顏家瑞（長(zhǎng)沙市南雅中學(xué)，湖南長(zhǎng)沙市410000）

汽車(chē)動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展及其架構(gòu)變化

顏家瑞（長(zhǎng)沙市南雅中學(xué)，湖南長(zhǎng)沙市410000）

對(duì)比分析了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)和各種新能源汽車(chē)在動(dòng)力總成架構(gòu)上的差異，探討了由此帶來(lái)的各自在性能，配置和控制方式的不同，加深了對(duì)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的理解。

動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)；內(nèi)燃機(jī)；混合動(dòng)力；燃料電池

1　前言

汽車(chē)是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)最重大的成就之一。然而，全世界大量汽車(chē)的應(yīng)用，已經(jīng)產(chǎn)生并正在繼續(xù)引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境與人類生存問(wèn)題。大氣污染，全球變暖，以及地球石油資源的迅速消減，都迫使人們要加強(qiáng)車(chē)輛動(dòng)力技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，發(fā)展高效、清潔和安全的運(yùn)輸工具。因此，近年來(lái)特別是近十年來(lái)，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池車(chē)等技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，很多使用新能源技術(shù)的汽車(chē)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。

本文希望對(duì)比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)及各種新能源汽車(chē)在動(dòng)力總成架構(gòu)上的差異，探討和分析由此帶來(lái)的性能，配置及控制方式的差異，以期更好地認(rèn)識(shí)日新月異的新技術(shù)并加深對(duì)高中物理課本知識(shí)的理解。

2　傳統(tǒng)動(dòng)力技術(shù)與新能源技術(shù)的架構(gòu)分析

2.1傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)架構(gòu)及其工作原理

傳統(tǒng)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源于內(nèi)燃機(jī)。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)一段時(shí)間里，內(nèi)燃機(jī)仍然是主要的車(chē)輛動(dòng)力輸出裝置。

內(nèi)燃機(jī)是一個(gè)由多個(gè)子系統(tǒng)組成的裝置，包括動(dòng)力 （曲軸、連桿、活塞和氣缸），進(jìn)氣和排氣（空氣濾清器、節(jié)氣門(mén)、進(jìn)排氣歧管、進(jìn)氣和排氣門(mén)，以及氣門(mén)控制凸輪），燃油供應(yīng)（燃油箱、燃油泵和噴油器），點(diǎn)火（蓄電池、點(diǎn)火線圈、火花塞），冷卻（冷卻劑、水泵和散熱器）及潤(rùn)滑各子系統(tǒng)。

通過(guò)空氣濾清器過(guò)濾的新鮮空氣在進(jìn)氣歧管內(nèi)與噴油器噴出的燃油混合，形成油氣混合物進(jìn)入氣缸。點(diǎn)火線圈控制火花塞在指定時(shí)刻產(chǎn)生電火花，引爆油氣混合物燃燒產(chǎn)生熱量，使氣缸內(nèi)的溫度和壓力迅速增加。于是，活塞被擠壓向下運(yùn)動(dòng)，而連桿將活塞的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)變速器的不同變比，車(chē)輪就能以不同的速度向前行進(jìn)。

雖然近年來(lái)隨著油耗和排放要求的提高，汽油內(nèi)燃機(jī)在進(jìn)氣方式（可變進(jìn)氣岐管，增壓或渦輪增壓），噴油方式（缸內(nèi)直噴，稀薄燃燒），配氣方式（可變氣門(mén)正時(shí)）及智能點(diǎn)火上都有諸多發(fā)展，但其基本的架構(gòu)和工作原理并沒(méi)有變化。

2.2新能源動(dòng)力技術(shù)架構(gòu)及其工作原理

目前人們公認(rèn)的新能源動(dòng)力技術(shù)車(chē)大體包含純電動(dòng)汽車(chē)，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和由燃料電池供電的各類驅(qū)動(dòng)系運(yùn)輸工具。

2.2.1純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系架構(gòu)及其工作原理

電動(dòng)汽車(chē)采用電動(dòng)機(jī)為牽引裝置，并應(yīng)用化學(xué)蓄電池組，燃料電池組，超級(jí)電容器組為其相應(yīng)的能源。電動(dòng)汽車(chē)具有勝過(guò)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的許多優(yōu)點(diǎn)，例如零排放、高效率，以及安靜平穩(wěn)的運(yùn)行。

圖1所示的是電動(dòng)車(chē)電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成。整車(chē)控制器用于提供合適的控制信號(hào)；功率轉(zhuǎn)換器用于電能的轉(zhuǎn)換；電動(dòng)機(jī)用于把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能；變速器通過(guò)調(diào)節(jié)變速齒輪的變比，調(diào)節(jié)車(chē)速和輸出扭矩的變化；能量?jī)?chǔ)存用于儲(chǔ)存電能，如電池；能量管理單元配合整車(chē)控制器用于再生制動(dòng)能量的管理和回收，并監(jiān)控能源的使用性能，如電池管理系統(tǒng)。

