混合动力汽车的节油机理以及内燃机要求和改进措施

第一篇：混合动力汽车的节油机理以及内燃机要求和改进措施

混合动力汽车的节油机理以及内燃机要求和改进措施

摘要 本文主要介绍混合动力汽车的主要分类和机构特点，以及控制系统方面的发展，并介绍混合动力汽车的节油机理和内燃机的技术要求和相关的改进措施。

This paper mainly introduces the main hybrid cars classification and institutions characteristics, and control the development of the system, and introduces the fuel-efficient hybrid car mechanism and technical requirements of the internal combustion engine and relevant improvement measures.关键词 混合动力汽车 节油机理 内燃机要求 改进措施 引言

随着世界各国环境保护的措施越来越严格，替代燃油发动机汽车的方案也越来越多，例如氢能源汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等。但目前最有实用性价值并巳有商业化运转的模式，只有混合动力汽车。

混合动力汽车的关键是混合动力系统，它的性能直接关系到混合动力汽车整车性能。经过十多年的发展，混合动力系统总成已从原来发动机与电机离散结构向发动机电机和变速箱一体化结构发展，即集成化混合动力总成系统。燃料可以是汽油,柴油,也可以是甲醇,酒精,液化石油气,天然气等代用燃料.选用的原动机可以是内燃机.也可以是燃气轮机,斯特林发动机等其它热机.它主要包括内燃机,电动机,发电机,蓄电池以及控制系统等,根据汽车运行工况的要求,内燃机与电动机进行优化耦合,以实现汽车的良好的动力性,燃油经济性,排放性能,可靠性,它继承了电动汽车低排放的优点,又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处,显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经济性,增加了电动汽车的续驶里程,在由内燃机汽车向电动汽车的转变过程中扮演着承上启下,继往开来的角色。

正文

一 混合动力汽车的主要分类和基本结构

1．串联式混合动力汽车 Series Hybrid Electric Vehicle(SHEV)串联式混合动力系统用电动机驱动车轮，电动机的电力来自发动机 串联式混合动力系统利用发动机动力发电，从而带动电动机驱动车轮。

其基本结构是由电动机、发动机、发电机、HV蓄电池、变压器组成。由一个小输出功率的发动机进行准稳恒性运转来带动发电机，直接向电动机供应电力，或一边给HV蓄电池充电一边行驶。由于内燃发动机的动力是以串联的方式供应到电动机，所以称为“串联式混合动力系统”。

2.并联式混合动力电动汽车 Parallel Hybrid Electric Vehicle(PHEV)并联式混合动力系统使用电动机和发动机两种电力来驱动车轮用发动机来给HV蓄电池充电，其基本结构是由电动机、发动机、HV蓄电池、变压器和变速器组成。

并联式混合动力系统中利用HV蓄电池的电力来驱动电动机。因电动机兼用为发电机，所以不能一边发电一边用来行驶。动力的流向为并联，所以称为“并联式混合动力力系统”。

3． 混联式（串、并联式）混合动力电动汽车 Split Hybrid Electric Vehicle(PSHEV)混联式混合动力利用电动机和发动机来驱动车轮，并可用发电机来发电及自行充电。

混联式混合动力利用电动机和发动机这两个动力来驱动车轮，同时电动机在行驶当中还可以发电。

根据行驶条件的不同，可以仅靠电动机驱动力来行驶，或者利用发动机和电动机驱动行驶。另外还安装有发电机，所以可以一边行驶，一边给HV蓄电池充电。基本结构由电动机、发动机、HV蓄电池、发电机、动力分离装置、电子控制单元(变压器、转换器)组成。利用动力分离装置将发动机的动力分成两份，一部分用来直接驱动车轮，另一部分用来发电，给电动机供应电力和HV蓄电池充电。

电动机擅长从低速带开始发挥威力，而发动机则在高速带大显身手。本系统通过理想地控制二者，可在所有条件下提供高效率的行驶。混合动力电动汽车的动力系统主要由控制系统、驱动系统、辅助动力系统和电池组等部分构成。

二 混合动力汽车的控制系统

在HEV上普遍采用以计算机为核心的现代计算机技术和自动控制技术，各种智能控制系统，包括自适应控制技术（MRAC）、模糊控制技术（Fuzzy）、专家控制系统（Expert system）、神经网络控制系统（Neural networks）等也逐渐应用到EV、FCEV和HEV上，使HEV更加安全、节能、环保和舒适。

