混合动力汽车驱动系统设计过程及运行策略研究

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

传统车辆多以内燃机作为动力装置。通过内燃机，可将燃料中以化学键形式存储的能源转化成机械功。除了内燃机以外，以燃气轮机为代表的其他热力发动机也有着相似的能量转换过程[1,2]。因此，对于现代混合动力汽车而言，热力发动机依然是其驱动系统的核心组件。但与传统车辆相比，现代混合动力汽车至少会再采用1种其他类型的动力装置[3]。

目前，采用混合动力驱动系统的乘用车及商用车都可通过电动机将电能转换成机械功。内燃机与电动机能通过不同的方式进行组合，通常具有3种基本结构，即：串联式混合动力驱动系统、并联式混合动力驱动系统和功率分流式混合动力驱动系统[4]，并各自具有相应的优点与缺点。在进行结构选择时，需要优先考虑的问题在于如何通过混合动力驱动系统降低整车能耗，同时进一步提高峰值功率，并相应改善驾驶响应性和驾乘舒适性。

1 混合动力汽车的优点

目前，有多个国家都在大力发展混合动力汽车，主要有如下三方面的原因。

1.1 混合动力汽车可减少CO2排放

汽车所采用的主要燃料为汽油和柴油，均为碳氢化合物（HC），其在燃烧时会产生反应物CO2[5]。通过对反应方程式的定量分析，可以计算出每升燃料产生的CO2，其中柴油为2.7 kg，汽油为2.4 kg。如果能大幅降低油耗，即相应降低了CO2的排放量[6]。

传统汽车所采用的内燃机通常有着宽广的功率范围，并且在动态驾驶模式下能快速改变输出功率。内燃机在蓄电池和电动机的辅助下，可在较窄的转速工况范围内，实现稳定的动力输出及较低的油耗。由此可以更好地优化内燃机的运行工况范围，并相应减少加速工况中的油耗。

1.2 混合动力汽车具有更高的动力性和更好的舒适性

混合动力汽车多配备有第2种动力装置，由此可以在较短时间内提供额外的驱动力矩，并能提供额外的加速度。特别是对于质量较大且惯性较高的重型车辆而言，即使没有配备大功率内燃机，但通过混合动力驱动系统，也可使整车具备较高的机动性。

1.3 混合动力汽车可作为向纯电动汽车转型的过渡车型

根据目前的发展趋势，汽车将从技术成熟的内燃机汽车逐步向由混合动力汽车和插电式混合动力汽车转型，再逐步调整为未来的纯电动汽车。相比短期内的技术阶跃，连续的长期技术过渡更易于被行业和市场所接受。

1.4 基于混合动力汽车的新技术开发

开发新型混合动力汽车需要采用多项技术。整车传动系统中的附加部件同样需要更多的布置空间，并且还会相应增加整车的质量。由于该项指标，因此在研发过程中对蓄电池有较严格的技术要求。尽管混合动力汽车的结构相对更为复杂，但仍希望其能如同传统汽车，有着较高的可靠性。虽然目前的技术已得以充分优化，但是，蓄电池依然是技术要求最高的部件。同时，对于小型车辆而言，还必须降低混合动力驱动系统的成本。

在混合动力驱动系统的开发过程中，蓄电池是一项关键因素。近年来，蓄电池、电动机、控制系统及功率电子设备的技术水平也有了显著进步。除此以外，对内燃机也进行了重点优化，一方面对其在混合动力驱动系统中的应用进行了改良，另一方面则显著提升了其经济性。

2 混合动力汽车驱动系统设计过程研究

2.1 基于混合动力汽车驱动系统的内燃机设计过程研究

除了插电式混合动力汽车外，内燃机可用于提供混合动力汽车运行所需的全部能量。内燃机所能提供的功率主要取决于所选择的混合动力驱动方案。对并联式混合动力驱动系统而言，其通常配备有功率更强大的电动机，因而可以与功率较小的内燃机进行组合使用。相反，内燃机在轻度或微混合动力驱动系统中占有主导地位。在串联式混合动力驱动系统中，内燃机输出的机械功通常不直接用于驱动车辆，而是转换成电能存储在蓄电池中[7,8]，然后将电能提供给电动机，并以此驱动车辆前行。因此，针对内燃机的设计过程必须明确针对混合动力汽车的使用目的和驱动系统来进行调整。

