混合動(dòng)力汽車(chē)的原理及發(fā)展

1 混合動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展概況
當前，石油資源面臨枯竭，傳統汽車(chē)的排放已成為大氣污染的主要源頭。研究顯示傳統汽車(chē)在常規路面上行駛時(shí)至多能利用燃油40%的化學(xué)能，在擁堵的市區路況化學(xué)能的利用率僅為25%。目前，動(dòng)力電池在壽命、充電時(shí)間等方面無(wú)法達到人們的用車(chē)要求，實(shí)際使用效果并不理想，預計在10年之內電動(dòng)汽車(chē)還無(wú)法真正意義上取代傳統汽車(chē)。為了解決該問(wèn)題，工程師們開(kāi)發(fā)了一種混合動(dòng)力裝置(HEV)的汽車(chē)，這種汽車(chē)是同時(shí)裝備有兩種以上的動(dòng)力源的汽車(chē)，通常是發(fā)動(dòng)機和電動(dòng)機的組合形式。根據汽車(chē)運行工況的要求，對內燃機與電動(dòng)機進(jìn)行優(yōu)化耦合后，可以獲得良好的動(dòng)力性，燃油經(jīng)濟性，排放性能等指標?；旌蟿?dòng)力車(chē)型的核心技術(shù)是混合動(dòng)力系統，其性能優(yōu)劣直接影響混合動(dòng)力汽車(chē)的整車(chē)性能?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)既有純電動(dòng)汽車(chē)低排放的優(yōu)點(diǎn)，又兼具傳統內燃機高比能量和比功率的優(yōu)點(diǎn)，在由內燃機汽車(chē)向電動(dòng)汽車(chē)的轉變過(guò)程中扮演著(zhù)重要的角色。
2 混合動(dòng)力汽車(chē)的控制策略
隨著(zhù)現代控制技術(shù)的發(fā)展，在混合動(dòng)力汽車(chē)的控制系統中，自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)得到了普遍應用，如LQG控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制以及自適應控制等一系列先進(jìn)的控制算法已經(jīng)在混合動(dòng)力汽車(chē)的量產(chǎn)車(chē)型中得到了應用。以上智能化控制策略的應用使得混合動(dòng)力汽車(chē)更貼近當前“節能、安全、環(huán)保”的現代汽車(chē)發(fā)展理念。使混合動(dòng)力汽車(chē)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(chē)基本性能，如動(dòng)力性、操縱穩定性地前提之下，控制系統需能合理地協(xié)調、分配發(fā)動(dòng)機和電機兩者的動(dòng)力輸出，從而獲得高的效率、燃油經(jīng)濟性、和排放特性，并獲得較佳的操縱穩定性。經(jīng)過(guò)長(cháng)期的發(fā)展，多種控制策略已應用于混合動(dòng)力汽車(chē)，下面介紹較為常用的基于規則的混合動(dòng)力汽車(chē)穩態(tài)能量管理策略。所謂基于規則的穩態(tài)能量管理策略，其主要依據為工程經(jīng)驗，在工程經(jīng)驗的基礎上按照各個(gè)部件的穩態(tài)效率MAP圖來(lái)制定分配發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機動(dòng)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(dòng)回收能量模式。
3 混合動(dòng)力汽車(chē)的工作過(guò)程
3．1電力驅動(dòng)
在汽車(chē)剛啟動(dòng)或者低速行駛時(shí)，混動(dòng)車(chē)型利用電機驅動(dòng)車(chē)輪，而發(fā)動(dòng)機并不向車(chē)輪輸出動(dòng)力，這是因為電機可以提供較大的扭矩，而發(fā)動(dòng)機在低轉速范圍內無(wú)法提供較大的驅動(dòng)扭矩。同樣對于，低速行駛，發(fā)動(dòng)機的效率依然很低，此時(shí)發(fā)動(dòng)機不工作，電動(dòng)機提供全部的驅動(dòng)功率。
3．2發(fā)動(dòng)機自動(dòng)啟停