能量管理系统采取层级式控制：最上层为整车能量管理系统，统一协调和控制各个低端控制器；中间一层包括五个低端控制器，即发动机控制器、发电机控制器、电动机控制器、离合器及制动器控制器和电池能量管理系统（BMS）等；最下层为各个执行器，即发动机、电机、离合器等部件。HV蓄电池组

丰田THSⅡ采用大功率，高密度，轻量，寿命长的新开发的HV蓄电池。它是在旧型号THS采用的小型高性能镍氢蓄电池基础上，改进了电极材料与各单体蓄电池之间的连接结构，所以降低了蓄电池的内阻，提高了许可证电池的输出密度。由于在THS2上采取了行车中保持一定充电状态的控制，所以，不需要利用外部充电。

HV蓄电池组包括HV蓄电池模块，蓄电池计算机，系统主继电器及维修插座，这些部件汇总装在一个壳体内，设置在后座位之后。蓄电池组的电池部分由28个模块串联而成，每个模块是由6个1。2伏的单体蓄电池串联而成，总共是168个单体蓄电池，由此可得到201。6v的高电压。蓄电池计算机在保持充电状态为适当值的同时，还将完成下列控制： 1*4充电状态的管理

为了保证在加速等场合下放电，在减速时利用制动器回收充电的反复进行，HV蓄电池将一直向HV蓄电池计算机输出充电状态信号，HV蓄电池计算机利用充放电电流的累计值，将充电状态值始终控制在目标范围之内。1*5冷却风扇的控制

HV蓄电池的充放电将引起自身的发热，为确保蓄电池性能，对冷却风扇的工作方式进行控制。1*6外部充电器的控制

指在利用内部充电器充电的过程中，监视蓄电池状态，保证适当充电所进行的控制。1*7与空调之间的通讯

通过HV控制计算机，根据空调的要求来改变冷却风扇的工作方式。1*8蓄电池状态的监控

监视蓄电池的温度及电压等，当检测出有异常时，通过限制或停止充放电以保护蓄电池。此外，按要求使报警灯亮，输出与记忆诊断代码。1*9冷却风扇

当蓄电池的温度升高时，冷却风扇将按照蓄电池计算机的指令调节风量。此外，还可根据空调的要求，改变空调的工作方式。

冷却风扇的进风口设在座椅的右侧。利用风机将从车厢内吸进的空气引入到蓄电池组的右上方，使其由上而下地吹过蓄电池模块之间，对其进行冷却。冷却后完成热交换的空气，从蓄电池组的右下方，经过后货舱右侧的排气管，排至后货舱与车外。1*10 系统主继电器（SMR）

SMR按照HV控制计算机的指令，接通与切断高压电路电源。加上控制正负两极用的在内，SMR共配置了3个继电器，保证了动作的可靠。在接通高压系统时，首先是接通SMR1与SMR3，接着接通SMR2，断开SMR1，由于一开始就使控制电流通过附加电阻，所以防止高压的大电流突然加到电路上。断开电路时，依次断开SMR2与SMR3，HV控制计算机将分别确认它们是否已可靠的断开。在维修插头与逆变器罩盖上设有连锁机构，连锁机构用来检测高压部分的防护状态并自动地断开系统主继电器。当连锁机构动作时，仪表板上的主报警灯亮，以通知驾乘人员。在连锁机构动作后，每两次中有1次使系统主继电器动作，以便恢复高压电路。1*11 维修插头

在检查与维修时，应取下维修插头，在HV蓄电池的中间位置处断开高压，从而确保安全操作。

三 混合动力汽车的节油机理

混合动力系统节油基本原理：混合动力车型就是通过回收车辆的制动能量实现节油的，传统车辆在制动时，通过制动摩擦片或缓速器将大量的动能变为热能消耗掉了，而并联式混合动力车则将动能通过电机回收变为电能储存至储能系统中。在车辆驱动时，传统车辆为驾驶员油门踏板直接控制发动机输出驱动力矩，而并联式混合动力车则为油门踏板控制发动机和电机共同输出驱动力矩，此时电机将制动回收时储存在储能系统中的电能转化为动能驱动车辆，这样可以减少发动机的负荷以减少燃油的消耗。所以说，当并联式混合动力车辆在传统模式下运行时，工作原理就与传统车辆完全相同，且油耗也与传统车辆相同；而在混合模式下因为加入了制动回收能量及电机辅助驱动，所以较传统模式能达到节油的效果。

