研究内燃机在混合动力汽车上的应用

宋玉龙

摘要：针对目前有良好发展前景的混合动力汽车，在介绍其意义、特点、分类和优势的基础上，对其内燃机应用进行深入分析，旨在为不同类型混合动力汽车的研制与发展提供参考借鉴。

Abstract： For hybrid vehicles with good development prospects， on the basis of introducing their significance， characteristics， classification and advantages， conduct an in-depth analysis of their internal combustion engine applications， aiming to provide reference for the development and development of different types of hybrid vehicles.

關键词：混合动力汽车;内燃机;电动机

Key words： hybrid electric vehicle;internal combustion engine;electric motor

中图分类号：TM46                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）20-0196-02

0  引言

如今，社会汽车保有量逐年增加，尤其是大型城市，这不仅造成了严重的交通拥堵，而且能耗增加，污染加剧。在这种情况下积极开发和应用混动汽车具有重要意义，首先能减少油耗和排放，减轻汽车对大气环境造成的污染，而且并不会对汽车的性能及使用舒适性造成影响。事实上，混动汽车并不能完全脱离内燃机，只是改变了内燃机在汽车整个动力系统的位置，比如由内燃机提供辅助动力或仍由内燃机提供主要动力但在个别工况采用电动力提供辅助动力等，这就需要对内燃机的实际应用进行分析研究，以更好的推动混动汽车研究和发展。

1  混合动力汽车概述

从广义层面讲，混动汽车指的是驱动系统由不少于两个单独的驱动系统构成的汽车，其行驶功率以自身所处行驶状态为依据由单个或者是所有驱动系统来提供。人们常说的混动汽车主要是油电混合，其驱动系统除内燃机外，还包括电动机，此外还有一些油电混合汽车的发动机采用其它能源替代燃油，如天然气等[1]。

如今，市级范围内的环保要求越来越高，由于混动汽车在节能减排上具有突出性的优势，所以已经成为汽车产业重点，正逐步实现商业化。可在混动汽车中配置的电动系统，主要包括三个组成部分，即蓄电池、电动机与发电机。其中，蓄电池以锂电池、铅酸电池或镍锰氢电池三种类型为主，在不久的将来还会用到氢燃料电池。

若按照混动驱动联结具体方式，可将混动汽车分成以下三种类型：

其一，串联式混动，即将驱动电机、发动机和发电机采用串联方式结合到一起;

其二，并联式混动，即发动机与驱动电机相互并联，两者功率既可叠加，也可单独产生和提供;

其三，混合式混动，它对以上两种进行了整合，能同时发挥以上两种类型的优势。

若按照混动系统混合度，可将混动汽车分成以下四种类型：

其一，微混动系统，严格来说，采用该类型系统的汽车并非严格意义上的混动汽车，这主要是因为其电机不能给汽车的运行提供持续稳定动力，只在特定的工况下给与发动机短暂的助推推力;

其二，轻混动系统，该系统不仅能用发电机对发动机启停进行控制，而且还可以实现下列功能：当减速或制动时，吸收部分能量;汽车行驶时，发动机以恒定速度运转，由发动机输出的能量能在车轮驱动与发动机充电两种需求间自由调节;

其三，中混动系统，采用高压电机，当汽车加速或处在大负荷运行状态时，电动机为车轮提供辅助驱动，弥补发动机不足，保证汽车整体性能。该系统混合度相对较高，而且技术相对成熟，当前的应用十分广泛;

其四，完全混动系统，采用高压启动电机，有着比中混动系统更高的混合度。伴随技术的进一步发展，该混动系统将成为未来主流发展方向。

混动汽车主要具有以下几方面优势特点：

①相较于只采用内燃机动力系统的汽车，因混动汽车的内燃机始终处于最佳工作状态，所以能大幅降低油耗，减少排放。

②内燃机在最佳工况点及其附近稳定工作，能使燃料的燃烧更加充分，而且排气也比不充分燃烧时的排气干净。

③由于混动汽车起步时电动机介入，所以与内燃机车相比，起步速度更快、更平稳。

④发动机和电动机的配合，节省燃料消耗的同时整车续航里程更长。

⑤电池组体积较小，使混合车型电池成本与重量都比纯电动汽车小很多。

从当前的应用条件及需求情况看，混动汽车不仅具有良好产业化前景，而且市场化前景也越来越好。该类型汽车的动力源除内燃机外，还采用了电动机，这样除了能保留内燃机具有的各项优势，如工作时间长、动力性良好与反应速度快等，还能起到降低噪音、减少污染和油耗等作用，使发动机与电动机之间达到最佳匹配[2]。

2  混动汽车中的内燃机应用

混动汽车所用动力系统包括以下几个组成部分：控制系统、驱动系统、辅助动力系统与电池组。为了探讨混动汽车中内燃机的作用和普通内燃机车的区别，以目前比较常见的串联式混动类型为例，对其具体工作原理做如下深入分析。

在车辆刚开始行驶时，电池处在饱和状态，由电池提供的能量输出能满足正常行车要求，此时辅助动力系统未介入。在电池的电量降低到60%以下时，辅助动力系统开始介入;如果汽车能量需求相对较大，则电池和辅助动力系统将同时工作为驱动系统提供源源不断的能量;而如果汽车能量需求相对较小，则辅助动力系统可以在为驱动系统实时提供能量的基础上，为电池充电。因混动车型采用了蓄电池，所以发动机可以处在稳定状态下，这对减少油耗与排放都是十分重要的[3]。

