1 引言
由于石油資源的缺乏和環(huán)保意識的提高，人類越來越需要可節(jié)省能源和低排放甚至是零排放的綠色環(huán)保汽車。為此，世界各國政府以及各大汽車制造商都在加大力度開發(fā)各種不同類型的電動汽車。當前，人們所說的電動汽車應包括純電動汽車、混合動力汽車以及燃料電池汽車。從當前的技術發(fā)展趨勢來看，純電動汽車由于受到電池性能的制約，續(xù)駛里程較短，難以推廣應用。燃料電池汽車的基礎設施投入巨大，車輛成本極高，更不易在短期內實現產業(yè)化。而混合動力汽車具有節(jié)約能源、排放污染低、續(xù)駛里程長、不改變基礎設施等突出優(yōu)點，是目前實現產業(yè)化的最佳產品。

2 國內外混合動力汽車的主要廠商
目前國外能產業(yè)化生產混合動力汽車的公司主要有日本的豐田和本田。表1中列出了國外主要的混合動力汽車產品。與世界其他國家一樣，電動汽車的研發(fā)工作在我國也正如火如荼地進行著。一汽、東風、長安、奇瑞等汽車公司對此都投入了大量的人力、物力，各車型均已完成功能樣車的開發(fā)。表2中列出了國內主要生產和研究混合動力汽車的廠商。

3 混合動力主要技術
3.1 雙向大功率dc-dc變換器
混合動力電動汽車中通常將電動機作為運動執(zhí)行機構,而將蓄電池等儲能元件作為輸入電源。首先,電動汽車中電機在工作時轉速范圍很寬,且行駛過程中頻繁加減速。并且電動汽車運行過程中蓄電池端電壓的變化范圍也較大。如果將蓄電池組直接驅動電動機，會造成電動機驅動性能的惡化。其次，基于混合動力汽車的工作特性，如果采用能量單方向流動的變換器將無法使制動或減速能量得到充分的回收。這對于采用蓄電池等儲能元件的電動汽車來說極為不利，將會嚴重影響電動汽車的續(xù)駛里程。而采用三相全橋的電路在實現雙向工作時，其正向放電只能工作于降壓模式，反向充電只能工作于升壓模式。此時系統(tǒng)儲能單元電壓配置受到制約,而且汽車高速工作下無法實現降壓充電。再者，簡單采用兩個單向直流變換器反向并聯(lián)的工作方式會造成系統(tǒng)結構的復雜和可靠性的降低。最后，在采用兩種或兩種以上儲能元件的電動汽車中，通常會因為儲能元件工作電壓、工作特性的不同而不能采用直接并聯(lián)的方式。此時需要單獨采用雙向變換器來進行能量管理。以上幾點都需要在混合動力系統(tǒng)中使用雙向直流—直流（dc-dc）變換器。圖1是采用混合儲能時混合動力系統(tǒng)結構圖。如何選擇高效的雙向驅動拓撲以及合理的控制策略將是決定混合動力系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。

圖1 混合動力系統(tǒng)結構圖

3.2 驅動電機技術
電力驅動系統(tǒng)是電動汽車的心臟。電動汽車的電力驅動系統(tǒng)包括電機驅動裝置、機械傳動裝置。電機驅動裝置包括電動機、功率變換器和控制器，它是電動汽車驅動系統(tǒng)的核心。混合動力電動汽車中電機有如下要求：
（1）恒功率輸出和高功率密度;
（2）有較高的瞬時功率和寬調速范圍，在汽車起步和爬坡時具有低速—高轉矩輸出特性，在汽車高速行駛時具有高速—低轉矩特性，能夠提供高轉速滿足汽車高速行駛及超車的要求；
（3）具有較大的轉速范圍足以覆蓋恒轉矩輸出區(qū)和恒功率輸出區(qū)；
（4）轉矩響應速度快,具有較強的過載能力,能夠適應路面變化及頻繁起動和剎車等復雜運行工況;
（5）在轉矩/轉速特性的較寬范圍內具有高效率；
（6）在剎車時具有能量回饋制動功能，以提高電動汽車的續(xù)駛里程；
（7）堅固可靠，能夠在不同的工作條件下可靠的工作；
（8）性價比高。
目前，存在直流電機、交流感應電機、無刷直流電機和開關磁阻電機，其各有優(yōu)缺點，表3中總結出以上四種電機各自的特點。從表3中分析可以清晰地看出無刷直流電機（bldcm）具有最大的優(yōu)勢，其具有寬的調速范圍及高的轉速，足夠大的啟動轉矩，體積小、質量輕，效率高且具有動態(tài)制動能力強等性能。不足之處主要在于恒功率弱磁調速方面，由于采用永磁體勵磁，加之其電樞反應較弱，從而等效弱磁能力差。因此，必須從驅動拓撲以及控制方式上對無刷直流電機的性能進行優(yōu)化，使其能夠完全適應混合動力系統(tǒng)的應用要求。

