混合動力汽車驅動系統設計過程及運行策略研究

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 引言

傳統車輛多以內燃機作為動力裝置。通過內燃機，可將燃料中以化學鍵形式存儲的能源轉化成機械功。除了內燃機以外，以燃氣輪機為代表的其他熱力發動機也有著相似的能量轉換過程[1,2]。因此，對于現代混合動力汽車而言，熱力發動機依然是其驅動系統的核心組件。但與傳統車輛相比，現代混合動力汽車至少會再采用1種其他類型的動力裝置[3]。

目前，采用混合動力驅動系統的乘用車及商用車都可通過電動機將電能轉換成機械功。內燃機與電動機能通過不同的方式進行組合，通常具有3種基本結構，即：串聯式混合動力驅動系統、并聯式混合動力驅動系統和功率分流式混合動力驅動系統[4]，并各自具有相應的優點與缺點。在進行結構選擇時，需要優先考慮的問題在于如何通過混合動力驅動系統降低整車能耗，同時進一步提高峰值功率，并相應改善駕駛響應性和駕乘舒適性。

1 混合動力汽車的優點

目前，有多個國家都在大力發展混合動力汽車，主要有如下三方面的原因。

1.1 混合動力汽車可減少CO2排放

汽車所采用的主要燃料為汽油和柴油，均為碳氫化合物（HC），其在燃燒時會產生反應物CO2[5]。通過對反應方程式的定量分析，可以計算出每升燃料產生的CO2，其中柴油為2.7 kg，汽油為2.4 kg。如果能大幅降低油耗，即相應降低了CO2的排放量[6]。

傳統汽車所采用的內燃機通常有著寬廣的功率范圍，并且在動態駕駛模式下能快速改變輸出功率。內燃機在蓄電池和電動機的輔助下，可在較窄的轉速工況范圍內，實現穩定的動力輸出及較低的油耗。由此可以更好地優化內燃機的運行工況范圍，并相應減少加速工況中的油耗。

1.2 混合動力汽車具有更高的動力性和更好的舒適性

混合動力汽車多配備有第2種動力裝置，由此可以在較短時間內提供額外的驅動力矩，并能提供額外的加速度。特別是對于質量較大且慣性較高的重型車輛而言，即使沒有配備大功率內燃機，但通過混合動力驅動系統，也可使整車具備較高的機動性。

1.3 混合動力汽車可作為向純電動汽車轉型的過渡車型

根據目前的發展趨勢，汽車將從技術成熟的內燃機汽車逐步向由混合動力汽車和插電式混合動力汽車轉型，再逐步調整為未來的純電動汽車。相比短期內的技術階躍，連續的長期技術過渡更易于被行業和市場所接受。

1.4 基于混合動力汽車的新技術開發

開發新型混合動力汽車需要采用多項技術。整車傳動系統中的附加部件同樣需要更多的布置空間，并且還會相應增加整車的質量。由于該項指標，因此在研發過程中對蓄電池有較嚴格的技術要求。盡管混合動力汽車的結構相對更為復雜，但仍希望其能如同傳統汽車，有著較高的可靠性。雖然目前的技術已得以充分優化，但是，蓄電池依然是技術要求最高的部件。同時，對于小型車輛而言，還必須降低混合動力驅動系統的成本。

在混合動力驅動系統的開發過程中，蓄電池是一項關鍵因素。近年來，蓄電池、電動機、控制系統及功率電子設備的技術水平也有了顯著進步。除此以外，對內燃機也進行了重點優化，一方面對其在混合動力驅動系統中的應用進行了改良，另一方面則顯著提升了其經濟性。

2 混合動力汽車驅動系統設計過程研究

2.1 基于混合動力汽車驅動系統的內燃機設計過程研究

除了插電式混合動力汽車外，內燃機可用于提供混合動力汽車運行所需的全部能量。內燃機所能提供的功率主要取決于所選擇的混合動力驅動方案。對并聯式混合動力驅動系統而言，其通常配備有功率更強大的電動機，因而可以與功率較小的內燃機進行組合使用。相反，內燃機在輕度或微混合動力驅動系統中占有主導地位。在串聯式混合動力驅動系統中，內燃機輸出的機械功通常不直接用于驅動車輛，而是轉換成電能存儲在蓄電池中[7,8]，然后將電能提供給電動機，并以此驅動車輛前行。因此，針對內燃機的設計過程必須明確針對混合動力汽車的使用目的和驅動系統來進行調整。

