基于繼電器原理的混合動力電動汽車設計構想

1 電動汽車現狀
近年來，內燃機汽車數量急劇攀升，由此造成的環境問題炙手可熱。發展新型汽車緩解世界能源短缺、環境污染問題刻不容緩。因此，各大汽車廠商紛紛開發電動汽車，尤以特斯拉生產的純電動汽車備受關注。電動汽車是一種零污染、零排放或低排放的交通工具，但純電動汽車使用的電池面臨能量密度、使用壽命、體積質量、安全性等諸多問題，使純電動汽車的性價比仍無法與燃料汽車相比。盡管以特斯拉為代表生產的純電動汽車具有優越的性能，但其高昂的售價限制了其商業推廣，且其使用的三元電池充放電次數十分受限。以氫氣為主要能源的燃料電池汽車是一種節能環保無污染型汽車，排放產物主要是水，這對于緩解環境問題具有重要意義。另外，相比于內燃機汽車，燃料電池汽車還具有結構簡單，運行平穩等優點。然而燃料電池汽車使用的質子膜燃料電池使用的催化劑為貴金屬鉑，使得燃料電池的成本居高不下；另一方面，燃料電池使用的氫氣雖是清潔能源，但同時又具有易燃易爆的危險性，也成為限制燃料電池發展的主要因素。盡管以甲醇為燃料的燃料電池汽車具有較多優勢，但其產業化仍需較長時間。因此，在這種情況下，以內燃機與電動機作為混合動力的汽車備受青睞。混合動力電動汽車完美的結合了內燃機汽車和電動汽車的優缺點，在全球范圍內成為重點開發的新型汽車。因此，在電動汽車的關鍵部件———電池沒有革命性突破以前。混合動力電動汽車的廣泛使用，無疑將成為解決當前能源危機和環境污染的有效途徑之一。
2 混合動力電動汽車
近年來，能源與環境問題日益突出，石油價格不斷上漲，使混合動力電動汽車的研究應用受到了廣泛關注。依據混合動力驅動的混合方式，混合動力電動汽車主要分為串聯、并聯和混聯三類。串聯式結構可使發動機不受汽車行駛工況影響，始終使其在最佳的工作區域內穩定運行，因此可有效降低汽車油耗，減少污染物排放。尤其在繁華的商業街、居民區等復雜路況，汽車主要工作在怠速工況時，可以關閉發動機，利用電動機作為動力源。不僅可有效減少汽車燃油消耗，還能實現零污染零排放。其不足之處是發動機的動力輸出需經過電動機、傳動系統多級轉換，使燃油能量的利用率降低。采用并聯式混合動力驅動系統的汽車可由發動機和電動機共同驅動，也可以各自單獨驅動，較串聯式結構發動機通過機械結構直接驅動汽車行駛，因此其能量利用率相對較高。因并聯式混合動力驅動系統的發動機工況受汽車行駛工況的影響較多，所以不適合汽車行駛工況頻繁變化的路況。另相比串聯式結構需要變速裝置和動力合成裝置，增加了傳動系統的復雜性。混聯式混合動力驅動系統是串聯式與并聯式的結合，發動機功率一部分用于驅動汽車行駛，另一部分用于帶動發電機發電。發電機產生電能提供給電動機和電池。電動機提供的驅動力驅動汽車行駛。當汽車低速行駛時，以串聯方式運行，高速穩定行駛時，則以并聯方式運行。由于混聯式混合動力驅動系統集合了串聯式和并聯式兩種系統，因此同時具備了串聯式和并聯式的優點，使得汽車能夠在最優狀態下工作，進一步減少燃油消耗和污染物排放。但也由于結合了兩種系統，混聯式混合動力系統結構形式更為復雜，生產成本較高。
3 新型混合動力電動汽車的設計構想
綜上所述，目前市場上的混合動力電動汽車在原來內燃機的基礎上增加了發電機和電動機實現動力混合。由于大功率電動機的使用，無疑增加了汽車質量，使汽車行駛阻力增加，進而增加了能源消耗。基于此點，考慮到內燃機結構特點，基于繼電器工作原理，我們提出了一種混合動力電動汽車的設計構想。設計思路如下：基于傳統內燃機，通過改變活塞結構，在其中部嵌入繞有線圈的鐵芯，在發動機氣缸蓋活塞對應的位置放入永磁鐵，并使永磁鐵下端與鐵芯通電上端形成的磁極相反。工作時，當活塞處于上止點時給線圈通電，由于兩極相反互斥，磁場力推動活塞向下運行，當活塞到達下止點時使線圈斷電。如此反復，便實現了借助內燃機結構，實現汽車的電力驅動。這種新型混合動力電動汽車省去了笨重的電動機以及復雜的機械傳動結構，有利于減輕汽車質量，提高混合動力電動汽車行駛的經濟性和動力性。