混合动力车工作原理分析.doc

混合动力车工作原理本文包括：1.引言 2.混合动力车的性能 3.本田Insight vs丰田普锐斯 4.混合动力车产生的原因？ 5.了解更多信息 6.阅读所有代用燃料类文章 引言Consumer Guide and Publications International, Ltd. 供图2006款本田Insigh混和动力汽车最近您是否有这样的体验，把车开到加油站，结果被超高的汽油价格吓住了？当计价器上的金额逐渐跳过150、200、250甚至300元，也许您会考虑拉点活儿，以便赚点汽油钱。 也许您还担忧自己的车也是造成温室效应的元凶之一。 汽车业已经有了解决这些问题的技术。 那就是混合动力车。 如今市场上已有很多车型，大部分汽车制造商都宣称要制造混合动力车。 混合动力车的工作原理是怎样的？ 发动机罩下究竟是什么，以至于可以让每升汽油比普通汽车多行驶8或12公里？ 它能减少污染的原因仅仅是因为油耗低吗？ 在本文中，我们将帮助您理解此项技术的工作原理，甚至还会教您一些小技巧，让您驾驶混合动力车时尽可能提高燃料效率。 混合动力车探秘从某种意义上来说，许多人可能已经拥有了混合动力车。例如，机动自行车（机动的脚踏自行车）就是一种混和动力车，因为它结合了汽油机的动力和人力。 实际上，混合动力车就在我们身边。 我们看到的大部分用来牵引火车的机车都是柴油-电动混和动力。 西雅图等城市中有柴油-电动公共汽车它们可以从头顶的电线中获得电能，当它们脱离电线时，也可以依靠柴油行驶。 大型采矿卡车通常是柴油-电动混合动力车。 潜水艇也是混和动力车其中一些是核能-电动，另一些是柴油-电动。 任何车辆，只要结合了两种或以上的动力源，可以直接或间接地产生推力，都是混合动力。 现在的大多数混合动力车都是汽油-电动混合动力车，不过法国汽车制造商标致-雪铁龙计划推出两款柴油-电动混合动力车。 由于在您当地经销商那里看到的一般都是汽油混合动力车，因此我们将在本文中重点关注这种类型的混合动力车。 顾名思义，汽油-电动混合动力车就是汽油驱动汽车和电动汽车的结合体。 我们首先展示几张插图，以解释汽油驱动汽车和电动汽车之间的差别。 汽油驱动汽车有一个油箱，向发动机提供汽油。发动机先转动变速器，变速器再转动车轮。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 汽油驱动汽车将鼠标移到部件上可看到三维效果图。而电动汽车有一组电池，为电动机提供电能。 电动机转动变速器，变速器转动车轮。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 电动汽车将鼠标移到部件上可看到三维效果图。混合动力是一种折衷技术。 它试图提高汽油驱动汽车的燃料经济性，降低其排放，同时又克服电动汽车的缺点。 汽车必须至少满足以下要求，才能给生活带来便利。 汽车应能够： 充足燃料后能行驶至少482公里 补充燃料快捷方便 跟上其他交通工具的速度 汽油驱动汽车能满足这些要求，但它同时也产生了大量污染物，而且一般油耗较大。 不过，电动汽车几乎没有污染，但每次充电后只能行驶80-160公里。 而且，电动汽车的车速很慢，充电也不方便。 汽油-电动汽车将这两种车的设备结合在一起，充分利用了汽油动力和电动力。 混合动力车的结构汽油-电动混合动力车包含以下部件： 汽油机混合动力车上的汽油机与大多数汽车上的汽油机非常类似。 不过，混和动力汽车上的发动机体积较小，使用先进技术来减少排放，提高效率。 油箱混合动力车上的油箱是汽油机的能量存储设备。 汽油的能量密度比电池要高得多。例如，约454公斤的电池所存储的能量只与约4.5升（3公斤）的汽油相当。 电动机混合动力车上的电动机非常复杂。 先进的电子元件使其既能作为电动机，也能作为发电机。 例如，如果需要，它可以从电池中吸取能量，加快车速。 