对于混合动力汽车的驱动方案而言，针对内燃机的一项重要设计原则是需要对其效率进行优化。尤其是在部分负荷和全负荷工况下，可通过减少从燃料化学能到机械功这一转化过程中产生的损失来实现效率优化，此类优化过程可在内燃机侧通过降低冷却和废气温度来实现。在该情况下，为应对冬季的气候特征，需要在车内安装额外的加热装置。如果发动机在效率最高的工况点运行，则无须对其进行过度冷却。一般而言，当内燃机在此类工况点上运行时，也会有最低的油耗。为了使内燃机尽可能长时间在最佳工况点上运行，需要配备电动机来支持负荷要求。对于混合动力驱动系统而言，如果长时间通过电动机驱动整车，会出现排气温度逐步降低的现象，由此也会相应降低下游催化转化器的温度，并且难以有效减少催化反应。因此，在实际运行过程中，不能使催化转化器的温度持续低于运行温度，以此会降低内燃机的效率。

对于混合汽车驱动系统而言，可以对内燃机进行优化设计，从而使其结构更为简单。对通过曲轴皮带或链条驱动的辅助机组而言，可通过电动机来维持其运行过程。此外，这也可使内燃机在取消了皮带或链条后能实现安静的运行过程，同时充分改善系统的磨损现象。为了进一步实现系统的轻量化并改善摩擦现象，需要采用高品质的材料和先进的加工工艺。

由于混合动力驱动系统通常采用电动机作为第2种动力装置，因此可相应降低内燃机的功率。另外，小型内燃机同样也可用于乘用车中。内燃机的小型化意味着可通过精简气缸数量或气缸尺寸来减小气缸工作容积，并可通过涡轮增压系统来补偿功率的损失，以此使内燃机维持原有的动力性能。

在部分负荷和怠速工况下，也可以通过停缸技术来提升整机效率。在该情况下，可使多个气缸停止运行。因此，其他正常运行的气缸可在负荷更高的工况区域下运作，并具有更高的效率，从而降低总油耗。除了减少油耗之外，在使气缸停止运行后，还可以利用内燃机的制动效应，在再生制动模式下提高对发电机的能量输入。

2.1.1 基于混合动力汽车驱动系统的汽油机设计过程研究

目前，混合动力汽车的主要市场为日本和美国，在两国发售的相关新款混合动力汽车中，几乎毫无例外地使用了汽油机。采用汽油机的优点是其整机成本较低。在功率相近的前提下，考虑到废气处理系统，柴油机的成本通常会比汽油机高8%左右。

对于一台汽油机而言，当其在接近全负荷工况下运行时，会具有更高的效率。为此，通常还需要提高转速限制，并使汽油机实现最高功率的输出。在自然进气式汽油机的部分负荷工况范围内，可通过为其设置较高的压缩比来提升整机效率。

由于在全负荷工况下，过高的压缩比往往会产生负面效应。通常会采取特殊方案，如阿特金森循环来降低全负荷工况下的有效压缩比。丰田及马自达旗下的部分车型都使用了阿特金森循环。

阿特金森循环由詹姆斯·阿特金森（James At‐kinson）于1882年提出。在该循环中，进气阀到达下止点后才被关闭。因此，通过节气门全开、相对较低的泵气损失及较高的效率，几乎可以无限制地吸入新鲜空气。因为在压缩行程中，会有部分新鲜空气流至缸外，直至进气门关闭。因此，汽油机工作需要的新鲜空气量可通过调整进气阀的持续开启时间来实现。该过程同样可以通过调节膨胀比来实现，甚至可以对膨胀比进行设定，使其数值比压缩比更高。如果能使缸内燃气得以充分膨胀，并使其压力降至与环境压力相近的水平，则可有效提升整机热效率。

同样，通过较低的燃烧温度也可降低氮氧化物（NOx）的排放量。在较高的转速工况范围内，通过该方法可使整机功率提高约10%。其技术的弊端是在较低的转速工况范围内，汽油机的燃烧效率相对较低，因此其扭矩也相应较低。

