基于甲醇混合動力雙擎系統裝置的設計研究

（西安航空學院，陜西 西安 710077）

0 引言

我國目前市面上的汽車保有量居高不下，在未來很長一段時間汽車保有量還將繼續增加。在環境資源日益短缺的情況下，大部分車型仍以傳統化石能源為主流，這使得資源與環境壓力日漸增大。盡管現在已研發出純電動汽車和油電混合動力汽車，并在市場上迅速推廣，油電混動雖然彌補了純電動車續航里程短的問題，但汽油等傳統能源燃燒排放的尾氣中含有大量的氮氧化物，對環境也是有較大污染。針對我國汽車行業存在的諸多問題，本文提出了將甲醇為燃料的清潔能源與電力相結合的構想，為甲醇-電力汽車的研發提供理論研究。由甲醇的分子式CH3OH可知，甲醇完全燃燒只產生二氧化碳和水，除此之外不產生任何污染環境的物質，是真正意義上的清潔能源。但甲醇和電力任何一種動力方式都不能更好地滿足汽車運行的需要，單一使用甲醇可能產生的問題是甲醇熱值低、熱效率不高因而無法滿足汽車的動力需求；單一使用電力沒有更好的儲能裝置作為依托會導致續航里程較短的現象，因此需要將甲醇-電力二者結合起來，使之發揮更大的效能。甲醇混合動力汽車可利用發動車輸出的熱動力作為驅動力，也可利用電機輸出的電能作為驅動力，采用兩種動力源的工作模式可以有更多工作模式可供選擇，燃油經濟性更佳，實現節約能源和減少污染的目標。

1 混合動力不同工種方式對比

1.1 串聯式混合動力雙擎系統結構

1.1.1 串聯式混合動力工作原理簡介

（1）發動機驅動模式：正常工作區域的電力單元數量，當汽車的輸出功率低于發電機的最大輸出功率時，發動機輸出的效能驅動發動機啟動，用來驅動車輛，此時動力電池組既不充電也不放電[1-2]；（2）電池動力驅動：當汽車工作時，動力電池在高容量下，電池-電動機完全關閉，電池驅動電動機供電，轉換成機械動力來驅動汽車[3]。

1.1.2 串聯式混合動力優缺點分析

優點：（1）驅動輪與發動機沒有機械上的連接，理論上可使發動機在任意轉速轉矩區域中工作，減少燃油消耗；（2）發動機停止工作，只有電動機作為動力源時，相當于純電動汽車，因此不使用燃料，從而不排放任何廢氣，沒有任何污染物的排放。

缺點：發動機輸出效率被二次轉換(機械能轉化為電能，電能轉化為機械能)。發電機和牽引發動機的高效率損失顯著[4]。

1.2 并聯式混合動力雙擎系統結構

1.2.1 并聯式混合動力工作原理簡介

（1）發動機驅動模式:電動機處于永久關閉狀態，只有發動機工作輸出，在正常狀態下駕駛。

（2）電機驅動模式：與發動機驅動模式相反，發動機處于關閉狀態，不工作；僅電力驅動系統輸出功率，驅動車輛行駛。

（3）電動機和發動機驅動模式:發動機與電動機同時工作，提供輸出效率，主要是在加速或爬坡的情況下[5]。

（4）發動機充電模式：當汽車在低負荷下運行時，輸出功率的需求比發動機輸出功率小，那么發動機的剩余輸出效率將轉化為電能儲存在電池和電池中。

并聯式混動模式工作原理為發動機總是在最佳駕駛模式下運行，燃料消耗較低，排放較低。發動機的輸出功率使發電機產生能量，然后使發動機運行[6]。

1.2.2 并聯式混合動力優缺點分析

優點：（1）發動機和電動機直接連接到驅動輪，以提供能量，減少能量損失，總體效果更高;（2）發動機和電動機系統的功率為50%～100%，因此可能會降低整體質量和容量。

缺點：可由甲醇發動機、發電機分別驅動車輛行駛，但無法做到兩種動力模式的相互配合達到節約能源、提升動力的目的。

1.3 混聯式混合動力雙擎系統結構

1.3.1 混聯式混合動力工作原理簡介

混聯式混合動力雙擎系統可分為4種工況，分別是純電力驅動模式、發動機驅動模式、混合驅動模式及發動機驅動和能量再生充電模式。

（1）純電力驅動模式:在蓄電池滿電狀態下，汽車不需要消耗燃料以電力驅動模式使汽車獲得動力。在此狀態下發動機關閉，蓄電池-電機線路閉合，電動機工作，發動機不工作。在這種模式下，混合動力汽車等同于純電動汽車。加速時不使用甲醇引擎，因此不使用燃料，從而不排放任何廢氣[7]。

