研究內(nèi)燃機(jī)在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用

宋玉龍

摘要：針對(duì)目前有良好發(fā)展前景的混合動(dòng)力汽車，在介紹其意義、特點(diǎn)、分類和優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對(duì)其內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用進(jìn)行深入分析，旨在為不同類型混合動(dòng)力汽車的研制與發(fā)展提供參考借鑒。

Abstract： For hybrid vehicles with good development prospects， on the basis of introducing their significance， characteristics， classification and advantages， conduct an in-depth analysis of their internal combustion engine applications， aiming to provide reference for the development and development of different types of hybrid vehicles.

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車;內(nèi)燃機(jī);電動(dòng)機(jī)

Key words： hybrid electric vehicle;internal combustion engine;electric motor

中圖分類號(hào)：TM46? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0196-02

0? 引言

如今，社會(huì)汽車保有量逐年增加，尤其是大型城市，這不僅造成了嚴(yán)重的交通擁堵，而且能耗增加，污染加劇。在這種情況下積極開發(fā)和應(yīng)用混動(dòng)汽車具有重要意義，首先能減少油耗和排放，減輕汽車對(duì)大氣環(huán)境造成的污染，而且并不會(huì)對(duì)汽車的性能及使用舒適性造成影響。事實(shí)上，混動(dòng)汽車并不能完全脫離內(nèi)燃機(jī)，只是改變了內(nèi)燃機(jī)在汽車整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的位置，比如由內(nèi)燃機(jī)提供輔助動(dòng)力或仍由內(nèi)燃機(jī)提供主要?jiǎng)恿Φ趥€(gè)別工況采用電動(dòng)力提供輔助動(dòng)力等，這就需要對(duì)內(nèi)燃機(jī)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析研究，以更好的推動(dòng)混動(dòng)汽車研究和發(fā)展。

1? 混合動(dòng)力汽車概述

從廣義層面講，混動(dòng)汽車指的是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由不少于兩個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成的汽車，其行駛功率以自身所處行駛狀態(tài)為依據(jù)由單個(gè)或者是所有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來提供。人們常說的混動(dòng)汽車主要是油電混合，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除內(nèi)燃機(jī)外，還包括電動(dòng)機(jī)，此外還有一些油電混合汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)采用其它能源替代燃油，如天然氣等[1]。

如今，市級(jí)范圍內(nèi)的環(huán)保要求越來越高，由于混動(dòng)汽車在節(jié)能減排上具有突出性的優(yōu)勢，所以已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)，正逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化?？稍诨靹?dòng)汽車中配置的電動(dòng)系統(tǒng)，主要包括三個(gè)組成部分，即蓄電池、電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)。其中，蓄電池以鋰電池、鉛酸電池或鎳錳氫電池三種類型為主，在不久的將來還會(huì)用到氫燃料電池。

若按照混動(dòng)驅(qū)動(dòng)聯(lián)結(jié)具體方式，可將混動(dòng)汽車分成以下三種類型：

其一，串聯(lián)式混動(dòng)，即將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)采用串聯(lián)方式結(jié)合到一起;

其二，并聯(lián)式混動(dòng)，即發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相互并聯(lián)，兩者功率既可疊加，也可單獨(dú)產(chǎn)生和提供;

其三，混合式混動(dòng)，它對(duì)以上兩種進(jìn)行了整合，能同時(shí)發(fā)揮以上兩種類型的優(yōu)勢。

若按照混動(dòng)系統(tǒng)混合度，可將混動(dòng)汽車分成以下四種類型：

其一，微混動(dòng)系統(tǒng)，嚴(yán)格來說，采用該類型系統(tǒng)的汽車并非嚴(yán)格意義上的混動(dòng)汽車，這主要是因?yàn)槠潆姍C(jī)不能給汽車的運(yùn)行提供持續(xù)穩(wěn)定動(dòng)力，只在特定的工況下給與發(fā)動(dòng)機(jī)短暫的助推推力;

其二，輕混動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能用發(fā)電機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停進(jìn)行控制，而且還可以實(shí)現(xiàn)下列功能：當(dāng)減速或制動(dòng)時(shí)，吸收部分能量;汽車行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)以恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)，由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量能在車輪驅(qū)動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)充電兩種需求間自由調(diào)節(jié);

其三，中混動(dòng)系統(tǒng)，采用高壓電機(jī)，當(dāng)汽車加速或處在大負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)為車輪提供輔助驅(qū)動(dòng)，彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)不足，保證汽車整體性能。該系統(tǒng)混合度相對(duì)較高，而且技術(shù)相對(duì)成熟，當(dāng)前的應(yīng)用十分廣泛;

