混合動力汽車原理及發(fā)展趨勢研究

朱可寧

摘要：環(huán)境保護近年來被世界各國越來越重視，燃油發(fā)動機被替代的方案層出不窮。但經(jīng)過長時間的實踐應(yīng)用，目前比較實用并且已經(jīng)商業(yè)化的只有混合動力汽車?；旌蟿恿ζ嚹艿玫桨l(fā)展得益于良好的燃油經(jīng)濟性，并且達(dá)到超低污染的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，故社會保有量越來越大。本文介紹了混合動力汽車的類別、主要構(gòu)成以及工作過程，并分析了未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車;混合動力;工作原理;發(fā)展前景

中圖分類號：U469.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0047-02

0? 引言

目前，擁有兩種及以上動力源的汽車就叫做混合動力汽車，復(fù)合動力汽車是指使用一種或多種動力源的車輛。通常所說的混合動力汽車，一般多指油電混合動力的汽車，即使用燃油機和電動機作為動力源，燃油機包括柴油機、汽油機以及使用壓縮天然氣、丙烷替代燃料的發(fā)動機，這樣的發(fā)動機經(jīng)過專門的改造，也具有一定的環(huán)保性。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究，傳統(tǒng)內(nèi)燃機排放的廢氣對大氣環(huán)境造成了污染，在80%的道路條件下內(nèi)燃機只能輸出40%的動力，城市道路由于交通擁堵，只能輸出25%的動力。純電動汽車目前由于電池續(xù)航方面存在較大問題，并且充電裝置也沒有得到普及，并且電池造成的環(huán)境污染還沒有辦法評估，所以純電動汽車的推廣普及還需要一段時間。那么混合動力的汽車得到了很大的發(fā)展，兼顧了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車和純電動汽車的優(yōu)點，導(dǎo)致發(fā)動機的熱效率至少提高10%以上，同時排放的廢氣污染物能夠減少30%以上。故本文對混合汽車的組成進行重要闡述，并介紹混合動力汽車的分類，對未來混合動力汽車的發(fā)展前景進行分析。

1? 混合動力汽車的分類

混和動力汽車通常有電動驅(qū)動單元和輔助動力單元組成，輔助動力單元通常采用一臺發(fā)動機或者發(fā)動機組。在車輛剛起步階段，主要是電動驅(qū)動單元工作，一旦達(dá)到一定速度，輔助動力單元就會介入工作。這樣就會導(dǎo)致排放的廢氣少，熱效率高，延長了蓄電池的使用壽命，同時車輛提速快，增大了行駛里程。根據(jù)混合動力驅(qū)動的連接方式不同，一般分為串聯(lián)式混合動力、并聯(lián)式混合動力和混聯(lián)式混合動力三種。

1.1 串聯(lián)式混合動力汽車

如圖1所示，串聯(lián)式混合動力汽車內(nèi)只有一套電力驅(qū)動系統(tǒng)，這套動力系統(tǒng)有發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機三大動力總成，這三套動力系統(tǒng)串聯(lián)成為動力系統(tǒng)。汽車在行駛時，發(fā)動機工作帶動發(fā)電機，發(fā)電機給蓄電池充電，蓄電池儲存電能，在電動機工作時，將電能經(jīng)功率轉(zhuǎn)換器傳遞給電動機，用于給車輛提供驅(qū)動力[1]。串聯(lián)式混動汽車，動力全部來源于電動機，特別適合于城市道路中頻繁起步以及速度較低的情況，發(fā)動機不直接驅(qū)動車輪，將動力傳遞給發(fā)電機，整個驅(qū)動過程中，蓄電池在低油耗的高效工作區(qū)域處于充電狀態(tài)。這樣的動力系統(tǒng)在公交車和卡車上應(yīng)用較多，因為其機械結(jié)構(gòu)簡單，油耗可以降低。但是由于系統(tǒng)環(huán)節(jié)較多，動力要經(jīng)過兩次傳遞才能到車輪，能量在傳遞過程中損耗比較多，導(dǎo)致機械效率低，尤其在高速路況下，油耗反而會增加。

