汽车动力技术的发展及其架构变化

颜家瑞（长沙市南雅中学，湖南长沙市410000）

汽车动力技术的发展及其架构变化

颜家瑞（长沙市南雅中学，湖南长沙市410000）

对比分析了传统内燃机汽车和各种新能源汽车在动力总成架构上的差异，探讨了由此带来的各自在性能，配置和控制方式的不同，加深了对汽车动力系统的理解。

动力系统架构；内燃机；混合动力；燃料电池

1　前言

汽车是现代工业技术最重大的成就之一。然而，全世界大量汽车的应用，已经产生并正在继续引发严重的环境与人类生存问题。大气污染，全球变暖，以及地球石油资源的迅速消减，都迫使人们要加强车辆动力技术的研究和开发，发展高效、清洁和安全的运输工具。因此，近年来特别是近十年来，混合动力电动汽车，纯电动汽车和燃料电池车等技术获得了长足的进步，很多使用新能源技术的汽车已经实现商品化。

本文希望对比传统内燃机汽车及各种新能源汽车在动力总成架构上的差异，探讨和分析由此带来的性能，配置及控制方式的差异，以期更好地认识日新月异的新技术并加深对高中物理课本知识的理解。

2　传统动力技术与新能源技术的架构分析

2.1传统内燃机架构及其工作原理

传统汽车的动力来源于内燃机。在可预见的未来一段时间里，内燃机仍然是主要的车辆动力输出装置。

内燃机是一个由多个子系统组成的装置，包括动力 （曲轴、连杆、活塞和气缸），进气和排气（空气滤清器、节气门、进排气歧管、进气和排气门，以及气门控制凸轮），燃油供应（燃油箱、燃油泵和喷油器），点火（蓄电池、点火线圈、火花塞），冷却（冷却剂、水泵和散热器）及润滑各子系统。

通过空气滤清器过滤的新鲜空气在进气歧管内与喷油器喷出的燃油混合，形成油气混合物进入气缸。点火线圈控制火花塞在指定时刻产生电火花，引爆油气混合物燃烧产生热量，使气缸内的温度和压力迅速增加。于是，活塞被挤压向下运动，而连杆将活塞的直线运动转换为曲轴的旋转运动，再通过变速器的不同变比，车轮就能以不同的速度向前行进。

虽然近年来随着油耗和排放要求的提高，汽油内燃机在进气方式（可变进气岐管，增压或涡轮增压），喷油方式（缸内直喷，稀薄燃烧），配气方式（可变气门正时）及智能点火上都有诸多发展，但其基本的架构和工作原理并没有变化。

2.2新能源动力技术架构及其工作原理

目前人们公认的新能源动力技术车大体包含纯电动汽车，混合动力电动汽车和由燃料电池供电的各类驱动系运输工具。

2.2.1纯电动汽车驱动系架构及其工作原理

电动汽车采用电动机为牵引装置，并应用化学蓄电池组，燃料电池组，超级电容器组为其相应的能源。电动汽车具有胜过传统内燃机车辆的许多优点，例如零排放、高效率，以及安静平稳的运行。

图1所示的是电动车电力驱动系统的组成。整车控制器用于提供合适的控制信号；功率转换器用于电能的转换；电动机用于把电能转换成机械能；变速器通过调节变速齿轮的变比，调节车速和输出扭矩的变化；能量储存用于储存电能，如电池；能量管理单元配合整车控制器用于再生制动能量的管理和回收，并监控能源的使用性能，如电池管理系统。

由于在电驱动特性和能源方面的多样性，会衍生出许多不同的电动车结构型式，而各种不同的结构型式又导致了不同的电动车在性能上的诸多不同。但作为纯电动车驱动系统而言，都是用电动机取代内燃机，并且依靠电动机在大范围转速变化中所具有的恒定功率特性，简化了驱动系的控制，也减少了在调速过程中对变速器的依赖。

图1　E V C o nf i gurat io n电动车架构

2.2.2混合动力电动汽车驱动系架构及其工作原理

混合动力电动汽车的驱动系通常由不多于两个的动力系组成，多于两个动力系的结构将使系统复杂化。动力系可以是内燃机；氢-燃料电池-电动机系统；化学蓄电池-电动机系统等。当其携带有电气的动力系（能源及其能量变换器）时，就称作混合动力电动汽车。

在某一时刻动力系1和动力系2可以单独向负载提供动力，也可同时向负载提供动力。通过能量转换器，动力系2可以从动力系1获得功率，也可以通过再生制动控制系统从负载获得功率。

混合动力电动汽车在架构上大致可以分为以下几类：

串联式混合型车辆的动力最终来源于电动机，电动机可以通过两种途径获得功率输入：①通过蓄电池及电力电子变换器直接获得电能；②通过内燃机带动发电机，发电机产生的电能通过电力电子变换器的转换送入电动机。

并联式混合型车辆的动力来源则有所不同，内燃机和电动机各自独立运行，都可以作为传动装置的动力来源。

混联式混合型在并联式混合型的基础上可以通过内燃机拖动的发电机通过电力电子变换器给蓄电池供电，实现蓄电池组的快速充电。

复合式混合型则可以通过多电动机实现速度耦合和扭矩耦合，从而使发动机转速和扭矩完全或部分与车轮解耦。

图2

2.2.3燃料电池车驱动架构及其工作原理

与化学蓄电池相比，燃料电池产生电能而不储存电能，并且只要维持燃料供给，它将继续运行。相比于配置蓄电池的电动汽车，配置燃料电池的车辆具有行程较长，而无需过长的蓄电池充电时间的优点；相比于内燃机车辆，它又具有高能量效率和低排放的优点，因为其燃料中的自由能直接转换为电能，而不经历燃烧过程。

如果把燃料电池看作一个反应堆，通过对反应堆影响因素（如空气量，燃料流量，反应堆温度等）的控制，就可按实际需求调节输出电流的大小。再通过电力电子变换器实现对电压及电流的转换，驱动电动机的运转。

3　对架构分析结果的理解和认识

传统内燃机动力与新能源动力车辆在驱动系架构上存在很大的差异，对于每一种架构都有一些影响控制效果的外在因素，如何认识这些外在因素和局限的影响，并且通过技术手段来改善和提高性能，这中间还有许多值得研究和探讨的课题。而且此次对于车辆动力技术架构的分析，也未涉及到车辆动力系的具体实现及控制策略。我想，这些都是我以后研究的方向，也是驱动我加强学习动力。

[1]李朝晖，杨新华.汽车新技术.重庆大学出版社，2004.

[2]舒 华，姚国平.汽车新技术.北京：国防工业出版社，2006.

[3]邢忠义.汽车新结构与新技术.北京：机械工业出版社，2008.

[4]姜玉波.汽车发动机构造.北京大学出版社，2006.

[5]倪光正，倪培宏，熊素铭.现代电动汽车、混合动力电动汽车——基本原理、理论和设计.机械工业出版社，2008.

U462

A

2095-2066（2016）31-0273-02

2016-10-19

颜家瑞（1999-），男。