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摘要：环境保护近年来被世界各国越来越重视，燃油发动机被替代的方案层出不穷。但经过长时间的实践应用，目前比较实用并且已经商业化的只有混合动力汽车。混合动力汽车能得到发展得益于良好的燃油经济性，并且达到超低污染的环保标准，故社会保有量越来越大。本文介绍了混合动力汽车的类别、主要构成以及工作过程，并分析了未来发展趋势。
关键词：汽车;混合动力;工作原理;发展前景
中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2020）20-0047-02
0 引言
目前，拥有两种及以上动力源的汽车就叫做混合动力汽车，复合动力汽车是指使用一种或多种动力源的车辆。通常所说的混合动力汽车，一般多指油电混合动力的汽车，即使用燃油机和电动机作为动力源，燃油机包括柴油机、汽油机以及使用压缩天然气、丙烷替代燃料的发动机，这样的发动机经过专门的改造，也具有一定的环保性。根据相关学者的研究，传统内燃机排放的废气对大气环境造成了污染，在80%的道路条件下内燃机只能输出40%的动力，城市道路由于交通拥堵，只能输出25%的动力。纯电动汽车目前由于电池续航方面存在较大问题，并且充电装置也没有得到普及，并且电池造成的环境污染还没有办法评估，所以纯电动汽车的推广普及还需要一段时间。那么混合动力的汽车得到了很大的发展，兼顾了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，导致发动机的热效率至少提高10%以上，同时排放的废气污染物能够减少30%以上。故本文对混合汽车的组成进行重要阐述，并介绍混合动力汽车的分类，对未来混合动力汽车的发展前景进行分析。
1 混合动力汽车的分类
混和动力汽车通常有电动驱动单元和辅助动力单元组成，辅助动力单元通常采用一台发动机或者发动机组。在车辆刚起步阶段，主要是电动驱动单元工作，一旦达到一定速度，辅助动力单元就会介入工作。这样就会导致排放的废气少，热效率高，延长了蓄电池的使用寿命，同时车辆提速快，增大了行驶里程。根据混合动力驱动的连接方式不同，一般分为串联式混合动力、并联式混合动力和混联式混合动力三种。
1.1 串联式混合动力汽车
如图1所示，串联式混合动力汽车内只有一套电力驱动系统，这套动力系统有发动机、发电机、驱动电机三大动力总成，这三套动力系统串联成为动力系统。汽车在行驶时，发动机工作带动发电机，发电机给蓄电池充电，蓄电池储存电能，在电动机工作时，将电能经功率转换器传递给电动机，用于给车辆提供驱动力[1]。串联式混动汽车，动力全部来源于电动机，特别适合于城市道路中频繁起步以及速度较低的情况，发动机不直接驱动车轮，将动力传递给发电机，整个驱动过程中，蓄電池在低油耗的高效工作区域处于充电状态。这样的动力系统在公交车和卡车上应用较多，因为其机械结构简单，油耗可以降低。但是由于系统环节较多，动力要经过两次传递才能到车轮，能量在传递过程中损耗比较多，导致机械效率低，尤其在高速路况下，油耗反而会增加。
1.2 并联式混合动力汽车
并联式混合动力汽车动力总成中发动机和发电机会在汽车行驶过程中，实现动力的叠加输出，也可以单独输出[2]。如图2所示，就是在普通的内燃机汽车上加装了一套电能驱动系统。当车辆处于起步阶段，主要是电动机在工作，当车辆达到一定速度后，发动机为整车提供驱动力，当车辆需要较大转矩时，发动机和电动机同时工作。并联式混合动力系统低速时，基本采用纯电动模式，高速时使用发动机直接驱动，此时燃油效率较高;与串联相比，并联结构采用了功率较小的电池和电动机，减少了整车的成本和质量。在纯电动模式时，汽车的噪音较低，加速度快，使用成本小。在混动模式下，起步加速性能出色，但是发动机有可能不是在最佳转速下工作，有可能导致油耗偏高。
