汽车动力装置发展趋势分析

汽车动力装置发展趋势分析

近几十年来，世界各国汽车工业都面临着能源危机与环境保护两大挑战。为此，各国政府纷纷制定相应对策，力图开发出新一代清洁节能型汽车。以电能作为动力源、无污染、清洁、高效的电动汽车因此逐渐登上历史舞台，发展前景十分诱人。电动汽车(EV)是一种电力驱动的道路交通工具，具有广泛的内涵，一般包括以高效能蓄电池驱动的电动汽车(EV)、以燃科电池为动力源的电动汽车(FCEV)和以燃油发动机与电动机混合驱动的混合动力电动汽车(HEY)。

电动汽车的研究是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的，纯电动汽车或零排放新燃料汽车无疑是我们的最终目标，但目前纯电动汽车初始成本高，行驶里程较短。由于高效能蓄电池、燃料电池及其系统发展相对滞后，影响了纯电动汽车的商业化进程，而燃油发动机和电动机混合驱动的混合动力电动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型。它将现有内燃机与一定容量的储能器件通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减少污染物排放。目前，混合动力电动汽车由于其高的能量效率和低的排放性能向传统汽车提出了极大挑战、发展势态迅猛、市场化进程很快。混合动力汽车是目前新型清洁动力汽车中最具有产业化和市场化前景的车型，其发展方向是真正零排放、无污染、不消耗燃油的燃料电池车辆。在太阳能，电能等替代能源真正进入实用阶段之前，混合动力汽车因其低油耗、低排放的优势越来越受到人们的关注。

汽车动力装置是汽车的重要部分，对实现车辆“节能、环保、安全”的要求起到关键的作用。混合动力电动汽车(Hybrid Electric Vehicle)是传统燃油汽车和纯电动汽车相结合的新车型，具有燃油汽车的动力性能和较低的排放，是当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案。混合动力电动汽车，融合了内燃机汽车和电动汽车的优点，在不降低动力性的前提下，可大幅提高燃油经济性及减少汽车排放，是目前清洁汽车研究的主要方向。

混合动力车辆的驱动系统从能源输入、原动机到机械能的传递其组成方式多种多样，具体的结构设计也各不相同。根据驱动系统各部件在汽车上的位簧及功能，混合动力汽车可分为以下三种类型：串联式混合动力电动汽车(SHEV)、并联式混合动力电动汽车(PHEV)、和混联式混合动力电动汽车(PSHVE)。

串联式混合动力汽车(SHEV)由发动机、发电机、蓄电池和电动机等动力装置以串联连接方式组合而成。该系统利用发动机提供电能，牵引电机是唯一的驱动源。串联式混合动力汽车中发动机的功能是带动发电机发电，电动机将电能转变为机械能后通过变速机构驱动车轮。发电机同时也能提供部分电能输送到蓄电池，以便必要时由蓄电池为电动机供电，使串联式混合动力汽车行驶里程得到延长，其结构形式与工作原理如图：

图1.串联式HEV动力系统简图

启动、加速、爬坡、工况时，发动机、电动机组和电池组共同向电动机提供电能；当电动车处于低速、滑行、怠速的工况时，则由电池组驱动电动机，当电池组缺电时，则由发动机-发电机组向电池组充电。这种串联式电动车不管在什么工况下，最终由电动机来驱动车轮。

串联式混合动力汽车具有以下有优点：

(1)控制系统比较简单，特别是发电机运行的控制只需根据蓄电池充放电状态决定发电或停止；

(2)发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率高，有一定节能效果，能减少污染。

缺点是动力传递过程中，由于存在能量转换中的损失，降低了能量利用率，使其

综合效率低于燃油汽车；要求每一动力装置的各自功率都等于或接近汽车的最大驱动功率，特别是驱动电动机必须满足汽车行驶的需求，因此整个系统的规模庞大，增加了车辆成本及机构布置难度。

并联式混合动力汽车(PHEV)装置的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车，发动机和电动机分属两套系统，可以分别独立地向汽车传动系统提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驱动又可以单独驱动。电动机既可以作为电动机由可以作为发电机使用，又称为电动-发电机组，其结构形式和工作原理如图：

图2.并联式HEV动力系统简图

发动机通过耦合器带动电动-发电机，输出扭矩再通过离合器驱动车辆行驶。静止启动时，电池向电动-发电机供电，此时电动-发电机就是发动机的起动机。发动机启动后，一方面作为车辆单独的动力源驱动汽车，另一方面又带动电动-发电机发电向电池充电。当汽车高负荷时发动机与电动-发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驱动车辆。

并联式混合动力汽车具有以下有优点：

(1)结构简单，特别是省去了独立的发电机，两套动力装置可单独或同时驱动，输出总功率可以为两个动力系统的叠加，因而单个动力系统功率可以减小，有利于机构布置；

(2)两套动力装置可直接驱动车轮，因此效率提高，能量损失降低；

(3)两套动力装置要根据车辆状态进行切换，动力控制系统及机械切换系统相对复杂；

(4)采用电动发电机可以空载发电及时补充蓄电池部分电能，延长蓄电池续行里程。

混联式混合动力电动汽车(PSHVE)综合了串联式和并联式的结构特点，由发动机、电动 发电机和驱动电动机三大动力总成组成。它可以分为单桥驱动混联式HEV和双桥驱动混联式HEV两种。混联式混合动力驱动系统的结构如图3所示。混联式驱动系统是串联式与并联式的综合，它的结构形式和控制方式充分发挥了两种驱动形式各自的优点。混联式混合动力电动汽车主要是由发动机、发电/电动机、电池组、驱动电机和控制器等部件组成。能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更多的优化匹配，在结构上可以保证汽车在复杂工况下工作在最优状态，因此更容易实现排放和燃油消耗的控制目标。丰田公司的Prius采用的就是混联式联接方式。

图3.混联式HEV动力系统简图

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控制器控制，输送给电动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力耦合装置传送给驱动桥。在汽车低速行驶时，驱动系统主要以串联方式工作；汽车高速稳定行驶时，则以并联工作方式为主；停车时通过车载