混合动力工作原理以及在汽车上的应用

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摘 要：能源危机、环境污染以及温室效应等问题的日益严重，对汽车行业提出了更高的节能减排要求，除了进一步对传统汽车进行技术创新提高节能减排效果外，发展新能源汽车已成汽车行业变革的必然趋势。混合动力汽车作为主要的解决能源危机及环境污染的方式和手段。同时介绍了混合动力汽车、工作原理、混合动力汽车分类，混合动力汽车的构成混合动力汽车的优点及性能及其发展前景。

关键词：混合动力；意义；构成；优点；性能

中图分类号：F407.471文献标识码：A

一、混合动力汽车的介绍

混合动力汽车HEV（Hybrid Electrical Vehicle)是指车辆驱动系由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，形成了多种分类形式。混合动力车辆的节能、低排放等特点引起了汽车界的极大关注并成为汽车研究与开发的一个重点。

因此混合动力，是依靠发动机引擎配合电动机向外输出功率相互配合工作，当发动机引擎在工作状态时通过发电机对蓄电池补充充电，通过引擎和电动机输出的扭矩不断交替转化，形成双动力驱动行驶。最终形成以电动机动力为主要动力，辅助以引擎动力，使得燃油消耗减少和尾气排放的降低都符合环保要求。

汽车在实际运行过程中，发动机ECU安装的电子控制程序在燃油和电动力之间进行切换控制，与此同时仪表台上的显示屏随时显示动力的使用情况。例如启动阶段，发动机不工作，全部由蓄电池通电给全车提高动力，起步阶段由电动机给车轮提高动力，由此达到尾气零排放，在市区不断的启停就非常有建设性的意思。如果是加速工况时，汽车发动机悄然启动，同时在仪表的显示屏上能量管理系统能够显示，屏幕显示从发动机引出一条虚线向车轮方向移动，与此同时也有一条虚线向蓄电池方向移动，因此发动机不只是向前轮提供动力，而且也给蓄电池充电。如果汽车具有一定速度之后，遇到红灯或是下坡道松油门踏板，同时前进的过程中由车轮轴的能量由电流转向器反方向向蓄电池充电，储存的能量为下一次启动进行准备。当汽车电脑接收到驾驶员的急加速的指令时，发动机和电动机同时向前轮传递动力，因此加速效果相比单一动力的发动机更加强劲。例如1.5L混合动力发动机相比2.0L发动机加速性能不相上下。CVT的变速箱和普通驱动系统配合，不论是那种动力供应，都不能影响CVT变速箱的动力输出，尤其是EV（Electrical Vehicle)全电力模式下的情况下，车内相当安静，但是EV模式仅仅能在每小时车速50KM之下的状况下运行数公里。

二、混合动力车的工作原理

混合动力汽车的动力系统的组成有：驱动系统、电池组、控制系统和辅助动力系统等部分组成的。下面以串联式混合动力电动汽车为例，先了解一下混合动力电动汽车的工作原理。

在汽车起初的行驶阶段，蓄电池的电量处于饱满状态，输出能量足以满足汽车的动力需要，辅助动力系统不暂时不进入工作。当蓄电池电量处于60％以下时，辅助动力系统将会启用：当汽车需要动力较大时，蓄电池组和辅助动力系统一起为动力系统提供能量；当汽车需要动力较小之时，辅助动力系统不但给蓄电池组进行充电，同时也给驱动系统提供能量。因为混合动力汽车装备了蓄电池组，使引擎处于一个相对稳定的工况下工作，这样能够使尾气排放得到较大的改善。

混合动力车辆使用满足汽车巡航对应的排量较小的发动机，汽车的电动机和辅助动力装置提供爬坡和加速需要的附加动能。在未牺牲性能的同时也增加了总体效率。混合动力汽车设计了制动能量回收系统。非混合动力汽车中，驾驶员踩制动踏板时，这些可以给汽车加速的能量转化成热量将浪费掉了。混合动力汽车能够极大的回收这些能量，然后贮存起来在加速时重新利用。当驾驶员需要最大加速度时，汽车发动机与电动机共同作用，拥有能够和发动机媲美的起步性能。如果对加速性需要不是很高的情况，混合动力汽车即可单靠电机驱动，也可单靠汽车的发动机驱动，同时也可二者结合得到最大的功率。例如在巡航时利用发动机动力。而在低速状态下，依靠电机驱动，不用发动机的辅助。即使在引擎没有动力输出的情况下电动助力转向系统依然保持操纵功能，同时比传统液压系统更强大的功率。

