混合動力汽車結(jié)構(gòu)、原理及發(fā)展前景研究

一、引言近年來，隨著國人對環(huán)境問題認知的提升，以及對汽車工業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型的信心，路上行駛的新能源車型越來越多；有純電動的、混和動力的、組合增程式的等等……尤其以純電動汽車增速最大，各種造型、各種配置，讓人眼花繚亂。但是隨著純電動汽車的熱賣和后汽車市場的反饋，使用幾年后，電池衰減，充電難，更換電池產(chǎn)生的巨額費用，續(xù)航公里數(shù)大打折扣的問題始終困擾著車主。擔心沒電后拋錨的憂慮也在時刻折磨著車主。二、混合動力汽車的概述與工作原理（一）混合動力汽車的概述混合動力汽車：指的是同時裝備兩種動力系統(tǒng)，燃油發(fā)動機與電動機相結(jié)合的汽車。車輛工程師運用自身的創(chuàng)新和設(shè)計理念，將燃油發(fā)動機與電動機縝密的結(jié)合在一起，什么時候燃油發(fā)動機工作，什么時候電動機工作，什么時候兩者一起工作，通過各種技術(shù)化設(shè)計，將兩者做功的切合點運籌的恰到好處。達到節(jié)能省油的目的。（二）混合動力汽車的工作原理混合動力汽車的工作原理：車輛在起步的階段，使用車上的電動機提供動力驅(qū)動車子前進。待汽車達到一定的速度后(各個廠家設(shè)定的發(fā)動機運行節(jié)點各不相同)發(fā)動機點火做功，配合電動機一同工作，達到共同驅(qū)動車輛前行的狀態(tài)。車輛速度不高，電動機單獨驅(qū)動車輛運行，隨著車速的提高，車輛所需克服的阻力越大，發(fā)動機與電動機一起運轉(zhuǎn)，因為減輕了發(fā)動機的負荷，負載減小，所以油耗比純?nèi)加蛙嚨汀０l(fā)動機運轉(zhuǎn)后，帶動發(fā)電機發(fā)電，將電力源源不斷提供給電動機，并將多余的電力儲存在蓄電池中，為下一次的運轉(zhuǎn)保存能量。這種相輔相成的設(shè)計，將節(jié)能環(huán)保發(fā)揮到了極致。因為擁有了電動機的輔助動力，混合動力汽車對于自身發(fā)動機的功率要求不像純?nèi)加蛙嚹敲锤摺Ｖ灰鼙ＷC最低的運行功率就夠了，不用擔心像純?nèi)加蛙嚹菢樱瑸榱斯?jié)能省油，采用小排量低功率發(fā)動機時，起步無力、高速行駛時發(fā)動機噪音大的問題?；旌蟿恿ζ囘€設(shè)計了剎車能量回收系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的燃油汽車行駛狀態(tài)下，當司機踩下剎車時，車身前行的慣性力隨著剎車片與剎車盤的摩擦而浪費。但是混合動力汽車卻能將車身前行的慣性力在剎車的過程中轉(zhuǎn)換成電能，并將其暫時貯存在蓄電池中供下一次加速時再利用。當車輛需要更大的動力需求時，汽油發(fā)動機和電動機共同工作，以確保動力輸出的持續(xù)性。在低速狀態(tài)下，混合動力汽車可以單獨靠電動機行駛，或者單獨靠汽油發(fā)動機行駛，達到節(jié)油環(huán)保的效果。

三、混合動力汽車動力系統(tǒng)架構(gòu)、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展歷程（一）混合動力汽車動力系統(tǒng)架構(gòu)混和動力汽車通過四十多年的發(fā)展，不論是質(zhì)量方面還是技術(shù)方面都得到了市場的認可，質(zhì)量可靠，使用方便，維修簡單，而且后市場的保值率也不錯。尤其近幾年，有更多的混合動力汽車走進了千家萬戶，在各個領(lǐng)域發(fā)揮著作用。下面介紹一下混合動力汽車的動力系統(tǒng)的類別。按提供動力的方式可以分為三點，分別是串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。3-1串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)架構(gòu)串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)：見上圖3-1它的結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單，主體部分擁有一臺小型的燃油發(fā)動機，一臺發(fā)電機和電動機，搭配蓄電池，變速器等，組成一套完整的動力系統(tǒng)。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的燃油發(fā)動機不直接驅(qū)動車輛運行，而是間接的帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電能存儲在蓄電池中。在車輛需要運轉(zhuǎn)時，將電能輸送到電動機處，電動機驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，達到車輛前行的目的。