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      研究內燃機在混合動力汽車上的應用

      發布時間:2020-11-24 09:34所屬分類:能源加入收藏

      摘要:針對目前有良好發展前景的混合動力汽車,在介紹其意義、特點、分類和優勢的基礎上,對其內燃機應用進行深入分析,旨在為不同類型混合動力汽

        摘要:針對目前有良好發展前景的混合動力汽車,在介紹其意義、特點、分類和優勢的基礎上,對其內燃機應用進行深入分析,旨在為不同類型混合動力汽車的研制與發展提供參考借鑒。

        關鍵詞:混合動力汽車;內燃機;電動機

      能源工程師論文

        0 引言

        如今,社會汽車保有量逐年增加,尤其是大型城市,這不僅造成了嚴重的交通擁堵,而且能耗增加,污染加劇。在這種情況下積極開發和應用混動汽車具有重要意義,首先能減少油耗和排放,減輕汽車對大氣環境造成的污染,而且并不會對汽車的性能及使用舒適性造成影響。事實上,混動汽車并不能完全脫離內燃機,只是改變了內燃機在汽車整個動力系統的位置,比如由內燃機提供輔助動力或仍由內燃機提供主要動力但在個別工況采用電動力提供輔助動力等,這就需要對內燃機的實際應用進行分析研究,以更好的推動混動汽車研究和發展。

        1 混合動力汽車概述

        從廣義層面講,混動汽車指的是驅動系統由不少于兩個單獨的驅動系統構成的汽車,其行駛功率以自身所處行駛狀態為依據由單個或者是所有驅動系統來提供。人們常說的混動汽車主要是油電混合,其驅動系統除內燃機外,還包括電動機,此外還有一些油電混合汽車的發動機采用其它能源替代燃油,如天然氣等[1]。

        如今,市級范圍內的環保要求越來越高,由于混動汽車在節能減排上具有突出性的優勢,所以已經成為汽車產業重點,正逐步實現商業化。可在混動汽車中配置的電動系統,主要包括三個組成部分,即蓄電池、電動機與發電機。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,在不久的將來還會用到氫燃料電池。

        若按照混動驅動聯結具體方式,可將混動汽車分成以下三種類型:

        其一,串聯式混動,即將驅動電機、發動機和發電機采用串聯方式結合到一起;

        其二,并聯式混動,即發動機與驅動電機相互并聯,兩者功率既可疊加,也可單獨產生和提供;

        其三,混合式混動,它對以上兩種進行了整合,能同時發揮以上兩種類型的優勢。

        若按照混動系統混合度,可將混動汽車分成以下四種類型:

        其一,微混動系統,嚴格來說,采用該類型系統的汽車并非嚴格意義上的混動汽車,這主要是因為其電機不能給汽車的運行提供持續穩定動力,只在特定的工況下給與發動機短暫的助推推力;

        其二,輕混動系統,該系統不僅能用發電機對發動機啟停進行控制,而且還可以實現下列功能:當減速或制動時,吸收部分能量;汽車行駛時,發動機以恒定速度運轉,由發動機輸出的能量能在車輪驅動與發動機充電兩種需求間自由調節;

        其三,中混動系統,采用高壓電機,當汽車加速或處在大負荷運行狀態時,電動機為車輪提供輔助驅動,彌補發動機不足,保證汽車整體性能。該系統混合度相對較高,而且技術相對成熟,當前的應用十分廣泛;

        其四,完全混動系統,采用高壓啟動電機,有著比中混動系統更高的混合度。伴隨技術的進一步發展,該混動系統將成為未來主流發展方向。

        混動汽車主要具有以下幾方面優勢特點:

        ①相較于只采用內燃機動力系統的汽車,因混動汽車的內燃機始終處于最佳工作狀態,所以能大幅降低油耗,減少排放。

        ②內燃機在最佳工況點及其附近穩定工作,能使燃料的燃燒更加充分,而且排氣也比不充分燃燒時的排氣干凈。

        ③由于混動汽車起步時電動機介入,所以與內燃機車相比,起步速度更快、更平穩。

        ④發動機和電動機的配合,節省燃料消耗的同時整車續航里程更長。

        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汽車小很多。

        從當前的應用條件及需求情況看,混動汽車不僅具有良好產業化前景,而且市場化前景也越來越好。該類型汽車的動力源除內燃機外,還采用了電動機,這樣除了能保留內燃機具有的各項優勢,如工作時間長、動力性良好與反應速度快等,還能起到降低噪音、減少污染和油耗等作用,使發動機與電動機之間達到最佳匹配[2]。

        2 混動汽車中的內燃機應用

        混動汽車所用動力系統包括以下幾個組成部分:控制系統、驅動系統、輔助動力系統與電池組。為了探討混動汽車中內燃機的作用和普通內燃機車的區別,以目前比較常見的串聯式混動類型為例,對其具體工作原理做如下深入分析。

        在車輛剛開始行駛時,電池處在飽和狀態,由電池提供的能量輸出能滿足正常行車要求,此時輔助動力系統未介入。在電池的電量降低到60%以下時,輔助動力系統開始介入;如果汽車能量需求相對較大,則電池和輔助動力系統將同時工作為驅動系統提供源源不斷的能量;而如果汽車能量需求相對較小,則輔助動力系統可以在為驅動系統實時提供能量的基礎上,為電池充電。因混動車型采用了蓄電池,所以發動機可以處在穩定狀態下,這對減少油耗與排放都是十分重要的[3]。

