知识与技能拓展

一、混合动力汽车简介

自20世纪90年代以来，能源和环境对人类生活和社会发展影响越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声日益高涨，为此，各种电动汽车脱颖而出。但由于蓄电池的能量密度与汽油相差极大，远未达到所要求的数值，而燃料电池技术尚未取得重大突破，在这种情况下，混合动力汽车登上了历史的舞台。

混合动力汽车（HEV）是指汽车使用燃油驱动和电力驱动两种驱动方式，具有多个动力源（主要由汽油机或柴油机以及电动机等组成），按照行驶工况同时或者分别使各动力源进行工作，从而驱动汽车行驶。其结构如图1-24所示。混合动力汽车是当今世界汽车工业发展的前沿技术，在解决能源利用和环境保护方面具有广阔的前景，它是中国《汽车产业发展政策》倡导的重点发展产品，也是国家早在“863”计划电动汽车重大专项时重点支持的项目。目前，人们对汽车节能、排放的要求越来越高，发展低排放、低油耗的混合动力汽车是解决能源与城市环境问题行之有效的办法之一。

图1-24 混合动力汽车的结构

混合动力汽车和传统汽车相比具有以下优点。

1.环保性

①与同类发动机车型相比，排放降低。与同类车型相比起来，混合动力汽车采用了较小的发动机，在耗油量方面首先就降低了，而且混合动力汽车是采用多个动力源驱动汽车行驶，动力源之间的交替工作和能量互补减轻了发动机的工作量，减少了工作时间，自然就降低了排放。

②通过降低发动机负荷达到降低噪声。混合动力汽车是采取多个动力源交替进行工作模式，在低速时发动机完全不工作而是靠电动机驱动汽车，当车速达到一定标准时，发动机才会起动进行动力输出，当汽车达到高速而发动机无法在最佳工况下提供完全的动力时，电动机会分担一部分负荷来满足汽车行驶的要求。所以，发动机随时都保持在最佳工况，噪声就会降得很低。

2.经济性

由于以电动机作为辅助动力，使发动机能够在发挥良好效率的工况下工作，并且通过回收制动能量，提高了整车的燃料经济性。由于此电动机作为辅助动力源，所以，并不是任何时间发动机都在工作，这样就减少了燃油消耗量。而发动机在工作时总是保持在最佳状态，各方面都是最理想的，发动机在工作时还可以通过回收制动能来储存能量给蓄电池充电，也就是说燃料消耗后的产物有了可利用的途径，从而提高了燃料的经济性。

3.舒适性

由于对系统采用无级变速和最优自动操控，可以改善车辆的行驶平顺性，提高其乘坐舒适性。在使用无级变速和最优自动控制的前提下，无论是加减挡还是急加减速，整车都显得很平稳，变换得很柔和，不会有耸车的现象发生。因此，乘坐起来感觉很舒服。

二、混合动力汽车的驱动系统

混合动力汽车在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元，其中辅助动力单元是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发动机和电动机机组。目前，辅助动力单元所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃气轮机。混合动力汽车将原动机、电动机、能量储存装置（蓄电池）按某种方式组合在一起，有串联式、并联式和混联式三种布置形式。

1.串联式驱动系统

串联式驱动系统如图1-25所示，发动机带动发电机发电，其电能通过逆变器直接输送到电动机，由电动机产生电磁力矩驱动汽车。在发动机与驱动桥之间通过电实现动力传递，因此，更像是电传动汽车。充电器通过逆变器串接在发动机和电动机之间，其功能相当于发电机与电动机之间的“水库”，起功率平衡作用。

图1-25 串联式驱动系统

汽车在某一速度下运行所需的功率不一致时，由逆变器控制发电机向蓄电池充电（吸收发电机富余的电能）或使蓄电池向电动机放电（协助发电机放电），蓄电池充电和放电电流的大小由控制器根据电动机驱动功率的变化情况进行控制。这样的结构形式和控制方式，使串联式混合动力汽车具有如下性能上的特点。

①发动机工作状态不受汽车行驶工况的影响，始终在其最佳的工作区域内稳定运行，因此，发动机具有良好的经济性和低的排放指标。

②由于有蓄电池进行驱动功率“调峰”，发动机的功率只需满足汽车在某一速度下稳定运行工况所需的功率，因此可选择功率较小的发动机。

③发动机与电动机之间无机械连接，整车的结构布置自由度较大。

④发动机的输出须全部转化为电能，再变为驱动汽车的机械能，需要功率足够大的发电机和电动机。

⑤要达到良好的发电机输出功率平衡作用，又要避免电池出现过充电或过放电，就需要较大的电池容量。

2.并联式驱动系统

并联式驱动系统如图1-26所示，发动机通过机械传动装置与驱动桥连接，电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。并联式混合动力汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。电动机起“调峰”作用。

图1-26 并联式驱动系统

并联式混合动力汽车其发动机功率也是以汽车某一速度下稳定行驶工况所需的功率选定的，当汽车在变速工况行驶时，须通过加速踏板和变速器来调节发动机的功率输出；而在汽车高速行驶、发动机的输出功率低于汽车行驶所需功率时，由逆变器控制电动机协助驱动。这样的结构形式和控制方式，使并联式混合动力汽车具有如下特点。

①发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，无“机—电”能量转换损失，因此发动机输出能量的利用率相对较高，当汽车的行驶工况使发动机在其最佳的工作范围内运行时，并联式的混合动力汽车燃油经济性比串联式的高。

②有电动机进行“调峰”，发动机的功率也可适当减小。

③如果装备发电机，发电机的功率也可较小。

④由于有发电机补充电能，比较小的电池容量即可满足使用要求。

⑤由于并联式驱动系统的发动机运行工况要受汽车行驶工况的影响，因此在汽车行驶工况变化较多、较大时，发动机就会比较多地在其不良工况下运行。因此，发动机的排污比串联式的高。

3.混联式驱动系统

混联式驱动系统如图1-27所示，混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能由逆变器控制，输送给电动机或蓄电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱动桥。混联式驱动系统的控制策略：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。

图1-27 混联式驱动系统

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，从而在结构上保证了在更复杂的工况下使系统工作在最优状态，因此更容易实现排放和油耗的控制目标。