串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)相對簡單，制造門檻不高，價格適中，國產(chǎn)新能源車型采用此種結(jié)構(gòu)居多。并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)：見下圖3-23-2并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)架構(gòu)它的結(jié)構(gòu)相較于串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，要復雜很多。主要區(qū)別在于燃油發(fā)動機和蓄電池分別可以獨立的提供動能。也就是說，可以單獨的由燃油發(fā)動機驅(qū)動汽車，也可以單獨的由蓄電池提供電能給電動機驅(qū)動汽車。燃油發(fā)動機驅(qū)動車輛前行的同時，帶動發(fā)電機發(fā)出的多余電能可以存儲在蓄電池中。當車輛需要更大的能量輸出時，蓄電池提供電力驅(qū)動電動機，與燃油發(fā)動機一起工作，減少發(fā)動機負載，降低油耗?；炻?lián)式混合動力系統(tǒng)：見下圖3-3這個結(jié)構(gòu)在三者當中是最復雜的，結(jié)合了串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點，并進行了優(yōu)化。解決了并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)電機身兼兩職的劣勢，既能驅(qū)動車輛，又能為蓄電池發(fā)電。也是目前主流混動車型的標桿配置。按動能混合的程度大小分類，可分為三點，分別是弱混、中混和強混。弱混系統(tǒng)：此系統(tǒng)蓄電池電動機參與燃油發(fā)動機做功的比例較小，一般情況下低于百分之十，而且電動機和蓄電池電池組功率也很小，因此電動機不直接驅(qū)動車輛。圖3-3混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)架構(gòu)強混系統(tǒng)：此系統(tǒng)蓄電池電動機參與燃油發(fā)動機做功的比例較大，一般情況下能達到百分之四十左右。電動機和蓄電池組功率也很大，不僅可以直接驅(qū)動車輛，而且低速狀態(tài)下，完全不需要燃油發(fā)動機提供動力，在一定程度上，可以節(jié)省很多燃油。中混系統(tǒng)：顧名思義就是處于弱混系統(tǒng)與強混系統(tǒng)中間的產(chǎn)物，強于弱混，低于強混，這里就不多介紹了。3-4動能大小的分類按照電動機位置的不同，可分為：P0、P1、P2、P3、P4。P0電機跟傳統(tǒng)的燃油車發(fā)電機原理差不多，都是通過一根橡膠皮帶與發(fā)動機動力輸出端連接，但是電機的功率大大強于普通的燃油車上的發(fā)電機，正常工況下起到發(fā)電作用，車輛運行時起到發(fā)動引擎的作用。P1電機布置在燃油發(fā)動機和離合器之間，在車輛起步階段，通過計算機系統(tǒng)的運算，P1電機配合燃油發(fā)動機一起做功推動車輛前行，減少了發(fā)動機的負荷，達到節(jié)油目的。P1電機一般運用于帶啟停功能的車型上，車輛制動時還能將車輛的勢能轉(zhuǎn)為電能回收利用。P2電機位于離合器的后面，變速器的前面。它可以在車輛起步階段，單獨的使用電機驅(qū)動車輛運行，一般德系車型采用這個結(jié)構(gòu)比較多P3電機布置在變速箱的后面，在運行時不需要經(jīng)過變速箱機構(gòu)，所以跟普通的純電動車型運轉(zhuǎn)的模式差不多，各項指標的效率很高。P4電機一般安裝在車輛的后橋上，是一個完整獨立的設(shè)施，直接驅(qū)動車輪。（二）混合動力汽車國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著人們生活水平的提升，以及環(huán)保理念的增強，節(jié)能意識已經(jīng)漸漸融入到生活的方方面面。小到垃圾分類回收，大到高耗能企業(yè)的升級淘汰，無處不在提示著我們，環(huán)境保護，節(jié)能環(huán)保的重要性。尤其在生活的必備大件——汽車方面，更應(yīng)該起到表率作用，因此各國企業(yè)都在努力研發(fā)，生產(chǎn)出了各種類型的環(huán)保汽車。以促進人類與自然的和諧發(fā)展。下面來簡單介紹一下國內(nèi)與國外的研究現(xiàn)狀。3-5混動汽車銷量增速我國混合動力汽車這幾年發(fā)展的不錯，市場供需基本平衡，根據(jù)汽車協(xié)會發(fā)布的信息來看，去年全國混合動力汽車產(chǎn)量高達五十多萬輛，同比增長了百分之二十；銷量達到四十九萬輛，同比增長了百分之十八。各大車企也在混合動力汽車上持續(xù)發(fā)力，后續(xù)車型越來越多，供消費者選擇的余地越來越大。比如：作為老牌的混合動力車企比亞迪，去年研發(fā)出了DM-i混合動力系統(tǒng)。