混合動(dòng)力汽車原理與發(fā)展趨勢(shì)研究

摘 要：節(jié)能已然轉(zhuǎn)變成當(dāng)今社會(huì)的一大主題，越來(lái)越短缺的能源要求推出全新動(dòng)力技術(shù)，汽車新能源發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)，混合動(dòng)力能夠較好地應(yīng)對(duì)能源消耗、污染問(wèn)題，近些年在我國(guó)新能源汽車領(lǐng)域得到廣泛推廣。文章通過(guò)闡述混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)、混合動(dòng)力汽車分類及原理，對(duì)混合動(dòng)力汽車發(fā)展趨勢(shì)展開(kāi)探討，旨在為如何促進(jìn)混合動(dòng)力汽車有序健康發(fā)展研究適用提供一些思路。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車；原理；控制策略；發(fā)展趨勢(shì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.221

0 引言

伴隨全球石油資源的稀缺及人們環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，亟待研發(fā)出一種節(jié)能降排，乃至零排放的綠色環(huán)保汽車產(chǎn)品。因而，全球各國(guó)及眾多汽車制造商均紛紛投入到研發(fā)各種類型電動(dòng)汽車的行列中。電動(dòng)汽車品種繁多，包括有純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車以及混合動(dòng)力汽車等。就現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展實(shí)際情況而言，純電動(dòng)汽車應(yīng)受電池性能制約，續(xù)駛里程不足，因而無(wú)法進(jìn)行推廣。燃料電池汽車則要投入大量的生產(chǎn)成本，難以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。尤以混合動(dòng)力汽車最值得產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)。混合動(dòng)力汽車，指的是動(dòng)力來(lái)源方式多種多樣，廣義而言，混合動(dòng)力即為選取汽油驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)兩種并用的方式。憑借新型混合動(dòng)力汽車耗能低、排放量少，動(dòng)力功能相較于傳統(tǒng)汽車無(wú)顯著差異，生產(chǎn)制造成本卻較純電動(dòng)汽車更低，因而近年來(lái)針對(duì)混合動(dòng)力汽車的研究研發(fā)成為一個(gè)熱點(diǎn)方向[1]。由此可見(jiàn)，對(duì)混合動(dòng)力汽車原理與發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)展研究，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)

混合動(dòng)力汽車是指應(yīng)用傳統(tǒng)燃料，并輔以動(dòng)力單元一般選取一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)或者動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)組，混合動(dòng)力車輛主流大多為汽油混合動(dòng)力，相較于傳統(tǒng)燃油汽車，混合動(dòng)力汽車在汽車能源消耗、尾氣排放等方面均實(shí)現(xiàn)了一定改良。混合動(dòng)力汽車主要優(yōu)點(diǎn)在于：1）混合動(dòng)力汽車可確保電池始終維持在有序的工作狀態(tài)下，不出現(xiàn)過(guò)放、過(guò)充現(xiàn)象，在縮減了蓄電池體積、容量的基礎(chǔ)上，還提升了汽車的最高行駛速度，提升了電驅(qū)動(dòng)續(xù)駛里程，延伸了蓄電池的有效使用周期，減少了汽車生產(chǎn)成本。2）混合動(dòng)力汽車實(shí)現(xiàn)了一系列動(dòng)力設(shè)備器件的科學(xué)配合、合理控制，包括燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及儲(chǔ)能器件電能，極大程度提升了汽車?yán)m(xù)駛里程，可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)燃油汽車的同等水平，使純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程不足的問(wèn)題得到有效解決。3）混合動(dòng)力汽車通過(guò)應(yīng)用混合動(dòng)力，可對(duì)負(fù)荷多或者少過(guò)程中的功能輸出、能量控制開(kāi)展靈活調(diào)節(jié)，使車輛在行駛期間，可對(duì)下坡時(shí)、制動(dòng)時(shí)以及怠速時(shí)所需的能量進(jìn)行極為便利地回收。混合動(dòng)力汽車具備低油耗、低排放的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可改善能量有效利用率。4）混合動(dòng)力汽車可降低對(duì)大氣的污染，混合動(dòng)力汽車在行駛過(guò)程中對(duì)應(yīng)應(yīng)用的燃料相較于一般動(dòng)力存在顯著差異，因而具有低排放，甚至零排放的對(duì)應(yīng)要求標(biāo)準(zhǔn)。

