基于继电器原理的混合动力电动汽车设计构想

1 电动汽车现状
近年来，内燃机汽车数量急剧攀升，由此造成的环境问题炙手可热。发展新型汽车缓解世界能源短缺、环境污染问题刻不容缓。因此，各大汽车厂商纷纷开发电动汽车，尤以特斯拉生产的纯电动汽车备受关注。电动汽车是一种零污染、零排放或低排放的交通工具，但纯电动汽车使用的电池面临能量密度、使用寿命、体积质量、安全性等诸多问题，使纯电动汽车的性价比仍无法与燃料汽车相比。尽管以特斯拉为代表生产的纯电动汽车具有优越的性能，但其高昂的售价限制了其商业推广，且其使用的三元电池充放电次数十分受限。以氢气为主要能源的燃料电池汽车是一种节能环保无污染型汽车，排放产物主要是水，这对于缓解环境问题具有重要意义。另外，相比于内燃机汽车，燃料电池汽车还具有结构简单，运行平稳等优点。然而燃料电池汽车使用的质子膜燃料电池使用的催化剂为贵金属铂，使得燃料电池的成本居高不下；另一方面，燃料电池使用的氢气虽是清洁能源，但同时又具有易燃易爆的危险性，也成为限制燃料电池发展的主要因素。尽管以甲醇为燃料的燃料电池汽车具有较多优势，但其产业化仍需较长时间。因此，在这种情况下，以内燃机与电动机作为混合动力的汽车备受青睐。混合动力电动汽车完美的结合了内燃机汽车和电动汽车的优缺点，在全球范围内成为重点开发的新型汽车。因此，在电动汽车的关键部件———电池没有革命性突破以前。混合动力电动汽车的广泛使用，无疑将成为解决当前能源危机和环境污染的有效途径之一。
2 混合动力电动汽车
近年来，能源与环境问题日益突出，石油价格不断上涨，使混合动力电动汽车的研究应用受到了广泛关注。依据混合动力驱动的混合方式，混合动力电动汽车主要分为串联、并联和混联三类。串联式结构可使发动机不受汽车行驶工况影响，始终使其在最佳的工作区域内稳定运行，因此可有效降低汽车油耗，减少污染物排放。尤其在繁华的商业街、居民区等复杂路况，汽车主要工作在怠速工况时，可以关闭发动机，利用电动机作为动力源。不仅可有效减少汽车燃油消耗，还能实现零污染零排放。其不足之处是发动机的动力输出需经过电动机、传动系统多级转换，使燃油能量的利用率降低。采用并联式混合动力驱动系统的汽车可由发动机和电动机共同驱动，也可以各自单独驱动，较串联式结构发动机通过机械结构直接驱动汽车行驶，因此其能量利用率相对较高。因并联式混合动力驱动系统的发动机工况受汽车行驶工况的影响较多，所以不适合汽车行驶工况频繁变化的路况。另相比串联式结构需要变速装置和动力合成装置，增加了传动系统的复杂性。混联式混合动力驱动系统是串联式与并联式的结合，发动机功率一部分用于驱动汽车行驶，另一部分用于带动发电机发电。发电机产生电能提供给电动机和电池。电动机提供的驱动力驱动汽车行驶。当汽车低速行驶时，以串联方式运行，高速稳定行驶时，则以并联方式运行。由于混联式混合动力驱动系统集合了串联式和并联式两种系统，因此同时具备了串联式和并联式的优点，使得汽车能够在最优状态下工作，进一步减少燃油消耗和污染物排放。但也由于结合了两种系统，混联式混合动力系统结构形式更为复杂，生产成本较高。
3 新型混合动力电动汽车的设计构想
综上所述，目前市场上的混合动力电动汽车在原来内燃机的基础上增加了发电机和电动机实现动力混合。由于大功率电动机的使用，无疑增加了汽车质量，使汽车行驶阻力增加，进而增加了能源消耗。基于此点，考虑到内燃机结构特点，基于继电器工作原理，我们提出了一种混合动力电动汽车的设计构想。设计思路如下：基于传统内燃机，通过改变活塞结构，在其中部嵌入绕有线圈的铁芯，在发动机气缸盖活塞对应的位置放入永磁铁，并使永磁铁下端与铁芯通电上端形成的磁极相反。工作时，当活塞处于上止点时给线圈通电，由于两极相反互斥，磁场力推动活塞向下运行，当活塞到达下止点时使线圈断电。如此反复，便实现了借助内燃机结构，实现汽车的电力驱动。这种新型混合动力电动汽车省去了笨重的电动机以及复杂的机械传动结构，有利于减轻汽车质量，提高混合动力电动汽车行驶的经济性和动力性。