混合動力汽車的原理及發展

祖廣浩　穆遠超

摘要：當前汽車發展的主題為“節能”、“安全”、“環保”，作為純電動汽車的替代產品，混合動力汽車不僅在節能與環保方面具有尤為重要的作用，而且在續航里程與動力性能方面也能夠比肩傳統汽車。目前，混合動力汽車已成為汽車行業的嚴重熱點之一。本文介紹了混合動力汽車的原理、控制方法與工作過程，并對其發展的必要性進行了簡要地分析。

關鍵詞：混合動力汽車；節能；環保

1 混合動力汽車的發展概況

當前，石油資源面臨枯竭，傳統汽車的排放已成為大氣污染的主要源頭。研究顯示傳統汽車在常規路面上行駛時至多能利用燃油40%的化學能，在擁堵的市區路況化學能的利用率僅為25%。

目前，動力電池在壽命、充電時間等方面無法達到人們的用車要求，實際使用效果并不理想，預計在10年之內電動汽車還無法真正意義上取代傳統汽車。為了解決該問題，工程師們開發了一種混合動力裝置（HEV）的汽車，這種汽車是同時裝備有兩種以上的動力源的汽車，通常是發動機和電動機的組合形式[1]。

根據汽車運行工況的要求，對內燃機與電動機進行優化耦合后，可以獲得良好的動力性，燃油經濟性，排放性能等指標。混合動力車型的核心技術是混合動力系統，其性能優劣直接影響混合動力汽車的整車性能[2]。混合動力汽車既有純電動汽車低排放的優點，又兼具傳統內燃機高比能量和比功率的優點，在由內燃機汽車向電動汽車的轉變過程中扮演著重要的角色。

2 混合動力汽車的控制策略

隨著現代控制技術的發展，在混合動力汽車的控制系統中，自動控制技術已經得到了普遍應用，如LQG控制、模糊控制、神經網絡控制以及自適應控制等一系列先進的控制算法已經在混合動力汽車的量產車型中得到了應用。以上智能化控制策略的應用使得混合動力汽車更貼近當前“節能、安全、環保”的現代汽車發展理念。

使混合動力汽車獲得低油耗、低排放的關鍵在于對控制策略的優化。在保證汽車基本性能，如動力性、操縱穩定性地前提之下，控制系統需能合理地協調、分配發動機和電機兩者的動力輸出，從而獲得最高的效率、燃油經濟性、和排放特性，并獲得較佳的操縱穩定性。經過長期的發展，多種控制策略已應用于混合動力汽車，下面介紹較為常用的基于規則的混合動力汽車穩態能量管理策略。

所謂基于規則的穩態能量管理策略，其主要依據為工程經驗，在工程經驗的基礎上按照各個部件的穩態效率MAP圖來制定分配發動機和發電機動力的方式。該方法有三種控制模式，即充電模式、正常行駛模式及制動回收能量模式。

3 混合動力汽車的工作過程

3.1 電力驅動

在汽車剛啟動或者低速行駛時，混動車型利用電機驅動車輪，而發動機并不向車輪輸出動力，這是因為電機可以提供較大的扭矩，而發動機在低轉速范圍內無法提供較大的驅動扭矩。同樣對于，低速行駛，發動機的效率依然很低，此時發動機不工作，電動機提供全部的驅動功率。

3.2 發動機自動啟停

傳統汽車利用低電壓的起動機啟動發動機，正常的啟動過程需要2s左右的時間，在此過程中發動機在起動機的帶動下從0轉速提升200r/min左右的轉速，該過程需要更多的可燃混合起，排放惡劣。然而，在混合動力汽車中裝備的電機要比傳統汽車的起動機的功率大很多，因此混合動力汽車發動機的啟動可由動力電機完成，僅需300ms就可將發動機的轉速提升至600r/min，極大地改善了排放特性。

為降低油耗和排放，混合動力汽車在空擋滑行和臨時停車的情況下，內燃機將處于停止云狀的狀態。當整車需要向前行駛時，電動機則立刻啟動發動機。

3.3 一般行駛

一般行駛時，使用發動機作為主要動力源，因為此時發動機的效率較高，油耗較低。發動機產生的驅動力直接驅動車輪運動，根據行駛工況，部分發動機的動力用以驅動發電機，產生的電能供給蓄電池和車載用電器。

3.4 再生制動

在汽車在減速的過程中，混合動力汽車的車輪會帶動電動機旋轉，此時電動機成了發電機，于是將汽車的動能轉化為電能存儲于蓄電池中。

以一輛質量為1.5噸的轎車為例，當它由65km/h的行駛速度進行制動，制動初始時整車動能近280KJ，如果能夠將該能量全部吸收，可以驅動該車行駛1.8km。

4 混合動力汽車的優缺點分析

4.1 優點分析

相比于純電動汽車，混合動力汽車具有如下優勢：

（1）兼具傳統燃油汽車和純電動汽車的優勢。

（2）發動機的運用使得電池的數量和質量可大大減少，因此整車質量較小，有利于降低能源消耗。

（3）汽車的動力性及續航和傳統汽車相差無幾。

與傳統汽車相比，混合動力汽車具有以下優點：

（1）發動機可以在高效率的轉速范圍內工作，降低了排放和油耗。

（2）在人口密集的區域，發動機可以停止運轉，車輪由電動機負責驅動，實現零排放。

（3）可以利用制動能量回收實現更好地節能減排效果。

4.2 缺點分析

（1）混合動力汽車中仍然有發動機的存在，這意味著混合動力汽車無法從根本上擺脫對石油資源的依賴。

（2）混合動力系統的成本比傳統汽車高很多。混合動力汽車要配備傳統汽車不需要的昂貴配件， 比如高壓蓄電池、電動機、發電機以及各種控制器。

（3）高速行駛時，油耗并不理想。混合動力汽車在高速公路上行駛時其動力來源依然是發動機，但是混合動力汽車的質量更大，這就造成了油耗甚至高于傳統汽車。

5 發展前景與展望

混合動力汽車在現有技術的基礎上達到了提高燃料經濟性和減少排放的目的，因而極具發展前景。降低成本是提高混合動力系統競爭能力的努力方向。混合動力汽車在發展的道路上需要解決的問題還有很多，但隨著各大汽車廠商的不斷的研發改進，這些問題會很快得到解決。盡管從長遠來看混合動力汽車只是一種過渡車型，但是在近二三十年內仍然具備較好的前景。

參考文獻：

[1]秦朝舉，袁麗娟.混合動力汽車的研究現狀與發展前景[J].山東交通科技，2008，04：97100.

[2]羅少文.我國新能源汽車產業發展戰略研究[D].復旦大學，2008.

作者簡介：祖廣浩（1990），男，江蘇宿遷人，碩士助教，研究方向為新能源汽車及半主動懸架控制策略；穆遠超（1989），男，江蘇東海人，碩士助教，研究方向為新能源汽車。