2 混合動(dòng)力汽車分類及原理

2.1 串聯(lián)式

串聯(lián)式系統(tǒng)是通過(guò)內(nèi)燃機(jī)作用于發(fā)電機(jī)使其發(fā)電，基于此形成的電能，經(jīng)調(diào)節(jié)單元沿電機(jī)轉(zhuǎn)化成車輛行駛需求的動(dòng)能，進(jìn)而使汽車得以驅(qū)動(dòng)。此類動(dòng)力系統(tǒng)在眾多城市公交汽車上得到廣泛推廣，并收獲了可觀的應(yīng)用成效，不過(guò)在一些轎車上的應(yīng)用則尚未普及。串聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

該種系統(tǒng)工作原理為：蓄電池組將發(fā)動(dòng)機(jī)維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的工況下，汽車開(kāi)展行駛期間，蓄電池組電量飽和，于此情況下，汽車便無(wú)需輔助動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)正常行駛目的；一旦蓄電池組電量不足六成時(shí)，汽車便需要借助輔助動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在這種狀態(tài)下，這一系統(tǒng)可為蓄電池組進(jìn)行充電處理，進(jìn)一步使蓄電池組能夠重新投入到運(yùn)行當(dāng)中[2]。倘若汽車在行駛期間所需動(dòng)力太大，蓄電池組、輔助動(dòng)力系統(tǒng)便可同時(shí)運(yùn)行，以確?？商峁┏渥愕膭?dòng)力；倘若汽車所需動(dòng)力較少，則輔助動(dòng)力系統(tǒng)便可完成為蓄電池組開(kāi)展充電的工作。

2.2 并聯(lián)式

并聯(lián)式系統(tǒng)針對(duì)多種不同行駛工況均可予以應(yīng)用，特別在一些條件較為惡劣路況下，并聯(lián)式系統(tǒng)更是具備特有的優(yōu)勢(shì)，該種系統(tǒng)所含的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它們既可獨(dú)自運(yùn)行，還可同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)可為車輛驅(qū)動(dòng)直接提供動(dòng)力，不存在能量轉(zhuǎn)換，能量損失小。并聯(lián)式這一聯(lián)結(jié)方式結(jié)構(gòu)得到了充分簡(jiǎn)化，并且可極大水平降低生產(chǎn)制造成本?，F(xiàn)階段，全球范圍內(nèi)一些大型汽車生產(chǎn)商均采用了該種聯(lián)結(jié)方式。并聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

該種系統(tǒng)工作原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)相互于驅(qū)動(dòng)橋上以并列方式開(kāi)展連接，在驅(qū)動(dòng)車輛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)或是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車，或是共同驅(qū)動(dòng)汽車。發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪動(dòng)力開(kāi)展組合，在各式各樣路面上不僅能夠單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，還可共同驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)即可作為電動(dòng)機(jī)又可作為發(fā)電機(jī)，動(dòng)力性能佳。

2.3 混聯(lián)式

混聯(lián)式系統(tǒng)于起步、低速段推行純電動(dòng)、串聯(lián)模式，同時(shí)綜合汲取了上述兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，該種系統(tǒng)能夠更為自由地結(jié)合汽車行使實(shí)際情況來(lái)對(duì)內(nèi)燃機(jī)功率輸出、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)展控制?；炻?lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)相較于串聯(lián)、并聯(lián)模式更為省油，經(jīng)采取混合驅(qū)動(dòng)模式，對(duì)內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)相互轉(zhuǎn)速關(guān)系開(kāi)展綜合控制，可于車輛上陡坡、急加速等工況下，一方面確保動(dòng)力性能，一方面顧及系統(tǒng)運(yùn)行效率。混聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式為同軸直聯(lián)式，由發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)混聯(lián)組成，作為一種較為完備的動(dòng)力系統(tǒng)，其有著耗能低、排放量少、加速性等特征。混聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

