摘要 为解决能源和环境问题,混合动力电动汽车成为各国研究的焦点。本文主要阐述了混合动力电动汽车的结构,并分析了不同类型的混合动力电动汽车的特点及存在的问题,已经成为当今汽车工业研究的主流。

关键词 混合动力;电动汽车;汽车结构

中图分类号 U469文献标识码 A 文章编号 1674-6708(2010)17-0032-02

1 混合动力电动汽车的概述

20世纪90年代以来,为解决能源和环境问题,各种电动汽车脱颖而出,但由于电动汽车在技术上、材料上存在棘手问题,以及电池的能量密度与汽油相差甚远,远未达到所需要的数值,再未来十几年内倘若电池技术没有重大突破,电动汽车将无法取代燃料汽油发动机汽车。在这种情况下,一种集电动汽车与燃油汽车优点于一体的准绿色汽车——混合动力电动汽车登上了汽车工业的舞台。

混合动力电动汽车实际上并不是新的发明,早在1905年就有人申请了用蓄电池作动力驱动电动机来改善内燃机车辆加速能力的专利。混合动力电动汽车的确切定义是什么呢?根据国际机电委员会下属的电力机动车技术委员会的建议,混合动力电动汽车是指由两种或两种以上的蓄能器、能源或转换器作驱动能源,其中至少有一种能提供电能的车辆称为混合动力电动汽车。混合动力电动汽车有很多形式,由汽油机和蓄电池混合的,柴油机和蓄电池混合的,蓄电池和燃料电池混合的,蓄电池和超大电容器混合的,蓄电池和飞轮混合的,蓄电池和蓄电池混合的等等。通常所说的混合动力电动汽车是指内燃机和蓄电池混合的驱动的车辆;燃料电池和蓄电池混合的动力称为燃料电池电动车;蓄电池和电容器混合的动力称为超大容量电容器辅助动力电动汽车等等。

2 混合动力电动汽车的结构

混合动力电动汽车的工作过程是发动机将内燃机与一定容量的得储能元件相结合,当低速行驶或者反复起步、停车而造成马达频繁工作时,电池容量下降时,发动机会自动启动,驱动发电机给电池组充电以维持一定的电量,而不需要像纯电动车那样从外部充电。制动时,马达变成发电机,把车辆的动能转换成电能储存在电池组中。在超车或者需要强力加速时,可以在使用发动机的同时加上大功率马达的动力,确保迅捷灵敏的的加速性能。

2000年混合动力电动汽车的类型在原来的串、并联式的基础上,进一步延伸为:串联式混合动力电动汽车,并联式混合动力电动汽车,混联式混合动力电动汽车和复合式电动车。

为了实现混联式以及复合式的混合驾驶模式,内燃机与发电机/电动机之间以及电动机与变速器之间必须进行机械连接,其中机械连接装置可以选择行星齿轮机构,太阳轮与发电机相连,齿圈与传动机构相连,行星架与内燃机相连,发电机的动力一部分通过行星齿轮传给齿圈,然后通过传动轴传给驱动车轮,另外一部分动力传给太阳轮经发电机转化成电能。各部分的角速度满足下列法方程:

式中Kp----基本齿数比,Kp=z2/z1

z1-----太阳轮的齿数;

z2-----齿圈的齿数;

ω1、ω2、ω3----分别代表太阳轮、齿圈和行星架的角速度。

其运动方程如下:

3 串、并联及混联和复合式混合动力电动车的特点

1)串联式是混合动力电动车中最简单的一种形式,发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能,转化后的电能一部分用来给蓄电池充电,另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。和燃油车相比,它是一种发动机辅助型的电动车,主要是为了增加车辆的行驶里程。由于在发动机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器,因而它有一定的灵活性。尽管其传动结构简单,但它需要3个驱动装置:发动机、发电机和电动机。如果串联混合型电动车设计时考虑爬长坡,为提供作大功率三个驱动装置的尺寸就会较大,如果用作短途运行如当通勤车用或者只是用于购物,相应的内燃机/发动机装置应采用低功率的。

2)与串联式混合动力电动汽车不同的是,并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统驱动车轮。发动机和电动机通常通过不同的离合器来驱动车轮,可以采用发动机单独驱动,电力单独驱动或者发动机和发电机混合驱动3种工作模式驱动。从概念上讲,它是电力辅助型的燃油车,目的是为了降低排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于驱动电动车所需的功率或者再生制动时,电动机工作在发电机状态,将多于的能量充入电池。与串联式混合动力电动车相比,它只需要两个驱动装置——发动机和电动机,而且在蓄电池放完电之前,如果要得到相同的性能,并联式比串联式混合动力电动汽车的发动机和电动机的体积要小。即使在长途行驶中,发动机的功率可以达到最大而电动机的功率只需发出一半即可。