1.3 混联式混合动力汽车
混联式混合动力汽车综合串并联式结构优点，结构并没有变化，也是由发动机、发电机和电动机三大动力总成构成。如图3所示，发动机和发电机时串并联结构，发动机输出的功率不仅传递给车轮，同时也传递给发电机发电。整个汽车，有两套驱动系统，两个电机，一个电动机直接驱动车轮，另一个电机具有双重角色，当汽车处于极限性能时，直接将动力输入到车轮[3];当蓄电池电力不足时，充当发电机，直接给蓄电池充电。因此混联式混合动力汽车具有两种工作模式，当汽车处于极限工况时，采用串联式工作，汽车在高速路段行驶时，采用并联式工作。混联式结合了串联和并联的优点，让汽车处在不同工况下，都能做到效率高、污染气体排放低。但由于混联式混合动力汽车结构比较复杂，导致车辆重量较大，同时由于工作模式复杂，控制系统比较复杂，成本较高。
2 混合动力汽车的结构组成
2.1 发动机
目前，汽车上主要的动力装置就是内燃机，混合动力汽车主要的电源也是内燃机，因为本身汽车外部没有动力输入，与纯电动汽车还是有较大区别。混合动力汽车对发动机要求较高，发动机处于较高功率运转，同时不需要变换功率输出，目前针对混合动力汽车专门研发的发动机还没有研发。混合动力汽车广泛采用二冲程内燃机、转子发动机、四冲程内燃机等。在同等情况下，转子发动机以及燃气轮机的燃烧热效率相对较高，同时排放的废弃物较少，对环境污染较少，依据具体情况采用不同的发动机。 2.2 电动机
混合动力汽车上的电动机，可以让汽车在不同模式下运转。可以作为辅助动力，也可以作为主动力，但总体还是辅助动力。比如在低速或者起步阶段，电动机充当主要动力，汽车处于纯电动模式，基本实现“零污染”;当汽车处于较大扭矩的时候，电动机充当辅助动力，可以降低汽车的油耗和废气的排放。电动机的种类比较多，有直流和交流感应电动机，永磁和开关磁阻电动机等。目前使用较多的是水磁电动机以及感应电动机，使用不同的电动机，就可以组成不同的混合动力汽车。
2.3 电池
混合动力汽车一般都配备有两套蓄电池系统，一个是12V直流蓄电池系统，主要为车上的用电器提供电能，另一个就是高压直流动力电池系统，它经过D/CDC转换器将直流转换后给电机提供交流电能，同时它还将存储电机发电所产生并经DC/DC转换器转换后的直流电。高压直流蓄电池系统储存电量和电压，输出的值会根据系统的要求而不停的变化，混合动力汽车的高压直流蓄电池从36V至600V以上不等，所有混合动力设计采用串联连接的蓄电池都是获取所需的直流电源电压。
3 混合动力汽车的工作过程
3.1 电力驱动
目前，混合动力汽车对发动机工作的时间有控制，汽车处于低速行驶或者刚起步阶段，发动机是处于不工作的状态，主要消耗的是蓄电池积累的电能。当车辆处于低速或者刚起步阶段，车辆的发动机机械效率很低，不能发挥发动机做功的优势，反而会导致汽车产生的废气较多，污染环境。
3.2 发动机自动启停
普通汽车在正常情况下启动，蓄电池提供的低电压让可燃混合气在气缸内被火花点燃从而实现发动机的启动工作。发动机转速从0快速提升到200r/min，这个过程一般持续2s。发动机的启动过程，为了快速提高转速，会消耗较多的可燃混合气，同时产生较多的废气，发动机没在最合适的转速工作。但是混合动力汽车与传统汽车启动的过程完全不一样，混合动力汽车的启动过程完全由电动机来完成，电动机的功率较大，持续时间只有300ms，发动机的转速会很快提升到600r/min，启动过程中没有尾气排放，极大减少对环境的污染。同时为了降低油耗和排放，混合动力汽车在空挡或者临时停车的情况下，发动机处于停机状态。
