關(guān)于混合動(dòng)力卡車的應(yīng)用研究

鄧耀源

摘 要：隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，人們開始在針對(duì)無(wú)污染、可再生能源、新興能源開發(fā)利用等方面的關(guān)注度在不斷提升。從而也導(dǎo)致了汽車產(chǎn)業(yè)面臨著將內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電力驅(qū)動(dòng)的技術(shù)革命——混合動(dòng)力汽車是混合動(dòng)力汽車的中間產(chǎn)品，不僅環(huán)保、省油，而且具有與內(nèi)燃機(jī)汽車同等的行駛距離和行駛速度。本文通過(guò)分析并研究了混合動(dòng)力汽車的優(yōu)缺點(diǎn)、介紹了關(guān)于混合東力卡車發(fā)展的相關(guān)背景等，針對(duì)性的提出了混合動(dòng)力汽車實(shí)用化的方向。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;卡車;應(yīng)用;研究

1 關(guān)于混合動(dòng)力卡車的發(fā)展背景

隨著金融危機(jī)后經(jīng)濟(jì)恢復(fù)，消費(fèi)需求增加，物流運(yùn)輸量增加，卡車市場(chǎng)開始恢復(fù)。另一方面由于隨著目前國(guó)際油價(jià)的不斷上漲以及環(huán)境污染問(wèn)題、政府對(duì)于節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的提高等方面，從而導(dǎo)致了目前世界傳統(tǒng)卡車行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

大型卡車公司的發(fā)展趨勢(shì)——正在大力的針對(duì)性開發(fā)新能源技術(shù)。與其他新能源控制技術(shù)相比，混合動(dòng)力技術(shù)是由柴油向純電動(dòng)轉(zhuǎn)變的主要趨勢(shì)，能夠有效降低頻繁啟停的復(fù)雜路況下的油耗。因此在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，城市配送行業(yè)、運(yùn)輸作業(yè)，以及其他特殊行業(yè)優(yōu)先采用中、輕型卡車。

2 關(guān)于混合動(dòng)力技術(shù)的分析——車輛工程領(lǐng)域中應(yīng)用

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

輔助動(dòng)力單元被看做為APU——其結(jié)構(gòu)由發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)構(gòu)成。電動(dòng)機(jī)在工作中由發(fā)電機(jī)直接發(fā)電，通過(guò)控制器將電能傳遞給電動(dòng)機(jī)。由馬達(dá)產(chǎn)生的能量直接推動(dòng)汽車前進(jìn)。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)可以在狹窄的工作范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，并長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率大于電動(dòng)機(jī)的功率時(shí)，發(fā)電機(jī)給蓄電池充電。當(dāng)發(fā)電機(jī)的功率小于電動(dòng)機(jī)的功率時(shí)，電池會(huì)輸出能量。由于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)不直接連接，可以根據(jù)需要在車內(nèi)配置零件，也可以不受實(shí)際行駛狀況的影響而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)

并聯(lián)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)直接連接發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)列車的機(jī)械結(jié)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)機(jī)械式變速箱推動(dòng)汽車前進(jìn)。從電池組供給的能量，會(huì)聚集到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分，分離電動(dòng)機(jī)和引擎的能量，汽車是通過(guò)分離發(fā)電機(jī)和引擎的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)的。并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)與串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)不同，由于內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，車輛整體構(gòu)造也很復(fù)雜。車速低的時(shí)候，車是靠引擎發(fā)動(dòng)的。汽車行駛速度快的話，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)一起傳遞能量，保證汽車的能量供給。

2.3 混聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由串聯(lián)電源系統(tǒng)和并聯(lián)電源系統(tǒng)構(gòu)成。動(dòng)力列車的輸出部分被輸送到機(jī)械式驅(qū)動(dòng)列車，剩下的一部分被輸送到電動(dòng)機(jī)發(fā)電。通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到高效率、低排氣的工作范圍。車輛的速度較低時(shí)從發(fā)電機(jī)能源可以得到汽車的高速度和并行工作車加速，或者需要更多的能源和電池盒通過(guò)電動(dòng)機(jī)電力供應(yīng)，提高汽車的力量。需要減速的時(shí)候，剎車所需要的能量會(huì)儲(chǔ)存在馬達(dá)里?；旌向?qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)在于擁有并聯(lián)列車車輛的動(dòng)力系統(tǒng)以及并聯(lián)車輛動(dòng)力系統(tǒng)的功能，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等配件，更有效地動(dòng)作，使復(fù)雜的駕駛環(huán)境中動(dòng)力系統(tǒng)維持一個(gè)最佳的水平狀態(tài)，同時(shí)也能使廢氣和能源消費(fèi)量，可以進(jìn)一步降低?；旌蟿?dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與串聯(lián)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同，電池包的必要性較低，能量轉(zhuǎn)換也較少，有助于提高車輛的油耗?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)與并聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)不同，由于受實(shí)車行駛狀態(tài)的影響較小，一般采用齒輪機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力架構(gòu)?，F(xiàn)在，很多汽車制造商都在致力于混合動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)。