傳統汽車(chē)利用低電壓的起動(dòng)機啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，正常的啟動(dòng)過(guò)程需要2s左右的時(shí)間，在此過(guò)程中發(fā)動(dòng)機在起動(dòng)機的帶動(dòng)下從0轉速提升200r/min左右的轉速，該過(guò)程需要更多的可燃混合起，排放惡劣。然而，在混合動(dòng)力汽車(chē)中裝備的電機要比傳統汽車(chē)的起動(dòng)機的功率大很多，因此混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)可由動(dòng)力電機完成，僅需300ms就可將發(fā)動(dòng)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(dòng)力汽車(chē)在空擋滑行和臨時(shí)停車(chē)的情況下，內燃機將處于停止云狀的狀態(tài)。當整車(chē)需要向前行駛時(shí)，電動(dòng)機則立刻啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機。
3．3一般行駛
一般行駛時(shí)，使用發(fā)動(dòng)機作為主要動(dòng)力源，因為此時(shí)發(fā)動(dòng)機的效率較高，油耗較低。發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的驅動(dòng)力直接驅動(dòng)車(chē)輪運動(dòng)，根據行駛工況，部分發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力用以驅動(dòng)發(fā)電機，產(chǎn)生的電能供給蓄電池和車(chē)載用電器。
3．4再生制動(dòng)
在汽車(chē)在減速的過(guò)程中，混合動(dòng)力汽車(chē)的車(chē)輪會(huì )帶動(dòng)電動(dòng)機旋轉，此時(shí)電動(dòng)機成了發(fā)電機，于是將汽車(chē)的動(dòng)能轉化為電能存儲于蓄電池中。以一輛質(zhì)量為1．5噸的轎車(chē)為例，當它由65km/h的行駛速度進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)初始時(shí)整車(chē)動(dòng)能近280KJ，如果能夠將該能量全部吸收，可以驅動(dòng)該車(chē)行駛1．8km。
4 混合動(dòng)力汽車(chē)的優(yōu)缺點(diǎn)分析
4．1優(yōu)點(diǎn)分析
相比于純電動(dòng)汽車(chē)，混合動(dòng)力汽車(chē)具有如下優(yōu)勢:(1)兼具傳統燃油汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢。(2)發(fā)動(dòng)機的運用使得電池的數量和質(zhì)量可大大減少，因此整車(chē)質(zhì)量較小，有利于降低能源消耗。(3)汽車(chē)的動(dòng)力性及續航和傳統汽車(chē)相差無(wú)幾。
與傳統汽車(chē)相比，混合動(dòng)力汽車(chē)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)發(fā)動(dòng)機可以在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(fā)動(dòng)機可以停止運轉，車(chē)輪由電動(dòng)機負責驅動(dòng)，實(shí)現*。(3)可以利用制動(dòng)能量回收實(shí)現更好地節能減排效果。
4．2缺點(diǎn)分析
(1)混合動(dòng)力汽車(chē)中仍然有發(fā)動(dòng)機的存在，這意味著(zhù)混合動(dòng)力汽車(chē)無(wú)法從根本上擺脫對石油資源的依賴(lài)。(2)混合動(dòng)力系統的成本比傳統汽車(chē)高很多?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)要配備傳統汽車(chē)不需要的昂貴配件，比如高壓蓄電池、電動(dòng)機、發(fā)電機以及各種控制器。(3)高速行駛時(shí)，油耗并不理想?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)在高速公路上行駛時(shí)其動(dòng)力來(lái)源依然是發(fā)動(dòng)機，但是混合動(dòng)力汽車(chē)的質(zhì)量更大，這就造成了油耗甚至高于傳統汽車(chē)。
5 發(fā)展前景與展望
混合動(dòng)力汽車(chē)在現有技術(shù)的基礎上達到了提高燃料經(jīng)濟性和減少排放的目的，因而發(fā)展前景。降低成本是提高混合動(dòng)力系統競爭能力的努力方向?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)在發(fā)展的道路上需要解決的問(wèn)題還有很多，但隨著(zhù)各大汽車(chē)廠(chǎng)商的不斷的研發(fā)改進(jìn)，這些問(wèn)題會(huì )很快得到解決。盡管從長(cháng)遠來(lái)看混合動(dòng)力汽車(chē)只是一種過(guò)渡車(chē)型，但是在近二三十年內仍然具備較好的前景。