對于混合動力汽車的驅動方案而言，針對內燃機的一項重要設計原則是需要對其效率進行優化。尤其是在部分負荷和全負荷工況下，可通過減少從燃料化學能到機械功這一轉化過程中產生的損失來實現效率優化，此類優化過程可在內燃機側通過降低冷卻和廢氣溫度來實現。在該情況下，為應對冬季的氣候特征，需要在車內安裝額外的加熱裝置。如果發動機在效率最高的工況點運行，則無須對其進行過度冷卻。一般而言，當內燃機在此類工況點上運行時，也會有最低的油耗。為了使內燃機盡可能長時間在最佳工況點上運行，需要配備電動機來支持負荷要求。對于混合動力驅動系統而言，如果長時間通過電動機驅動整車，會出現排氣溫度逐步降低的現象，由此也會相應降低下游催化轉化器的溫度，并且難以有效減少催化反應。因此，在實際運行過程中，不能使催化轉化器的溫度持續低于運行溫度，以此會降低內燃機的效率。

對于混合汽車驅動系統而言，可以對內燃機進行優化設計，從而使其結構更為簡單。對通過曲軸皮帶或鏈條驅動的輔助機組而言，可通過電動機來維持其運行過程。此外，這也可使內燃機在取消了皮帶或鏈條后能實現安靜的運行過程，同時充分改善系統的磨損現象。為了進一步實現系統的輕量化并改善摩擦現象，需要采用高品質的材料和先進的加工工藝。

由于混合動力驅動系統通常采用電動機作為第2種動力裝置，因此可相應降低內燃機的功率。另外，小型內燃機同樣也可用于乘用車中。內燃機的小型化意味著可通過精簡氣缸數量或氣缸尺寸來減小氣缸工作容積，并可通過渦輪增壓系統來補償功率的損失，以此使內燃機維持原有的動力性能。

在部分負荷和怠速工況下，也可以通過停缸技術來提升整機效率。在該情況下，可使多個氣缸停止運行。因此，其他正常運行的氣缸可在負荷更高的工況區域下運作，并具有更高的效率，從而降低總油耗。除了減少油耗之外，在使氣缸停止運行后，還可以利用內燃機的制動效應，在再生制動模式下提高對發電機的能量輸入。

2.1.1 基于混合動力汽車驅動系統的汽油機設計過程研究

目前，混合動力汽車的主要市場為日本和美國，在兩國發售的相關新款混合動力汽車中，幾乎毫無例外地使用了汽油機。采用汽油機的優點是其整機成本較低。在功率相近的前提下，考慮到廢氣處理系統，柴油機的成本通常會比汽油機高8%左右。

對于一臺汽油機而言，當其在接近全負荷工況下運行時，會具有更高的效率。為此，通常還需要提高轉速限制，并使汽油機實現最高功率的輸出。在自然進氣式汽油機的部分負荷工況范圍內，可通過為其設置較高的壓縮比來提升整機效率。

由于在全負荷工況下，過高的壓縮比往往會產生負面效應。通常會采取特殊方案，如阿特金森循環來降低全負荷工況下的有效壓縮比。豐田及馬自達旗下的部分車型都使用了阿特金森循環。

阿特金森循環由詹姆斯·阿特金森（James At‐kinson）于1882年提出。在該循環中，進氣閥到達下止點后才被關閉。因此，通過節氣門全開、相對較低的泵氣損失及較高的效率，幾乎可以無限制地吸入新鮮空氣。因為在壓縮行程中，會有部分新鮮空氣流至缸外，直至進氣門關閉。因此，汽油機工作需要的新鮮空氣量可通過調整進氣閥的持續開啟時間來實現。該過程同樣可以通過調節膨脹比來實現，甚至可以對膨脹比進行設定，使其數值比壓縮比更高。如果能使缸內燃氣得以充分膨脹，并使其壓力降至與環境壓力相近的水平，則可有效提升整機熱效率。

