混合動力汽車能量管理策略及發動機優化探析

摘要：在進行混合動力汽車能量管理時，需要根據車輛行駛的實際情況制定相對應的策略，才能提升車輛的燃油經濟性。由于發動機是混合動力汽車中非常重要的部件，發動機效率高低直接影響整車油耗水平。因此，在實際工作過程中，需要加強對發動機效率及油耗的研究和分析。據此，首先從工作原理、結構類型等方面進行闡述；其次從發動機結構及優化設計的角度對發動機效率進行分析；最后從燃油經濟性和排放方面進行分析。

關鍵詞：混合動力汽車；能量管理；發動機

中圖分類號：U469" 收稿日期：2023-08-16

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.005

1 混合動力汽車的工作原理

混合動力汽車的工作原理主要分為兩種：a.發動機和電動機共同參與的混合動力系統，這種模式目前普遍使用；b.發動機和電動機共同參與的混合動力系統，其結構更復雜，更加復雜的混合動力系統技術也更為先進。

現階段，應用最多的是第二種方式，即發動機和電動機共同參與的混合動力系統［1-2］。在進行發動機與電動機共同參與模式的過程中，由于兩者各自有不同優點，因此在實際運行過程中會相互彌補缺點而達到最佳效果。但是需要注意的是，由于第二種模式下發動機和電動機單獨參與模式在一定程度上會造成油、電之間發生沖突，所以在實際運行過程中需要對電池進行嚴格控制才能保證其正常運行［3］。

1.1 能量管理策略

能量管理策略是指混合動力汽車在運行過程中，根據當前路況、駕駛員駕駛習慣等情況，合理分配發動機和電動機工作的時間及功率，使整車工作在最佳經濟性狀態下［4］。混合動力汽車能量管理策略主要分為兩個部分：第一部分為驅動模式控制；第二部分為充電模式控制。驅動模式主要包括以下幾點：a.控制電機的轉速；b.使用制動能量回收；c.制動能量回饋給電池；d.工作在發動機和電動機聯合發電狀態，或者以純電模式行駛。充電模式主要包括以下幾點：a.保證電池始終保持高功率充電狀態；b.充電時使用輔助電機進行動力回收；c.切換成純電動運行，發動機只起到發電作用。通過實際情況分析，為了能夠使汽車在實際運行過程中更加經濟，通常會使用兩種策略來實現這一目的。

1.2 發動機優化

目前，對混合動力汽車的發動機進行優化，可以從以下兩方面入手：a.提高發動機的熱效率和降低油耗。b.提高混合動力汽車的能量利用率。

提高發動機的熱效率主要可以通過對燃燒室和活塞進行優化來實現。以某車型為例，該車型在設計時使用了低黏度、高壓縮比的發動機技術和低壓進氣管技術來降低油耗。另外，該車型還使用了可變氣門正時以及可變排量發動機技術，這兩項技術在一定程度上有效提高了發動機熱效率。然而，僅僅靠優化設計是無法完全改善汽車的燃油經濟性，所以還需要對汽車的動力性進行優化。具體措施如下：

a.將EGR引入到發動機中能夠進一步降低尾氣排放。

b.根據實際情況對凸輪形狀進行改進也可以在一定程度上改善汽車性能。

c.使用噴油壓力較大的汽油機以增加燃燒效率。

1.3 電池優化

混合動力汽車對電池要求較高，如果電池容量不足，其在實際運行過程中就會出現較多問題。而電池容量的大小與電池能量密度有直接關系，因此對電池進行優化設計有利于提高其性能。混合動力汽車由于受結構以及控制系統等因素的影響，其功率密度相對較低，而電功率密度又與電池的電壓和電流有直接關系，因此對電功率進行優化是提高混合動力汽車能量密度最直接、最有效的方法。在進行混合動力汽車電功率優化過程中，需要考慮到影響因素的眾多性，如動力系統、負載和外部環境等。其中影響因素主要包括整車油耗、駕駛模式、整車道路負荷以及行駛阻力等。

2 混合動力汽車的結構類型

混合動力汽車的結構類型可以分為3類：純電動、插電式和燃料電池。其中，燃料電池汽車的應用范圍較為廣泛，它屬于一種高效、低排放的新能源車輛；而純電動汽車在現階段比較常用，它是一種安全可靠、使用壽命較長、價格低廉的新型車輛。目前，純電動汽車已經成為一種最為成熟的新能源車，其結構組成相對簡單，能耗比較低且污染小。因此在目前使用最廣泛的混合動力汽車結構類型是燃料電池。