由于在電驅(qū)動(dòng)特性和能源方面的多樣性，會(huì)衍生出許多不同的電動(dòng)車(chē)結(jié)構(gòu)型式，而各種不同的結(jié)構(gòu)型式又導(dǎo)致了不同的電動(dòng)車(chē)在性能上的諸多不同。但作為純電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，都是用電動(dòng)機(jī)取代內(nèi)燃機(jī)，并且依靠電動(dòng)機(jī)在大范圍轉(zhuǎn)速變化中所具有的恒定功率特性，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)系的控制，也減少了在調(diào)速過(guò)程中對(duì)變速器的依賴。

圖1　E V C o nf i gurat io n電動(dòng)車(chē)架構(gòu)

2.2.2混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系架構(gòu)及其工作原理

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系通常由不多于兩個(gè)的動(dòng)力系組成，多于兩個(gè)動(dòng)力系的結(jié)構(gòu)將使系統(tǒng)復(fù)雜化。動(dòng)力系可以是內(nèi)燃機(jī)；氫-燃料電池-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；化學(xué)蓄電池-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等。當(dāng)其攜帶有電氣的動(dòng)力系（能源及其能量變換器）時(shí)，就稱作混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)。

在某一時(shí)刻動(dòng)力系1和動(dòng)力系2可以單獨(dú)向負(fù)載提供動(dòng)力，也可同時(shí)向負(fù)載提供動(dòng)力。通過(guò)能量轉(zhuǎn)換器，動(dòng)力系2可以從動(dòng)力系1獲得功率，也可以通過(guò)再生制動(dòng)控制系統(tǒng)從負(fù)載獲得功率。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)在架構(gòu)上大致可以分為以下幾類：

串聯(lián)式混合型車(chē)輛的動(dòng)力最終來(lái)源于電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)兩種途徑獲得功率輸入：①通過(guò)蓄電池及電力電子變換器直接獲得電能；②通過(guò)內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)電力電子變換器的轉(zhuǎn)換送入電動(dòng)機(jī)。

并聯(lián)式混合型車(chē)輛的動(dòng)力來(lái)源則有所不同，內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)各自獨(dú)立運(yùn)行，都可以作為傳動(dòng)裝置的動(dòng)力來(lái)源。

混聯(lián)式混合型在并聯(lián)式混合型的基礎(chǔ)上可以通過(guò)內(nèi)燃機(jī)拖動(dòng)的發(fā)電機(jī)通過(guò)電力電子變換器給蓄電池供電，實(shí)現(xiàn)蓄電池組的快速充電。

復(fù)合式混合型則可以通過(guò)多電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)速度耦合和扭矩耦合，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩完全或部分與車(chē)輪解耦。

圖2

2.2.3燃料電池車(chē)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)及其工作原理

與化學(xué)蓄電池相比，燃料電池產(chǎn)生電能而不儲(chǔ)存電能，并且只要維持燃料供給，它將繼續(xù)運(yùn)行。相比于配置蓄電池的電動(dòng)汽車(chē)，配置燃料電池的車(chē)輛具有行程較長(zhǎng)，而無(wú)需過(guò)長(zhǎng)的蓄電池充電時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)；相比于內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛，它又具有高能量效率和低排放的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槠淙剂现械淖杂赡苤苯愚D(zhuǎn)換為電能，而不經(jīng)歷燃燒過(guò)程。

如果把燃料電池看作一個(gè)反應(yīng)堆，通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆影響因素（如空氣量，燃料流量，反應(yīng)堆溫度等）的控制，就可按實(shí)際需求調(diào)節(jié)輸出電流的大小。再通過(guò)電力電子變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓及電流的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3　對(duì)架構(gòu)分析結(jié)果的理解和認(rèn)識(shí)

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力與新能源動(dòng)力車(chē)輛在驅(qū)動(dòng)系架構(gòu)上存在很大的差異，對(duì)于每一種架構(gòu)都有一些影響控制效果的外在因素，如何認(rèn)識(shí)這些外在因素和局限的影響，并且通過(guò)技術(shù)手段來(lái)改善和提高性能，這中間還有許多值得研究和探討的課題。而且此次對(duì)于車(chē)輛動(dòng)力技術(shù)架構(gòu)的分析，也未涉及到車(chē)輛動(dòng)力系的具體實(shí)現(xiàn)及控制策略。我想，這些都是我以后研究的方向，也是驅(qū)動(dòng)我加強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力。

[1]李朝暉，楊新華.汽車(chē)新技術(shù).重慶大學(xué)出版社，2004.

[2]舒 華，姚國(guó)平.汽車(chē)新技術(shù).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[3]邢忠義.汽車(chē)新結(jié)構(gòu)與新技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]姜玉波.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造.北京大學(xué)出版社，2006.

[5]倪光正，倪培宏，熊素銘.現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)——基本原理、理論和設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

U462

A

2095-2066（2016）31-0273-02

2016-10-19

顏家瑞（1999-），男。