1.2 并聯(lián)式混合動力汽車

并聯(lián)式混合動力汽車動力總成中發(fā)動機和發(fā)電機會在汽車行駛過程中，實現(xiàn)動力的疊加輸出，也可以單獨輸出[2]。如圖2所示，就是在普通的內(nèi)燃機汽車上加裝了一套電能驅(qū)動系統(tǒng)。當(dāng)車輛處于起步階段，主要是電動機在工作，當(dāng)車輛達(dá)到一定速度后，發(fā)動機為整車提供驅(qū)動力，當(dāng)車輛需要較大轉(zhuǎn)矩時，發(fā)動機和電動機同時工作。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)低速時，基本采用純電動模式，高速時使用發(fā)動機直接驅(qū)動，此時燃油效率較高;與串聯(lián)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)采用了功率較小的電池和電動機，減少了整車的成本和質(zhì)量。在純電動模式時，汽車的噪音較低，加速度快，使用成本小。在混動模式下，起步加速性能出色，但是發(fā)動機有可能不是在最佳轉(zhuǎn)速下工作，有可能導(dǎo)致油耗偏高。

1.3 混聯(lián)式混合動力汽車

混聯(lián)式混合動力汽車綜合串并聯(lián)式結(jié)構(gòu)優(yōu)點，結(jié)構(gòu)并沒有變化，也是由發(fā)動機、發(fā)電機和電動機三大動力總成構(gòu)成。如圖3所示，發(fā)動機和發(fā)電機時串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，發(fā)動機輸出的功率不僅傳遞給車輪，同時也傳遞給發(fā)電機發(fā)電。整個汽車，有兩套驅(qū)動系統(tǒng)，兩個電機，一個電動機直接驅(qū)動車輪，另一個電機具有雙重角色，當(dāng)汽車處于極限性能時，直接將動力輸入到車輪[3];當(dāng)蓄電池電力不足時，充當(dāng)發(fā)電機，直接給蓄電池充電。因此混聯(lián)式混合動力汽車具有兩種工作模式，當(dāng)汽車處于極限工況時，采用串聯(lián)式工作，汽車在高速路段行駛時，采用并聯(lián)式工作?；炻?lián)式結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)點，讓汽車處在不同工況下，都能做到效率高、污染氣體排放低。但由于混聯(lián)式混合動力汽車結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致車輛重量較大，同時由于工作模式復(fù)雜，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高。

2? 混合動力汽車的結(jié)構(gòu)組成

2.1 發(fā)動機

目前，汽車上主要的動力裝置就是內(nèi)燃機，混合動力汽車主要的電源也是內(nèi)燃機，因為本身汽車外部沒有動力輸入，與純電動汽車還是有較大區(qū)別。混合動力汽車對發(fā)動機要求較高，發(fā)動機處于較高功率運轉(zhuǎn)，同時不需要變換功率輸出，目前針對混合動力汽車專門研發(fā)的發(fā)動機還沒有研發(fā)。混合動力汽車廣泛采用二沖程內(nèi)燃機、轉(zhuǎn)子發(fā)動機、四沖程內(nèi)燃機等。在同等情況下，轉(zhuǎn)子發(fā)動機以及燃?xì)廨啓C的燃燒熱效率相對較高，同時排放的廢棄物較少，對環(huán)境污染較少，依據(jù)具體情況采用不同的發(fā)動機。

2.2 電動機

混合動力汽車上的電動機，可以讓汽車在不同模式下運轉(zhuǎn)。可以作為輔助動力，也可以作為主動力，但總體還是輔助動力。比如在低速或者起步階段，電動機充當(dāng)主要動力，汽車處于純電動模式，基本實現(xiàn)“零污染”;當(dāng)汽車處于較大扭矩的時候，電動機充當(dāng)輔助動力，可以降低汽車的油耗和廢氣的排放。電動機的種類比較多，有直流和交流感應(yīng)電動機，永磁和開關(guān)磁阻電動機等。目前使用較多的是水磁電動機以及感應(yīng)電動機，使用不同的電動機，就可以組成不同的混合動力汽車。

2.3 電池

混合動力汽車一般都配備有兩套蓄電池系統(tǒng)，一個是12V直流蓄電池系統(tǒng)，主要為車上的用電器提供電能，另一個就是高壓直流動力電池系統(tǒng)，它經(jīng)過D/CDC轉(zhuǎn)換器將直流轉(zhuǎn)換后給電機提供交流電能，同時它還將存儲電機發(fā)電所產(chǎn)生并經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的直流電。高壓直流蓄電池系統(tǒng)儲存電量和電壓，輸出的值會根據(jù)系統(tǒng)的要求而不停的變化，混合動力汽車的高壓直流蓄電池從36V至600V以上不等，所有混合動力設(shè)計采用串聯(lián)連接的蓄電池都是獲取所需的直流電源電壓。