三、混合动力系统的分类

（一）根据混合动力驱动联结方式，混合动力系统主要分为以下三类：

1.串联式混合动力系统

串联式混合动力系统一般是由发动机驱动发电机发电，生成的电能由控制单元控制传输到电池组，然后由电池组传输给电动机转换成动能，最后由变速机构驱动汽车。在这种串联方式下，电池组就如水库，不过调节的对象不是水量，而是电能。蓄电池对发电机发出的电能和电动机所需的电能之间进行协调，进而保证汽车正常行驶。这种动力系统在轿车上较少使用，但是在城市公交上的使用比较广泛。

2．并联式混合动力系统

并联式混合动力汽车系统装有两套动力驱动系统：传统的发动机动力系统和电动机驱动动力系统。两个动力系统既可协调工作，也可单独的动力驱动汽车。这种系统能够在各种的行驶工况下适用，特别适合于复杂的道路。该联结方式结构相对简单，成本较低。本田的Accord和Civic就采用的这种并联式联结方式。

3.混联式混合动力系统

混联式混合动力系统的特点在于发动机动力系统和电机动力驱动系统各自有一套机械变速机构系统，两套机构或采用行星轮式结构，或通过齿轮系结合在一起，进而综合协调发动机与电动机之间的速比。与并联式混合动力系统相比较，混联式动力系统能够更灵活的依据不同工况来调节发动机的动力输出和电动机的之间的协调工作。此联结方式系统结构复杂，成本较高。丰田公司的Prius所采用的就是混联式联结方式。

（二）依据在混合动力系统中，电动机的输出能量在整个系统输出能量中占的百分比，这既常说的混合度的不同，混合动力系统有下面四类：

1.微混合动力系统。其典型的车型是标致雪铁龙集团的混合动力版C3和丰田公司生产的混合动力版Vitz。在传统发动机上的启动电动机上装备了皮带驱动启动电动机。此电动机为启动发电(Start - Stop )整体式电动机，通过控制引擎的停止与启动，进而取消了引擎的怠速，减少了燃油消耗和尾气排放。从真正定义上来说，这个微混合动力系统的车辆不属于真正意义上的混合动力系统汽车，因此其电动机不能为车辆驱动提供持续的能量。在微混合动力系统里，电动机的电压分为两种：42v 和12v 。其中12v主要用于汽油混合动力系统，而42v主要是柴油汽车混合动力系统。

2.轻混合汽车动力系统。其主要车型是通用汽车公司生产的混合动力系统的皮卡车。其混合动力汽车系统采用集成启动电动机（这就是通常意义上说的Integrated Starter Generator，简称ISG系统）。与微混合汽车动力系统相比较，轻混合汽车动力系统能通过发电机控制系统控制发动机的启停，更能实现以下功能：（1）当处于减速和制动情况下，能够对部分能量进行回收；（2）当正常行驶工况下，引擎匀速运转，引擎产生的动力能够在发电机的充电需求和车轮的动力驱动需求之间寻找到平衡点。轻混合汽车动力系统的结合度一般在20％以下。

3.中混合汽车动力系统。日本本田公司生产的混合动力的Civic、Insight和Accord 汽车都属于这种系统的范畴。该混合动力系统的汽车都使用了ISG系统。跟轻度混合动力系统汽车不同，中混合动力系统汽车用的是高压电动机。同时，中混合动力系统的汽车具备了一个特殊的功能：当车辆处于大负荷或加速工况时，电动机能通过辅助系统驱动车轮，进一步弥补发动机自身动力输出不足的缺点，同时能够进一步提高整车的性能。中混合汽车动力系统的混合度比较高，能够达到30％左右，而且市面上的应用广泛，技术也较成熟。

4.完全混合动力系统的汽车。日本丰田公司的未来的Estima汽车和Prius汽车都属于完全混合动力系统汽车。完全混合动力系统采用了272-650v的高压启动电动机，混合度更进一步。与中混合动力系统的汽车相比较，完全混合动力系统汽车的混合度能够达到甚至高于50％。技术的飞速发展促使完全混合动力系统的汽车具备成了汽车混合动力技术的主流发展方向。

综上所述，虽然混合方式各有不同的，但是都能起到一定的降低使用成本和尾气排放。世界各大汽车公司都在过去的十几年中经过不断的投入研发，总结试验，以及商业应用，探索出各自的汽车混合动力技术之路，因此形成了各具特色的市场表现。

在不久的将来，我国会成为全球最大的混合动力汽车市场，同时因环境保护、未来资源匮乏等原因，混合动力的汽车会被更加广泛顾客接受和使用，买车的增多，成本的降低，必然促使产品价格逐步降低，市场的规模也会随之逐渐扩大。