2 混合動(dòng)力的工作過(guò)程
    2.1 節(jié)能概述
    1905年H.Piper在美國(guó)提出混合動(dòng)力專(zhuān)利申請(qǐng)時(shí)，混合動(dòng)力部件增加了車(chē)的整體質(zhì)量，加重了燃油的消耗。現(xiàn)代汽車(chē)使用多種技術(shù)來(lái)提高燃油經(jīng)濟(jì)性并減少排氣量，這些技術(shù)使得混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)可同時(shí)使用燃油和電能。
    假設(shè)從城市A行駛到城市B需要消耗一定的總能量，對(duì)于非混合動(dòng)力汽車(chē)，這些能量?jī)H能夠通過(guò)燃油來(lái)提供，但是對(duì)于混合動(dòng)力電動(dòng)系統(tǒng)，還可以通過(guò)電能提供能量。如果電能儲(chǔ)存能力夠大，HEV甚至可以?xún)H通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)。為了提供更多的電能，某些驅(qū)動(dòng)技術(shù)會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)操作，例如當(dāng)汽車(chē)停止即關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。其他技術(shù)會(huì)改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)以使得體積或動(dòng)力更小的發(fā)動(dòng)機(jī)也可保持優(yōu)良的性能。
    除了與內(nèi)燃機(jī)一起向汽車(chē)提供能量，混合動(dòng)力電動(dòng)系統(tǒng)還能減少傳統(tǒng)熱能產(chǎn)生時(shí)的能量損失。非混合動(dòng)力汽車(chē)主要通過(guò)兩種途徑發(fā)熱損失能量，第一種是汽車(chē)運(yùn)行時(shí)內(nèi)燃機(jī)的空轉(zhuǎn)，如圖10所示；第二種是制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦使得動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能。混合動(dòng)力汽車(chē)可以通過(guò)關(guān)閉混合動(dòng)力電動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及再生制動(dòng)功能來(lái)減小這兩種由于產(chǎn)生熱量導(dǎo)致的能量損失。

    一些單模式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)在城市內(nèi)行駛比在高速公路上行駛時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性更高，這是因?yàn)閱文Ｊ?a target="_blank" href="http://www.mqzt.com.cn/article/zt/zt-auto8/index_1.html" class="UBBWordLink">混合動(dòng)力汽車(chē)的設(shè)計(jì)具有單一的高效速度點(diǎn)，而這一點(diǎn)的速度通常低于高速公路的行駛速度。當(dāng)汽車(chē)行駛速度大于高效速度點(diǎn)時(shí)，混合動(dòng)力汽車(chē)會(huì)r匕非混合動(dòng)力汽車(chē)更浪費(fèi)能量，雙模式混合動(dòng)力系統(tǒng)具有多個(gè)高效速度點(diǎn)以及純機(jī)械動(dòng)力路徑，因此在城市和高速公路行駛時(shí)都比同類(lèi)非混合動(dòng)力汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性更好。

    2.2混合動(dòng)力工作模式
    混合動(dòng)力工作模式如圖11所示，有些混合動(dòng)力車(chē)輛（HEV）可僅通過(guò)電能以有限的速度（最高20～30mph）行駛或行駛有限的距離。

    2.3混合動(dòng)力模式的工作過(guò)程
    雙模式混合動(dòng)力推動(dòng)技術(shù)如圖12所示，它說(shuō)明了在標(biāo)準(zhǔn)行駛過(guò)程中各種推動(dòng)技術(shù)的使用情況。

    1．電力驅(qū)動(dòng)
    有些混合動(dòng)力設(shè)計(jì)可以?xún)H通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，且在汽車(chē)達(dá)到一定速度或一定動(dòng)力要求前混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)保持關(guān)閉狀態(tài)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為0時(shí)可100％傳輸額定轉(zhuǎn)矩，在汽車(chē)初始加速過(guò)程中電動(dòng)機(jī)可提供比內(nèi)燃機(jī)更好的性能，純電力驅(qū)動(dòng)如圖13所示。

    內(nèi)燃機(jī)必須達(dá)到每分鐘幾千轉(zhuǎn)才能達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，與內(nèi)燃機(jī)相比，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)模式的排氣量更小。除了純電能啟動(dòng)，一些混合動(dòng)力設(shè)計(jì)還可以結(jié)合電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的能量在高速或高負(fù)載時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。雖然這并沒(méi)有提高燃料燃燒的效率，但混合動(dòng)力汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)馬力可以設(shè)計(jì)得更小，并能保持或超過(guò)傳統(tǒng)汽車(chē)的加速能力，馬力更小的內(nèi)燃機(jī)會(huì)比非混合動(dòng)力汽車(chē)消耗更少的燃料，因此提高了混合動(dòng)力汽車(chē)的整體燃料燃燒效率。
    2．發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)
    傳統(tǒng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)具有低電壓?jiǎn)��?dòng)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)從停止?fàn)顟B(tài)達(dá)到約200 r/min的轉(zhuǎn)速，啟動(dòng)時(shí)間需要2～3s，如圖14所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)需要額外燃料并造成廢氣排量增加。由于混合動(dòng)力汽車(chē)的電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)比傳統(tǒng)上安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的啟動(dòng)器更為強(qiáng)大，可以驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)在300 ms （0.3 s）之內(nèi)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)怠速（約600 r/min）如圖15所示，在啟動(dòng)速度如此高的情況下，無(wú)需額外燃料，也減少了廢氣排量。對(duì)于汽車(chē)的駕駛員來(lái)說(shuō)，混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)可瞬間完成。