3? 混合動力汽車的工作過程

3.1 電力驅(qū)動

目前，混合動力汽車對發(fā)動機工作的時間有控制，汽車處于低速行駛或者剛起步階段，發(fā)動機是處于不工作的狀態(tài)，主要消耗的是蓄電池積累的電能。當(dāng)車輛處于低速或者剛起步階段，車輛的發(fā)動機機械效率很低，不能發(fā)揮發(fā)動機做功的優(yōu)勢，反而會導(dǎo)致汽車產(chǎn)生的廢氣較多，污染環(huán)境。

3.2 發(fā)動機自動啟停

普通汽車在正常情況下啟動，蓄電池提供的低電壓讓可燃混合氣在氣缸內(nèi)被火花點燃從而實現(xiàn)發(fā)動機的啟動工作。發(fā)動機轉(zhuǎn)速從0快速提升到200r/min，這個過程一般持續(xù)2s。發(fā)動機的啟動過程，為了快速提高轉(zhuǎn)速，會消耗較多的可燃混合氣，同時產(chǎn)生較多的廢氣，發(fā)動機沒在最合適的轉(zhuǎn)速工作。但是混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車啟動的過程完全不一樣，混合動力汽車的啟動過程完全由電動機來完成，電動機的功率較大，持續(xù)時間只有300ms，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速會很快提升到600r/min，啟動過程中沒有尾氣排放，極大減少對環(huán)境的污染。同時為了降低油耗和排放，混合動力汽車在空擋或者臨時停車的情況下，發(fā)動機處于停機狀態(tài)。

3.3 一般行駛

混合動力汽車，發(fā)動機還是主要動力源，電動機只是輔助動力。當(dāng)汽車正常行駛時，發(fā)動機處于正常工作狀態(tài)，熱效率高，油耗較低，尾氣排放較少。同時發(fā)動機的熱效能一部分傳遞給發(fā)電機，產(chǎn)生的電能儲存在蓄電池。

3.4 再生制動

混合動力汽車的制動過程，是動能轉(zhuǎn)換成電能的過程，實現(xiàn)了能量的循環(huán)再利用，蓄電池會有一個充電的過程，電動機就變成了發(fā)電機。假設(shè)有一輛質(zhì)量為1.5噸的轎車，它以65km/h的初速度開始制動，整車動能有280KJ，能量能夠被蓄電池全部吸收，驅(qū)動車輛行駛1.8km。

4? 混合動力汽車發(fā)展趨勢

混合動力汽車具有燃油車和電動車的優(yōu)點，油耗低、排放量低以及性價比高，目前技術(shù)也比較成熟。因混合動力汽車的電池容量不高，僅僅為純電動汽車的10%，被劃分到了電動汽車的行列。結(jié)合我國車輛保有量較大且空氣污染較大的實際情況，應(yīng)當(dāng)加大對混合動力汽車普及力度，不但可以降低汽車的使用成本，同時還可以減低廢氣排放，達(dá)到環(huán)境保護的目的。但是目前有成本比較高的缺點，比普通小轎車價格略高，所以降低成本是混合動力汽車首要解決的問題，也是提高行業(yè)內(nèi)競爭力的關(guān)鍵?；旌蟿恿ζ嚨募夹g(shù)日趨成熟，動力系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，對汽車性能的提高起到?jīng)Q定性作用;高效一體化電力驅(qū)動系統(tǒng)的出現(xiàn)，逐步取代了傳統(tǒng)直流電機，避免之前出現(xiàn)的缺點。在混合動力汽車發(fā)展的進程中，模塊化和平臺化的發(fā)展趨勢更為突出，將會擁有更加廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)：

[1]舒紅，秦大同，胡建軍.混合動力汽車控制策略研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2001，24（6）：28-31.

[2]鐘博浩.并聯(lián)式混合動力汽車能量分配研究[D].長春工業(yè)大學(xué)，2017.

[3]于永濤.混聯(lián)式混合動力車輛優(yōu)化設(shè)計與控制[D].吉林大學(xué)，2010.