汽车省油最关键的是对动力系统的优化。凯美瑞混合动力搭载了丰田新一代油电混合动力系统（THS-II），以混联的结构实现汽油和电力的最深度混合，也就是“强混技术”，电机功率达到了105千瓦。对比目前大多数混合动力车型采用并联或串联的弱混合动力系统，电动机只是起辅助作用，强混的凯美瑞混合动力革命性地提高了发动机和电动机动力的协同效应，实现了 1+1>2的技术优势。

而混联式驱动系统的结构形式和控制方式充分发挥了串联式和并联式的优点，能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配。在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主，从而在结构上保证了即使在更为复杂的工况下系统仍能工作在最优状态，因此，既有利于降低排放和油耗，也有利于动力控制。

此外，发动机一直以来都被称为汽车的“心脏”。一款性能卓越的发动机，不仅能够为汽车提供充沛的动力输出，带来平顺的驾乘感受，而且能在行车过程中有效地降低油耗。凯美瑞混合动力配备的是高性能的“阿特金森循环发动机”：一款经过全新调校、全面优化的高性能3AZ-FXE 发动机，采用高热效率高膨胀的阿特金森循环系统，其吸气和压缩行程比做功和排气行程要短，通过推迟进气门关闭，在压缩冲程从进气门排出部分燃气，减少进气量。通过缩小燃烧室容积，提高膨胀比，即等待爆发压力在充分降低后才进行排气，由此充分利用爆发能量。另外，在减少摩擦损失的同时提升发动机的最高转数，从而实现了更低的油耗和更高的动力输出。

俗话说“好马配好鞍”，无论多么节油的发动机，还要与技术先进的变速箱匹配才能发挥最大的功效。很多技术强大的节油发动机，因为搭配较差的变速箱而导致节油效果不理想的例子比比皆是。因此，变速器技术的高低，也直接影响着油耗。凯美瑞混合动力配备的是ECVT电子无级变速系统。它采用由齿环、行星齿轮、太阳齿轮、行星支架组成的行星齿轮组，突破了普通变速系统设定固定齿轮数目的局限，可以随车辆的行驶状态随意组合齿轮，达到对发动机动力进行灵活、高效分配，确保整体效率最优，在避免换挡冲击带来的不舒适感受的同时，更显著提升了燃油经济性。

四 混合动力汽车内燃机的技术要求和改进措施

1.制动能量的回收

作为和纯电动汽车共通的混合动力电动方式的特点，制动能量是有可能回收的。在日本，美国，欧洲任何市内行驶工况下，从先驱号的例子来看，制动能量回馈对燃油经济性提高的贡献超过了20﹪，这样就可以明白，和没有制动能量回收的其它驱动系统汽车的差别是显然的，因此可以说，为了提高燃油经济性，混合动力方式是必要的条件。制动能量回收，就如同刹车，如果四轮同时进行就比较理想，因此就有必要将发电机和四个车轮同时连接，这对于4轮驱动车来说，需要在前后都备有电动机/发电机装置，并且能前后分别控制转矩。但是，这样的4轮驱动车的价格是十分昂贵的，对于通常的行驶，就不需要反映杂饿装置，因此是不可能实现的。一般来说，前轮驱动或者后轮驱动的2轮驱动车占大多数。

因为汽车的重心比地面高，而且基本上都是前进行驶，所以当刹车制动时，前轮的载荷增加，后轮的载荷减小。在前轮驱动的情况下，因为发动机，变速箱前置，所以前轮的载荷原本就比较大，而且在制动时由于又增加了载荷，所以必要的制动力就增加，配置在前轮的发电机的制动能量回收相对来说是比较大的。相反，在后轮驱动的情况下，通过后轮进行能量回收的效果就不大显著。后轮的制动力过大，在 胎和路面之间超过摩擦极限后，会使车轮打滑，这时就使汽车不稳定，偏离路面而碰到障碍物或者是横向翻滚。