但如果作为发电机，它又能使车辆减速，将能量返回给电池。 发电机发电机类似于电动机，但它仅仅产生电能。 它主要用在串联混和动力上（参见下文）。 电池混合动力车中的电池是电动机的能量存储设备。 与油箱中的汽油不同，汽油只能驱动汽油机，而混和动力汽车上的电动机可以将能量输送到电池，也可以从电池中吸取能量。 变速器混合动力车上的变速器的基本功能与传统汽车上的一样。 一些混和动力车（如本田Insight）使用常规变速器。 另一些混合动力车（如丰田普锐斯）使用的变速器则完全不同，下文将介绍这种变速器。 戴姆勒-克莱斯勒公司供图梅赛德斯-奔驰M级HyPer混合动力概念车您可以将混和动力汽车上的两种动力源以各种不同的方式结合。 一种方式称为并联混和动力，油箱向发动机提供汽油，电池向电动机提供动力。 发动机和电动机可以同时转动变速器，然后变速器转动车轮。 下面的动画显示了典型的并联混合动力。 您会注意到，油箱和汽油机连接到变速器。 电池和电动机也独立地连接到变速器。 因此，在并联混和动力中，电动机和汽油机都可以提供推力。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 并联混合动力车将鼠标移到部件上可看到三维效果图。通过对比，可以看出，在串联混和动力（如下）中，汽油机转动发电机，发电机可以为电池充电，也可以驱动电动机，电动机又驱动变速器。 这样，汽油机永远不会直接驱动车辆。 请看串联混合动力的插图，从油箱开始，您会看到所有部件在一条线上，最终连接到变速器。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 串联混合动力车将鼠标移到部件上可看到三维视图。混合动力车的结构很好地约束了两种动力源，从而提高了效率，并满足大部分人对车的性能要求。 接下来，我们将了解它如何做到这一点。 混合动力车的性能混合动力车的关键是，它的汽油机比普通汽车上的汽油机小得多，因此效率更高。 大多数汽车需要相当大的发动机，才能产生足够的功率来快速提高车速。 不过，在小型发动机中，可以使用更小更轻的部件、减少气缸数量、让发动机更接近最大负载运行，从而提高效率。 小型发动机比大型发动机效率高的原因如下： 大型发动机比小型发动机重，因此汽车每次加速或爬坡时，都会耗费额外的能量。 大型发动机的活塞和其他内部部件更重，每次它们在气缸中上下运动时，需要更多能量。 大型发动机气缸排量更大，因此每个气缸需要更多燃料。 通常，发动机越大，气缸数越多。每次发动机点火时，气缸都要使用燃料，即使汽车静止不动。 这就是为什么相同型号的汽车，如果发动机不同，油耗也不同。 如果两辆车以相同的速度沿着公路行驶，发动机较小的一辆耗能较少。两台发动机为驱动汽车而输出的动力相同，但较小的发动机驱动自身所耗的动力较少。 但是，较小的发动机如何能提供足够的动力，以跟上公路上动力更大的汽车呢？ 让我们将雪佛兰Camaro与混合动力车进行比较，前者具有大型8缸发动机，后者只有小型汽油机和电动机。Camaro的发动机足以对付任何驾驶情况。 混合动力车中的发动机在平坦的公路上是够用的，但如果急加速，或者爬陡坡，就需要帮助了。 而“帮助”则来自电动机和电池这套系统在必要时介入，以提供必需的额外动力。 普通汽车上的汽油机的尺寸是针对峰值功率要求设计的（当您将油门踩到底，就会得到峰值功率，这种情况很少见）。 实际上，大多数驾驶员使用发动机峰值功率的场合不超过百分之一。 混合动力车使用小得多的发动机，其功率接近平均功率要求，但离峰值功率还很远。 除了一个更小更高效的发动机以外，如今的混和动力汽车还使用很多其他手段来提高燃料经济性。 其中一些手段可应用于所有汽车，而另外一些只适用于混和动力车。 为了最大限度利用每升汽油的能量，混和动力汽车可以： 恢复能量并存储在电池中只要踩下车内的制动踏板，就在取走汽车的能量。 车速越快，它拥有的动能越大。 