同樣，通過較低的燃燒溫度也可降低氮氧化物（NOx）的排放量。在較高的轉速工況范圍內，通過該方法可使整機功率提高約10%。其技術的弊端是在較低的轉速工況范圍內，汽油機的燃燒效率相對較低，因此其扭矩也相應較低。

米勒循環與阿特金森循環相似，進氣門在達到下止點之前就已關閉，在理論上可取得相似的效果。在該情況下，由于缸內吸入的空氣較少，因此在米勒循環中可使用壓縮機或渦輪增壓器來補償功率損耗。在部分負荷和全負荷工況下，米勒循環與阿特金森循環具有的較高功率可用于對電動機性能的補充。

除此以外，1項重要的標準是汽油機自身的起動能力。汽油機的起動過程可直接通過電動機來實現，而電動機通常會布置于汽油機的驅動軸上。通過電動機實現的驅動過程，能使缸內可燃混合氣處于最佳點火狀態，并達到汽油機起動所需的最低轉速，從而相應降低起動階段產生的排放物。與配備有小型齒輪的傳統電動機不同，1輛混合動力汽車可通過功率強大的集成電動機來實現低噪聲的起動過程。

除了可在排放和噪聲方面對起動性能進行優化外，油耗也是1項重要的參數。為滿足降低油耗的條件，需要對可變氣門進行控制。雖然這違背了成本最小化的原則，但仍然可應用于許多混合動力驅動系統中，以實現上述目標。

為此，在輕度和微混合動力驅動系統中，通常會配備有集成起動發電一體機（ISC），通過驅動軸上的電動機來替代常規起動設備，從而實現響應性較高且排放較低的起動過程。在低溫情況下，該方案有助于汽油機在冷態氣缸摩擦力較大且機油黏度較高的情況下，克服首次壓縮行程中面臨的阻力，并使整機順利起動。

在效率提升方面，目前已經采用了特殊的燃燒過程（如阿特金森循環或米勒循環）。同時，也可以使用其他的燃燒方法，如層狀汽油直接噴射（CDI）或可控自燃著火（CAI）。在汽油機中進行層狀噴射時，火花塞周圍會產生濃混合氣（過量空氣系數λ＜1），燃燒室的其余部分則分布有稀混合氣（過量空氣系數λ＞1）。然而，稀薄空氣的燃燒過程僅在較為有限的空間區域內進行。在該空間區域內，混合氣通過汽油機的壓縮過程被劇烈加熱。在該空間區域以外，可通過電動機來驅動混合動力汽車。

其他方案則包括直噴和進氣歧管噴射等方面，以此可提高發動機的效率，從而使整機具有更高的扭矩，并相應降低了油耗和排放[9]。

2.1.2 基于混合動力汽車驅動系統的柴油機設計過程研究

在車速和負荷較高的情況下，采用汽油機作為混合動力汽車的動力裝置會產生過高的油耗。然而，即使在低負荷工況區域內，通過柴油機驅動混合動力汽車仍具有一定的優勢。

目前，針對柴油機小型化的技術研究正在持續開展中，該方案對于混合動力汽車而言，有著重要作用。與汽油機的情況相似，柴油機通過小型化可使負荷工況點向效率更佳的區域移動，從而降低油耗。柴油機的小型化方案與汽油機類似。對于柴油機而言，也需要減小排量，并且通常會與廢氣增壓措施相結合。

柴油機小型化的新方案可與兩級增壓器實現同步運作。即：將2個渦輪增壓機進行串聯或并聯（通常為1個較小的增壓機組和1個較大的增壓機組）。多級增壓通常只用于高檔車型。通過柴油機驅動的中小型混合動力汽車的特點是電動機的體積尺寸較小，但動力性能較強，而柴油機自身設計方案則相對簡易。在該情況下，與電動機進行協同運作可降低對柴油機動力性能的要求。由于在傳統柴油車中會產生大量廢氣與顆粒排放物，因此必須對柴油機的后處理系統進行優化，以此滿足排放要求。