3.3 一般行驶
混合动力汽车，发动机还是主要动力源，电动机只是輔助动力。当汽车正常行驶时，发动机处于正常工作状态，热效率高，油耗较低，尾气排放较少。同时发动机的热效能一部分传递给发电机，产生的电能储存在蓄电池。
3.4 再生制动
混合动力汽车的制动过程，是动能转换成电能的过程，实现了能量的循环再利用，蓄电池会有一个充电的过程，电动机就变成了发电机。假设有一辆质量为1.5吨的轿车，它以65km/h的初速度开始制动，整车动能有280KJ，能量能够被蓄电池全部吸收，驱动车辆行驶1.8km。
4 混合动力汽车发展趋势
混合动力汽车具有燃油车和电动车的优点，油耗低、排放量低以及性价比高，目前技术也比较成熟。因混合动力汽车的电池容量不高，仅仅为纯电动汽车的10%，被划分到了电动汽车的行列。结合我国车辆保有量较大且空气污染较大的实际情况，应当加大对混合动力汽车普及力度，不但可以降低汽车的使用成本，同时还可以减低废气排放，达到环境保护的目的。但是目前有成本比较高的缺点，比普通小轿车价格略高，所以降低成本是混合动力汽车首要解决的问题，也是提高行业内竞争力的关键。混合动力汽车的技术日趋成熟，动力系统不断更新换代，对汽车性能的提高起到决定性作用;高效一体化电力驱动系统的出现，逐步取代了传统直流电机，避免之前出现的缺点。在混合动力汽车发展的进程中，模块化和平台化的发展趋势更为突出，将会拥有更加广阔的发展空间。
参考文献：
[1]舒红，秦大同，胡建军.混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势[J].重庆大学学报，2001，24（6）：28-31.
[2]钟博浩.并联式混合动力汽车能量分配研究[D].长春工业大学，2017.
[3]于永涛.混联式混合动力车辆优化设计与控制[D].吉林大学，2010.
关键词：汽车;混合动力;工作原理;发展前景
中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2020）20-0047-02
0 引言
目前，拥有两种及以上动力源的汽车就叫做混合动力汽车，复合动力汽车是指使用一种或多种动力源的车辆。通常所说的混合动力汽车，一般多指油电混合动力的汽车，即使用燃油机和电动机作为动力源，燃油机包括柴油机、汽油机以及使用压缩天然气、丙烷替代燃料的发动机，这样的发动机经过专门的改造，也具有一定的环保性。根据相关学者的研究，传统内燃机排放的废气对大气环境造成了污染，在80%的道路条件下内燃机只能输出40%的动力，城市道路由于交通拥堵，只能输出25%的动力。纯电动汽车目前由于电池续航方面存在较大问题，并且充电装置也没有得到普及，并且电池造成的环境污染还没有办法评估，所以纯电动汽车的推广普及还需要一段时间。那么混合动力的汽车得到了很大的发展，兼顾了传统内燃机汽车和纯电动汽车的优点，导致发动机的热效率至少提高10%以上，同时排放的废气污染物能够减少30%以上。故本文对混合汽车的组成进行重要阐述，并介绍混合动力汽车的分类，对未来混合动力汽车的发展前景进行分析。
1 混合动力汽车的分类
