混合动力汽车结构、原理及发展前景研究

一、引言近年来，随着国人对环境问题认知的提升，以及对汽车工业发展转型的信心，路上行驶的新能源车型越来越多；有纯电动的、混和动力的、组合增程式的等等……尤其以纯电动汽车增速最大，各种造型、各种配置，让人眼花缭乱。但是随着纯电动汽车的热卖和后汽车市场的反馈，使用几年后，电池衰减，充电难，更换电池产生的巨额费用，续航公里数大打折扣的问题始终困扰着车主。担心没电后抛锚的忧虑也在时刻折磨着车主。二、混合动力汽车的概述与工作原理（一）混合动力汽车的概述混合动力汽车：指的是同时装备两种动力系统，燃油发动机与电动机相结合的汽车。车辆工程师运用自身的创新和设计理念，将燃油发动机与电动机缜密的结合在一起，什么时候燃油发动机工作，什么时候电动机工作，什么时候两者一起工作，通过各种技术化设计，将两者做功的切合点运筹的恰到好处。达到节能省油的目的。（二）混合动力汽车的工作原理混合动力汽车的工作原理：车辆在起步的阶段，使用车上的电动机提供动力驱动车子前进。待汽车达到一定的速度后(各个厂家设定的发动机运行节点各不相同)发动机点火做功，配合电动机一同工作，达到共同驱动车辆前行的状态。车辆速度不高，电动机单独驱动车辆运行，随着车速的提高，车辆所需克服的阻力越大，发动机与电动机一起运转，因为减轻了发动机的负荷，负载减小，所以油耗比纯燃油车低。发动机运转后，带动发电机发电，将电力源源不断提供给电动机，并将多余的电力储存在蓄电池中，为下一次的运转保存能量。这种相辅相成的设计，将节能环保发挥到了极致。因为拥有了电动机的辅助动力，混合动力汽车对于自身发动机的功率要求不像纯燃油车那么高。只要能保证最低的运行功率就够了，不用担心像纯燃油车那样，为了节能省油，采用小排量低功率发动机时，起步无力、高速行驶时发动机噪音大的问题。混合动力汽车还设计了刹车能量回收系统。在传统的燃油汽车行驶状态下，当司机踩下刹车时，车身前行的惯性力随着刹车片与刹车盘的摩擦而浪费。但是混合动力汽车却能将车身前行的惯性力在刹车的过程中转换成电能，并将其暂时贮存在蓄电池中供下一次加速时再利用。当车辆需要更大的动力需求时，汽油发动机和电动机共同工作，以确保动力输出的持续性。在低速状态下，混合动力汽车可以单独靠电动机行驶，或者单独靠汽油发动机行驶，达到节油环保的效果。

三、混合动力汽车动力系统架构、国内外研究现状、发展历程（一）混合动力汽车动力系统架构混和动力汽车通过四十多年的发展，不论是质量方面还是技术方面都得到了市场的认可，质量可靠，使用方便，维修简单，而且后市场的保值率也不错。尤其近几年，有更多的混合动力汽车走进了千家万户，在各个领域发挥着作用。下面介绍一下混合动力汽车的动力系统的类别。按提供动力的方式可以分为三点，分别是串联式混合动力系统、并联式混合动力系统和混联式混合动力系统。3-1串联式混合动力系统架构串联式混合动力系统：见上图3-1它的结构相对来说比较简单，主体部分拥有一台小型的燃油发动机，一台发电机和电动机，搭配蓄电池，变速器等，组成一套完整的动力系统。串联式混合动力系统的燃油发动机不直接驱动车辆运行，而是间接的带动发电机发电，发出的电能存储在蓄电池中。在车辆需要运转时，将电能输送到电动机处，电动机驱动车轮转动，达到车辆前行的目的。串联式混合动力系统，由于结构相对简单，制造门槛不高，价格适中，国产新能源车型采用此种结构居多。并联式混合动力系统：见下图3-23-2并联式混合动力系统架构它的结构相较于串联式混合动力系统，要复杂很多。主要区别在于燃油发动机和蓄电池分别可以独立的提供动能。也就是说，可以单独的由燃油发动机驱动汽车，也可以单独的由蓄电池提供电能给电动机驱动汽车。燃油发动机驱动车辆前行的同时，带动发电机发出的多余电能可以存储在蓄电池中。当车辆需要更大的能量输出时，蓄电池提供电力驱动电动机，与燃油发动机一起工作，减少发动机负载，降低油耗。混联式混合动力系统：见下图3-3这个结构在三者当中是最复杂的，结合了串联式混合动力系统与并联式混合动力系统的优点，并进行了优化。