米勒循环与阿特金森循环相似，进气门在达到下止点之前就已关闭，在理论上可取得相似的效果。在该情况下，由于缸内吸入的空气较少，因此在米勒循环中可使用压缩机或涡轮增压器来补偿功率损耗。在部分负荷和全负荷工况下，米勒循环与阿特金森循环具有的较高功率可用于对电动机性能的补充。

除此以外，1项重要的标准是汽油机自身的起动能力。汽油机的起动过程可直接通过电动机来实现，而电动机通常会布置于汽油机的驱动轴上。通过电动机实现的驱动过程，能使缸内可燃混合气处于最佳点火状态，并达到汽油机起动所需的最低转速，从而相应降低起动阶段产生的排放物。与配备有小型齿轮的传统电动机不同，1辆混合动力汽车可通过功率强大的集成电动机来实现低噪声的起动过程。

除了可在排放和噪声方面对起动性能进行优化外，油耗也是1项重要的参数。为满足降低油耗的条件，需要对可变气门进行控制。虽然这违背了成本最小化的原则，但仍然可应用于许多混合动力驱动系统中，以实现上述目标。

为此，在轻度和微混合动力驱动系统中，通常会配备有集成起动发电一体机（ISC），通过驱动轴上的电动机来替代常规起动设备，从而实现响应性较高且排放较低的起动过程。在低温情况下，该方案有助于汽油机在冷态气缸摩擦力较大且机油黏度较高的情况下，克服首次压缩行程中面临的阻力，并使整机顺利起动。

在效率提升方面，目前已经采用了特殊的燃烧过程（如阿特金森循环或米勒循环）。同时，也可以使用其他的燃烧方法，如层状汽油直接喷射（CDI）或可控自燃着火（CAI）。在汽油机中进行层状喷射时，火花塞周围会产生浓混合气（过量空气系数λ＜1），燃烧室的其余部分则分布有稀混合气（过量空气系数λ＞1）。然而，稀薄空气的燃烧过程仅在较为有限的空间区域内进行。在该空间区域内，混合气通过汽油机的压缩过程被剧烈加热。在该空间区域以外，可通过电动机来驱动混合动力汽车。

其他方案则包括直喷和进气歧管喷射等方面，以此可提高发动机的效率，从而使整机具有更高的扭矩，并相应降低了油耗和排放[9]。

2.1.2 基于混合动力汽车驱动系统的柴油机设计过程研究

在车速和负荷较高的情况下，采用汽油机作为混合动力汽车的动力装置会产生过高的油耗。然而，即使在低负荷工况区域内，通过柴油机驱动混合动力汽车仍具有一定的优势。

目前，针对柴油机小型化的技术研究正在持续开展中，该方案对于混合动力汽车而言，有着重要作用。与汽油机的情况相似，柴油机通过小型化可使负荷工况点向效率更佳的区域移动，从而降低油耗。柴油机的小型化方案与汽油机类似。对于柴油机而言，也需要减小排量，并且通常会与废气增压措施相结合。

柴油机小型化的新方案可与两级增压器实现同步运作。即：将2个涡轮增压机进行串联或并联（通常为1个较小的增压机组和1个较大的增压机组）。多级增压通常只用于高档车型。通过柴油机驱动的中小型混合动力汽车的特点是电动机的体积尺寸较小，但动力性能较强，而柴油机自身设计方案则相对简易。在该情况下，与电动机进行协同运作可降低对柴油机动力性能的要求。由于在传统柴油车中会产生大量废气与颗粒排放物，因此必须对柴油机的后处理系统进行优化，以此满足排放要求。

除此以外，可通过使柴油机避开高负荷工况，以此降低尾气排放。通过电动机补偿柴油机降低的功率，从而可简化柴油机的设计过程，并降低其成本。相关方案涉及柴油微粒滤清器、NOx还原系统[10]，以及选择性催化还原（SCR）系统。对于传统柴油机而言，上述部件会显著影响到其总成本。

对于配备有柴油机的混合动力汽车而言，起动过程至关重要。在该情况下，需要对起动系统进行专门设计，以便使柴油机能安静且迅速地实现起动，并避免柴油机在停车时出现剧烈的抖动现象，该目标可通过适当选择气门正时或可变气门调节系统来实现。由于柴油机在起动及停车时面临着一系列问题，由此限制了其在混合动力驱动系统中的应用。