        2.1 電驅動混動車內燃機應用

        該混動車型是指采用電動機作為汽車主要驅動方式,其結構以串聯式結構為主。該車型運行時,由內燃機產生的能量再通過發電機將其轉換成電能,然后根據實際運行情況將其分配至電動機,也可存儲至電池當中。在汽車負荷相對較小的情況下,可以全部由電池進行供電,由電動機驅動車輪;而在汽車負荷相對較大的情況下,比如在爬坡和加速過程中,由發電機與電池一同供電,其中發電機靠內燃機帶動產生電能,保證汽車功率滿足使用要求;如果汽車電池電量不足,則只由內燃機驅動發電機產生電能,同時在汽車低速行駛與滑行過程中將多余電能存儲到電池中。該車型目前主要在城市通勤中使用,具有結構簡單和經濟性好的優勢特點,在交通擁堵和頻繁啟動狀態下,能通過對動力輸出適當調整使效率始終處在最佳狀態,防止在怠速、低速或滑行過程中內燃機發生空轉,保證內燃機實際運行效率,避免產生太多的廢氣。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,汽車的所有動力都采用電池提供,真正實現了零排放。但這種車型的缺點也是十分明顯的,比如能量的轉化過程比較復雜,這對機械傳動效率有很大影響[4]。

        2.2 電輔助混動車內燃機應用

        對于這種混動車型,屬于輕混動類型,它仍然將內燃機作為汽車的主要動力,雖然也配備了電動機,但是其功率相對較低,主要是為汽車提供輔助動力,同時電池組的儲能也相對較小。該混動車型在所有類型的混動車中是成本最低的一種,但也能起到減少油耗和排放,并提高內燃機效率的作用,所以目前在市場上得到了廣泛應用,用戶的認可度很高。比如,由一汽豐田公司研發的卡羅拉雙擎和由廣汽豐田公式研發的雷凌雙擎都屬于這種類型的混動汽車,不僅銷量很高,而且用戶反饋良好。在這種車型中,主要動力由內燃機提供,電動機只是提供一定輔助動力,在電動機方面大多采用永磁超薄電機。采用這種電機類型能徹底取代內燃機飛輪,與輸出端直接相連,實現自動啟停。當汽車啟動和加速時,該電機充當電動機提供一定輔助動力;在滑行與制動過程中,該電機充當發電機,對內燃機運行產生的動能予以收集與利用,進而轉化成電能臨時存儲在電池當中。這種類型的混動汽車不僅具有普通內燃機汽車各項性能,而且在永磁超薄電機加持之下,還能提高汽車自身機動性,充分利用由內燃機產生的所有能量,既無需外部充電,又能大幅減少油耗與排放[5]。

        2.3 油電混動車內燃機應用

        該混動車型和之前介紹的電輔助混動車比較,采用功率相對較大的電動機,對能量的實際回收效率往往更高,采用電動機可以為車輛提供更為強勁的輸出動力,在提高汽車燃油效率基礎上,更加有效的減少尾氣排放[6]。從結構角度講,該混動車型分別設置單獨存在的發電機與電動機,而且內燃機與電動機既可以分別單獨提供驅動動力,還能共同工作提供更大的動力輸出。比如,由豐田公司研發的THS即為具有代表性的油電混動車型,其典型車型為普銳斯,該車分別搭載一臺橫置四缸內燃機和一臺電動機,功率分別為77kW、60kW,同時還采用鎳氫電池,其電壓為288V。該車型的內燃機與電動機都和動力輸出系統之間直接相連,可提供相互獨立存在的輸出通道,分別為將內燃機作為主要動力輸出的機械式通道與將電動機作為主要動力輸出的電驅動通道,雖然這兩個通道是單獨存在的,但是其動力卻能實現疊加,為汽車提供可達100kW的總功率。除此之外,內燃機和發電機之間相連,在汽車處于低功率運行狀態時,由內燃機產生的能量能被完全回收。從動力角度講,該品牌車型和同類由內燃機驅動的車型,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 結語

        綜上所述,混動汽車和傳統內燃機車最大的區別在于混動汽車采用多套動力系統,除內燃機以外,還采用了電動系統,包括發電機、電動機和電池。目前,電能存儲方面在短時間內還不能取得太大的突破,在這種情況下不斷開發內燃機合理應用,能起到更加有效的減少油耗與排放的實際作用。相較于傳統內燃機車,內燃機不再是混動汽車核心動力源,而且通過對其它系統裝置的應用,能對內燃機產生的能源進行充分回收和利用,保證內燃機運行效率,使汽車處在最佳運行狀態。

        參考文獻:

        [1]朱天軍,胡偉,王林.基于特征選擇遺傳算法對混合動力汽車的研究[J].機械設計與制造,2020,10(03):85-89.

        [2]張良,宋秦中,劉旭,朱學超.基于ADVISOR的混合動力汽車性能仿真研究[J].科技與創新,2020,11(02):149-150,152.

        [3]王昌福.混合動力汽車發動機無法停機原因分析及解決方案研究[J].時代汽車,2019,11(19):117-118.

        [4]吳耀春,王俊昌.混合動力汽車牽引力控制驅動策略建模分析[J].機械設計與制造,2017,10(02):188-192.

        [5]王紅云,向英,杜燦誼.怠速起停系統及其在混合動力汽車中的應用分析[J].內燃機與配件,2016,11(08):130-133.

        [6]張江燕,康銘鑫,申鐵龍.實時優化算法在汽車動力系統控制問題中的應用[J].中國科學:信息科學,2016,46(05):571-590.

        [7]任煥煥,趙冬昶,禹如杰.基于情景分析的乘用車節能目標實現路徑比較研究[J].汽車工業研究,2014,11(12):36-40.[1] 2

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