3.3 能量管理技術
目前,蓄電池能量管理技術是混合動力汽車的關鍵技術之一。通常,能量管理技術決定了蓄電池的使用壽命以及充放電速度等技術指標。為此需要根據蓄電池的儲能情況進行能量的管理,如何準確的通過控制手段對蓄電池的荷電狀態(tài)(soc)進行辨識將是一個研究的難點和關鍵點。
蓄電池能量管理系統(tǒng)直接檢測及管理電動汽車的儲能電池運行全過程，包括蓄電池充放電過程管理、電池溫度檢測、電池電壓電流檢測、電量估計、單體電池故障診斷等幾個方面。
在實際應用中，如何根據采集到的每塊電池的電壓、溫度和充放電電流的歷史數據，建立確定每塊電池剩余能量的較精確的數學模型，以及電動汽車儲能電池的快速充電技術及均衡充電技術，將是未來研究的重點和關鍵技術，其電池性能的好壞將直接影響混合動力汽車的實際使用。

4 雙向大功率dc-dc變換器技術現狀
4.1 拓撲技術
目前雙向dc-dc變換器的拓撲研究中，主要分為非隔離和隔離型雙向拓撲。在非隔離型雙向dc-dc拓撲中，主要是將原來的buck或boost電路中的功率二極管換成了可控器件后形成的。在上述電路中，由于功率igbt的體二極管存在存儲電荷多、反向恢復特性差等問題，實際使用中軟開關技術應用的比較多。直流變換器電路中的軟開關方案主要有以下三種形式：緩沖型軟開關、控制型軟開關以及諧振型軟開關。
其中緩沖型軟開關通過在電路中增加相應的無源或有源元件來改變開關管的開關過程。此類軟開關電路一般用于小功率的直流變換電路中。控制型緩沖電路用的較多的是全橋移相電路，其與緩沖型軟開關相比無需添加額外的無源或有源器件，在不改變主電路拓撲的前提下，依靠移相控制的方式來實現軟pwm開關。移相控制一般在中大功率場合應用較多。諧振型軟開關通常需要采用額外的電感和電容元件構成諧振電路，利用電感電容的諧振原理來實現開關管零電流、零電壓的開通或關斷。受諧振頻率的制約，其軟開關工作條件在整個輸出電壓范圍內無法滿足。
另一種雙向dc-dc拓撲為隔離型雙向dc-dc變換器，其在非隔離型雙向變換器中插入高頻變壓器，構成了隔離型拓撲。一般變壓器的原副邊可以由全橋、半橋、推挽等電路拓撲構成。根據其變壓性質不外乎buck型和boost型，目前針對隔離型buck的變換方案研究較多。隔離型boost方案主要存在升壓啟動和開關管的電壓尖峰兩個問題。
4.2 控制策略
在混合動力電動汽車的雙向dc-dc變換器中，由于其以電動機作為負載，而電動機在額定轉速以下要求采用恒轉矩的工作方式，這里的恒轉矩直接對應于母線輸入的恒電流。因此，在前級雙向dc-dc變換器中，不僅要求系統(tǒng)的動態(tài)特性要快，而且要求輸出電流穩(wěn)定。因此，在混合動力的雙向dc-dc變換器中，電流型控制方式是首選。
電流型控制方式通過對直流變換器電感電流作為反饋量并進行閉環(huán)控制的方法，與電壓型控制相比，其動態(tài)響應較快。目前使用的電流控制模式可以分為峰值電流控制、平均電流控制、滯環(huán)電流控制以及電流預測控制等。由于采用了數字控制方式，其他的非線性控制方式，如電荷控制、滑?？刂?、自適應控制等均進入了應用范圍。但是由于受數字芯片采樣頻率的限制，無法像模擬控制那樣對電流信號進行實時采樣。因此，對于峰值電流控制等需要實時采樣電流值的控制方法仍不太適用。目前使用較多的是平均電流控制，與峰值電流控制相比，平均電流控制不需要斜率補償，并且具有以下優(yōu)點：能夠精確地跟蹤電流給定信號，抗干擾能力強，適合于任何電路拓撲對輸入或輸出電流的控制。但也存在電流放大器在開關頻率處的增益有最大限制、雙閉環(huán)放大器帶寬、增益等配合參數設計調試復雜等缺點。而滯環(huán)控制雖然具有最快的動態(tài)響應,但由于其工作頻率的不確定性造成了輸出濾波器設計的困難。另外如電流預測控制等非線性電流控制方式能夠應用于特定的場合,以此來消除控制對象的非線性,優(yōu)化控制方法。