這幾年發(fā)展勢頭強盛的長城汽車，去年發(fā)布了DHT檸檬混合動力技術(shù)。注重技術(shù)研發(fā)的奇瑞汽車研發(fā)的鯤鵬混合動力技術(shù)也即將量產(chǎn)。還有長安、吉利等等車企，各種混動技術(shù)如雨后春筍般接重而來。從以上各個大型車企的布局來看，混和動力研發(fā)仍是戰(zhàn)略發(fā)展目標。國家層面對于混合動力汽車的發(fā)展也是傾注了不少心血，比如：購買減稅，上牌無需搖號等等，各種利好政策的持續(xù)加持，相信在可預(yù)見的當下，混合動力在我國仍將是主流。國外混合動力發(fā)展的亦是如火如荼，比如老牌的混合動力鼻祖豐田，在普銳斯混合動力車型打下的良好口碑下，持續(xù)推出了各種混和動力式車型，兼顧價低質(zhì)優(yōu)的雙擎卡羅拉/雷凌，為中產(chǎn)階層推出的混動凱美瑞、混動榮放，為高端消費者推出的混動雷克薩斯等等，基本上涵蓋了豐田系的高中低所有系列。而且發(fā)動機的熱效率達到了驚人的百分之四十九，電機轉(zhuǎn)速的提升數(shù)值也處在第一梯隊范疇。本田汽車這兩年在混合動力方面也在持續(xù)研發(fā)，推出的各種新技術(shù)新概念緊隨豐田，正在逐步的從單一的弱混往強混上發(fā)展，從單電機模式到雙電機模式衍生，推出的混動車型正在逐漸被消費者認可。德系和美系在插電式混合動力方面也是頗有建樹，因為要規(guī)避兩田的專利，可能選擇插電式混合動力也是沒有辦法的辦法，但從另一個層面來看，這些老牌資深的車企對于混合動力的投入，不正是對混合動力發(fā)展的認可嗎。四、混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)分析與發(fā)動機能量管理控制策略研究（一）混合動力系統(tǒng)的驅(qū)動控制策略根據(jù)混合動力的聯(lián)接方式劃分，混合動力系統(tǒng)可以分為串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)(1)串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)驅(qū)動控制方式：串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)顧名思義，就是將發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電動機三個部分串聯(lián)在一起的動力系統(tǒng)。發(fā)動機與車輛不屬于硬性連接，僅僅起著帶動發(fā)電機發(fā)電的作用。發(fā)電機發(fā)出的電能用于驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)，從而使車輛可以正常行駛，一少部分用不掉的電能被儲存在蓄電池中，待車輛負載大時使用。因為發(fā)動機不參與直接驅(qū)動車輛，所以發(fā)動機功率不需要很大，發(fā)動機運行的工況也是設(shè)計在最佳狀態(tài)。因此，發(fā)動機相當節(jié)能省油，維護保養(yǎng)也就更簡便。正是由于發(fā)動機源源不斷的為車輛提供電能，相較于純電動車來說，續(xù)航里程更長，從源頭上解決了純電動汽車一次充電行駛里程短的問題。4-1典型的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)驅(qū)動控制方式(2)并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)驅(qū)動控制方式：就是將燃油發(fā)動機、發(fā)電機和電動機三個部分并聯(lián)在一起的動力系統(tǒng)。燃油發(fā)動機可以單獨的驅(qū)動汽車，電動機也可以單獨的驅(qū)動汽車，當車輛需要更大驅(qū)動力的時候，發(fā)動機和電動機兩套動力系統(tǒng)可以一起運行，達到增強車輛動力性和節(jié)省燃油的目的。簡單來說：車輛在起步階段，電動機單獨運轉(zhuǎn)，待車輛達到一定速度后，發(fā)動機點火運轉(zhuǎn)，若需要更大的負荷狀態(tài)，發(fā)動機和電動機共同運轉(zhuǎn)。4-2典型的混聯(lián)式混合動力驅(qū)動控制方式(3)混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)驅(qū)動控制方式：混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)結(jié)合了串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點，取長補短，是目前最均衡的混合動力系統(tǒng)。