浅析内燃机在混合动力汽车上的应用

李秋怡

摘要：在环保节能的大环境下，电池的技术还不能从根本上满足汽车的需求，因此采用内燃机和电动机混合驱动的汽车成了当下汽车发展的方向。混合动力汽车可以更好地提高内燃机的效能，根据不同的需求进行动力的互相转换，实现节能、环保、高效的目标。本文将结合混合动力汽车的特点，对内燃机在混合动力汽车上的应用进行进一步论述，供大家参考。

关键词：混合动力汽车;内燃机;应用方法

0  引言

内燃机经过长时间的发展，性能和潜力已经到了极限，内燃机汽车的弊端也逐渐突显，普通内燃机的效能只有40%左右，如果在市区低速、堵车的情况下，可能只有20%左右。随着节能环保理念的提出，改善汽车排放，提高汽车性能成了未来汽车发展的方向。然而由于电能存储量的限制，纯电动汽车还存在很多没有突破的难题，这样的背景下，以内燃机和电动机混合提供动力的汽车就成了发展的最佳选择。

1  混动动力汽车基本原理

混合动力汽车一般由燃料转化装置（内燃机）、电动机（发电机）、电池（储电装置）作为动力的来源，通过汽车控制装置协调汽车的动力，让汽车的燃料转化更加的高效，尾气排放更少。在汽车制动、下坡的时候，开启能量回收装置，将内燃机的动能转化为电能储存起来，实现能量的高效利用，改善汽车的燃油性能、减少尾气排放，增强汽车和实用性[1]。在混合动力汽车的动力系统中，内燃机和发电机互相配合，根据汽车的行驶状况采取不同的策略。当汽车需要增加动力的时候，诸如加速、上坡等，内燃机和电动机同时工作，燃料和电能同时为汽车提供动力，让汽车有更佳的性能;当混合动力汽车在低速行驶时，经常走走停停，可以由电动机提供动力，实现能量的高效利用;混合动力汽车不需要动力或需要较低的动力时，诸如：刹车、下坡、转弯，内燃机的动能被转化为电能存储起来。这样，通过内燃机能量的回收与利用，实现能量的高效利用，实现燃油经济性。

内燃机在混合动力汽车的应用已经经过了10多年的发展，其结构逐渐区域稳定，以往内燃机与发电机分离的结构已经不能满足混动汽车的需要，以内燃机、电机（电动机/发电机）、变换器、储能装置（电池）一体化结构为代表的混合动力汽车登上了历史的舞台，进一步提升了混合动力汽车的性能。内燃机在混合动力汽车的应用总体框架如图1。

2  内燃机在混合动力汽车的应用分析

2.1 内燃机在电驱动混合动力汽车上的应用

以电动机为主要驱动的混合动力汽车一般采用串联式的结构，将内燃机、发电机和电动机串联起来组成汽车的动力系统，这类混合动力汽车一般都有外部充电接口，内燃机辅助驱动汽车。在运行的过程中，内燃机的动能通过发电机转化为电能，电能根据实际情况分配给电动机或是被存储到汽车电池中，这类混合动力汽车主要是由电动机进行驱动。当汽车的负荷比较小的时候，主要由电池提供电能，通过电动机驱动汽车行驶;当汽车的负荷比较大的时候，诸如加速、爬坡，内燃机驱动的发电机和电池同时为电动机提供电能，增大汽车的功率;当汽车的电池电量低的时候，则由“内燃机——发电机”提供动力，并在滑行、低速的时候向电池组充电。这种以电力驱动的混合动力汽车一般用于城市通勤，其结构比较简单，经济实用，对于城市拥堵、频繁启停的工况，混合动力汽车可以调整内燃机和电池组的动力输出来达到最佳效率，让内燃机在低速、滑行和怠速的工况下也能够避免空转，提高内燃机的效率，减少汽车废气的产生。福特在2010年推出了采用燃料电池的城市通勤混合汽车“新能级2010”，汽车的动力由内燃机和燃料电池提供，当短距离城市行使的时候，动力全部由燃料电池提供，达到零排放目标。其缺点也很明显，能量转化过程复杂，机械效率低下[2]。

2.2 内燃机在电辅助混合动力汽车上的应用

电辅助混合动力汽车又叫轻度混合动力汽车，这类混合动力汽车以内燃机为主要动力来源，电动机的功率比较小，主要对汽车行驶过程中提供辅助动力，因此其配套的电池组储能也比较低。电辅助混合动力汽车是混合动力汽车中成本最小的，对于改善汽车的排放和提高汽车内燃机效率具有一定的作用，因此在混合动力汽车中的使用范围比较广泛，市场认可度比较高[3]。例如，本田公司研究的Insight混合动力汽车就是采用轻度混合的方式，其动力系统如图2所示，内燃机是混动汽车的主要动力源，电辅助动力是集电动机和发电机于一体的永磁超薄电机，即ISA（Integrated Starter Alternator）。ISA取代了原有汽车的内燃机飞轮，直接连接内燃机的输出端，从而实现自动启停功能，这也是丰田Insight混合动力汽车最具特色的混合动力集成系统。ISA在汽车加速的时候充当电动机的角色，为汽车提供辅助动力;ISA在汽车滑行、制动的时候又充当发电机的角色，收集和利用内燃机的动能，转化为电能存储起来。电辅助混合动力汽车既具有传统内燃机汽车的出色性能，又能够通过ISA来增加汽车的机动性，利用内燃机产生的多余能量，在不需要外部充电的情况下，可以实现降低油耗量，减少尾气排放的目标。

2.3 内燃机在油电混合动力汽车上的应用

油电混合动力汽车与电辅助混合动力汽车相比，其采用的电动机功率更大，能量回收效率更高，电动机能够为汽车提供更强的动力，其在改善汽车燃油效率和减少排放的方面更具有广阔的发展前景。在结构上，油电混合动力汽车设置了单独电动机和发电机，内燃机和电动机可以分别为汽车提供单独的动力，也可以混合提供动力[4]。例如，丰田的THS（Toyota Hybrid System）就属于真正的油电混合动力汽車，并在Prius上实现量产，Prius由一台4缸77kW的内燃机和总功率为60kW的电动机组成，搭载288V的镍氢电池。如图3所示，Prius的内燃机和电动机直接与动力输出系统连接，形成各自独立的动力输出通道，即：以内燃机为动力的传统机械动力通道和以电动机为动力的电力驱动通道，两个通道的动力可以叠加，最大能够为汽车提供100kW的综合功率。同时，内燃机与发电机相连，当汽车在低功率行使的时候，内燃机的能量实现回收。在动力方面，Prius品牌与同类汽油机驱动的汽车具有相同的性能，但是油耗却能够降低一半，尾气排放更是减少到同类汽车的1/3。

总之，在电能存储不能够有效突破的情况下，开发内燃机在混合动力汽车上的应用，对于降低汽车油耗和减少尾气排放具有重要的作用。与传统汽车相比，内燃机作为混合动力汽车的主要动力源，可以通过混合动力汽车的能量回收与输出系统，更好地提高内燃机的效率，满足不同状况下汽车的最佳性质需求。

参考文献：

[1]严军，岳伟甲.并联型混合动力汽车控制系统研究[J].机械管理开发，2013（01）.

[2]余才光，包寿红，马智涛，张彤.传统轿车搭载混合动力系统整车技术[J].汽车电器，2012（10）.

[3]伍星，王杰.混合动力汽车电池管理系统的分析[J].机械制造与自动化，2008（05）.

[4]韦树礼，李程武.简析新能源汽车分类及性能[J].汽车实用技术，2019（02）.