汽車動力技術的發展及其架構變化

顏家瑞（長沙市南雅中學，湖南長沙市410000）

汽車動力技術的發展及其架構變化

顏家瑞（長沙市南雅中學，湖南長沙市410000）

對比分析了傳統內燃機汽車和各種新能源汽車在動力總成架構上的差異，探討了由此帶來的各自在性能，配置和控制方式的不同，加深了對汽車動力系統的理解。

動力系統架構；內燃機；混合動力；燃料電池

1　前言

汽車是現代工業技術最重大的成就之一。然而，全世界大量汽車的應用，已經產生并正在繼續引發嚴重的環境與人類生存問題。大氣污染，全球變暖，以及地球石油資源的迅速消減，都迫使人們要加強車輛動力技術的研究和開發，發展高效、清潔和安全的運輸工具。因此，近年來特別是近十年來，混合動力電動汽車，純電動汽車和燃料電池車等技術獲得了長足的進步，很多使用新能源技術的汽車已經實現商品化。

本文希望對比傳統內燃機汽車及各種新能源汽車在動力總成架構上的差異，探討和分析由此帶來的性能，配置及控制方式的差異，以期更好地認識日新月異的新技術并加深對高中物理課本知識的理解。

2　傳統動力技術與新能源技術的架構分析

2.1傳統內燃機架構及其工作原理

傳統汽車的動力來源于內燃機。在可預見的未來一段時間里，內燃機仍然是主要的車輛動力輸出裝置。

內燃機是一個由多個子系統組成的裝置，包括動力 （曲軸、連桿、活塞和氣缸），進氣和排氣（空氣濾清器、節氣門、進排氣歧管、進氣和排氣門，以及氣門控制凸輪），燃油供應（燃油箱、燃油泵和噴油器），點火（蓄電池、點火線圈、火花塞），冷卻（冷卻劑、水泵和散熱器）及潤滑各子系統。

通過空氣濾清器過濾的新鮮空氣在進氣歧管內與噴油器噴出的燃油混合，形成油氣混合物進入氣缸。點火線圈控制火花塞在指定時刻產生電火花，引爆油氣混合物燃燒產生熱量，使氣缸內的溫度和壓力迅速增加。于是，活塞被擠壓向下運動，而連桿將活塞的直線運動轉換為曲軸的旋轉運動，再通過變速器的不同變比，車輪就能以不同的速度向前行進。

雖然近年來隨著油耗和排放要求的提高，汽油內燃機在進氣方式（可變進氣岐管，增壓或渦輪增壓），噴油方式（缸內直噴，稀薄燃燒），配氣方式（可變氣門正時）及智能點火上都有諸多發展，但其基本的架構和工作原理并沒有變化。

2.2新能源動力技術架構及其工作原理

目前人們公認的新能源動力技術車大體包含純電動汽車，混合動力電動汽車和由燃料電池供電的各類驅動系運輸工具。

2.2.1純電動汽車驅動系架構及其工作原理

電動汽車采用電動機為牽引裝置，并應用化學蓄電池組，燃料電池組，超級電容器組為其相應的能源。電動汽車具有勝過傳統內燃機車輛的許多優點，例如零排放、高效率，以及安靜平穩的運行。

圖1所示的是電動車電力驅動系統的組成。整車控制器用于提供合適的控制信號；功率轉換器用于電能的轉換；電動機用于把電能轉換成機械能；變速器通過調節變速齒輪的變比，調節車速和輸出扭矩的變化；能量儲存用于儲存電能，如電池；能量管理單元配合整車控制器用于再生制動能量的管理和回收，并監控能源的使用性能，如電池管理系統。

由于在電驅動特性和能源方面的多樣性，會衍生出許多不同的電動車結構型式，而各種不同的結構型式又導致了不同的電動車在性能上的諸多不同。但作為純電動車驅動系統而言，都是用電動機取代內燃機，并且依靠電動機在大范圍轉速變化中所具有的恒定功率特性，簡化了驅動系的控制，也減少了在調速過程中對變速器的依賴。

圖1　E V C o nf i gurat io n電動車架構

2.2.2混合動力電動汽車驅動系架構及其工作原理

混合動力電動汽車的驅動系通常由不多于兩個的動力系組成，多于兩個動力系的結構將使系統復雜化。動力系可以是內燃機；氫-燃料電池-電動機系統；化學蓄電池-電動機系統等。當其攜帶有電氣的動力系（能源及其能量變換器）時，就稱作混合動力電動汽車。

在某一時刻動力系1和動力系2可以單獨向負載提供動力，也可同時向負載提供動力。通過能量轉換器，動力系2可以從動力系1獲得功率，也可以通過再生制動控制系統從負載獲得功率。

混合動力電動汽車在架構上大致可以分為以下幾類：

串聯式混合型車輛的動力最終來源于電動機，電動機可以通過兩種途徑獲得功率輸入：①通過蓄電池及電力電子變換器直接獲得電能；②通過內燃機帶動發電機，發電機產生的電能通過電力電子變換器的轉換送入電動機。

并聯式混合型車輛的動力來源則有所不同，內燃機和電動機各自獨立運行，都可以作為傳動裝置的動力來源。

混聯式混合型在并聯式混合型的基礎上可以通過內燃機拖動的發電機通過電力電子變換器給蓄電池供電，實現蓄電池組的快速充電。

復合式混合型則可以通過多電動機實現速度耦合和扭矩耦合，從而使發動機轉速和扭矩完全或部分與車輪解耦。

圖2

2.2.3燃料電池車驅動架構及其工作原理

與化學蓄電池相比，燃料電池產生電能而不儲存電能，并且只要維持燃料供給，它將繼續運行。相比于配置蓄電池的電動汽車，配置燃料電池的車輛具有行程較長，而無需過長的蓄電池充電時間的優點；相比于內燃機車輛，它又具有高能量效率和低排放的優點，因為其燃料中的自由能直接轉換為電能，而不經歷燃燒過程。

如果把燃料電池看作一個反應堆，通過對反應堆影響因素（如空氣量，燃料流量，反應堆溫度等）的控制，就可按實際需求調節輸出電流的大小。再通過電力電子變換器實現對電壓及電流的轉換，驅動電動機的運轉。

3　對架構分析結果的理解和認識

傳統內燃機動力與新能源動力車輛在驅動系架構上存在很大的差異，對于每一種架構都有一些影響控制效果的外在因素，如何認識這些外在因素和局限的影響，并且通過技術手段來改善和提高性能，這中間還有許多值得研究和探討的課題。而且此次對于車輛動力技術架構的分析，也未涉及到車輛動力系的具體實現及控制策略。我想，這些都是我以后研究的方向，也是驅動我加強學習動力。

[1]李朝暉，楊新華.汽車新技術.重慶大學出版社，2004.

[2]舒 華，姚國平.汽車新技術.北京：國防工業出版社，2006.

[3]邢忠義.汽車新結構與新技術.北京：機械工業出版社，2008.

[4]姜玉波.汽車發動機構造.北京大學出版社，2006.

[5]倪光正，倪培宏，熊素銘.現代電動汽車、混合動力電動汽車——基本原理、理論和設計.機械工業出版社，2008.

U462

A

2095-2066（2016）31-0273-02

2016-10-19

顏家瑞（1999-），男。