3 混合動(dòng)力卡車的特征概述

3.1 混合動(dòng)力汽車可以控制內(nèi)燃機(jī)的最大功率

內(nèi)燃機(jī)提供了使汽車前進(jìn)的巨大能量支持，但是依然存在有排放量多污染也多的特征。由于采用了混合動(dòng)力卡車，可以抑制汽油的消耗量，內(nèi)燃機(jī)可以在污染少的低燃效環(huán)境下運(yùn)行。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)后電力不足時(shí)，你可以補(bǔ)充蓄電池，如果蓄電池的電力不足，你可以把多余的電力給蓄電池充電。內(nèi)燃機(jī)和蓄電池發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，保證車輛長(zhǎng)期高效運(yùn)行。

3.2 內(nèi)燃機(jī)：通過(guò)選擇性關(guān)停，只通過(guò)電池來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)

這個(gè)優(yōu)點(diǎn)對(duì)現(xiàn)在的環(huán)境保護(hù)起著決定性的影響。今天的大氣污染和“霧霾”問(wèn)題，很大程度上是汽車尾氣排放過(guò)剩造成的。汽車尾氣中含有很多有害物質(zhì)和微塵，對(duì)人體健康危害很大。采用混合動(dòng)力卡車可以減少汽車的尾氣排放，保證周邊環(huán)境的質(zhì)量，減少大氣污染，使人們生活在比較健康的環(huán)境中。最后，減少汽油的消耗量，節(jié)約資源。能源是我們這一代以及下一代的課題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源的需求和消費(fèi)越來(lái)越高。現(xiàn)代社會(huì)的主要能源化石燃料遲早會(huì)被大量消耗，因此人類必須減少現(xiàn)有能源的消費(fèi)量，開發(fā)新的能源。混合動(dòng)力卡車的出現(xiàn)減少了汽油的消耗，節(jié)約了世界能源，開始使用清潔的新能源。這是個(gè)好消息。它改變了當(dāng)今世界的能源結(jié)構(gòu)，使能源向新的方向發(fā)展。

3.3 混合動(dòng)力卡車的不足

采用混合氣體技術(shù)的卡車由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。在混合動(dòng)力系統(tǒng)的內(nèi)部，因?yàn)殡p動(dòng)力系統(tǒng)是采用先進(jìn)的控制技術(shù)，由于動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，從而對(duì)技術(shù)要求較高，最終也導(dǎo)致了混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本相對(duì)較高。同時(shí)混合動(dòng)力車也有能源消耗量的上限，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的尾氣污染零排放，另一方面由于混合動(dòng)力卡車同時(shí)支持利用化石燃料作為能源，并擁有儲(chǔ)存能源的能源回收系統(tǒng)，因此混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的零排放的目的。

3.4 經(jīng)濟(jì)分析

對(duì)于混合動(dòng)力卡車的研究，其目的是為了降低卡車的油耗及其排放。傳統(tǒng)內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)雖然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展、使用，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，然而依舊有著熱傳導(dǎo)效率低、排放高等不足。且為了保證卡車有足夠的動(dòng)力，一般都會(huì)選用高功率發(fā)動(dòng)機(jī)。而混合動(dòng)力卡車恰恰相反，選用低功率發(fā)動(dòng)機(jī)。其原因是可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，并且在低速行駛情況下，不需要發(fā)動(dòng)機(jī)的高功率運(yùn)轉(zhuǎn)。一般車輛在低速行駛時(shí)，其動(dòng)能由電機(jī)提供一般就足夠了，而在卡車爬坡或是高速行駛的情況下，則需要發(fā)動(dòng)機(jī)參與工作，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)共同參與卡車的供能。此時(shí)低功率發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗要比高功率低10%左右。并且混合動(dòng)力卡車在剎車和下坡時(shí)，可以將車輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，以備電機(jī)使用。通過(guò)此方法儲(chǔ)存的電能，可以再降低發(fā)動(dòng)機(jī)15%左右的油耗。綜上所述，混合動(dòng)力對(duì)于長(zhǎng)途卡車的運(yùn)輸而言，可以有效降低燃油消耗從而使運(yùn)輸成本降低不少。并且通過(guò)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同工作，可以有效延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，相較于使用傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的卡車混合動(dòng)力卡車更加適合參與長(zhǎng)途運(yùn)輸工作。