該種系統(tǒng)工作原理為：發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能，可經(jīng)由機(jī)械設(shè)備直接使車輛得以驅(qū)動(dòng)運(yùn)行；發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能，可經(jīng)由發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)電動(dòng)機(jī)使車輛得以驅(qū)動(dòng)運(yùn)行；電池連接于發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)相互間，可對(duì)其進(jìn)行充電或輸出輔助動(dòng)力。

3 混合動(dòng)力汽車發(fā)展趨勢(shì)

伴隨石油資源的越來(lái)越緊張，全球各國(guó)不斷對(duì)主要以石油為燃料的傳統(tǒng)動(dòng)力汽車開(kāi)展研究，以期可以更好地應(yīng)對(duì)當(dāng)前能源稀缺的發(fā)展形勢(shì)。于此同時(shí)，伴隨人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐步增強(qiáng)，電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車必然會(huì)轉(zhuǎn)變成未來(lái)一段時(shí)間里汽車發(fā)展的主流，該種新類型的動(dòng)力汽車相較于傳統(tǒng)動(dòng)力汽車是一場(chǎng)全新的汽車革命，強(qiáng)化混合動(dòng)力汽車研發(fā)，可積極促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有序健康發(fā)展。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及一系列智能控制技術(shù)（諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)）在混合動(dòng)力汽車中的逐步推廣，將進(jìn)一步推動(dòng)混合動(dòng)力汽車的不斷發(fā)展[3]。

（1）推進(jìn)控制策略的進(jìn)一步優(yōu)化?，F(xiàn)階段，我國(guó)混合動(dòng)力汽車控制策略相關(guān)研究依舊處在起步發(fā)展階段，還不太成熟。顯而易見(jiàn)，相較于串聯(lián)式控制模式，并聯(lián)式控制模式要難得多，很大原因在于采取控制策略期間，往往還需考慮燃油成本、車輛運(yùn)行工況及發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能等一系列因素，這很大程度上會(huì)提升其復(fù)雜性。鑒于此，針對(duì)現(xiàn)階段發(fā)展實(shí)情而言，對(duì)當(dāng)前控制策略開(kāi)展全面優(yōu)化是當(dāng)務(wù)之急。

（2）并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車中選取的小容量蓄電池組、小功率電機(jī)是一種具備一定發(fā)展前景的控制策略。一方面其可減少生產(chǎn)制造成本，一方面其可減輕混合動(dòng)力汽車自重，有著更高的性價(jià)比，可算得上是一種相對(duì)理想的系統(tǒng)型式。值得注意問(wèn)題的是，在應(yīng)用該種系統(tǒng)時(shí)如何有效獲取整車最佳燃油經(jīng)濟(jì)性。

（3）控制系統(tǒng)模塊化。經(jīng)由功能模塊發(fā)展、組合，進(jìn)而不斷達(dá)成汽車動(dòng)力的電氣化。通過(guò)不斷強(qiáng)化每一模塊協(xié)調(diào)性，實(shí)現(xiàn)“一動(dòng)而動(dòng)全身”，并確保每一模塊的各自獨(dú)立，即便一個(gè)控制模塊出現(xiàn)異常情況，亦不會(huì)對(duì)車輛行使整體安全性帶來(lái)不利影響[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，伴隨人們對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的逐步嚴(yán)苛，混合動(dòng)力汽車是汽車行業(yè)發(fā)展的主流方向，混合動(dòng)力汽車技術(shù)，作為一種可持續(xù)、多樣化、可再生新能源時(shí)代的共性技術(shù)，勢(shì)必能夠得到越來(lái)越有效的發(fā)展。鑒于此，相關(guān)人員務(wù)必要清楚認(rèn)識(shí)混合動(dòng)力汽車的優(yōu)點(diǎn)、混合動(dòng)力汽車分類及原理，全面分析現(xiàn)階段提出混合動(dòng)力汽車控制策略中存在的不足，結(jié)合混合動(dòng)力汽車發(fā)展現(xiàn)狀，不斷鉆研研究、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)優(yōu)化控制策略開(kāi)展優(yōu)化，強(qiáng)化對(duì)混合動(dòng)力汽車控制策略的研究，積極促進(jìn)混合動(dòng)力汽車有序健康發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：楊洪振（1985—），男，河南沈丘人，本科，助教，研究方向：車輛工程。