5 電機驅動技術現狀
5.1 無刷直流電機驅動拓撲
在bldcm驅動拓撲中，主要存在兩種方式，一種是傳統(tǒng)的三相全橋逆變電路，稱為六管電路；另一種是在傳統(tǒng)三相橋電路前串入一級直流變換電路，通常采用buck的工作方式，稱為七管電路。另外，有文獻提出了c-dump的電路結構，該電路采用四只功率開關管驅動bldcm，其中采用單極性的調制方式，從而存在電機出力減半的缺點，在大轉矩應用時需要提供雙倍的相電流，這將大大增加了功率開關元件的電氣應力。另外提出了改進型bldcm驅動方式，其采用2個串聯(lián)電容和4個功率開關管組成三相驅動電路，該電路工作時，電機三相電感上電流脈動量不同，而且在電機額定工作時，需要提供原來兩倍的輸入電壓，因此在實際應用中并不多。
5.2 主要的控制技術
（1）電磁轉矩脈動抑制技術
由于bldcm采用了方波電流驅動，而實際應用中,相電流的方波是很難獲得的，因此，其電磁轉矩存在脈動的問題。轉矩脈動不僅降低系統(tǒng)的變換效率，而且會降低電力傳動系統(tǒng)控制特性并造成機器噪聲、振動，降低電機的使用壽命和驅動系統(tǒng)的可靠性。目前引起無刷直流電機電磁轉矩脈動的原因有很多,主要有齒槽轉矩脈動、非理想的反電動勢和相電流引起的轉矩脈動以及換相轉矩脈動。
（2）恒功率弱磁技術
在電動汽車的使用中,需要有恒功率調速范圍。而在系統(tǒng)設計時，從安全角度考慮,將蓄電池的最高電壓對應于bldcm的額定反電動勢。一旦汽車電機需要更高轉速時，往往由于蓄電池電壓的限制而不能實現恒功率調速。圖2畫出了bldcm的工作特性,當電機轉速n≤ne時,其為恒轉矩輸出;當電機轉速n＞ne時,其為恒功率輸出,其中ne為電機的額定轉速。

圖2 bldcm工作特性

由于bldcm采用永磁體勵磁，且表面式轉子結構的電機相電感相對較小，從而由定子電流產生的磁場相對于永磁體磁場要小很多，因此bldcm恒功率調速相對較為困難。目前可以通過兩種方法來獲得bldcm的恒功率特性，其一通過對電機本體的改造來提高擴速能力。另一種常規(guī)的弱磁升速方法是通過調節(jié)電流超前角，即cpa調制。通過增大電流超前角，可以減少與永磁磁場交鏈的定子導體匝數，從而減少了與永磁磁場交鏈的定子繞組磁鏈，實現了等效弱磁。但這種方法受電機相電感的影響較大，只適用于電感較大的場合。
另一種弱磁升速的方法是美國j.s.lawler教授提出了雙模式新型逆變器拓撲（dmic）。他通過研究發(fā)現bldcm采用超前角調制時相電流可以分為電動區(qū)和回饋區(qū)，由于回饋區(qū)抵消了電動區(qū)的很大一部分能量，從而導致電流幅值相對較大且對相電感大小極為敏感。在采用了dmic的驅動拓撲后，通過在逆變器中加入雙向反并聯(lián)晶閘管，抑制了反并續(xù)流二極管的開通造成的能量回饋現象，提高了擴速范圍。
（3）位置檢測和最佳換相技術
對bldcm的控制需要采集三相繞組與永磁磁場的位置信號，基于三相繞組的對稱性,且互差120度，從而可以為每相提供一個位置檢測元件。目前一般采用霍爾元件作為bldcm的位置檢測。而最佳的電機換相邏輯要求電機相反電動勢和相電流具有相同的相位，即兩者同時達到最大值。但由于霍爾檢測元件本身具有一定的信號延遲，當電機工作于低速時，其位置信號造成的延遲相對誤差較小。而當電機工作在高速條件下時，其位置信號延遲造成的誤差相對變大。因此，在高速運行的條件下，bldcm不是工作在最佳換相邏輯下，單位電流產生的力矩無法達到最大，從而降低了系統(tǒng)變換效率。
另外，隨著輸出力矩的增大，電機相電流也相應變大，在電機內部形成電樞反應造成了氣隙磁場的畸變。根據電機轉矩公式，電磁轉矩與相反電動勢和相電流的相位有關，當兩者同時達到最大值時輸出力矩最大。但是由于電樞反應，霍爾元件在檢測氣隙磁場時發(fā)生了相位誤差，并且這一誤差會隨著輸出電流的增大而相應的變大。此時以檢測到的位置信號來對電機進行換相控制，其相反電動勢和相電流存在相位誤差，從而并沒有滿足bldcm的最佳換相邏輯。這個問題在電機整個速度范圍內均存在，其與輸出電流的大小有關。
對于最佳換相邏輯的影響主要有以上幾個因素，可見換相時刻的選取需要根據電機轉速以及電流進行實時的調整，這樣才會具有較高的效率。

