yè)的創(chuàng)新實踐精神不足，更注重傳統(tǒng)思維的引導(dǎo)，由于消費者的節(jié)能環(huán)保意識不足，想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；?，所應(yīng)用的管控機制，最常見的問題是政府職能的錯位。電動汽車應(yīng)用期間，盡管不會出現(xiàn)直接的污染物排放，但是一些間接性的污染也是不能忽略的。充電所應(yīng)用的電能資源制造模式，主要是通過火力發(fā)電完成的，水利以及核能等清潔能源的比例相對較少，也有可能會出現(xiàn)環(huán)境污染。
在技術(shù)研制期間，如果是太過于冒進或者追求效率， 就會出現(xiàn)人力物力等資源投入較大，但是最終的技術(shù)應(yīng)用效果不為理想化。有很多企業(yè)在實踐工作階段，都想完成純電動車或者氫能源汽車的制造，但是還是很少有人會關(guān)心在技術(shù)不成熟的情形之下，生產(chǎn)過渡產(chǎn)品的重要作用， 比方說生產(chǎn)混合動力汽車。
2.2 市場管理問題
在技術(shù)不完善的情形之下，新能源汽車的市場秩序會受到影響。比方說在純電動車市場之中，高速與低速兩種汽車產(chǎn)品推出，但是國家在高速的純電動車，也給予了很多的政策扶持條件。但是低速類電動汽車產(chǎn)品，制造成本較低且投資相對較少，盡管研究成果較為顯著，但是市場發(fā)展階段，技術(shù)影響力較小。由于缺乏政策支持條件，一些企業(yè)進入低速電動汽車市場之后，技術(shù)成熟度不足，所以生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量也有著較大的差異。但是消費者會更 關(guān)注汽車的銷售價格，進而忽視汽車本身的技術(shù)成熟度，所以在新技術(shù)應(yīng)用期間就會出現(xiàn)一系列的問題。
2.3 過分依賴政府補貼的現(xiàn)象
現(xiàn)如今我國在新能源汽車研發(fā)與管理期間，國家給予很多的技術(shù)支持條件，當(dāng)然政府補貼對企業(yè)運營管理有重要影響，很難去界定補貼政策是否合理。我國的汽車產(chǎn)業(yè)影響力較大，與國民經(jīng)濟發(fā)展有緊密聯(lián)系。但是早期的發(fā)展基礎(chǔ)技術(shù)條件不足，還未能達到產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展目標(biāo)。政策條件是系統(tǒng)管理的依據(jù)，沒有足夠的補貼條件，企業(yè)往往沒有啟動資金，而補貼的時間太長，也會導(dǎo)致企業(yè)發(fā)展惰性問題出現(xiàn)?，F(xiàn)如今我國在提供政策補貼的過程中，已經(jīng)建立完善的管理系統(tǒng)，列出具體的退坡時間。所以企業(yè)在技術(shù)研發(fā)的過程中，如何實現(xiàn)技術(shù)突破并控制成本，是保障新能源汽車發(fā)展水平的有效措施，單純的依靠政府補沒有發(fā)展出路。


3 氫燃料與純電動汽車的技術(shù)差異
3.1 動能條件有一定的差異
純電動汽車會使用單一的蓄電池，作為汽車的儲能動力條件，利用電池向電機提供相應(yīng)的電能資源，最終實現(xiàn)驅(qū)動電機運行的目標(biāo)，汽車平穩(wěn)運行。該技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)點， 就是無污染、噪聲小，所以在環(huán)境保護方面，技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢相對較為明顯。純電動汽車內(nèi)，燃機的汽車結(jié)構(gòu)設(shè)置較為簡單，在運行過程中，所使用的傳動部件較少，所以后續(xù)的維修與保養(yǎng)要求也比較少。
氫能源汽車，主要是使用燃料電池驅(qū)動系統(tǒng)運行的， 燃料電池主要是利用氫氣與空氣的氧氣，經(jīng)過催化反應(yīng)之后，實現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的目標(biāo)，電化學(xué)反應(yīng)能將化學(xué)能源轉(zhuǎn)化為電能資源。在電化學(xué)反應(yīng)過程中，所使用的還原劑主要是氫氣，氧化劑則主要是氧氣。純電動汽車充足的充電時間，基本是八個小時左右，而添加氫能源之后，會減少一半的時間，而且氫燃料汽車在一次加氫之后，續(xù)航里程顯著提升，相對于純電動汽車有自身的優(yōu)勢。
3.2 電力來源差異
純電動車的動力來源，主要是動力電池。通過充電的方式，輸送動力電池蓄電，動力電池向電機控制器供電，隨后再向電機控制器控制電機（圖 5），此時車輛運行效率顯著提升。氫燃料電池，主要是氫氣與氧氣形成化學(xué)反應(yīng)之后產(chǎn)生電能，最終實現(xiàn)電機控制能源的目標(biāo)，驅(qū)動電機運行，所以在電力來源方面有所不同。氫燃料汽車的電池，與純電動汽車的動力電池，本身就有著較大的差異，氫燃料汽車的電池，能夠向低壓電器供電，而且氫燃料電池前期啟動，能更好地滿足整車運行的需要，但是純電動汽車則是一種高壓系統(tǒng)，需要逐步向驅(qū)動系統(tǒng)供電。
圖 5 純電動車控制器電機
4 氫能源汽車與純電動車發(fā)展前景
從世界范圍的技術(shù)應(yīng)用情況來看，現(xiàn)如今電動汽車技術(shù)突破發(fā)展，各個國家在新能源汽車推廣方面，會將注意力集中在電動汽車層面上，但是氫燃料電池，只有少數(shù)國家在技術(shù)推廣，有些國家的政府部門提供發(fā)展條件，頒布政策并給予相關(guān)企業(yè)一定的補貼?，F(xiàn)如今一些知名的汽車生產(chǎn)商，在電動汽車研發(fā)方面，也投入了大量的時間和精力。如果純電動汽車，在電池容量以及電池快充技術(shù)應(yīng)用階段，在數(shù)十年之內(nèi)未能實現(xiàn)突破發(fā)展，氫燃料電池汽車，就會有更多的突破式發(fā)展機會。這是因為補充氫能源的時間耗費較少，而且續(xù)航的時間比較長，汽車有更長的駕駛時間。純電動汽車以及氫燃料電池汽車，究竟哪種技術(shù)，會成為汽車行業(yè)的主流，需要關(guān)注技術(shù)突破情況以及當(dāng)?shù)氐恼咔闆r。
5 結(jié)束語
分析氫能源汽車與純電動汽車發(fā)展實際情況，總結(jié)實踐經(jīng)驗并探尋技術(shù)研發(fā)實際需要，在實踐工作階段，對其存在的問題全面剖析。分析政策的支持條件，全方位探索技術(shù)優(yōu)化形式，構(gòu)建完善的氫能源以及純電動車應(yīng)用市場，技術(shù)應(yīng)用效果顯著提升。注重產(chǎn)業(yè)布局管理，分析新能源汽車所需要應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，各個企業(yè)建立良好的合作關(guān)系，協(xié)同落實技術(shù)研發(fā)管理工作，經(jīng)過交流與互動，在新能源汽車研發(fā)管理期間，技術(shù)突破能夠給汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 奠定良好條件。
作者：王明昇
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