解决了并联式混合动力系统电机身兼两职的劣势，既能驱动车辆，又能为蓄电池发电。也是目前主流混动车型的标杆配置。按动能混合的程度大小分类，可分为三点，分别是弱混、中混和强混。弱混系统：此系统蓄电池电动机参与燃油发动机做功的比例较小，一般情况下低于百分之十，而且电动机和蓄电池电池组功率也很小，因此电动机不直接驱动车辆。图3-3混联式混合动力系统架构强混系统：此系统蓄电池电动机参与燃油发动机做功的比例较大，一般情况下能达到百分之四十左右。电动机和蓄电池组功率也很大，不仅可以直接驱动车辆，而且低速状态下，完全不需要燃油发动机提供动力，在一定程度上，可以节省很多燃油。中混系统：顾名思义就是处于弱混系统与强混系统中间的产物，强于弱混，低于强混，这里就不多介绍了。3-4动能大小的分类按照电动机位置的不同，可分为：P0、P1、P2、P3、P4。P0电机跟传统的燃油车发电机原理差不多，都是通过一根橡胶皮带与发动机动力输出端连接，但是电机的功率大大强于普通的燃油车上的发电机，正常工况下起到发电作用，车辆运行时起到发动引擎的作用。P1电机布置在燃油发动机和离合器之间，在车辆起步阶段，通过计算机系统的运算，P1电机配合燃油发动机一起做功推动车辆前行，减少了发动机的负荷，达到节油目的。P1电机一般运用于带启停功能的车型上，车辆制动时还能将车辆的势能转为电能回收利用。P2电机位于离合器的后面，变速器的前面。它可以在车辆起步阶段，单独的使用电机驱动车辆运行，一般德系车型采用这个结构比较多P3电机布置在变速箱的后面，在运行时不需要经过变速箱机构，所以跟普通的纯电动车型运转的模式差不多，各项指标的效率很高。P4电机一般安装在车辆的后桥上，是一个完整独立的设施，直接驱动车轮。（二）混合动力汽车国内外研究现状随着人们生活水平的提升，以及环保理念的增强，节能意识已经渐渐融入到生活的方方面面。小到垃圾分类回收，大到高耗能企业的升级淘汰，无处不在提示着我们，环境保护，节能环保的重要性。尤其在生活的必备大件——汽车方面，更应该起到表率作用，因此各国企业都在努力研发，生产出了各种类型的环保汽车。以促进人类与自然的和谐发展。下面来简单介绍一下国内与国外的研究现状。3-5混动汽车销量增速我国混合动力汽车这几年发展的不错，市场供需基本平衡，根据汽车协会发布的信息来看，去年全国混合动力汽车产量高达五十多万辆，同比增长了百分之二十；销量达到四十九万辆，同比增长了百分之十八。各大车企也在混合动力汽车上持续发力，后续车型越来越多，供消费者选择的余地越来越大。比如：作为老牌的混合动力车企比亚迪，去年研发出了DM-i混合动力系统。这几年发展势头强盛的长城汽车，去年发布了DHT柠檬混合动力技术。注重技术研发的奇瑞汽车研发的鲲鹏混合动力技术也即将量产。还有长安、吉利等等车企，各种混动技术如雨后春笋般接重而来。从以上各个大型车企的布局来看，混和动力研发仍是战略发展目标。国家层面对于混合动力汽车的发展也是倾注了不少心血，比如：购买减税，上牌无需摇号等等，各种利好政策的持续加持，相信在可预见的当下，混合动力在我国仍将是主流。国外混合动力发展的亦是如火如荼，比如老牌的混合动力鼻祖丰田，在普锐斯混合动力车型打下的良好口碑下，持续推出了各种混和动力式车型，兼顾价低质优的双擎卡罗拉/雷凌，为中产阶层推出的混动凯美瑞、混动荣放，为高端消费者推出的混动雷克萨斯等等，基本上涵盖了丰田系的高中低所有系列。而且发动机的热效率达到了惊人的百分之四十九，电机转速的提升数值也处在第一梯队范畴。本田汽车这两年在混合动力方面也在持续研发，推出的各种新技术新概念紧随丰田，正在逐步的从单一的弱混往强混上发展，从单电机模式到双电机模式衍生，推出的混动车型正在逐渐被消费者认可。德系和美系在插电式混合动力方面也是颇有建树，因为要规避两田的专利，可能选择插电式混合动力也是没有办法的办法，但从另一个层面来看，这些老牌资深的车企对于混合动力的投入，不正是对混合动力发展的认可吗。