除此以外，可通過使柴油機避開高負荷工況，以此降低尾氣排放。通過電動機補償柴油機降低的功率，從而可簡化柴油機的設計過程，并降低其成本。相關方案涉及柴油微粒濾清器、NOx還原系統[10]，以及選擇性催化還原（SCR）系統。對于傳統柴油機而言，上述部件會顯著影響到其總成本。

對于配備有柴油機的混合動力汽車而言，起動過程至關重要。在該情況下，需要對起動系統進行專門設計，以便使柴油機能安靜且迅速地實現起動，并避免柴油機在停車時出現劇烈的抖動現象，該目標可通過適當選擇氣門正時或可變氣門調節系統來實現。由于柴油機在起動及停車時面臨著一系列問題，由此限制了其在混合動力驅動系統中的應用。

2.2 基于混合動力汽車驅動系統的其他熱力發動機設計過程研究

2.2.1 基于混合動力汽車驅動系統的斯特林發動機設計過程研究

由羅伯特·斯特林（Robert Stirling）發明的第1款斯特林發動機已于1818年正式投入使用。斯特林發動機可借助于氣缸外部的連續燃燒過程來獲取熱量。同時，熱交換器可將工質的熱量傳遞到氣缸中，并使高溫的腔室與低溫腔室之間的工質實現往復流動，從而使缸內壓力產生周期性變化。壓力波動可經工作活塞和曲柄機構而轉換成機械功輸出。由于冷卻器會使斯特林發動機面臨著較高的熱損失，為了提升整機效率，通常會在熱腔室和冷腔室之間布置有蓄熱器。理想的斯特林熱力循環可通過2個等溫線和2個等容線進行描述，但在實際運行過程中，該理想循環難以真正實現。由于熱交換器的存在，難以完全消除余隙容積。此外，熱交換器的工作過程往往不夠理想，因為其溫度通常不會持續處于恒定狀態。

作為1類熱力發動機，斯特林發動機有多種常見的結構型式，如曲軸驅動裝置、菱形齒輪驅動裝置和擺動輪盤式驅動裝置等。旋轉活塞發動機的結構型式同樣也適用于斯特林發動機。與內燃機相比，斯特林發動機的優勢在于其外部燃燒過程可持續進行，并可使用任意燃料作為高溫熱源，同時，可以有效降低污染物的排放。斯特林發動機在最佳工況點時具有較高的效率，通過排量控制還可以使其具有較好的部分負荷效率。與內燃機相比，其扭矩特性特別適用于車輛運行過程，因為斯特林發動機在車輛處于靜止狀態時可以輸出扭矩，且無須配備起動機。斯特林發動機的另一項優點是其振動和噪聲特性較好。

與內燃機相比，斯特林發動機的主要缺點是其扭矩響應性較差。由于熱容的原因，使斯特林發動機的工況調整存在一定的遲滯現象，即使在冷起動時也必須先對斯特林發動機進行預熱。因為配備有熱交換器，所以斯特林發動機對車輛結構空間的要求相對較高。同時，由于其結構型式復雜，其批量制造成本通常也會高于內燃機。由于結構型式和應用領域彼此相異，因此斯特林發動機的性能參數及成本間會存在著較大差異。

2.2.2 基于混合動力汽車驅動系統的燃氣輪機設計過程研究

燃氣輪機是1類連續運作的熱力渦輪機械。工質持續流經壓縮機、燃燒室和渦輪機等相互獨立的部件，并通過熱力狀態及參數的變化以實現熱力循環，從而實現機械功的輸出過程。上述部件可通過螺栓等部件實現連接。

在燃氣輪機中，將新鮮空氣連續吸入徑向或軸向壓縮機中，并將其充分壓縮，然后在熱交換器中預熱后將氣體送入燃燒室。隨后將氣態或液態燃料持續噴入燃燒室中，并通過高溫燃氣引燃一部分新鮮空氣。在該過程后剩余的空氣可用于對渦輪入口處的高溫燃氣進行冷卻，使其溫度降至1 300 K左右，高溫燃氣隨后可通過1～3個渦輪級進行能量轉換。

