混合動力汽車原理及發展趨勢研究

朱可寧

摘要：環境保護近年來被世界各國越來越重視，燃油發動機被替代的方案層出不窮。但經過長時間的實踐應用，目前比較實用并且已經商業化的只有混合動力汽車。混合動力汽車能得到發展得益于良好的燃油經濟性，并且達到超低污染的環保標準，故社會保有量越來越大。本文介紹了混合動力汽車的類別、主要構成以及工作過程，并分析了未來發展趨勢。

關鍵詞：汽車;混合動力;工作原理;發展前景

中圖分類號：U469.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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、丙烷替代燃料的發動機，這樣的發動機經過專門的改造，也具有一定的環保性。根據相關學者的研究，傳統內燃機排放的廢氣對大氣環境造成了污染，在80%的道路條件下內燃機只能輸出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展，兼顧了傳統內燃機汽車和純電動汽車的優點，導致發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動機或者發動機組。在車輛剛起步階段，主要是電動驅動單元工作，一旦達到一定速度，輔助動力單元就會介入工作。這樣就會導致排放的廢氣少，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。根據混合動力驅動的連接方式不同，一般分為串聯式混合動力、并聯式混合動力和混聯式混合動力三種。

1.1 串聯式混合動力汽車

如圖1所示，串聯式混合動力汽車內只有一套電力驅動系統，這套動力系統有發動機、發電機、驅動電機三大動力總成，這三套動力系統串聯成為動力系統。汽車在行駛時，發動機工作帶動發電機，發電機給蓄電池充電，蓄電池儲存電能，在電動機工作時，將電能經功率轉換器傳遞給電動機，用于給車輛提供驅動力[1]。串聯式混動汽車，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，發動機不直接驅動車輪，將動力傳遞給發電機，整個驅動過程中，蓄電池在低油耗的高效工作區域處于充電狀態。這樣的動力系統在公交車和卡車上應用較多，因為其機械結構簡單，油耗可以降低。但是由于系統環節較多，動力要經過兩次傳遞才能到車輪，能量在傳遞過程中損耗比較多，導致機械效率低，尤其在高速路況下，油耗反而會增加。

1.2 并聯式混合動力汽車

并聯式混合動力汽車動力總成中發動機和發電機會在汽車行駛過程中，實現動力的疊加輸出，也可以單獨輸出[2]。如圖2所示，就是在普通的內燃機汽車上加裝了一套電能驅動系統。當車輛處于起步階段，主要是電動機在工作，當車輛達到一定速度后，發動機為整車提供驅動力，當車輛需要較大轉矩時，發動機和電動機同時工作。并聯式混合動力系統低速時，基本采用純電動模式，高速時使用發動機直接驅動，此時燃油效率較高;與串聯相比，并聯結構采用了功率較小的電池和電動機，減少了整車的成本和質量。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，但是發動機有可能不是在最佳轉速下工作，有可能導致油耗偏高。

1.3 混聯式混合動力汽車

混聯式混合動力汽車綜合串并聯式結構優點，結構并沒有變化，也是由發動機、發電機和電動機三大動力總成構成。如圖3所示，發動機和發電機時串并聯結構，發動機輸出的功率不僅傳遞給車輪，同時也傳遞給發電機發電。整個汽車，有兩套驅動系統，兩個電機，一個電動機直接驅動車輪，另一個電機具有雙重角色，當汽車處于極限性能時，直接將動力輸入到車輪[3];當蓄電池電力不足時，充當發電機，直接給蓄電池充電。因此混聯式混合動力汽車具有兩種工作模式，當汽車處于極限工況時，采用串聯式工作，汽車在高速路段行駛時，采用并聯式工作。混聯式結合了串聯和并聯的優點，讓汽車處在不同工況下，都能做到效率高、污染氣體排放低。但由于混聯式混合動力汽車結構比較復雜，導致車輛重量較大，同時由于工作模式復雜，控制系統比較復雜，成本較高。

2? 混合動力汽車的結構組成

2.1 發動機

目前，汽車上主要的動力裝置就是內燃機，混合動力汽車主要的電源也是內燃機，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別。混合動力汽車對發動機要求較高，發動機處于較高功率運轉，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的發動機還沒有研發。混合動力汽車廣泛采用二沖程內燃機、轉子發動機、四沖程內燃機等。在同等情況下，轉子發動機以及燃氣輪機的燃燒熱效率相對較高，同時排放的廢棄物較少，對環境污染較少，依據具體情況采用不同的發動機。

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。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，電動機充當主要動力，汽車處于純電動模式，基本實現“零污染”;當汽車處于較大扭矩的時候，電動機充當輔助動力，可以降低汽車的油耗和廢氣的排放。電動機的種類比較多，有直流和交流感應電動機，永磁和開關磁阻電動機等。目前使用較多的是水磁電動機以及感應電動機，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，一個是12V直流蓄電池系統，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，它經過D/CDC轉換器將直流轉換后給電機提供交流電能，同時它還將存儲電機發電所產生并經DC/DC轉換器轉換后的直流電。高壓直流蓄電池系統儲存電量和電壓，輸出的值會根據系統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，所有混合動力設計采用串聯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 電力驅動

目前，混合動力汽車對發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，發動機是處于不工作的狀態，主要消耗的是蓄電池積累的電能。當車輛處于低速或者剛起步階段，車輛的發動機機械效率很低，不能發揮發動機做功的優勢，反而會導致汽車產生的廢氣較多，污染環境。

3.2 發動機自動啟停

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被火花點燃從而實現發動機的啟動工作。發動機轉速從0快速提升到200r/min，這個過程一般持續2s。發動機的啟動過程，為了快速提高轉速，會消耗較多的可燃混合氣，同時產生較多的廢氣，發動機沒在最合適的轉速工作。但是混合動力汽車與傳統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，持續時間只有300ms，發動機的轉速會很快提升到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，發動機處于停機狀態。

3.3 一般行駛

混合動力汽車，發動機還是主要動力源，電動機只是輔助動力。當汽車正常行駛時，發動機處于正常工作狀態，熱效率高，油耗較低，尾氣排放較少。同時發動機的熱效能一部分傳遞給發電機，產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，是動能轉換成電能的過程，實現了能量的循環再利用，蓄電池會有一個充電的過程，電動機就變成了發電機。假設有一輛質量為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，驅動車輛行駛1.8km。

4? 混合動力汽車發展趨勢

混合動力汽車具有燃油車和電動車的優點，油耗低、排放量低以及性價比高，目前技術也比較成熟。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。結合我國車輛保有量較大且空氣污染較大的實際情況，應當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，達到環境保護的目的。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，也是提高行業內競爭力的關鍵。混合動力汽車的技術日趨成熟，動力系統不斷更新換代，對汽車性能的提高起到決定性作用;高效一體化電力驅動系統的出現，逐步取代了傳統直流電機，避免之前出現的缺點。在混合動力汽車發展的進程中，模塊化和平臺化的發展趨勢更為突出，將會擁有更加廣闊的發展空間。

參考文獻：

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

[2]鐘博浩.并聯式混合動力汽車能量分配研究[D].長春工業大學，2017.

[3]于永濤.混聯式混合動力車輛優化設計與控制[D].吉林大學，2010.