基于甲醇混合动力双擎系统装置的设计研究

（西安航空学院，陕西 西安 710077）

0 引言

我国目前市面上的汽车保有量居高不下，在未来很长一段时间汽车保有量还将继续增加。在环境资源日益短缺的情况下，大部分车型仍以传统化石能源为主流，这使得资源与环境压力日渐增大。尽管现在已研发出纯电动汽车和油电混合动力汽车，并在市场上迅速推广，油电混动虽然弥补了纯电动车续航里程短的问题，但汽油等传统能源燃烧排放的尾气中含有大量的氮氧化物，对环境也是有较大污染。针对我国汽车行业存在的诸多问题，本文提出了将甲醇为燃料的清洁能源与电力相结合的构想，为甲醇-电力汽车的研发提供理论研究。由甲醇的分子式CH3OH可知，甲醇完全燃烧只产生二氧化碳和水，除此之外不产生任何污染环境的物质，是真正意义上的清洁能源。但甲醇和电力任何一种动力方式都不能更好地满足汽车运行的需要，单一使用甲醇可能产生的问题是甲醇热值低、热效率不高因而无法满足汽车的动力需求；单一使用电力没有更好的储能装置作为依托会导致续航里程较短的现象，因此需要将甲醇-电力二者结合起来，使之发挥更大的效能。甲醇混合动力汽车可利用发动车输出的热动力作为驱动力，也可利用电机输出的电能作为驱动力，采用两种动力源的工作模式可以有更多工作模式可供选择，燃油经济性更佳，实现节约能源和减少污染的目标。

1 混合动力不同工种方式对比

1.1 串联式混合动力双擎系统结构

1.1.1 串联式混合动力工作原理简介

（1）发动机驱动模式：正常工作区域的电力单元数量，当汽车的输出功率低于发电机的最大输出功率时，发动机输出的效能驱动发动机启动，用来驱动车辆，此时动力电池组既不充电也不放电[1-2]；（2）电池动力驱动：当汽车工作时，动力电池在高容量下，电池-电动机完全关闭，电池驱动电动机供电，转换成机械动力来驱动汽车[3]。

1.1.2 串联式混合动力优缺点分析

优点：（1）驱动轮与发动机没有机械上的连接，理论上可使发动机在任意转速转矩区域中工作，减少燃油消耗；（2）发动机停止工作，只有电动机作为动力源时，相当于纯电动汽车，因此不使用燃料，从而不排放任何废气，没有任何污染物的排放。

缺点：发动机输出效率被二次转换(机械能转化为电能，电能转化为机械能)。发电机和牵引发动机的高效率损失显著[4]。

1.2 并联式混合动力双擎系统结构

1.2.1 并联式混合动力工作原理简介

（1）发动机驱动模式:电动机处于永久关闭状态，只有发动机工作输出，在正常状态下驾驶。

（2）电机驱动模式：与发动机驱动模式相反，发动机处于关闭状态，不工作；仅电力驱动系统输出功率，驱动车辆行驶。

（3）电动机和发动机驱动模式:发动机与电动机同时工作，提供输出效率，主要是在加速或爬坡的情况下[5]。

（4）发动机充电模式：当汽车在低负荷下运行时，输出功率的需求比发动机输出功率小，那么发动机的剩余输出效率将转化为电能储存在电池和电池中。

并联式混动模式工作原理为发动机总是在最佳驾驶模式下运行，燃料消耗较低，排放较低。发动机的输出功率使发电机产生能量，然后使发动机运行[6]。

1.2.2 并联式混合动力优缺点分析

优点：（1）发动机和电动机直接连接到驱动轮，以提供能量，减少能量损失，总体效果更高;（2）发动机和电动机系统的功率为50%～100%，因此可能会降低整体质量和容量。

缺点：可由甲醇发动机、发电机分别驱动车辆行驶，但无法做到两种动力模式的相互配合达到节约能源、提升动力的目的。

1.3 混联式混合动力双擎系统结构

1.3.1 混联式混合动力工作原理简介

混联式混合动力双擎系统可分为4种工况，分别是纯电力驱动模式、发动机驱动模式、混合驱动模式及发动机驱动和能量再生充电模式。

（1）纯电力驱动模式:在蓄电池满电状态下，汽车不需要消耗燃料以电力驱动模式使汽车获得动力。在此状态下发动机关闭，蓄电池-电机线路闭合，电动机工作，发动机不工作。在这种模式下，混合动力汽车等同于纯电动汽车。加速时不使用甲醇引擎，因此不使用燃料，从而不排放任何废气[7]。