四、混合动力汽车驱动系统分析与发动机能量管理控制策略研究（一）混合动力系统的驱动控制策略根据混合动力的联接方式划分，混合动力系统可以分为串联式混合动力系统、并联式混合动力系统和混联式混合动力系统(1)串联式混合动力系统驱动控制方式：串联式混合动力系统顾名思义，就是将发动机、发电机和驱动电动机三个部分串联在一起的动力系统。发动机与车辆不属于硬性连接，仅仅起着带动发电机发电的作用。发电机发出的电能用于驱动电动机运转，从而使车辆可以正常行驶，一少部分用不掉的电能被储存在蓄电池中，待车辆负载大时使用。因为发动机不参与直接驱动车辆，所以发动机功率不需要很大，发动机运行的工况也是设计在最佳状态。因此，发动机相当节能省油，维护保养也就更简便。正是由于发动机源源不断的为车辆提供电能，相较于纯电动车来说，续航里程更长，从源头上解决了纯电动汽车一次充电行驶里程短的问题。4-1典型的并联式混合动力系统驱动控制方式(2)并联式混合动力系统驱动控制方式：就是将燃油发动机、发电机和电动机三个部分并联在一起的动力系统。燃油发动机可以单独的驱动汽车，电动机也可以单独的驱动汽车，当车辆需要更大驱动力的时候，发动机和电动机两套动力系统可以一起运行，达到增强车辆动力性和节省燃油的目的。简单来说：车辆在起步阶段，电动机单独运转，待车辆达到一定速度后，发动机点火运转，若需要更大的负荷状态，发动机和电动机共同运转。4-2典型的混联式混合动力驱动控制方式(3)混联式混合动力系统驱动控制方式：混联式混合动力系统结合了串联式混合动力系统和并联式混合动力系统的优点，取长补短，是目前最均衡的混合动力系统。混联式混合动力系统区别于并联式混合动力系统的最大优势，在于混联式混合动力系统有单独的发电机，不像并联式混合动力系统那样使用电动机作为发电机使用，因此发动机可以与电动机共同工作，随时对电池组进行充电。根据混合动力驱动的混合程度分类，可以分为：微混合动力系统驱动方式，轻混合动力系统驱动方式，中混合动力驱动方式系统和完全混合动力系统驱动方式。(1)微混合动力系统驱动方式：微混合动力系统是在传统燃油发动机的启动电机上加装了皮带驱动启动电机。该电机为发电启停一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，取消了发动机的怠速。在车辆怠速状态时，车载用电设备由蓄电池供电，从而降低了油耗和排放。(2)轻混合动力系统驱动方式：轻型混合动力驱动系统一般由一台功率不大的小型电动机和一组小型蓄电池系统组成。该系统装配在发动机上，使用橡胶皮带与发动机连在一起，通过控制皮带的停止和转动实现启动和停止的效果。运行的原理也很简单，车辆在制动停止时，回收刹车的能量并将刹车时的势能转化成电能并储存;车辆停止后，发动机熄火，进而节省燃油;车辆起步时，电机使用刚刚收集的电能转动皮带，启动发动机。从而减少了发动机怠速空转的时间，降低了排放和油耗。(3)中混合动力系统驱动方式：通俗讲就是插电式混合动力系统。车辆运用相对大一些的蓄电池用于储存电能，可以使用电网充电，也可以用发动机发电。短途匀速行驶时可以单独使用电动机驱动车辆，待蓄电池电量低时，发动机启动介入。当车辆需要较大动力时，发动机与电动机一起运行。中混合动力系统制造门槛相对来说不是很高，国内外各大车企运用此类方式较多，既能避开丰田本田的专利，也可以达到混合动力市场提升占有率的目标。(4)完全混合动力系统驱动方式：完全混合动力系统是指既可以使用发动机或者电动机单独驱动车辆，也可以同时使用两种动力一起运行的驱动系统。结合了轻混合动力系统和中混合动力系统的优点。是目前最理想的混合动力驱动方式之一。（二）混合动力汽车发动机能量管理策略研究混合动力汽车发动机的工作模式与传统的燃油发动机不同，因为发动机是与电动机配合运转。所以发动机的能量管理策略也有所不同。下面简单的介绍一下混合动力汽车发动机能量管理的策略。