    3．轉(zhuǎn)矩平滑
    內(nèi)燃機(jī)的曲軸并不是在發(fā)動(dòng)機(jī)的所有轉(zhuǎn)速上都可以平滑地轉(zhuǎn)動(dòng)。燃燒過(guò)程的脈沖會(huì)導(dǎo)致曲軸速度每秒變化多次，如圖16所示，這些振動(dòng)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高的時(shí)候通常被掩蓋住了，因此，非混合動(dòng)力汽車(chē)的高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速被校準(zhǔn)入變速箱換擋速度以及變矩器離合器操作。

    此外，汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)在以一定速度和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)傳遞振動(dòng)，轉(zhuǎn)矩平滑指的是去除這些發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)造成的振動(dòng)的過(guò)程。
    在傳統(tǒng)行駛條件下混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)使用轉(zhuǎn)矩平滑和傳動(dòng)系統(tǒng)緩沖可以L匕非混合動(dòng)力汽車(chē)校準(zhǔn)更低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而提高燃料燃燒效率并減少排氣量，這些條件包括：
    ①更低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變速箱換擋點(diǎn)；
    ②提早的變矩器離合器（TCC）閉鎖（第二齒輪）；
    ③智能燃料管理系統(tǒng)的擴(kuò)展。
    混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能通過(guò)電子機(jī)械方式減小這些較低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速所帶來(lái)的振動(dòng)，并可主動(dòng)或被動(dòng)執(zhí)行。
    發(fā)動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)操作和發(fā)電機(jī)操作間每秒循環(huán)多次，以進(jìn)行智能轉(zhuǎn)矩平滑，其情形包括發(fā)電機(jī)負(fù)載減小曲軸速度、發(fā)動(dòng)機(jī)幫助增加曲軸速度、平均效果平滑曲軸振動(dòng)。
    電動(dòng)機(jī)從0 rpm開(kāi)始采用100％的額定轉(zhuǎn)矩來(lái)達(dá)到其最大額定速度，當(dāng)曲軸速度由于燃燒循環(huán)開(kāi)始變慢，即使發(fā)動(dòng)機(jī)速度也變慢，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也將保持穩(wěn)定，這表示其具有較“平滑”的轉(zhuǎn)矩曲線。電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)之間的穩(wěn)定轉(zhuǎn)矩減少曲軸速度的變化，因此發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)或發(fā)電機(jī)負(fù)載幫助平滑曲軸的振動(dòng)。飛輪式發(fā)電機(jī)啟動(dòng)器混合動(dòng)力技術(shù)以及GM雙模式混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用了智能轉(zhuǎn)矩平滑，帶傳動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)器混合動(dòng)力技術(shù)應(yīng)用了被動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑，發(fā)動(dòng)枷發(fā)電機(jī)平滑的相同過(guò)程可應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)以減緩底盤(pán)的振動(dòng)。
    4．動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉（自動(dòng)停止）
    混合動(dòng)力汽車(chē)的內(nèi)燃機(jī)在汽車(chē)空擋滑行或停止?fàn)顟B(tài)下內(nèi)燃機(jī)是不需要怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的，這是因?yàn)?a target="_blank" href="http://www.mqzt.com.cn/article/zt/zt-auto8/index_1.html" class="UBBWordLink">混合動(dòng)力系統(tǒng)的強(qiáng)大電動(dòng)機(jī)／發(fā)電機(jī)可以快速地自動(dòng)啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，如圖17所示。混合動(dòng)力控制系統(tǒng)通常僅在汽車(chē)初始啟動(dòng)或內(nèi)燃機(jī)低于正常工作溫度時(shí)允許內(nèi)燃機(jī)怠速，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)處于正常工作溫度時(shí)，只要油門(mén)沒(méi)有被踩下，內(nèi)燃機(jī)都可以被關(guān)閉，如圖18所示，取決于具體行駛情況，內(nèi)燃機(jī)可以完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)或繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是所有燃料噴射口都關(guān)閉。由于行駛性能的原因，通常內(nèi)燃機(jī)僅能在汽車(chē)處于較低速度或停止?fàn)顟B(tài)時(shí)可以停止轉(zhuǎn)動(dòng)。混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉（自動(dòng)停止）模式可以在某些情況下禁用，例如當(dāng)混合動(dòng)力蓄電池虧電需要充電輔助或只有在內(nèi)燃機(jī)工作時(shí)才能達(dá)到車(chē)內(nèi)制冷供暖要求，汽車(chē)工作在自動(dòng)停止模式可能需要對(duì)汽車(chē)其他系統(tǒng)做出改進(jìn)。

