混合动力汽车的原理及发展

1 混合动力汽车的发展概况
当前，石油资源面临枯竭，传统汽车的排放已成为大气污染的主要源头。研究显示传统汽车在常规路面上行驶时至多能利用燃油40%的化学能，在拥堵的市区路况化学能的利用率仅为25%。目前，动力电池在寿命、充电时间等方面无法达到人们的用车要求，实际使用效果并不理想，预计在10年之内电动汽车还无法真正意义上取代传统汽车。为了解决该问题，工程师们开发了一种混合动力装置(HEV)的汽车，这种汽车是同时装备有两种以上的动力源的汽车，通常是发动机和电动机的组合形式。根据汽车运行工况的要求，对内燃机与电动机进行优化耦合后，可以获得良好的动力性，燃油经济性，排放性能等指标。混合动力车型的核心技术是混合动力系统，其性能优劣直接影响混合动力汽车的整车性能。混合动力汽车既有纯电动汽车低排放的优点，又兼具传统内燃机高比能量和比功率的优点，在由内燃机汽车向电动汽车的转变过程中扮演着重要的角色。
2 混合动力汽车的控制策略
随着现代控制技术的发展，在混合动力汽车的控制系统中，自动控制技术已经得到了普遍应用，如LQG控制、模糊控制、神经网络控制以及自适应控制等一系列先进的控制算法已经在混合动力汽车的量产车型中得到了应用。以上智能化控制策略的应用使得混合动力汽车更贴近当前“节能、安全、环保”的现代汽车发展理念。使混合动力汽车获得低油耗、低排放的关键在于对控制策略的优化。在保证汽车基本性能，如动力性、操纵稳定性地前提之下，控制系统需能合理地协调、分配发动机和电机两者的动力输出，从而获得高的效率、燃油经济性、和排放特性，并获得较佳的操纵稳定性。经过长期的发展，多种控制策略已应用于混合动力汽车，下面介绍较为常用的基于规则的混合动力汽车稳态能量管理策略。所谓基于规则的稳态能量管理策略，其主要依据为工程经验，在工程经验的基础上按照各个部件的稳态效率MAP图来制定分配发动机和发电机动力的方式。该方法有三种控制模式，即充电模式、正常行驶模式及制动回收能量模式。
3 混合动力汽车的工作过程
3．1电力驱动
在汽车刚启动或者低速行驶时，混动车型利用电机驱动车轮，而发动机并不向车轮输出动力，这是因为电机可以提供较大的扭矩，而发动机在低转速范围内无法提供较大的驱动扭矩。同样对于，低速行驶，发动机的效率依然很低，此时发动机不工作，电动机提供全部的驱动功率。
3．2发动机自动启停
传统汽车利用低电压的起动机启动发动机，正常的启动过程需要2s左右的时间，在此过程中发动机在起动机的带动下从0转速提升200r/min左右的转速，该过程需要更多的可燃混合起，排放恶劣。然而，在混合动力汽车中装备的电机要比传统汽车的起动机的功率大很多，因此混合动力汽车发动机的启动可由动力电机完成，仅需300ms就可将发动机的转速提升至600r/min，极大地改善了排放特性。为降低油耗和排放，混合动力汽车在空挡滑行和临时停车的情况下，内燃机将处于停止云状的状态。当整车需要向前行驶时，电动机则立刻启动发动机。
3．3一般行驶
一般行驶时，使用发动机作为主要动力源，因为此时发动机的效率较高，油耗较低。发动机产生的驱动力直接驱动车轮运动，根据行驶工况，部分发动机的动力用以驱动发电机，产生的电能供给蓄电池和车载用电器。
3．4再生制动
在汽车在减速的过程中，混合动力汽车的车轮会带动电动机旋转，此时电动机成了发电机，于是将汽车的动能转化为电能存储于蓄电池中。以一辆质量为1．5吨的轿车为例，当它由65km/h的行驶速度进行制动，制动初始时整车动能近280KJ，如果能够将该能量全部吸收，可以驱动该车行驶1．8km。
4 混合动力汽车的优缺点分析
4．1优点分析
相比于纯电动汽车，混合动力汽车具有如下优势:(1)兼具传统燃油汽车和纯电动汽车的优势。(2)发动机的运用使得电池的数量和质量可大大减少，因此整车质量较小，有利于降低能源消耗。(3)汽车的动力性及续航和传统汽车相差无几。
与传统汽车相比，混合动力汽车具有以下优点:(1)发动机可以在率的转速范围内工作，降低了排放和油耗。(2)在人口密集的区域，发动机可以停止运转，车轮由电动机负责驱动，实现零排放。(3)可以利用制动能量回收实现更好地节能减排效果。
4．2缺点分析
(1)混合动力汽车中仍然有发动机的存在，这意味着混合动力汽车无法从根本上摆脱对石油资源的依赖。(2)混合动力系统的成本比传统汽车高很多。混合动力汽车要配备传统汽车不需要的昂贵配件，比如高压蓄电池、电动机、发电机以及各种控制器。(3)高速行驶时，油耗并不理想。混合动力汽车在高速公路上行驶时其动力来源依然是发动机，但是混合动力汽车的质量更大，这就造成了油耗甚至高于传统汽车。
5 发展前景与展望
混合动力汽车在现有技术的基础上达到了提高燃料经济性和减少排放的目的，因而发展前景。降低成本是提高混合动力系统竞争能力的努力方向。混合动力汽车在发展的道路上需要解决的问题还有很多，但随着各大汽车厂商的不断的研发改进，这些问题会很快得到解决。尽管从长远来看混合动力汽车只是一种过渡车型，但是在近二三十年内仍然具备较好的前景。