基于规则的能量管理策略：车辆在踩下油门踏板的时候，计算机会根据当前的车速和踩下加速踏板的程度，计算出所需要的扭矩大小和电池功率大小，然后通过扭矩分配器的运算，计算出发动机和电动机的扭矩需求，最后合理的分配到发动机和电动机终端上。基于动态规划的全局优化能量管理策略：它是一种解决多方面问题的运算方法，把一些复杂的情况通过运算转变为简单情况的管理策略。五、混合动力汽车存在的问题混合动力汽车作为当下汽车市场的热点车型，不仅省油耐用，而且拥有各种利好政策的倾斜。但是价格一般比较高，保值率稍差，不易保养；其次，一旦馈电，车辆运行起来噪音较大，影响整体的舒适性；下面简单的归纳一下常用混动系统的优缺点。（一）串联式混合动力汽车的优缺点优点：串联式混合动力结构最为简单，控制策略的优化也最容易解决，甚至比传统的燃油汽车更容易制造。由于不需要发动机直接参与驱动车辆，所以对发动机的功率没有硬性要求，只要能满足于电动机的电力需求就可以。由于发动机功率小排放低，进而每年缴纳的车船税也相对较低，所以节约了不少使用成本。缺点：由于串联式混合动力系统的发动机不直接驱动车辆运行，而是带动发电机发电，发出的电能使电动机转动，最后才驱动车辆运行，经过这几个步骤后，能量会造成较大的损失，再加上车身相较于纯燃油车多了电机组、电池组，致使车身更重，使得高速行驶时油耗偏高。串联式混合动力结构的动力总成相较于传统燃油车，维护保养一样不少，对于后期的使用费用会有所增加。（二）并联式混合动力汽车的优缺点优点：并联式混合动力系统的发动机和电动机可以单独的驱动车辆运行，需要负载较大的阶段，发动机和电动机一起工作。尤其在车辆的起步阶段，传统的燃油车要提高发动机转速，增大扭矩，才能驱动汽车，而并联式混合动力系统起步阶段是由电动机直接驱动，不仅安静，还可以节省不少燃油。缺点：因为只有一台电动机，不可以同时发电和驱动车辆，所以发动机和电动机共同驱动车辆的状态不能持续很久。一直用电机驱动的话，蓄电池的电量会很快耗尽，进而转成发动机单独驱动车辆。由于车身相较于传统燃油车多了电池组、电动机机构，自重增加不少，这又造成纯燃油驱动时，油耗相较于传统燃油车会更高。（三）混联式混合动力汽车的优缺点优点：混联式混合动力汽车的结构和并联式混合动力系统的结构相似，但是混联式混合动力系统汽车的驱动方式更多样化，在并联式混合动力系统汽车的基础上，加入了充电功能。当汽车持续加速或者需要更大扭矩的时候，不用担心电量消耗的问题。传动系统的优化，使各工况间运行的更流畅，节油效果更明显。缺点：混联式混合动力汽车结合了串联式混合动力汽车与并联式混合动力汽车的优点，但紧随而来的问题就是结构相较于串联式混合动力系统和并联式混合动力系统更复杂，再加上运用了更多的新设备、技术，价格方面也会更高一些，维护与前期购置方面不占优势。最重要的一点：混联式混合动力汽车在长距离高速行驶过程中，大部分都是使用内燃机驱动的，加上电池组的自重，相较于纯燃油车并不占优势。所以在市区这种走走停停的路况，混联式混合动力系统才更有优势。六、混合动力汽车发展所需解决的问题对于混合动力汽车的前景，我们都是保持着乐观的心态，因为随着科学技术的进步，混合动力汽车的品控质量越来越稳定。但是相较于传统燃油车，混合动力汽车有两套动力系统，制造成本会更高，所以价格方面没有优势。对于混合动力汽车的电动机来讲，高速化一定是今后的发展趋势。就目前可查的资料来说，某品牌混合动力电动机系统从初代的每分钟一万三千五百转提升到了目前的每分钟一万七千转，扭矩也得到相应的提升。由此可见，随着转速的提高，效率是上升的，功率密度也是提高的。所以提高电动机的转速对于混合动力系统来讲，也是极为重要的。对于混合动力汽车的蓄电池来讲，各大车企运用的类型各不相同，铅酸铁锂的、纯锂电池的、氢动力电池等等，但最终的目的，还是能量密度的提升，如何提升能量密度，将是接下来要解决的根本问题。蓄电池能量密度的提升自然伴随着新材料新技术的创新，自主企业在这方面的努力有目共睹，希望自主车企用心钻研，保持好目前的优势，创造出更优更高效的车用蓄电