当前的混合动力系统主要以并联方式为主。这种方式是由发动机获得基本驱动力在加速和低速行驶的情况下,因发动机驱动效率低,由电动机根据行驶条件协助发动机维持其所需的功率;在低速区域发动机停止运转,仅由电动机驱动,尽量使发动机在效率良好的区域运转,提高燃料的经济性,而且制动时驱动电动机成为发电机回收能量,对经济性有利。虽然串联方式的混合动力电动车的发动机在一定的条件下运转,从发动机单体来看,效率提高,也有利于排气净化,然而由于需要把发动机的输出功率转换成电动机的电能驱动变换装置,与发动机直接驱动方式比较,综合效率不佳,又因其全部驱动力由电动机供给需要大型的电动机,系统的成本也增大,因此,并联方式是最实用的。

3)混联式混合动力电动车在结构上综合了串联式和并联式的特点,与串联式相比,它增加了机械动力的传递路线,与并联式相比,它增加了电能的传输路线。尽管混联式混合动力电动车同时具有串联式和并联式的优点,但其结构复杂,成本高,不过,随着控制技术和制造成本的发展,一些现代混合动力电动车更倾向于选择这种结构。

4)复合式混合动力电动车结构更复杂,难以把它归于上述3种中的哪一种。它与混联式混合型电动车相似,因为他们都有起发电机和电动机作用的电动机,两者的主要区别在于复合型中的电动机允许功率流双向流动,而混联式发电机只允许功率流单向流动。双向流动的功率流可以有更多的运行模式,这对于采用3个驱动动力装置的混联式混合动力电动车是不可能达到的。复合式混合动力汽车同样有结构复杂,成本高的缺点,不过现在一些新型的混合动力电动汽车也采用这种双轴驱动的复合式系统。

4 混合动力电动发动机的现状和发展

混合动力电动汽车与纯电动车相比,混合动力汽车降低了对电池能量密度和容量的需求,并降低了蓄电池部分的质量,提高了汽车质量的利用系数,辅助动力单元APU的应用时动力性、续驶里程,比纯电动车的行驶里程延长了2~4倍,汽车的舒适性都得到了保证和改进,但在排放方面还不及纯电动车。另外与传统的燃油发动机汽车相比,混合动力电动汽车可以经常处于发动机的最佳工况,使发动机的排放降低到最小;制动能量的回收,实现了再生制动,提高了能量的利用率;在某些特殊路况条件下,混合动力电动车可采用纯电动行驶模式,实现零排放。但是HEV在动力性与续程里程上与燃油发动机汽车仍然存在一定的差距,因此,研究开发仍存在很多需要解决的问题,例如:

1)能量存储装置(蓄电池)需要有较高的比功率,以满足汽车加速和爬坡时对大功率的要求,即汽车高驱动性的要求:同时能量存储装置必须采用热能控制装置,要有较高的比能量,较长的使用寿命和低廉的制造成本。

2)混合动力汽车发动机频繁启动、关闭,使驱动系统和附近(如空调和动力转向等)的电能管理变得复杂,因此需要先进的检测和控制系统,现在的以热力发动机为主的混合动力单元在将燃油转化为有用功的同时,需要提高转化效率,同时还要满足严格的排放标准。

3)电力电子器件必须减小尺寸,减小质量和降低制造成本,提高混合动力汽车零部件设计加工技术水平。

4)需要建立更先进的驱动系统数学模型(包括静态的和动态的模型),这是计算机仿真和分析的基础。

5)制定完善的混合动力汽车相关标准和法规,为混合动力汽车的市场化奠定基础。

21世纪将是“绿色”世纪。汽车制造业要发展,就必须与“绿色”紧紧地联系在一起,必须考虑可持续发展,必须考虑能源的利用与环境的问题。汽车作为城市空气污染的主要根源之一,空气质量的日益恶化和石油资源的日趋匮乏,平衡利用多种形式的能量资源,开发低排放、低油耗的新型“绿色”汽车,一直视近几年世界各国汽车工业和科研机构十分重视与研究的热点,也是很多政府急待解决的紧迫任务。混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle,HEV)这一当今汽车研究发展的主流,一方面它可以充分利用传统汽车的技术成果和汽车工业基础;另一方面可以解决电动汽车受蓄电池技术居高性能电池成本等因素的影响,开发研制趋缓的问题。混合动力汽车能有效地减少排放,降低油耗,以及所用燃料的高效性,灵活性等特点,使其成为传统燃油汽车向零排放电动汽车过渡的最有效途径。混合动力汽车被称为21世纪的“准”绿色车。

参考文献

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