混和动力汽车通常有电动驱动单元和辅助动力单元组成，辅助动力单元通常采用一台发动机或者发动机组。在车辆刚起步阶段，主要是电动驱动单元工作，一旦达到一定速度，辅助动力单元就会介入工作。这样就会导致排放的废气少，热效率高，延长了蓄电池的使用寿命，同时车辆提速快，增大了行驶里程。根据混合动力驱动的连接方式不同，一般分为串联式混合动力、并联式混合动力和混联式混合动力三种。
1.1 串联式混合动力汽车
如图1所示，串联式混合动力汽车内只有一套电力驱动系统，这套动力系统有发动机、发电机、驱动电机三大动力总成，这三套动力系统串联成为动力系统。汽车在行驶时，发动机工作带动发电机，发电机给蓄电池充电，蓄电池储存电能，在电动机工作时，将电能经功率转换器传递给电动机，用于给车辆提供驱动力[1]。串联式混动汽车，动力全部来源于电动机，特别适合于城市道路中频繁起步以及速度较低的情况，发动机不直接驱动车轮，将动力传递给发电机，整个驱动过程中，蓄電池在低油耗的高效工作区域处于充电状态。这样的动力系统在公交车和卡车上应用较多，因为其机械结构简单，油耗可以降低。但是由于系统环节较多，动力要经过两次传递才能到车轮，能量在传递过程中损耗比较多，导致机械效率低，尤其在高速路况下，油耗反而会增加。
1.2 并联式混合动力汽车
并联式混合动力汽车动力总成中发动机和发电机会在汽车行驶过程中，实现动力的叠加输出，也可以单独输出[2]。如图2所示，就是在普通的内燃机汽车上加装了一套电能驱动系统。当车辆处于起步阶段，主要是电动机在工作，当车辆达到一定速度后，发动机为整车提供驱动力，当车辆需要较大转矩时，发动机和电动机同时工作。并联式混合动力系统低速时，基本采用纯电动模式，高速时使用发动机直接驱动，此时燃油效率较高;与串联相比，并联结构采用了功率较小的电池和电动机，减少了整车的成本和质量。在纯电动模式时，汽车的噪音较低，加速度快，使用成本小。在混动模式下，起步加速性能出色，但是发动机有可能不是在最佳转速下工作，有可能导致油耗偏高。
1.3 混联式混合动力汽车
混联式混合动力汽车综合串并联式结构优点，结构并没有变化，也是由发动机、发电机和电动机三大动力总成构成。如图3所示，发动机和发电机时串并联结构，发动机输出的功率不仅传递给车轮，同时也传递给发电机发电。整个汽车，有两套驱动系统，两个电机，一个电动机直接驱动车轮，另一个电机具有双重角色，当汽车处于极限性能时，直接将动力输入到车轮[3];当蓄电池电力不足时，充当发电机，直接给蓄电池充电。因此混联式混合动力汽车具有两种工作模式，当汽车处于极限工况时，采用串联式工作，汽车在高速路段行驶时，采用并联式工作。混联式结合了串联和并联的优点，让汽车处在不同工况下，都能做到效率高、污染气体排放低。但由于混联式混合动力汽车结构比较复杂，导致车辆重量较大，同时由于工作模式复杂，控制系统比较复杂，成本较高。
2 混合动力汽车的结构组成
2.1 发动机
目前，汽车上主要的动力装置就是内燃机，混合动力汽车主要的电源也是内燃机，因为本身汽车外部没有动力输入，与纯电动汽车还是有较大区别。混合动力汽车对发动机要求较高，发动机处于较高功率运转，同时不需要变换功率输出，目前针对混合动力汽车专门研发的发动机还没有研发。混合动力汽车广泛采用二冲程内燃机、转子发动机、四冲程内燃机等。在同等情况下，转子发动机以及燃气轮机的燃烧热效率相对较高，同时排放的废弃物较少，对环境污染较少，依据具体情况采用不同的发动机。 2.2 电动机
混合动力汽车上的电动机，可以让汽车在不同模式下运转。可以作为辅助动力，也可以作为主动力，但总体还是辅助动力。比如在低速或者起步阶段，电动机充当主要动力，汽车处于纯电动模式，基本实现“零污染”;当汽车处于较大扭矩的时候，电动机充当辅助动力，可以降低汽车的油耗和废气的排放。电动机的种类比较多，有直流和交流感应电动机，永磁和开关磁阻电动机等。目前使用较多的是水磁电动机以及感应电动机，使用不同的电动机，就可以组成不同的混合动力汽车。