汽车的制动器取走了这部分能量，并以热的形式散发出去。 混合动力车可以通过“再生制动”捕获这种能量的一部分，将它存储在电池中以供稍后使用。 所谓“再生制动”，即它不是仅使用制动器来将车制动，驱动混合动力车的电动机也能使车辆减速。 通过这种方式，电动机可作为发电机，在汽车减速时为电池充电。 有时关闭发动机混合动力车不需要每时每刻都依赖汽油机，因为它有替代能源电动机和电池。 因此，混和动力汽车有时可以关闭汽油机，例如，当遇到红灯停车时。 小型和大型汽车的正面区域轮廓 使用先进的空气动力学原理减小阻力当您在公路上行驶时，发动机的主要工作是克服空气阻力。 空气阻力也称气动阻力。 有多种方法可以减小气动阻力。 其中一种方法是减小汽车的正面面积。 设想一下，一辆大型SUV与一辆小型运动汽车相比，前者要克服的空气阻力要大得多。 减小或者完全消除伸出车辆的物体也有助于改进气动性能。 例如，轮壳上的盖子可以让气流平稳，从而减小阻力。 有时，可以将后视镜用小摄像头代替。 使用低滚动阻力的轮胎大多数汽车上的轮胎经过优化，可以行驶平稳，将噪音降到最低，并在各种气候条件下提供良好的牵引力。 但它们很少针对效率进行优化。 实际上，轮胎在行驶时造成的阻力相当大。 混和动力汽车使用特殊的轮胎，这种轮胎的硬度和胎压都比传统轮胎大。 其结果是，它们的阻力只有传统轮胎的一半左右。 使用轻型材料减小汽车的总重量也是降低油耗的一种简单方法。 车辆越轻，加速或爬坡时耗能就越少。 可以使用碳素纤维之类的合成材料，或者铝、镁之类的轻型材料来减小车重。 市场上的所有混合动力车都部分或全部应用了以上这些手段。 截至2006年1月，美国市场上共有十款混合动力车： 混合动力车型MPG 城市/公路雪佛兰西尔维拉多Hybrid7.2/8.4福特翼虎Hybrid14.4/12.4GMC Sierra Hybrid7.2/8.4本田雅阁Hybrid12/14.8本田思域Hybrid19.6/20.4本田Insight24/26.4雷克萨斯RX Hybrid13.2/11.2Mercury Mariner Hybrid13.2/11.6丰田汉兰达Hybrid13.2/11.2丰田普锐斯24/20.4资料来源： FuelE下面我们来仔细了解一下本田Insight和丰田普锐斯的技术。 尽管这两款汽车都是改良型并联混和动力，但它们实际上有很大不同。 Consumer Guide and Publications International, Ltd. 供图2006本田Insight（左）和2006丰田普锐斯本田Insight和丰田普锐斯都配有汽油机、电动机和电池，但相似性仅限于此。 本田Insight于2000年初在美国问世，其设计目标是获得最佳里程。 本田公司千方百计使汽车的效能达到最高。Insight是一款小型轻量两座汽车，配有微型高效汽油机。Insight在市场上的所有混合动力车中，具有最佳EPA里程排名。 丰田普锐斯于1997年底在日本问世，其设计目标是减少汽车在市区的排放物。 它满足加利福尼亚州的超低排放车 (SULEV) 标准。 它是一款五座四门汽车，其传动系可以在仅使用电能的情况下，将车辆加速到24公里/小时。 这更有利于城市路况油耗。 普锐斯是2004年的北美年度汽车。 下面我们看看这两款车的发动机舱。 仅仅是相对而言在上表中，您可能注意到，混和动力皮卡GMC Sierra和雪佛兰Chevy西尔维拉多的油耗并不佳7.2/8.4 可以算耗油大户。不过它们的非混和动力版本的EPA里程估计值是6.4/8，因此混合动力系的确对燃料经济性有少量提升。本田Insight vs丰田普锐斯本田Insight本田Insight采用简化的并联混和动力。 它有一个电动机，在飞轮位置连接到发动机。本田称此系统为“集成电动机辅助装置”。Insight可装配传统的五速手动变速器或者自动CVT（无级变速器）。 Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 本田Insight的布局将鼠标移到部件上可看到三维效果图。Insight上的电动机有以下作用。它能： 辅助汽油机，在汽车加速或爬坡时提供额外动力 提供再生制动，在制动时捕获能量 起动发动机，从而不需要起动机 不过，电动机不能单独为汽车提供动力；必须运行汽油机才能推动汽车。 为获得最佳油耗，本田使用了前面介绍的所有提高效率的手段。 但是Insight主要还是依赖以下三种手段： 尽可能降低重量本来体积就已经很小，Insight还使用轻型铝制车身和结构，进一步降低重量。 由于降低了车身重量，本田可以使用更小更轻的发动机，但仍能保持所期望的性能水平。Insight的重量不到862公斤，比最轻的本田思域还要轻227公斤。 它使用小型高效发动机如下图所示，Insight中的发动机仅重56公斤，是一款微型的1.0升三缸发动机，在5,700转/分时的功率为67马力。 它采用了本田的VTEC系统，使用贫燃技术，尽可能提高经济性。 Insight的EPA里程额定值为24公里/升/城市路况和26.4公里/升/公路路况。而且，有了小型电动机提供的附加动力，此系统能在约11秒内将Insight从0加速到100公里/小时。 本田Insight发动机 在电动机运行的情况下，Insight在5,700转/分时能产生73马力的功率。 如果将它与发动机单独运行时的功率相比，似乎电动机仅增加了6马力功率。 但电动机真正起作用时是在发动机转速较低时。Insight在3,000转/分时的额定功率为10千瓦（约13马力）。 真正吸引我们的是峰值扭矩。如果没有电动机，Insight在4,800转/分时达到的峰值扭矩为89.4牛顿米。有了电动机后，它在1,500转/分时的扭矩为107牛顿米。 因此，电动机在发动机较弱的低速段增加了很大扭矩。 这使得本田的小型发动机让人产生了大型发动机的感觉。 它使用先进的空气动力学原理本田Insight的设计使用了经典的流线形： 汽车的后部比前部窄。 （请注意，真正的水珠在空气动力学上并不是这样。） 后轮部分被车身覆盖，以获得更平滑的造型，汽车下侧的某些部位用塑料面板包围。 这些手段得到了0.25的阻力系数，使其成为市场上空气动力学性质最佳的汽车之一。 Insight其实和传统汽车并没有太大不同。 当您加速时，汽油机做大部分的功。 如果迅速加速，电动机开始介入，提供少量额外功率。 当您沿公路巡航时，汽油机做全部的功。 当您踩刹车或松油门减速时，电动机开始介入，生成少量电量，为电池充电。 永远不必将Insight插到插座中来充电；电动机会生成为电池充电所需的全部动力。 Insight中值得注意的一件有趣的事是，手动变速器通过离合器与发动机和电动机分离。 这意味着，如果您喜欢在减速或停车时将离合器或汽车挂到空挡，就不会得到任何的再生制动。 为了在减速时恢复能量，汽车必须正常运转。 下面我们来了解丰田普锐斯的技术。 它的工作原理与Insight截然不同。 丰田普锐斯丰田普锐斯的一个主要设计目标是减少汽车在市区的排放物。 为此，丰田公司设计了一种并联式混和动力传动系，称为“丰田混和动力系统”(THS)，该系统吸收了串联式混合动力的某些优点。 与本田公司不同，丰田公司的侧重点在于如何使传动系达到排放和行驶里程目标。普锐斯重约1315公斤，内部空间和行李箱与丰田卡罗拉一样大。 以下是所有部件的布局： Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 普锐斯的布局将鼠标移到部件上可看到三维效果图。普锐斯主要依靠以下两点来优化效率和减少排放： 发动机仅以有效速度和负载运行为减少排放物，普锐斯在接入汽油机之前可以加速到24公里/小时。 发动机只在车速超过某个特定速度时起动。 一旦发动机起动，它会在很窄的速度范围内运行。 