2.1 純電動汽車

純電動汽車的驅動方式一般為電機驅動。車輛的動力源由電動機和電池兩部分組成，其中電機是主要動力來源，但電池同樣具有非常重要的作用。電機工作時，電流通過導電金屬導體將電能轉化為機械能，而在電池充電時電流則由蓄電池進行供電。電動車行駛時由電動機和電池共同驅動汽車，如果動力性能較好的話，也可以選擇純電動模式。純電動汽車所使用的電動系統結構組成簡單、維護方便且費用較低，但由于純電動汽車行駛速度較慢、續駛里程短且充電時間長，因此其續航里程相對插電式混合動力汽車來說較短且充電時間也比較長。綜上所述，對于純電動汽車來說，要根據實際需求對能量源、動力系統和車輛結構等進行設計。

2.2 插電式混合動力汽車

插電式混合動力汽車是指發動機工作在純電動或混合動力模式下，用電機驅動車輪行駛，與傳統汽車相比具有更高的燃油經濟性和排放性。目前插電式混合動力車型主要包括電機驅動型插電式混合動力、插電式混動和增程式型插電式混合動力。其中，電機驅動型插電式混動車的工作原理與純電動汽車相似，其結構組成較為簡單；插電式混動車則是將傳統的燃油發動機與電動機結合在一起，并將電動模式作為其驅動方式；增程式型插電式混動車型在純電動模式下能夠實現零排放。

2.3 燃料電池車

燃料電池汽車是指在汽車上利用氫或氧作為工作物質的一種汽車。在這種車輛中，燃料電池是主要能量來源，一般會將氫氣或空氣中的氧氣通過電解水反應生成氫和氧，從而產生電能。燃料電池的功率密度非常高，一般在1 kW/L左右，只需要很小的功率就能使車輛行駛幾十千米。燃料電池車因為有這極高的功率密度，因此很適合于中、低速行駛工況，如城市內部道路或短途出游等。由于氫和氧之間反應產生動力，因此可以大大減少尾氣排放對環境造成的污染，由于其結構組成簡單、故障率低且可實現零排放等優點，使其成為混合動力汽車中應用最廣泛的車輛之一。

3 發動機結構及優化設計

3.1 發動機效率分析

從發動機的結構來看，發動機主要有壓燃式、點火源式和壓燃式三種類型。其中，壓燃式比點火式發動機熱效率高，而且其成本較低、質量較輕；點火源發動機相對于壓燃式發動機來說，其效率較低、質量較重。從結構來看，點火源式發動機采用活塞頂直接噴射燃油的方式，工作原理簡單，因此熱效率較高，而壓燃式比點火式提升了工作效率。從成本和質量方面來看，壓燃式比點火式提升了成本和質量，而點火源則與之相反。在混合動力汽車能量管理策略及發動機效率分析中可以發現，只有充分掌握汽車行駛的實際情況，才能制定相對應的策略。當車速和車輛負荷發生變化時，為了保證車輛的經濟運行狀態，就需要根據工況實際情況選擇能量管理策略，從而實現油耗最小化。

3.2 車輛行駛工況分析

在實際行駛中，車輛負荷的變化會對燃油消耗量產生影響。在不同的道路條件下，車輛行駛的情況也有所不同。在實際的行駛過程中，如果能夠對汽車負荷進行準確的測量，就能夠根據不同情況進行不同的控制策略。當前，汽車是我國重要的交通工具之一，但是當汽車行駛時其負荷會發生變化，這種變化不僅會對車速產生影響，而且還會對發動機的運行狀況產生影響。從混合動力汽車能量管理策略及發動機效率分析中可以發現，由于車輛負荷發生了變化就需要改變發動機功率輸出和車速運行情況，例如在城市道路中行駛時其實際工況與高速道路比較相似。

3.3 發動機效率分析

通過能量管理策略，可以實現燃油的有效利用，使發動機的油耗大大降低。從發動機效率方面來看，其主要受兩個因素影響：

a.汽車的行駛速度，因為在混合動力汽車能量管理策略中會對汽車的行駛速度進行分析和計算。通過對汽車運行狀態及發動機效率進行分析發現，在不同車速下，其發動機功率并不相同。因此為了保證電池在充電過程中能夠保持最佳充電狀態，就需要保證車輛的行駛速度相對穩定。

b.發動機油耗，其主要受到兩個因素影響：車身重量和車輛油耗。從車身重量方面來看，其主要是由輪胎、車身和燃料共同構成的。如果油耗較低則表明車內所需空間較小，可以使能量利用率更高；如果油耗較高則表明車內空間較大，可以使能量利用率降低。

