0 引言

内燃机经过长时间的发展，性能和潜力已经到了极限，内燃机汽车的弊端也逐渐突显，普通内燃机的效能只有40%左右，如果在市区低速、堵车的情况下，可能只有20%左右。随着节能环保理念的提出，改善汽车排放，提高汽车性能成了未来汽车发展的方向。然而由于电能存储量的限制，纯电动汽车还存在很多没有突破的难题，这样的背景下，以内燃机和电动机混合提供动力的汽车就成了发展的最佳选择。

1 混动动力汽车基本原理

混合动力汽车一般由燃料转化装置（内燃机）、电动机（发电机）、电池（储电装置）作为动力的来源，通过汽车控制装置协调汽车的动力，让汽车的燃料转化更加的高效，尾气排放更少。在汽车制动、下坡的时候，开启能量回收装置，将内燃机的动能转化为电能储存起来，实现能量的高效利用，改善汽车的燃油性能、减少尾气排放，增强汽车和实用性[1]。在混合动力汽车的动力系统中，内燃机和发电机互相配合，根据汽车的行驶状况采取不同的策略。当汽车需要增加动力的时候，诸如加速、上坡等，内燃机和电动机同时工作，燃料和电能同时为汽车提供动力，让汽车有更佳的性能；当混合动力汽车在低速行驶时，经常走走停停，可以由电动机提供动力，实现能量的高效利用；混合动力汽车不需要动力或需要较低的动力时，诸如：刹车、下坡、转弯，内燃机的动能被转化为电能存储起来。这样，通过内燃机能量的回收与利用，实现能量的高效利用，实现燃油经济性。

内燃机在混合动力汽车的应用已经经过了10 多年的发展，其结构逐渐区域稳定，以往内燃机与发电机分离的结构已经不能满足混动汽车的需要，以内燃机、电机（电动机/发电机）、变换器、储能装置（电池）一体化结构为代表的混合动力汽车登上了历史的舞台，进一步提升了混合动力汽车的性能。内燃机在混合动力汽车的应用总体框架如图1。

2 内燃机在混合动力汽车的应用分析

2.1 内燃机在电驱动混合动力汽车上的应用

图1

以电动机为主要驱动的混合动力汽车一般采用串联式的结构，将内燃机、发电机和电动机串联起来组成汽车的动力系统，这类混合动力汽车一般都有外部充电接口，内燃机辅助驱动汽车。在运行的过程中，内燃机的动能通过发电机转化为电能，电能根据实际情况分配给电动机或是被存储到汽车电池中，这类混合动力汽车主要是由电动机进行驱动。当汽车的负荷比较小的时候，主要由电池提供电能，通过电动机驱动汽车行驶；当汽车的负荷比较大的时候，诸如加速、爬坡，内燃机驱动的发电机和电池同时为电动机提供电能，增大汽车的功率；当汽车的电池电量低的时候，则由“内燃机——发电机”提供动力，并在滑行、低速的时候向电池组充电。这种以电力驱动的混合动力汽车一般用于城市通勤，其结构比较简单，经济实用，对于城市拥堵、频繁启停的工况，混合动力汽车可以调整内燃机和电池组的动力输出来达到最佳效率，让内燃机在低速、滑行和怠速的工况下也能够避免空转，提高内燃机的效率，减少汽车废气的产生。福特在2010 年推出了采用燃料电池的城市通勤混合汽车“新能级2010”，汽车的动力由内燃机和燃料电池提供，当短距离城市行使的时候，动力全部由燃料电池提供，达到零排放目标。其缺点也很明显，能量转化过程复杂，机械效率低下[2]。

2.2 内燃机在电辅助混合动力汽车上的应用

电辅助混合动力汽车又叫轻度混合动力汽车，这类混合动力汽车以内燃机为主要动力来源，电动机的功率比较小，主要对汽车行驶过程中提供辅助动力，因此其配套的电池组储能也比较低。电辅助混合动力汽车是混合动力汽车中成本最小的，对于改善汽车的排放和提高汽车内燃机效率具有一定的作用，因此在混合动力汽车中的使用范围比较广泛，市场认可度比较高[3]。例如，本田公司研究的Insight 混合动力汽车就是采用轻度混合的方式，其动力系统如图2 所示，内燃机是混动汽车的主要动力源，电辅助动力是集电动机和发电机于一体的永磁超薄电机，即ISA（Integrated Starter Alternator）。ISA 取代了原有汽车的内燃机飞轮，直接连接内燃机的输出端，从而实现自动启停功能，这也是丰田Insight 混合动力汽车最具特色的混合动力集成系统。ISA 在汽车加速的时候充当电动机的角色，为汽车提供辅助动力；ISA 在汽车滑行、制动的时候又充当发电机的角色，收集和利用内燃机的动能，转化为电能存储起来。电辅助混合动力汽车既具有传统内燃机汽车的出色性能，又能够通过ISA 来增加汽车的机动性，利用内燃机产生的多余能量，在不需要外部充电的情况下，可以实现降低油耗量，减少尾气排放的目标。

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