6 能量管理系統(tǒng)
6.1 儲能元件選型
到目前為止，電動汽車用電池經過了三代的發(fā)展，已取得了突破性進展。
第一代是鉛酸蓄電池,由于其能量較高、價格低和能高倍率放電，因此是目前唯一能大批量生產的電動汽車用電池；
第二代是堿性電池,主要有nicd、nimh、na/s、lion和zn/air等多種電池,其比能量和比功率都比鉛酸蓄電池高;
第三代是以燃料電池為主的電池。
燃料電池直接將燃料的化學能轉變?yōu)殡娔埽芰哭D換效率高，比能量和比功率都高，因此是理想的汽車用電池，但目前還處于研制階段，技術不成熟，成本偏高。
混合動力車用電池不僅需要高能量密度，也需要高功率密度，還要具有體積小、重量輕、效率高、成本低、壽命長等特點。因此到目前為止，還沒有一種電池在能量密度、功率密度、使用壽命和制造成本幾方面同時滿足電動汽車的使用要求，對其中任何一方面的性能改善必然導致其他方面的性能下降。
超級電容器是目前一種新型高功率密度的儲能元件，但是單純將其作為電動汽車的儲能元件，超級電容的能量密度還遠遠達不到應用水平，通常將其與一般的蓄電池結合使用，可以增強電動汽車加速及爬坡能力，并能有效減少蓄電池工作循環(huán)次數，對蓄電池起到保護作用。表4列出了電解電容、超級電容以及鉛酸電池的性能比較。

由此，目前一般采用多種能源混合作為電動汽車的儲能單元，用的最多的是蓄電池和超級電容的組合。其使用方法有三種，即直接并聯(lián)、通過電感并聯(lián)以及通過變換器并聯(lián)。其中直接并聯(lián)和通過電感并聯(lián)的工作模式使用時受蓄電池工作電壓的限制，超級電容實際工作中電壓變化量較小，使得超級電容的有效利用率降低。因此，一般采用變換器并聯(lián)的工作方式，通過雙向變換器的變流變壓作用，不僅滿足了蓄電池和超級電容的充放電管理要求，而且也可以靈活地配置蓄電池和超級電容的容量來滿足不同負載的要求，達到兩種能源的合理利用。
6.2 蓄電池的充電技術
目前，蓄電池主要采用的充電方式有如下幾種：恒流充電、恒壓充電、衰減充電、脈沖充電、快速充電。
通過快速充電,有效地縮減蓄電池充電時間，同時為了增加電池使用壽命，其充電曲線必須最優(yōu)化。在混合動力系統(tǒng)中應用時，需要采用快速充電。目前存在的快速充電法主要有:分級恒流充電法、脈沖充電法、定化學反應狀態(tài)法、變電流間歇/恒電壓充電法以及變電壓間歇充電法等。
6.3 蓄電池容量檢測技術
在對蓄電池進行充放電管理時,電池的荷電狀態(tài)(soc)是必須要檢測的量。目前國內外在對電池soc檢測上通常采用以下幾種方法:開路電壓法、恒流恒壓法、內阻法、安時法、檢測溶液密度法、恢復效應法。由于這幾種蓄電池容量的檢測技術各有其優(yōu)缺點，通常在使用時，需要同時采用多種檢測方法來獲得蓄電池的荷電狀態(tài)。綜上所述，電池剩余容量檢測的成功與否將是決定電池充放電能量管理成敗的關鍵因素。換言之，最終蓄電池的充放電管理都是基于電池的剩余容量進行的,一旦容量檢測出錯，將會使能量管理系統(tǒng)出錯,由此造成蓄電池的損壞。

7 結束語
混合動力技術的先進性和現實性，加上節(jié)能、環(huán)保效果明顯，采用混合動力汽車是現階段解決環(huán)保和能源問題最為切實可行的方案。目前，混合動力汽車技術發(fā)展的首要難題是降低成本，這也是今后有待解決的最大難題。因此，必須降低動力電池、電機驅動系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等的成本。