使用独特的动力分配装置可以将汽油机调节为在某个速度和负载范围内，从而运行效率达到最高。 下面我们讲述普锐斯的动力分配装置，这一装置可以使发动机在大部分时间处于最有效的负载和速度范围内。 丰田公司设计的普锐斯1.5升发动机最大转速只有5000转/分，到但产生的功率却可以达到76马力。 保持较低的发动机最大转速有助于使用较轻的部件以提高效率。 普锐斯的电动机在1200-1540转/分之间的额定功率为67马力。 它在0-1200转/分范围内产生295英尺-磅（1英尺-磅=1.36牛顿-米）的扭矩，该扭矩足以使汽车开动而不需要汽油机。 动力分配装置是丰田普锐斯的核心。 它是一个巧妙的齿轮箱，可以将汽油机、发电机和电动机进行关联。 它允许汽车像并联混合动力那样运行电动机和汽油机都可以单独驱动汽车，也可以一起驱动汽车。 动力分配装置还允许汽车像串联混合动力车那样运行，即汽油机的运转不依赖于车速，在需要时为电池充电或为车轮提供动力。 它还充当无级变速器 (CVT)，从而不需要手动或自动变速器。 最后，由于动力分配装置允许发电机起动发动机，因此汽车不需要起动机。 动力分配装置是一个行星齿轮组（如下所示）。 电动机与齿轮组的齿圈连接。 它还直接连接到差速器，差速器驱动车轮。 因此，电动机和齿圈的转速决定了车速。 普锐斯行星齿轮组发电机与齿轮组的太阳轮连接，发动机与行星架连接。 齿圈的速度取决于这三个部件，因此所有部件必须始终共同运转，以便控制输出速度。 加速时，一开始是由电动机和电池提供全部动力。 动力分配装置的齿圈与电动机连接，因此它开始随电动机转动。因为发动机没有运转 所以与发动机连接的行星架静止不动。 由于齿圈在转动，因此行星齿轮也在转动，从而使得太阳轮和发电机转动。 汽车加速时，发电机以所需速度转动，以使发动机处于非运转状态。 如图所示： Your browser does not support JavaScript or it is disabled. 随着汽车从0加速到48公里/小时，注意普锐斯的动力分配装置一旦达到大约64公里/小时，汽油机会起动。 发电机突然改变转速，致使行星架转动，从而起动发动机。 一旦发动机运行，它会保持恒定转速，而发电机变化自己的转速，以匹配电动机的输出速度。 如果加速很困难，电动机会从电池吸取额外动力。 一旦加速到公路车速，汽车会在汽油机和电动机的共同驱动下行驶，所有电量都来自发电机。 与Insight一样，普锐斯从来不需要充电；车载发电机自动维持电池中的电量水平。 本田和丰田都为其混和动力部件提供了很长的保修期。Insight为包括电池在内的大部分传动系部件提供了8年13万公里的保修期，普锐斯为电池和混合动力系统提供了8年16万公里的保修期。 这两款车上的电动机和电池在车的使用寿命期间不需要任何维护（不过，如果您需要在保修期到期后更换电池，可能需要花费数千美元）。 它们的发动机只需像普通汽车的发动机那样维护即可。而且，由于这两种混合动力都有再生制动，制动踏板的使用寿命可能比大多数普通汽车的还要略长。 使用混合动力肯定比单纯使用汽油机动力和电动力要复杂。 接下来，我们将解释为何混合动力技术既有利于消费者，也有利于汽车制造商。 混合动力车产生的原因？您可能会问，既然大部分人对汽油驱动的汽车都非常满意，为何还会有人会造出这么复杂的一个机器呢？ 原因有两个：减少尾气排放，降低油耗。 这两个目标实际上是可以一起实现的。 让我们以加利福尼亚州的排放标准为例，这些标准规定了在加利福尼亚，汽车允许排放的每类污染的最大量， 单位为克/公里。 例如，低排放车(LEV)标准允许排放2.1克/公里一氧化碳。 问题的关键是，允许的污染物排放量并不取决于车的油耗。 不过，如果车的油耗加倍，排放的污染物大概也加倍。 必须用车上的排放控制装置来消除污染。 因此，降低车的油耗是减少排放的最可靠方法。 二氧化碳是汽车产生的另一种污染物。 美国政府并没有对其进行管制，但科