    5．再生制動(dòng)
    制動(dòng)作為汽車(chē)的三大基本功能（行駛、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)）之一，直接影響汽車(chē)的安全性。在混合動(dòng)力汽車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)中，再生制動(dòng)是一種降低能耗、減小排放、增加續(xù)駛里程的重要手段。以一輛自重1500 kg的轎車(chē)為例，當(dāng)它以70 km/h的速度行駛時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，起始動(dòng)能可達(dá)300 kJ，如果這些能量能夠全部回收并用于整車(chē)行駛，可以驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛1.8 km。但在傳統(tǒng)汽車(chē)中沒(méi)有再生制動(dòng)系統(tǒng)，這些能量大部分以熱能的形式消耗掉了。中國(guó)西部大部分地區(qū)道路起伏變化明顯，常有數(shù)百米的坡道，在下坡時(shí)將車(chē)輛的制動(dòng)減速能量回收儲(chǔ)存起來(lái)，需要時(shí)再釋放出來(lái)使用，不但可以節(jié)省能源，還可減少制動(dòng)系統(tǒng)的磨損。在中國(guó)的城市交通中，由于汽車(chē)保有量的急劇增加導(dǎo)致道路擁堵等問(wèn)題日益嚴(yán)重，頻繁的加速和減速更需要再生制動(dòng)系統(tǒng)回收能量。因此，對(duì)有量產(chǎn)的混合動(dòng)力汽車(chē)再生制動(dòng)系統(tǒng)的研究具有重要意義，技術(shù)成熟后將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。
    再生制動(dòng)（Regenerative Braking）也稱(chēng)反饋制動(dòng)，是一種多使用在汽車(chē)或鐵路列車(chē)上的制動(dòng)技術(shù)，在汽車(chē)行駛時(shí)獲取可以使用但在傳統(tǒng)汽車(chē)制動(dòng)或空擋滑行時(shí)浪費(fèi)掉的能量的過(guò)程。非混合動(dòng)力汽車(chē)在制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)將汽車(chē)的動(dòng)量轉(zhuǎn)化為熱能，因此在制動(dòng)時(shí)，汽車(chē)在運(yùn)動(dòng)時(shí)“儲(chǔ)存”在汽車(chē)內(nèi)的動(dòng)能被浪費(fèi)掉了。在混合動(dòng)力設(shè)計(jì)中，這些在制動(dòng)空擋滑行時(shí)浪費(fèi)掉的汽車(chē)能量的一部分可通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，電動(dòng)機(jī)將作為發(fā)電機(jī)工作，在使汽車(chē)制動(dòng)的同時(shí)產(chǎn)生電能并向混合動(dòng)力蓄電池充電，如圖19所示。

    產(chǎn)生電能的負(fù)載與標(biāo)準(zhǔn)液壓制動(dòng)系統(tǒng)一起使汽車(chē)減速。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板后，電動(dòng)泵使制動(dòng)液增壓產(chǎn)生所需的制動(dòng)力，制動(dòng)控制與電動(dòng)機(jī)控制協(xié)同工作，確定電動(dòng)汽車(chē)上的再生制動(dòng)力矩和前后輪上的液壓制動(dòng)力。再生制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)控制回收再生制動(dòng)能量，并且反充到動(dòng)力電池中。與傳統(tǒng)燃油車(chē)相同，電動(dòng)汽車(chē)上的ABS及其控制閥的作用是產(chǎn)生最大的制動(dòng)力。
    系統(tǒng)使用更多時(shí)間結(jié)合再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)系統(tǒng)，因此對(duì)于汽車(chē)駕駛員來(lái)說(shuō)，制動(dòng)時(shí)間較為理想。獲取之前浪費(fèi)的能量也是使混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)r匕非混合動(dòng)力汽車(chē)更節(jié)省能源的優(yōu)勢(shì)之一。在制動(dòng)空擋滑行中獲取的能量更多，則內(nèi)燃機(jī)向混合動(dòng)力蓄電池充電所需時(shí)間就更短。除了增加燃料燃燒效率，由于制動(dòng)無(wú)須全部承擔(dān)降低車(chē)速的工作，汽車(chē)的制動(dòng)間隔也得以提高。
    6．發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)關(guān)閉操作的系統(tǒng)
    在傳統(tǒng)非混合動(dòng)力汽車(chē)中，動(dòng)力制動(dòng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向、暖風(fēng)和制冷（HVAC）、自動(dòng)變速箱等系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，如圖20所示，所有以上系統(tǒng)的工作都有賴(lài)于內(nèi)燃機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果內(nèi)燃機(jī)的曲軸停止旋轉(zhuǎn)，這些系統(tǒng)都將無(wú)法工作。

    為了節(jié)約燃料和降低排放，HEV需要經(jīng)常啟動(dòng)混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉（自動(dòng)關(guān)閉）模式，相對(duì)于傳統(tǒng)的非混合動(dòng)力汽車(chē)而言，這些系統(tǒng)必須重新設(shè)計(jì)，以最大限度地增加混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后能工作的時(shí)間，并且要保證控制性能，駕駛員的舒適程度及人員和汽車(chē)的安全性。

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