混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)區(qū)別于并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的最大優(yōu)勢，在于混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)有單獨的發(fā)電機，不像并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)那樣使用電動機作為發(fā)電機使用，因此發(fā)動機可以與電動機共同工作，隨時對電池組進行充電。根據(jù)混合動力驅(qū)動的混合程度分類，可以分為：微混合動力系統(tǒng)驅(qū)動方式，輕混合動力系統(tǒng)驅(qū)動方式，中混合動力驅(qū)動方式系統(tǒng)和完全混合動力系統(tǒng)驅(qū)動方式。(1)微混合動力系統(tǒng)驅(qū)動方式：微混合動力系統(tǒng)是在傳統(tǒng)燃油發(fā)動機的啟動電機上加裝了皮帶驅(qū)動啟動電機。該電機為發(fā)電啟停一體式電動機，用來控制發(fā)動機的啟動和停止，取消了發(fā)動機的怠速。在車輛怠速狀態(tài)時，車載用電設(shè)備由蓄電池供電，從而降低了油耗和排放。(2)輕混合動力系統(tǒng)驅(qū)動方式：輕型混合動力驅(qū)動系統(tǒng)一般由一臺功率不大的小型電動機和一組小型蓄電池系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)裝配在發(fā)動機上，使用橡膠皮帶與發(fā)動機連在一起，通過控制皮帶的停止和轉(zhuǎn)動實現(xiàn)啟動和停止的效果。運行的原理也很簡單，車輛在制動停止時，回收剎車的能量并將剎車時的勢能轉(zhuǎn)化成電能并儲存;車輛停止后，發(fā)動機熄火，進而節(jié)省燃油;車輛起步時，電機使用剛剛收集的電能轉(zhuǎn)動皮帶，啟動發(fā)動機。從而減少了發(fā)動機怠速空轉(zhuǎn)的時間，降低了排放和油耗。(3)中混合動力系統(tǒng)驅(qū)動方式：通俗講就是插電式混合動力系統(tǒng)。車輛運用相對大一些的蓄電池用于儲存電能，可以使用電網(wǎng)充電，也可以用發(fā)動機發(fā)電。短途勻速行駛時可以單獨使用電動機驅(qū)動車輛，待蓄電池電量低時，發(fā)動機啟動介入。當車輛需要較大動力時，發(fā)動機與電動機一起運行。中混合動力系統(tǒng)制造門檻相對來說不是很高，國內(nèi)外各大車企運用此類方式較多，既能避開豐田本田的專利，也可以達到混合動力市場提升占有率的目標。(4)完全混合動力系統(tǒng)驅(qū)動方式：完全混合動力系統(tǒng)是指既可以使用發(fā)動機或者電動機單獨驅(qū)動車輛，也可以同時使用兩種動力一起運行的驅(qū)動系統(tǒng)。結(jié)合了輕混合動力系統(tǒng)和中混合動力系統(tǒng)的優(yōu)點。是目前最理想的混合動力驅(qū)動方式之一。（二）混合動力汽車發(fā)動機能量管理策略研究混合動力汽車發(fā)動機的工作模式與傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機不同，因為發(fā)動機是與電動機配合運轉(zhuǎn)。所以發(fā)動機的能量管理策略也有所不同。下面簡單的介紹一下混合動力汽車發(fā)動機能量管理的策略?；谝?guī)則的能量管理策略：車輛在踩下油門踏板的時候，計算機會根據(jù)當前的車速和踩下加速踏板的程度，計算出所需要的扭矩大小和電池功率大小，然后通過扭矩分配器的運算，計算出發(fā)動機和電動機的扭矩需求，最后合理的分配到發(fā)動機和電動機終端上。基于動態(tài)規(guī)劃的全局優(yōu)化能量管理策略：它是一種解決多方面問題的運算方法，把一些復雜的情況通過運算轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵吻闆r的管理策略。五、混合動力汽車存在的問題混合動力汽車作為當下汽車市場的熱點車型，不僅省油耐用，而且擁有各種利好政策的傾斜。但是價格一般比較高，保值率稍差，不易保養(yǎng)；其次，一旦饋電，車輛運行起來噪音較大，影響整體的舒適性；下面簡單的歸納一下常用混動系統(tǒng)的優(yōu)缺點。（一）串聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)缺點優(yōu)點：串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)最為簡單，控制策略的優(yōu)化也最容易解決，甚至比傳統(tǒng)的燃油汽車更容易制造。由于不需要發(fā)動機直接參與驅(qū)動車輛，所以對發(fā)動機的功率沒有硬性要求，只要能滿足于電動機的電力需求就可以。由于發(fā)動機功率小排放低，進而每年繳納的車船稅也相對較低，所以節(jié)約了不少使用成本。