（2）发动机驱动模式:车辆正常高速行驶时，蓄电池-电动机线路断开，电动机关闭。在此模式下，只有甲醇内燃机工作，此种状态下甲醇发动机为唯一动力来源[7]。

（3）混合驱动模式:当需要大功率输出时，机器处于高耗能状态，所需的能量由发动机和发动机共同提供，使汽车能够在短时间内获得更大的动力输出。

（4）发动机充电和能源再生模式:发动机输出功率，再通过机械系统驱动车辆，另一部分的效能用于发电机到动力电池充电[8]。

混联式混合动力传动系统如图1所示。

1.3.2 混联式混合动力优缺点分析

优点：（1）当汽车在低速巡航模式或道路平坦区域不需要大功率动力输出状态下，可使用以蓄电池-电机为驱动模式的动力输出形式，此种工况下发动机关闭，仅有蓄电池带动电机工作，电机为唯一动力来源，相当于纯电动汽车，没有任何污染物的排放，从而达到节能减排、保护环境的目的。

（2）当蓄电池中电能耗尽无法为电机供电时，甲醇内燃机工作，动力输出来源为甲醇内燃机的输出功率，此状态下甲醇内燃机驱动车辆行驶。当车辆在怠速状态下，可通过控制离合器使甲醇内燃机于发电机之间的传动机构闭合，发动机空转时所浪费的输出功可回收利用，用于带动发电机向蓄电池充电，做到能量回收。

（3）当汽车需要增大扭矩、提高动力输出时，可同时开启发动机和电动机，使汽车同时获得两种动力形式以满足驾驶员指令，进而获得更大的输出功率，以满足更强劲的动力需要。

（4）传统的燃料自动汽车通过刹车片制动将动力转换成热能白白消耗掉。混合动力汽车是由于电动机的存在，当发动机在发电机启动状态中工作时，会导致速度减慢，从而使汽车刹车，使能量转化为电力。电力储存后通过电力变压器进入电池。混合动力汽车因为有一个扭矩，不能总保持一个大的功率，因此，与足够的质量和大小的传统汽车相比，混合动力汽车使用更少的发动机排放，相应的燃料消耗也相对较低。另外，发动机在最高的效率区工作，能达到良好的排放性能的目的。

缺点：传动结构相对复杂，生产成本增大。

2 燃油（醇）经济性分析

在经济性上，根据目前国内国外各种燃料的价格定价趋势，预计到2020年国产甲醇每100 km能节约的成本大概为131元，与汽油、天然气相比会分别低出30%、10%，所以甲醇燃料的经济性更加显著。

t时刻燃油/甲醇消耗率：；等速行驶油/甲醇消耗量：

怠速时间油/甲醇耗量：Qid=Qi·ts（mL）；减速时间油/甲醇耗量：Qd=Qi·td（mL）；

式中P为阻力功率，kw；b有效燃油消耗率，g/(kWh)；Qs行驶s（m）距离后的燃油消耗量，mL；Qt单位时间内的燃油消耗量，mL/s；Qa汽车车速由Ua1加速至Ua2的燃油消耗量，mL；Qi表示怠速停车时每秒消耗的油耗量，mL/s；一般，汽油的密度可取为0.7～0.78 g/cm3；甲醇为0.7 918 g/cm3。

以混合动力其中一种模式进行经济性分析，排量1.781 L，最大功率92/5 800（kW/r/min），其最高车速195 km/h，等速油耗7.0L（90 km/h等速）。以控制变量法的思想，将汽车行驶100 km，保证里程不变分析汽车分别消耗汽油、甲醇量的多少来检测是否真正达到节约能源的目的。

求得其百公里油/甲醇耗量，已知市面上甲醇的价格为2元每升，汽油价格范围约在6到7元每升。经多次计算，百公里耗甲醇约为15升，价格在30元，百公里油耗约在7升左右，价格在40元以上，因此甲醇比汽油经济性更高。

3 结语

针对单一能源形式的纯电动汽车和甲醇汽车所存在的问题，即单一的电动汽车不能满足长效续航的需求;单一的甲醇汽车热效率低造成甲醇能源过度消耗。为解决此类问题，通过对能量传递路线的优化，混合动力系统包含串联和并联混合动力系统的结构性优势，电力系统与甲醇发动机系统双系统辅助工作具有节约能源的优势，能更好地利用能源。为该动力系统在各种工况下的稳定运行提供了保证。因此以甲醇为燃料的混合动力双擎系统装置的研究可解决此类问题。