3.4 優化動力電池性能

動力電池性能對混合動力汽車能量管理策略的效果具有一定的影響，在進行電池性能優化時，需要充分了解不同類型電池的特性，進而選擇合適的控制方法。在實際應用中可以發現：提高動力電池功率和能量密度能夠有效地降低電機功率和能耗；提高動力電池輸出電壓，有利于延長蓄電池使用壽命。

4 燃油經濟性和排放分析

a.動力電池系統效率。在實際應用過程中，如果動力電池系統效率不高，那么就會導致油耗量的增加，同時還會降低車輛的使用壽命，從而帶來一定的經濟損失。因此，需要加強對動力電池系統效率的研究與分析，可以從以下兩方面入手：①要保證動力電池系統的一致性；②要提高電池充電速度。

b.優化整車能量管理。在整車能量管理過程中，①需要做好發動機效率計算工作；②需要制定相應的控制策略，保證發動機的運轉和能量回收平衡。此外，還需要結合實際情況建立整車油耗模型。通過仿真分析可以發現，如果能夠實現動力性、經濟性與排放三者之間合理平衡，就能夠顯著降低燃油消耗成本及車輛能耗成本。

c.提高整車功率密度。在混合動力汽車能量管理過程中，需要從以下兩個方面進行考慮：①要保證發動機效率高；②要優化發動機與電池之間的匹配度。同時也應該從以下兩個方面進行考慮：①要提高整車功率密度；②要降低燃油消耗成本和能耗成本。

d.混合動力汽車排放控制技術。在混合動力汽車能量管理過程中，應該從以下三個方面進行控制：①要控制發動機最大功率；②要確保發動機效率高；③要降低整車油耗和能耗成本。目前來說，關于混合動力汽車排放控制技術主要有以下幾個方面：①改善燃油經濟性；②減少有害物質排放；③降低排放污染物。

e.能量回收系統和混合動力系統之間協同控制技術。在能量管理過程中應該加強對發動機效率及油耗的研究和分析。通過提高車輛能量回收系統和混合動力系統之間協同控制技術，可以有效降低整車能耗成本及油耗成本；通過制定合理的控制策略提高發動機效率、降低整車能耗成本及油耗成本。

5 結語

目前，混合動力汽車發動機的類型主要有汽油機、柴油機、發電機式電動發動機等。隨著汽車技術的發展，目前混合動力汽車的發動機也向更高效和高功率方向發展，但是其能耗依然偏高。混合動力汽車能量管理策略可以分為三種：經濟模式、智能模式和普通模式，而目前只有經濟模式最符合實際情況。根據目前的研究結果，可以得出以下結論：

a.隨著控制策略和結構改進，混合動力汽車油耗可降低到100 g/100 km左右。對于混合動力汽車來說，燃油經濟性是非常重要的指標。

b.在進行能量管理時應考慮到電池與發動機之間的匹配關系以及蓄電池容量大小和性能等因素。

c.隨著超級電容、儲電裝置以及電池等技術的發展，混合動力汽車充電后續航里程也可得到提高。

d.由于電動發動機在高速運行時產生巨大熱量，因此其散熱措施對提升電動汽車安全性具有重要意義。此外，還需研究電動發動機散熱裝置對整車性能的影響。

e.當前我國混合動力電池的發展趨勢主要為無鈷電池和高能量密度鋰電池。無鈷電池技術突破后會使動力電池成本大幅度降低，同時也會提高效率、減輕質量；高能量密度鋰電池在未來很長一段時間內仍將是動力電池市場的主導方向。

參考文獻：

[1]童盛穩，陳韜，謝輝.系統綜合效率優化的插電式混合動力車輛的能量管理策略[J].汽車安全與節能學報，2021（1）：9-99.

[2]楊寧康，韓立金，劉輝，等.基于效率優化的混合動力車輛強化學習能量管理策略研究[J].汽車工程，2021，43（7）：1046-1056.

[3]杜常清，楊賢誠，郭孔輝，等.混合動力貨車能量管理策略硬件在環仿真研究[J].內燃機工程，2022，43（3）：19-26.

[4]張瑞軒，黃晨，王猛猛.混合動力汽車能量管理策略研究現狀與發展趨勢[J].林業機械與木工設備，2022（10）：50-55.

作者簡介：

張子涵，男，1996年，助教，研究方向為動力機械。