缺點：由于串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機不直接驅(qū)動車輛運行，而是帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)出的電能使電動機轉(zhuǎn)動，最后才驅(qū)動車輛運行，經(jīng)過這幾個步驟后，能量會造成較大的損失，再加上車身相較于純?nèi)加蛙嚩嗔穗姍C組、電池組，致使車身更重，使得高速行駛時油耗偏高。串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)的動力總成相較于傳統(tǒng)燃油車，維護保養(yǎng)一樣不少，對于后期的使用費用會有所增加。（二）并聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)缺點優(yōu)點：并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的發(fā)動機和電動機可以單獨的驅(qū)動車輛運行，需要負載較大的階段，發(fā)動機和電動機一起工作。尤其在車輛的起步階段，傳統(tǒng)的燃油車要提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，增大扭矩，才能驅(qū)動汽車，而并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)起步階段是由電動機直接驅(qū)動，不僅安靜，還可以節(jié)省不少燃油。缺點：因為只有一臺電動機，不可以同時發(fā)電和驅(qū)動車輛，所以發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動車輛的狀態(tài)不能持續(xù)很久。一直用電機驅(qū)動的話，蓄電池的電量會很快耗盡，進而轉(zhuǎn)成發(fā)動機單獨驅(qū)動車輛。由于車身相較于傳統(tǒng)燃油車多了電池組、電動機機構(gòu)，自重增加不少，這又造成純?nèi)加万?qū)動時，油耗相較于傳統(tǒng)燃油車會更高。（三）混聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)缺點優(yōu)點：混聯(lián)式混合動力汽車的結(jié)構(gòu)和并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似，但是混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)汽車的驅(qū)動方式更多樣化，在并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)上，加入了充電功能。當汽車持續(xù)加速或者需要更大扭矩的時候，不用擔心電量消耗的問題。傳動系統(tǒng)的優(yōu)化，使各工況間運行的更流暢，節(jié)油效果更明顯。缺點：混聯(lián)式混合動力汽車結(jié)合了串聯(lián)式混合動力汽車與并聯(lián)式混合動力汽車的優(yōu)點，但緊隨而來的問題就是結(jié)構(gòu)相較于串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)和并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)更復雜，再加上運用了更多的新設(shè)備、技術(shù)，價格方面也會更高一些，維護與前期購置方面不占優(yōu)勢。最重要的一點：混聯(lián)式混合動力汽車在長距離高速行駛過程中，大部分都是使用內(nèi)燃機驅(qū)動的，加上電池組的自重，相較于純?nèi)加蛙嚥⒉徽純?yōu)勢。所以在市區(qū)這種走走停停的路況，混聯(lián)式混合動力系統(tǒng)才更有優(yōu)勢。六、混合動力汽車發(fā)展所需解決的問題對于混合動力汽車的前景，我們都是保持著樂觀的心態(tài)，因為隨著科學技術(shù)的進步，混合動力汽車的品控質(zhì)量越來越穩(wěn)定。但是相較于傳統(tǒng)燃油車，混合動力汽車有兩套動力系統(tǒng)，制造成本會更高，所以價格方面沒有優(yōu)勢。對于混合動力汽車的電動機來講，高速化一定是今后的發(fā)展趨勢。就目前可查的資料來說，某品牌混合動力電動機系統(tǒng)從初代的每分鐘一萬三千五百轉(zhuǎn)提升到了目前的每分鐘一萬七千轉(zhuǎn)，扭矩也得到相應(yīng)的提升。由此可見，隨著轉(zhuǎn)速的提高，效率是上升的，功率密度也是提高的。所以提高電動機的轉(zhuǎn)速對于混合動力系統(tǒng)來講，也是極為重要的。對于混合動力汽車的蓄電池來講，各大車企運用的類型各不相同，鉛酸鐵鋰的、純鋰電池的、氫動力電池等等，但最終的目的，還是能量密度的提升，如何提升能量密度，將是接下來要解決的根本問題。蓄電池能量密度的提升自然伴隨著新材料新技術(shù)的創(chuàng)新，自主企業(yè)在這方面的努力有目共睹，希望自主車企用心鉆研，保持好目前的優(yōu)勢，創(chuàng)造出更優(yōu)更高效的車用蓄電