高溫燃氣會在渦輪中進行膨脹，渦輪又會消耗一部分功率用于驅動壓縮機，而其余的有效功率則通過動力輸出軸以扭矩形式輸出。

燃燒時產生的部分高溫燃氣會流過熱交換器，從而將該部分能量用于預熱燃燒室入口處的空氣。由于動力渦輪的轉速非常高，因此一般會通過齒輪減速器將其降至常用的轉速范圍內，并使其與變速器相連接。同時，渦輪還可用于為發電機或液壓泵等輔助設備供電。由于其工作速度較高，工質流量較大，因此，根據其性能特點，在功率相同的前提下，燃氣輪機的質量比內燃機等熱力發動機更輕。

當燃氣輪機用于車用動力裝置時，通常會對其結構型式進行相應調整。燃氣輪機的軸數、熱交換器、中間冷卻器及燃燒室的數量會根據實際用途的差異而有所不同，并以此提高熱效率。就單軸燃氣輪機而言，壓縮機和動力渦輪布置在同一根軸上。起動時，由于壓縮機轉速在每個時間點都等于輸出軸的轉速，該類簡單的結構型式所具有的扭矩特性曲線并不適用于陸用車輛，然而扭矩特性對串聯式混合動力汽車較為有利。在串聯混合動力汽車中，可通過燃氣輪機直接驅動發電機，并輸出電能。

在分軸燃氣輪機中，氣體發生器軸和動力輸出軸實現了彼此分離。相比單軸燃氣輪機，分軸燃氣輪機的扭矩特性曲線更佳，并且適用于陸用車輛。為了減少車輛燃氣輪機在部分負荷和怠速工況下的油耗，并改善加速性能，可通過調節工質溫度，或通過渦輪和壓縮機上的可調導向葉片對負荷進行調節。

在三軸燃氣輪機中，壓縮過程會分兩步完成，并引入了中間冷卻系統。同時，在渦輪間也會進行二次燃燒。由此，燃氣輪機的油耗特性可通過更昂貴的結構成本和更高的復雜性得以進一步改善。

通常能以柴油或汽油等常規燃料用作燃氣輪機的燃料。除此以外，燃氣輪機也可燃用天然氣和煤氣等其他氣相燃料[11]。在燃氣輪機的燃燒過程中，由于空氣流量較大，因此高溫燃氣可與冷空氣混合，有效降低了燃燒室內的峰值溫度，該數值通常低于內燃機燃燒室內的峰值溫度，由此也會使燃氣輪機的油耗明顯高于內燃機。同時，由于氣體流量較大，燃氣輪機的CO、HC及NOx的排放會比內燃機更低。

車用分軸燃氣輪機的主要優點包括：較低的排放，可燃用多種燃料，較好的扭矩特性，較低的振動，較長的保養周期。其主要缺點包括：較高的油耗，采用熱交換器而提升了成本，燃燒室部件材料成本較高，較高的制造工藝要求。因此，考慮到上述特點，燃氣輪機目前主要僅應用于主戰坦克等大型軍用車輛。

3 混合動力汽車運行策略研究

3.1 混合動力汽車驅動系統的運行策略研究總論

傳統車輛運行所需的能量僅由內燃機提供。燃油中的化學能被轉化成機械功，然后通過變速器、差速器和半軸傳遞至車輛的驅動軸[12，13]。通過切換不同的傳動比可以將內燃機轉矩和轉速調節成所需要的數值。

通常而言，內燃機和電動機的組合有3種方式[14]，即僅搭載內燃機的車輛、僅搭載電動機的車輛，以及由內燃機和電動機共同驅動的車輛。

為進一步優化混合動力汽車的運行策略，必須考慮所有會影響車輛相關屬性的部件及其特性。在優化油耗時，內燃機、電動機，以及蓄電池等都可被視為能量轉換設備，車輛所具有的其他屬性還包括尾氣排放、噪聲及舒適性等。