4 混合動(dòng)力卡車控制策略

4.1 模糊優(yōu)化控制策略

模糊控制是利用模糊數(shù)學(xué)的知識(shí)，模仿人腦的思維方式，對(duì)模糊現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別和判斷，給出精確的控制量來(lái)控制被控對(duì)象。該策略不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，邏輯控制能力強(qiáng)，魯棒性好。這是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車戰(zhàn)略的主要發(fā)展方向。

4.2 瞬時(shí)最優(yōu)控制策略

在汽車應(yīng)用中，一般采用最小瞬時(shí)當(dāng)量油耗的控制策略。該策略首先得到與發(fā)動(dòng)機(jī)通用特性圖相似的電機(jī)能耗特性圖，根據(jù)兩者的特性圖，增加控制策略的油耗，動(dòng)態(tài)選擇傳動(dòng)比，從民意最低油耗中分配扭矩等狀態(tài)變量。控制策略的燃油經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于控制策略。它優(yōu)于模糊控制策略，但受電池老化和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的影響，在實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到這一目的。

5 應(yīng)用趨勢(shì)發(fā)展分析

5.1 動(dòng)力電池的發(fā)展將推動(dòng)混合動(dòng)力的發(fā)展

眼下，鉛酸蓄電池仍然作為混合動(dòng)力卡車的首選電池。不過(guò)，隨著近幾年的發(fā)展，鋰電池也可以作為其動(dòng)力源。然而這類蓄電池主要被應(yīng)用于純電動(dòng)車的生產(chǎn)中。對(duì)于混合動(dòng)力汽車都采用的是燃料電除，這類電池在車輛低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可以完全由其功能，在車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)供能、剎車減速時(shí)，燃料電池可以在這一過(guò)程中儲(chǔ)存能量。眼下，如何研究設(shè)計(jì)出更高效安全的燃料電池，是發(fā)展混合動(dòng)力的主要目標(biāo)。因此，混合動(dòng)力領(lǐng)域的發(fā)展是由燃料電池的進(jìn)步推動(dòng)的。

5.2 如何應(yīng)對(duì)成本上升

對(duì)于混合電動(dòng)卡車而言，采用的是并聯(lián)混合驅(qū)動(dòng)體系。但這一設(shè)備構(gòu)造比較復(fù)雜，所以成本也較高。如何在設(shè)計(jì)出安全高效的燃料電池的基礎(chǔ)上降低成本，是未來(lái)混合動(dòng)力卡車以及混合動(dòng)力相關(guān)產(chǎn)業(yè)需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

5.3 不同部位采用不同的控制策略

對(duì)于混合動(dòng)力而言，采用模糊控制的策略是最為妥當(dāng)?shù)摹Ｓ嘘P(guān)混合動(dòng)力技術(shù)，在將來(lái)研究的重點(diǎn)就在于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，以及自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。并且，將整車的系統(tǒng)區(qū)分為功能不同的區(qū)域，并對(duì)其使用不同的控制策略已經(jīng)是當(dāng)前該領(lǐng)域發(fā)展的一種整體走向。

5.4 需要政策支持

混合動(dòng)力的研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，其在大型運(yùn)輸卡車上的應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)中與我們已經(jīng)沒有太遙遠(yuǎn)的距離。然而，混合動(dòng)力裝置目前仍然造價(jià)不菲，需要相關(guān)政策支持，大力推動(dòng)其發(fā)展，這不僅可以有效緩解能源危機(jī)，并且對(duì)環(huán)境污染的問(wèn)題也可以做到一定程度上的改善。

6 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平已經(jīng)得到了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平提高之后對(duì)車輛的需求量也日益提高。我國(guó)作為人口大國(guó)，在車輛的保有量方面也居于世界前列，因此對(duì)自然資源的消耗量也十分巨大。環(huán)境污染以及能源緊缺的問(wèn)題已經(jīng)日益突出，為了減少對(duì)環(huán)境的污染以及能源的消耗，對(duì)混合動(dòng)力卡車的研究必須排上日程。本文對(duì)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行了探究，研究了混合動(dòng)力的發(fā)展背景、其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用、混合動(dòng)力汽車的特征以及其發(fā)展趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)以上分析得出了相應(yīng)的結(jié)論，并提出了切實(shí)可靠的建議。我們需要在研究發(fā)展燃料電池的同時(shí)，推動(dòng)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展，最后考慮如何降低混合動(dòng)力系統(tǒng)的生產(chǎn)成本以實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車的普及。

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