混合動力汽車的原理及發(fā)展

祖廣浩　穆遠(yuǎn)超

摘要：當(dāng)前汽車發(fā)展的主題為“節(jié)能”、“安全”、“環(huán)?！?，作為純電動汽車的替代產(chǎn)品，混合動力汽車不僅在節(jié)能與環(huán)保方面具有尤為重要的作用，而且在續(xù)航里程與動力性能方面也能夠比肩傳統(tǒng)汽車。目前，混合動力汽車已成為汽車行業(yè)的嚴(yán)重?zé)狳c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(fā)展的必要性進(jìn)行了簡要地分析。

關(guān)鍵詞：混合動力汽車；節(jié)能；環(huán)保

1 混合動力汽車的發(fā)展概況

當(dāng)前，石油資源面臨枯竭，傳統(tǒng)汽車的排放已成為大氣污染的主要源頭。研究顯示傳統(tǒng)汽車在常規(guī)路面上行駛時至多能利用燃油40%的化學(xué)能，在擁堵的市區(qū)路況化學(xué)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(dá)到人們的用車要求，實際使用效果并不理想，預(yù)計在10年之內(nèi)電動汽車還無法真正意義上取代傳統(tǒng)汽車。為了解決該問題，工程師們開發(fā)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(fā)動機(jī)和電動機(jī)的組合形式[1]。

根據(jù)汽車運行工況的要求，對內(nèi)燃機(jī)與電動機(jī)進(jìn)行優(yōu)化耦合后，可以獲得良好的動力性，燃油經(jīng)濟(jì)性，排放性能等指標(biāo)?；旌蟿恿囆偷暮诵募夹g(shù)是混合動力系統(tǒng)，其性能優(yōu)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(yōu)點，又兼具傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)高比能量和比功率的優(yōu)點，在由內(nèi)燃機(jī)汽車向電動汽車的轉(zhuǎn)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(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，在混合動力汽車的控制系統(tǒng)中，自動控制技術(shù)已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，如LQG控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及自適應(yīng)控制等一系列先進(jìn)的控制算法已經(jīng)在混合動力汽車的量產(chǎn)車型中得到了應(yīng)用。以上智能化控制策略的應(yīng)用使得混合動力汽車更貼近當(dāng)前“節(jié)能、安全、環(huán)?！钡默F(xiàn)代汽車發(fā)展理念。

使混合動力汽車獲得低油耗、低排放的關(guān)鍵在于對控制策略的優(yōu)化。在保證汽車基本性能，如動力性、操縱穩(wěn)定性地前提之下，控制系統(tǒng)需能合理地協(xié)調(diào)、分配發(fā)動機(jī)和電機(jī)兩者的動力輸出，從而獲得最高的效率、燃油經(jīng)濟(jì)性、和排放特性，并獲得較佳的操縱穩(wěn)定性。經(jīng)過長期的發(fā)展，多種控制策略已應(yīng)用于混合動力汽車，下面介紹較為常用的基于規(guī)則的混合動力汽車穩(wěn)態(tài)能量管理策略。

所謂基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)能量管理策略，其主要依據(jù)為工程經(jīng)驗，在工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上按照各個部件的穩(wěn)態(tài)效率MAP圖來制定分配發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)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(qū)動

在汽車剛啟動或者低速行駛時，混動車型利用電機(jī)驅(qū)動車輪，而發(fā)動機(jī)并不向車輪輸出動力，這是因為電機(jī)可以提供較大的扭矩，而發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無法提供較大的驅(qū)動扭矩。同樣對于，低速行駛，發(fā)動機(jī)的效率依然很低，此時發(fā)動機(jī)不工作，電動機(jī)提供全部的驅(qū)動功率。

3.2 發(fā)動機(jī)自動啟停

傳統(tǒng)汽車?yán)玫碗妷旱钠饎訖C(jī)啟動發(fā)動機(jī)，正常的啟動過程需要2s左右的時間，在此過程中發(fā)動機(jī)在起動機(jī)的帶動下從0轉(zhuǎn)速提升200r/min左右的轉(zhuǎn)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(jī)要比傳統(tǒng)汽車的起動機(jī)的功率大很多，因此混合動力汽車發(fā)動機(jī)的啟動可由動力電機(jī)完成，僅需300ms就可將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)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(nèi)燃機(jī)將處于停止云狀的狀態(tài)。當(dāng)整車需要向前行駛時，電動機(jī)則立刻啟動發(fā)動機(jī)。

3.3 一般行駛

一般行駛時，使用發(fā)動機(jī)作為主要動力源，因為此時發(fā)動機(jī)的效率較高，油耗較低。發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動力直接驅(qū)動車輪運動，根據(jù)行駛工況，部分發(fā)動機(jī)的動力用以驅(qū)動發(fā)電機(jī)，產(chǎn)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(jī)旋轉(zhuǎn)，此時電動機(jī)成了發(fā)電機(jī)，于是將汽車的動能轉(zhuǎn)化為電能存儲于蓄電池中。

以一輛質(zhì)量為1.5噸的轎車為例，當(dāng)它由65km/h的行駛速度進(jìn)行制動，制動初始時整車動能近280KJ，如果能夠?qū)⒃撃芰咳课眨梢则?qū)動該車行駛1.8km。

4 混合動力汽車的優(yōu)缺點分析

4.1 優(yōu)點分析

相比于純電動汽車，混合動力汽車具有如下優(yōu)勢：

（1）兼具傳統(tǒng)燃油汽車和純電動汽車的優(yōu)勢。

（2）發(fā)動機(jī)的運用使得電池的數(shù)量和質(zhì)量可大大減少，因此整車質(zhì)量較小，有利于降低能源消耗。

（3）汽車的動力性及續(xù)航和傳統(tǒng)汽車相差無幾。

與傳統(tǒng)汽車相比，混合動力汽車具有以下優(yōu)點：

（1）發(fā)動機(jī)可以在高效率的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作，降低了排放和油耗。

（2）在人口密集的區(qū)域，發(fā)動機(jī)可以停止運轉(zhuǎn)，車輪由電動機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動，實現(xiàn)零排放。

（3）可以利用制動能量回收實現(xiàn)更好地節(jié)能減排效果。

4.2 缺點分析

（1）混合動力汽車中仍然有發(fā)動機(jī)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(tǒng)的成本比傳統(tǒng)汽車高很多?；旌蟿恿ζ囈鋫鋫鹘y(tǒng)汽車不需要的昂貴配件， 比如高壓蓄電池、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)以及各種控制器。

（3）高速行駛時，油耗并不理想?；旌蟿恿ζ囋诟咚俟飞闲旭倳r其動力來源依然是發(fā)動機(jī)，但是混合動力汽車的質(zhì)量更大，這就造成了油耗甚至高于傳統(tǒng)汽車。

5 發(fā)展前景與展望

混合動力汽車在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上達(dá)到了提高燃料經(jīng)濟(jì)性和減少排放的目的，因而極具發(fā)展前景。降低成本是提高混合動力系統(tǒng)競爭能力的努力方向?；旌蟿恿ζ囋诎l(fā)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(fā)改進(jìn)，這些問題會很快得到解決。盡管從長遠(yuǎn)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(nèi)仍然具備較好的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦朝舉，袁麗娟.混合動力汽車的研究現(xiàn)狀與發(fā)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(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].復(fù)旦大學(xué)，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(yuǎn)超（1989），男，江蘇東海人，碩士助教，研究方向為新能源汽車。