（2）發動機驅動模式:車輛正常高速行駛時，蓄電池-電動機線路斷開，電動機關閉。在此模式下，只有甲醇內燃機工作，此種狀態下甲醇發動機為唯一動力來源[7]。

（3）混合驅動模式:當需要大功率輸出時，機器處于高耗能狀態，所需的能量由發動機和發動機共同提供，使汽車能夠在短時間內獲得更大的動力輸出。

（4）發動機充電和能源再生模式:發動機輸出功率，再通過機械系統驅動車輛，另一部分的效能用于發電機到動力電池充電[8]。

混聯式混合動力傳動系統如圖1所示。

1.3.2 混聯式混合動力優缺點分析

優點：（1）當汽車在低速巡航模式或道路平坦區域不需要大功率動力輸出狀態下，可使用以蓄電池-電機為驅動模式的動力輸出形式，此種工況下發動機關閉，僅有蓄電池帶動電機工作，電機為唯一動力來源，相當于純電動汽車，沒有任何污染物的排放，從而達到節能減排、保護環境的目的。

（2）當蓄電池中電能耗盡無法為電機供電時，甲醇內燃機工作，動力輸出來源為甲醇內燃機的輸出功率，此狀態下甲醇內燃機驅動車輛行駛。當車輛在怠速狀態下，可通過控制離合器使甲醇內燃機于發電機之間的傳動機構閉合，發動機空轉時所浪費的輸出功可回收利用，用于帶動發電機向蓄電池充電，做到能量回收。

（3）當汽車需要增大扭矩、提高動力輸出時，可同時開啟發動機和電動機，使汽車同時獲得兩種動力形式以滿足駕駛員指令，進而獲得更大的輸出功率，以滿足更強勁的動力需要。

（4）傳統的燃料自動汽車通過剎車片制動將動力轉換成熱能白白消耗掉。混合動力汽車是由于電動機的存在，當發動機在發電機啟動狀態中工作時，會導致速度減慢，從而使汽車剎車，使能量轉化為電力。電力儲存后通過電力變壓器進入電池。混合動力汽車因為有一個扭矩，不能總保持一個大的功率，因此，與足夠的質量和大小的傳統汽車相比，混合動力汽車使用更少的發動機排放，相應的燃料消耗也相對較低。另外，發動機在最高的效率區工作，能達到良好的排放性能的目的。

缺點：傳動結構相對復雜，生產成本增大。

2 燃油（醇）經濟性分析

在經濟性上，根據目前國內國外各種燃料的價格定價趨勢，預計到2020年國產甲醇每100 km能節約的成本大概為131元，與汽油、天然氣相比會分別低出30%、10%，所以甲醇燃料的經濟性更加顯著。

t時刻燃油/甲醇消耗率：；等速行駛油/甲醇消耗量：

怠速時間油/甲醇耗量：Qid=Qi·ts（mL）；減速時間油/甲醇耗量：Qd=Qi·td（mL）；

式中P為阻力功率，kw；b有效燃油消耗率，g/(kWh)；Qs行駛s（m）距離后的燃油消耗量，mL；Qt單位時間內的燃油消耗量，mL/s；Qa汽車車速由Ua1加速至Ua2的燃油消耗量，mL；Qi表示怠速停車時每秒消耗的油耗量，mL/s；一般，汽油的密度可取為0.7～0.78 g/cm3；甲醇為0.7 918 g/cm3。

以混合動力其中一種模式進行經濟性分析，排量1.781 L，最大功率92/5 800（kW/r/min），其最高車速195 km/h，等速油耗7.0L（90 km/h等速）。以控制變量法的思想，將汽車行駛100 km，保證里程不變分析汽車分別消耗汽油、甲醇量的多少來檢測是否真正達到節約能源的目的。

求得其百公里油/甲醇耗量，已知市面上甲醇的價格為2元每升，汽油價格范圍約在6到7元每升。經多次計算，百公里耗甲醇約為15升，價格在30元，百公里油耗約在7升左右，價格在40元以上，因此甲醇比汽油經濟性更高。

3 結語

針對單一能源形式的純電動汽車和甲醇汽車所存在的問題，即單一的電動汽車不能滿足長效續航的需求;單一的甲醇汽車熱效率低造成甲醇能源過度消耗。為解決此類問題，通過對能量傳遞路線的優化，混合動力系統包含串聯和并聯混合動力系統的結構性優勢，電力系統與甲醇發動機系統雙系統輔助工作具有節約能源的優勢，能更好地利用能源。為該動力系統在各種工況下的穩定運行提供了保證。因此以甲醇為燃料的混合動力雙擎系統裝置的研究可解決此類問題。