2.1 电驱动混动车内燃机应用

该混动车型是指采用电动机作为汽车主要驱动方式，其结构以串联式结构为主。该车型运行时，由内燃机产生的能量再通过发电机将其转换成电能，然后根据实际运行情况将其分配至电动机，也可存储至电池当中。在汽车负荷相对较小的情况下，可以全部由电池进行供电，由电动机驱动车轮;而在汽车负荷相对较大的情况下，比如在爬坡和加速过程中，由发电机与电池一同供电，其中发电机靠内燃机带动产生电能，保证汽车功率满足使用要求;如果汽车电池电量不足，则只由内燃机驱动发电机产生电能，同时在汽车低速行驶与滑行过程中将多余电能存储到电池中。该车型目前主要在城市通勤中使用，具有结构简单和经济性好的优势特点，在交通拥堵和频繁启动状态下，能通过对动力输出适当调整使效率始终处在最佳状态，防止在怠速、低速或滑行过程中内燃机发生空转，保证内燃机实际运行效率，避免产生太多的废气。目前很多城市的公交汽车都采用了这种车型，在短距离行驶过程中，汽车的所有动力都采用电池提供，真正实现了零排放。但这种车型的缺点也是十分明显的，比如能量的转化过程比较复杂，这对机械传动效率有很大影响[4]。

2.2 电辅助混动车内燃机应用

对于这种混动车型，属于轻混动类型，它仍然将内燃机作为汽车的主要动力，虽然也配备了电动机，但是其功率相对较低，主要是为汽车提供辅助动力，同时电池组的储能也相对较小。该混动车型在所有类型的混动车中是成本最低的一种，但也能起到减少油耗和排放，并提高内燃机效率的作用，所以目前在市场上得到了广泛应用，用户的认可度很高。比如，由一汽丰田公司研发的卡罗拉双擎和由广汽丰田公式研发的雷凌双擎都属于这种类型的混动汽车，不仅销量很高，而且用户反馈良好。在这种车型中，主要动力由内燃机提供，电动机只是提供一定辅助动力，在电动机方面大多采用永磁超薄电机。采用这种电机类型能彻底取代内燃机飞轮，与输出端直接相连，实现自动启停。当汽车启动和加速时，该电机充当电动机提供一定辅助动力;在滑行与制动过程中，该电机充当发电机，对内燃机运行产生的动能予以收集与利用，进而转化成电能临时存储在电池当中。这种类型的混动汽车不仅具有普通内燃机汽车各项性能，而且在永磁超薄电机加持之下，还能提高汽车自身机动性，充分利用由内燃机产生的所有能量，既无需外部充电，又能大幅减少油耗与排放[5]。

2.3 油电混动车内燃机应用

该混动车型和之前介绍的电辅助混动车比较，采用功率相对较大的电动机，对能量的实际回收效率往往更高，采用电动机可以为车辆提供更为强劲的输出动力，在提高汽车燃油效率基础上，更加有效的减少尾气排放[6]。从结构角度讲，该混动车型分别设置单独存在的发电机与电动机，而且内燃机与电动机既可以分别单独提供驱动动力，还能共同工作提供更大的动力输出。比如，由丰田公司研发的THS即为具有代表性的油电混动车型，其典型车型为普锐斯，该车分别搭载一台横置四缸内燃机和一台电动机，功率分别为77kW、60kW，同时还采用镍氢电池，其电压为288V。该车型的内燃机与电动机都和动力输出系统之间直接相连，可提供相互独立存在的输出通道，分别为将内燃机作为主要动力输出的机械式通道与将电动机作为主要动力输出的电驱动通道，虽然这两个通道是单独存在的，但是其动力却能实现叠加，为汽车提供可达100kW的总功率。除此之外，内燃机和发电机之间相连，在汽车处于低功率运行状态时，由内燃机产生的能量能被完全回收。从动力角度讲，该品牌车型和同类由内燃机驱动的车型，在性能上基本没有任何差别，但在油耗方面可以减少至少50%，而且尾气的排放也能减少至少1/3[7]。

3  結语

综上所述，混动汽车和传统内燃机车最大的区别在于混动汽车采用多套动力系统，除内燃机以外，还采用了电动系统，包括发电机、电动机和电池。目前，电能存储方面在短时间内还不能取得太大的突破，在这种情况下不断开发内燃机合理应用，能起到更加有效的减少油耗与排放的实际作用。相较于传统内燃机车，内燃机不再是混动汽车核心动力源，而且通过对其它系统装置的应用，能对内燃机产生的能源进行充分回收和利用，保证内燃机运行效率，使汽车处在最佳运行状态。

参考文献：

[1]朱天军，胡伟，王林.基于特征选择遗传算法对混合动力汽车的研究[J].机械设计与制造，2020，10（03）：85-89.

[2]张良，宋秦中，刘旭，朱学超.基于ADVISOR的混合动力汽车性能仿真研究[J].科技与创新，2020，11（02）：149-150，152.

[3]王昌福.混合动力汽车发动机无法停机原因分析及解决方案研究[J].时代汽车，2019，11（19）：117-118.

[4]吴耀春，王俊昌.混合动力汽车牵引力控制驱动策略建模分析[J].机械设计与制造，2017，10（02）：188-192.

[5]王红云，向英，杜灿谊.怠速起停系统及其在混合动力汽车中的应用分析[J].内燃机与配件，2016，11（08）：130-133.

[6]张江燕，康铭鑫，申铁龙.实时优化算法在汽车动力系统控制问题中的应用[J].中国科学：信息科学，2016，46（05）：571-590.

[7]任焕焕，赵冬昶，禹如杰.基于情景分析的乘用车节能目标实现路径比较研究[J].汽车工业研究，2014，11（12）：36-40.