其四，完全混動(dòng)系統(tǒng)，采用高壓啟動(dòng)電機(jī)，有著比中混動(dòng)系統(tǒng)更高的混合度。伴隨技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該混動(dòng)系統(tǒng)將成為未來主流發(fā)展方向。

混動(dòng)汽車主要具有以下幾方面優(yōu)勢特點(diǎn)：

①相較于只采用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的汽車，因混動(dòng)汽車的內(nèi)燃機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)，所以能大幅降低油耗，減少排放。

②內(nèi)燃機(jī)在最佳工況點(diǎn)及其附近穩(wěn)定工作，能使燃料的燃燒更加充分，而且排氣也比不充分燃燒時(shí)的排氣干凈。

③由于混動(dòng)汽車起步時(shí)電動(dòng)機(jī)介入，所以與內(nèi)燃機(jī)車相比，起步速度更快、更平穩(wěn)。

④發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的配合，節(jié)省燃料消耗的同時(shí)整車?yán)m(xù)航里程更長。

⑤電池組體積較小，使混合車型電池成本與重量都比純電動(dòng)汽車小很多。

從當(dāng)前的應(yīng)用條件及需求情況看，混動(dòng)汽車不僅具有良好產(chǎn)業(yè)化前景，而且市場化前景也越來越好。該類型汽車的動(dòng)力源除內(nèi)燃機(jī)外，還采用了電動(dòng)機(jī)，這樣除了能保留內(nèi)燃機(jī)具有的各項(xiàng)優(yōu)勢，如工作時(shí)間長、動(dòng)力性良好與反應(yīng)速度快等，還能起到降低噪音、減少污染和油耗等作用，使發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間達(dá)到最佳匹配[2]。

2? 混動(dòng)汽車中的內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用

混動(dòng)汽車所用動(dòng)力系統(tǒng)包括以下幾個(gè)組成部分：控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輔助動(dòng)力系統(tǒng)與電池組。為了探討混動(dòng)汽車中內(nèi)燃機(jī)的作用和普通內(nèi)燃機(jī)車的區(qū)別，以目前比較常見的串聯(lián)式混動(dòng)類型為例，對(duì)其具體工作原理做如下深入分析。

在車輛剛開始行駛時(shí)，電池處在飽和狀態(tài)，由電池提供的能量輸出能滿足正常行車要求，此時(shí)輔助動(dòng)力系統(tǒng)未介入。在電池的電量降低到60%以下時(shí)，輔助動(dòng)力系統(tǒng)開始介入;如果汽車能量需求相對(duì)較大，則電池和輔助動(dòng)力系統(tǒng)將同時(shí)工作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供源源不斷的能量;而如果汽車能量需求相對(duì)較小，則輔助動(dòng)力系統(tǒng)可以在為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供能量的基礎(chǔ)上，為電池充電。因混動(dòng)車型采用了蓄電池，所以發(fā)動(dòng)機(jī)可以處在穩(wěn)定狀態(tài)下，這對(duì)減少油耗與排放都是十分重要的[3]。

2.1 電驅(qū)動(dòng)混動(dòng)車內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用

該混動(dòng)車型是指采用電動(dòng)機(jī)作為汽車主要驅(qū)動(dòng)方式，其結(jié)構(gòu)以串聯(lián)式結(jié)構(gòu)為主。該車型運(yùn)行時(shí)，由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的能量再通過發(fā)電機(jī)將其轉(zhuǎn)換成電能，然后根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況將其分配至電動(dòng)機(jī)，也可存儲(chǔ)至電池當(dāng)中。在汽車負(fù)荷相對(duì)較小的情況下，可以全部由電池進(jìn)行供電，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪;而在汽車負(fù)荷相對(duì)較大的情況下，比如在爬坡和加速過程中，由發(fā)電機(jī)與電池一同供電，其中發(fā)電機(jī)靠內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)產(chǎn)生電能，保證汽車功率滿足使用要求;如果汽車電池電量不足，則只由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，同時(shí)在汽車低速行駛與滑行過程中將多余電能存儲(chǔ)到電池中。該車型目前主要在城市通勤中使用，具有結(jié)構(gòu)簡單和經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)勢特點(diǎn)，在交通擁堵和頻繁啟動(dòng)狀態(tài)下，能通過對(duì)動(dòng)力輸出適當(dāng)調(diào)整使效率始終處在最佳狀態(tài)，防止在怠速、低速或滑行過程中內(nèi)燃機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)，保證內(nèi)燃機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率，避免產(chǎn)生太多的廢氣。目前很多城市的公交汽車都采用了這種車型，在短距離行駛過程中，汽車的所有動(dòng)力都采用電池提供，真正實(shí)現(xiàn)了零排放。但這種車型的缺點(diǎn)也是十分明顯的，比如能量的轉(zhuǎn)化過程比較復(fù)雜，這對(duì)機(jī)械傳動(dòng)效率有很大影響[4]。