3.2 內燃機的運行策略

通過內燃機，可將燃油中所存儲的能量轉換成機械功。根據內燃機的工作原理，當其處于轉速和扭矩不同的工況條件下，其熱效率也各有不同。在城市運行工況下，內燃機處于低負荷工況區，其油耗也相對較高。

當內燃機應用于混合動力汽車時，由于通常會將電動機用于第2類動力裝置，因此內燃機的運行策略也可得到進一步優化。在采用并聯式混合驅動方案時，內燃機的動力輸出與車輪的功率需求無關。

在高效的能量轉換效率影響下，提升的功率可用于為蓄電池充電。此外，對于并聯式和功率分流式混合動力汽車而言，內燃機轉速與車輪轉速并無直接聯系。如果僅通過電動機來驅動整車[15]，則可以使內燃機停止運行。該項舉措除了降低油耗和尾氣排放外，還可以充分降低整車噪聲。

3.3 電動機的運行策略

電動機與內燃機的區別一方面體現在電動機的效率明顯更高，另一方面則體現在電動機在起動時即可輸出最大扭矩。

應當注意的是，電動機不會產生尾氣排放。由于其噪聲明顯低于內燃機，因此，混合動力汽車在城市內以低速行駛時，僅通過電動機即可實現該目標。與內燃機相比，電動機的另一項主要優點是其也可用于發電機。由此可實現制動能量的再生過程，即在車輛制動過程中將車輪動能轉化為電能，并為蓄電池充電[16]。

3.4 蓄電池的運行策略

除了內燃機和電動機以外，混合動力汽車的能量管理系統中還包括蓄電池。目前主要采用的蓄電池類型包括鎳氫電池、鋰離子電池等。蓄電池可以通過發電機為其充電，并將電能轉化為化學能并進行儲備。對于插電式混合動力汽車而言[17]，可通過公用電網對電池進行充電。荷電狀態（SOC）和健康狀態（SOH）是影響混合動力汽車運行策略的重要參數。

同時，還應考慮到蓄電池充電期間的效率、蓄能器的放電，以及由此產生的能量損耗，通過適當冷卻以防止電池出現過熱現象。同時還應采用監測系統，以避免車輛運行中的實際參數超出限值。

3.5 輔助機組的運行策略

對于目前的汽油車或柴油車而言，在其起動后，傳動裝置將會持續運行，直至車輛結束行駛后方才停止運作。因此，內燃機驅動輔助設備的所有工作模式都可投入使用。在該情況下，出于對整車安全性和舒適性等方面的考慮，必須確保助力轉向系統、空調冷卻系統和加熱系統等輔助機組處于持續運行狀態。

如果內燃機停止運行，上述單元將以電能驅動，即從蓄電池中獲取部分能量以作為上述設備的動力來源。以空調系統為例，由于其有著高達數千瓦的功率需求，因此會對混合動力汽車的運行產生一定影響，在設計車輛運行策略的過程中必須考慮到這一點。

4 結論與展望

目前，內燃機必須與混合動力汽車動力系統的驅動方案實現匹配，以體現出內燃機在成本、排放和油耗等方面的優勢。當前的研究重點主要有兩方面，一方面是需要發動機在動力性能較低的情況下采用更簡易的燃燒方案，另一方面則是需要發動機逐步向配備有雙噴油和渦輪增壓的復雜燃燒方案推進，并通過電動機輔助系統實現進一步優化。上述方案所采用的發動機，可有效實現小型化，并可實現氣門調節功能，以此實現節能減排的重要發展目標。

相關研究方案將繼續在內燃機和電動機的匹配方面實現進一步優化。例如，可通過使2缸內燃機實現小型化，同時借助于電動機的輔助過程，使內燃機的運轉更為平穩。在該情況下，內燃機在中高速工況區域內，應具有較強的動力性能；而電動機則需要滿足車輛在低速工況區域內的動力需求。

綜上所述，除了傳統的汽油機與柴油機外，斯特林發動機與燃氣輪機也可用作車用動力裝置，但其在車用動力領域的實際量產及應用經驗尚不如傳統內燃機，因此一定程度上限制了其推廣進程。