为了避免此类事情的发生，通常，乘用车的制动力分配给前轮70﹪~80﹪。因此，前轮驱动车的制动能量回收和后轮驱动车的制动能量回收相比较的话，为70/30的程度，后轮驱动车的制动能量回收率最多也只有前轮驱动的一半。

通常的汽车，在减速，制动的情况下，使用了发动机刹车。通过这个，因为在一定程度上进行了制动能量回收，因此如果不使用发动机刹车，全部由发电机来吸收制动能量是比较好的。Civic混合动力车为了降低发动机刹车的能量吸收在制动时，将四缸中的三缸停止运行。高尔夫混合动力在发动机和电机之间设置了离合器，清除了发动机刹车的影响。但是，这又带来了离合器的重量，空军和成本的问题。2.堵车时的停止和启动

在堵车时，反复停车启动缓慢行驶的情况下，对于通常的发动机车，由于刚要切断发动机时接着又要启动发动机，比较麻烦，所以就直接将发动机怠速运行，这样就对排放和燃油消耗都不利。为了解决这个问题，对于通常的汽车，对在一定时间以上的停车情况，将发动机自动停止，然后在下一次启动时，直接通过加速踏板就能将发动机启动来驱动车辆。在此情况下，设定停车到将发动机关掉的时间是比较困难的，而且也有发动机启动时的振动和噪音问题。为此，混合动力车在停车时，直接将发动机关掉，车辆启动时通过电机将车辆驱动到一定的车速，这样就可以完成平顺的驾驶。这样，即使车辆启动频繁也具有抑制尾气排放的优点。发动机车的停止，启动的思想虽然以前就有，但没有普及的原因可以认为是反映了实现这样的驱动系统的困难程度。3.储能装置

即使发电机能够产生大量的电能，如果没有这些电能的储藏设备，发电机的发电也是没有意义的。因为电流不可能一次进行大量电能的充放电，所以为了能够进行大量的能量回收，就必须增加电池的重量，空间和成本。为了解决这个问题，人们考虑使用超级电容，飞轮装置或者蓄压装置等，虽然有一部分已经实用化但也不能说已经达到完善的 程度。但是，日产柴油在2002年6月开始装备了具有划时代意义的新型超级电容的卡车，现在上市的本田燃料电池电动汽车上，也采用了新型的超级电容，因此可以说在这方面已经开始了一个新的时代。另外，和电动汽车为了提高续驶里程而 重视电池的储能密度不同，混合动力车用的储能装置在储能密度比较小的情况下，要求调整，制造成输入输出能量，即功率密度比较大的储能装置。

通过采用混合动力方式，提高了燃油经济性，但有重量，搭载空间和成本增加的缺点，所以虽然和电动汽车的缺点相比还是比较小的，但电池在一定重量下对应的性能，价格和寿命成为成功与否的关键因素。铅酸电池无法满足这种性能要求，丰田采用新近开发的重量轻，体积小的镍氢电池，开始有了突破口。对于寿命的评价，需要有时间，因此今后想进一步关注这方面的发展。从2003年左右开始，在美国和欧洲出现性能优良的锂离子电池，锂聚合物电池等。4.起动机/发电机

以大众高尔夫为起点，在日野的重型车，本田的混合动力车等上使用了起动机/发电机或者电机/发电机，几乎不需要变更尺寸，就可以安装在原来的发动机的飞轮位置。综合的重量，成本增加被控制在小的几乎所有的传统起动机，发电机和离合器的制造商，都进行这方面的商品化开发，而且有发表的成果。如果将来不需要传统的起动机和发电机的话，对于这些制造商来说，或许理所当然就成为生死攸关的问题，大多数人认为，将来这种形式是混合动力的需要。如果能大量生产成本得以下降的话，可以预计混合动力化的障碍就可以非常小。

总结 本文介绍了相关的混合动力汽车的知识，介绍了它的结构和特点，以及在节油机理方面做出的努力和取得的成果，并在控制方面做出了相关的介绍，在内燃机的技术要求和改进措施方面也做了不少的努力，这样看来我国的混合动力汽车有辉煌的前景，只要我们在这一方面继续努力，在混合动力汽车方面我们肯定会有更好的明天。参考文献

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