2.2 電輔助混動(dòng)車內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用

對(duì)于這種混動(dòng)車型，屬于輕混動(dòng)類型，它仍然將內(nèi)燃機(jī)作為汽車的主要?jiǎng)恿?，雖然也配備了電動(dòng)機(jī)，但是其功率相對(duì)較低，主要是為汽車提供輔助動(dòng)力，同時(shí)電池組的儲(chǔ)能也相對(duì)較小。該混動(dòng)車型在所有類型的混動(dòng)車中是成本最低的一種，但也能起到減少油耗和排放，并提高內(nèi)燃機(jī)效率的作用，所以目前在市場上得到了廣泛應(yīng)用，用戶的認(rèn)可度很高。比如，由一汽豐田公司研發(fā)的卡羅拉雙擎和由廣汽豐田公式研發(fā)的雷凌雙擎都屬于這種類型的混動(dòng)汽車，不僅銷量很高，而且用戶反饋良好。在這種車型中，主要?jiǎng)恿τ蓛?nèi)燃機(jī)提供，電動(dòng)機(jī)只是提供一定輔助動(dòng)力，在電動(dòng)機(jī)方面大多采用永磁超薄電機(jī)。采用這種電機(jī)類型能徹底取代內(nèi)燃機(jī)飛輪，與輸出端直接相連，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停。當(dāng)汽車啟動(dòng)和加速時(shí)，該電機(jī)充當(dāng)電動(dòng)機(jī)提供一定輔助動(dòng)力;在滑行與制動(dòng)過程中，該電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的動(dòng)能予以收集與利用，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電能臨時(shí)存儲(chǔ)在電池當(dāng)中。這種類型的混動(dòng)汽車不僅具有普通內(nèi)燃機(jī)汽車各項(xiàng)性能，而且在永磁超薄電機(jī)加持之下，還能提高汽車自身機(jī)動(dòng)性，充分利用由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的所有能量，既無需外部充電，又能大幅減少油耗與排放[5]。

2.3 油電混動(dòng)車內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用

該混動(dòng)車型和之前介紹的電輔助混動(dòng)車比較，采用功率相對(duì)較大的電動(dòng)機(jī)，對(duì)能量的實(shí)際回收效率往往更高，采用電動(dòng)機(jī)可以為車輛提供更為強(qiáng)勁的輸出動(dòng)力，在提高汽車燃油效率基礎(chǔ)上，更加有效的減少尾氣排放[6]。從結(jié)構(gòu)角度講，該混動(dòng)車型分別設(shè)置單獨(dú)存在的發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)，而且內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)既可以分別單獨(dú)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，還能共同工作提供更大的動(dòng)力輸出。比如，由豐田公司研發(fā)的THS即為具有代表性的油電混動(dòng)車型，其典型車型為普銳斯，該車分別搭載一臺(tái)橫置四缸內(nèi)燃機(jī)和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，功率分別為77kW、60kW，同時(shí)還采用鎳氫電池，其電壓為288V。該車型的內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)都和動(dòng)力輸出系統(tǒng)之間直接相連，可提供相互獨(dú)立存在的輸出通道，分別為將內(nèi)燃機(jī)作為主要?jiǎng)恿敵龅臋C(jī)械式通道與將電動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿敵龅碾婒?qū)動(dòng)通道，雖然這兩個(gè)通道是單獨(dú)存在的，但是其動(dòng)力卻能實(shí)現(xiàn)疊加，為汽車提供可達(dá)100kW的總功率。除此之外，內(nèi)燃機(jī)和發(fā)電機(jī)之間相連，在汽車處于低功率運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的能量能被完全回收。從動(dòng)力角度講，該品牌車型和同類由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的車型，在性能上基本沒有任何差別，但在油耗方面可以減少至少50%，而且尾氣的排放也能減少至少1/3[7]。

3? 結(jié)語

綜上所述，混動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車最大的區(qū)別在于混動(dòng)汽車采用多套動(dòng)力系統(tǒng)，除內(nèi)燃機(jī)以外，還采用了電動(dòng)系統(tǒng)，包括發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和電池。目前，電能存儲(chǔ)方面在短時(shí)間內(nèi)還不能取得太大的突破，在這種情況下不斷開發(fā)內(nèi)燃機(jī)合理應(yīng)用，能起到更加有效的減少油耗與排放的實(shí)際作用。相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車，內(nèi)燃機(jī)不再是混動(dòng)汽車核心動(dòng)力源，而且通過對(duì)其它系統(tǒng)裝置的應(yīng)用，能對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的能源進(jìn)行充分回收和利用，保證內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行效率，使汽車處在最佳運(yùn)行狀態(tài)。

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