2.3 电池
混合动力汽车一般都配备有两套蓄电池系统，一个是12V直流蓄电池系统，主要为车上的用电器提供电能，另一个就是高压直流动力电池系统，它经过D/CDC转换器将直流转换后给电机提供交流电能，同时它还将存储电机发电所产生并经DC/DC转换器转换后的直流电。高压直流蓄电池系统储存电量和电压，输出的值会根据系统的要求而不停的变化，混合动力汽车的高压直流蓄电池从36V至600V以上不等，所有混合动力设计采用串联连接的蓄电池都是获取所需的直流电源电压。
3 混合动力汽车的工作过程
3.1 电力驱动
目前，混合动力汽车对发动机工作的时间有控制，汽车处于低速行驶或者刚起步阶段，发动机是处于不工作的状态，主要消耗的是蓄电池积累的电能。当车辆处于低速或者刚起步阶段，车辆的发动机机械效率很低，不能发挥发动机做功的优势，反而会导致汽车产生的废气较多，污染环境。
3.2 发动机自动启停
普通汽车在正常情况下启动，蓄电池提供的低电压让可燃混合气在气缸内被火花点燃从而实现发动机的启动工作。发动机转速从0快速提升到200r/min，这个过程一般持续2s。发动机的启动过程，为了快速提高转速，会消耗较多的可燃混合气，同时产生较多的废气，发动机没在最合适的转速工作。但是混合动力汽车与传统汽车启动的过程完全不一样，混合动力汽车的启动过程完全由电动机来完成，电动机的功率较大，持续时间只有300ms，发动机的转速会很快提升到600r/min，启动过程中没有尾气排放，极大减少对环境的污染。同时为了降低油耗和排放，混合动力汽车在空挡或者临时停车的情况下，发动机处于停机状态。
3.3 一般行驶
混合动力汽车，发动机还是主要动力源，电动机只是輔助动力。当汽车正常行驶时，发动机处于正常工作状态，热效率高，油耗较低，尾气排放较少。同时发动机的热效能一部分传递给发电机，产生的电能储存在蓄电池。
3.4 再生制动
混合动力汽车的制动过程，是动能转换成电能的过程，实现了能量的循环再利用，蓄电池会有一个充电的过程，电动机就变成了发电机。假设有一辆质量为1.5吨的轿车，它以65km/h的初速度开始制动，整车动能有280KJ，能量能够被蓄电池全部吸收，驱动车辆行驶1.8km。
4 混合动力汽车发展趋势
混合动力汽车具有燃油车和电动车的优点，油耗低、排放量低以及性价比高，目前技术也比较成熟。因混合动力汽车的电池容量不高，仅仅为纯电动汽车的10%，被划分到了电动汽车的行列。结合我国车辆保有量较大且空气污染较大的实际情况，应当加大对混合动力汽车普及力度，不但可以降低汽车的使用成本，同时还可以减低废气排放，达到环境保护的目的。但是目前有成本比较高的缺点，比普通小轿车价格略高，所以降低成本是混合动力汽车首要解决的问题，也是提高行业内竞争力的关键。混合动力汽车的技术日趋成熟，动力系统不断更新换代，对汽车性能的提高起到决定性作用;高效一体化电力驱动系统的出现，逐步取代了传统直流电机，避免之前出现的缺点。在混合动力汽车发展的进程中，模块化和平台化的发展趋势更为突出，将会拥有更加广阔的发展空间。
参考文献：
[1]舒红，秦大同，胡建军.混合动力汽车控制策略研究现状及发展趋势[J].重庆大学学报，2001，24（6）：28-31.
[2]钟博浩.并联式混合动力汽车能量分配研究[D].长春工业大学，2017.
[3]于永涛.混联式混合动力车辆优化设计与控制[D].吉林大学，2010.