2.2 基于混合动力汽车驱动系统的其他热力发动机设计过程研究

2.2.1 基于混合动力汽车驱动系统的斯特林发动机设计过程研究

由罗伯特·斯特林（Robert Stirling）发明的第1款斯特林发动机已于1818年正式投入使用。斯特林发动机可借助于气缸外部的连续燃烧过程来获取热量。同时，热交换器可将工质的热量传递到气缸中，并使高温的腔室与低温腔室之间的工质实现往复流动，从而使缸内压力产生周期性变化。压力波动可经工作活塞和曲柄机构而转换成机械功输出。由于冷却器会使斯特林发动机面临着较高的热损失，为了提升整机效率，通常会在热腔室和冷腔室之间布置有蓄热器。理想的斯特林热力循环可通过2个等温线和2个等容线进行描述，但在实际运行过程中，该理想循环难以真正实现。由于热交换器的存在，难以完全消除余隙容积。此外，热交换器的工作过程往往不够理想，因为其温度通常不会持续处于恒定状态。

作为1类热力发动机，斯特林发动机有多种常见的结构型式，如曲轴驱动装置、菱形齿轮驱动装置和摆动轮盘式驱动装置等。旋转活塞发动机的结构型式同样也适用于斯特林发动机。与内燃机相比，斯特林发动机的优势在于其外部燃烧过程可持续进行，并可使用任意燃料作为高温热源，同时，可以有效降低污染物的排放。斯特林发动机在最佳工况点时具有较高的效率，通过排量控制还可以使其具有较好的部分负荷效率。与内燃机相比，其扭矩特性特别适用于车辆运行过程，因为斯特林发动机在车辆处于静止状态时可以输出扭矩，且无须配备起动机。斯特林发动机的另一项优点是其振动和噪声特性较好。

与内燃机相比，斯特林发动机的主要缺点是其扭矩响应性较差。由于热容的原因，使斯特林发动机的工况调整存在一定的迟滞现象，即使在冷起动时也必须先对斯特林发动机进行预热。因为配备有热交换器，所以斯特林发动机对车辆结构空间的要求相对较高。同时，由于其结构型式复杂，其批量制造成本通常也会高于内燃机。由于结构型式和应用领域彼此相异，因此斯特林发动机的性能参数及成本间会存在着较大差异。

2.2.2 基于混合动力汽车驱动系统的燃气轮机设计过程研究

燃气轮机是1类连续运作的热力涡轮机械。工质持续流经压缩机、燃烧室和涡轮机等相互独立的部件，并通过热力状态及参数的变化以实现热力循环，从而实现机械功的输出过程。上述部件可通过螺栓等部件实现连接。

在燃气轮机中，将新鲜空气连续吸入径向或轴向压缩机中，并将其充分压缩，然后在热交换器中预热后将气体送入燃烧室。随后将气态或液态燃料持续喷入燃烧室中，并通过高温燃气引燃一部分新鲜空气。在该过程后剩余的空气可用于对涡轮入口处的高温燃气进行冷却，使其温度降至1 300 K左右，高温燃气随后可通过1～3个涡轮级进行能量转换。

高温燃气会在涡轮中进行膨胀，涡轮又会消耗一部分功率用于驱动压缩机，而其余的有效功率则通过动力输出轴以扭矩形式输出。

燃烧时产生的部分高温燃气会流过热交换器，从而将该部分能量用于预热燃烧室入口处的空气。由于动力涡轮的转速非常高，因此一般会通过齿轮减速器将其降至常用的转速范围内，并使其与变速器相连接。同时，涡轮还可用于为发电机或液压泵等辅助设备供电。由于其工作速度较高，工质流量较大，因此，根据其性能特点，在功率相同的前提下，燃气轮机的质量比内燃机等热力发动机更轻。

当燃气轮机用于车用动力装置时，通常会对其结构型式进行相应调整。燃气轮机的轴数、热交换器、中间冷却器及燃烧室的数量会根据实际用途的差异而有所不同，并以此提高热效率。就单轴燃气轮机而言，压缩机和动力涡轮布置在同一根轴上。起动时，由于压缩机转速在每个时间点都等于输出轴的转速，该类简单的结构型式所具有的扭矩特性曲线并不适用于陆用车辆，然而扭矩特性对串联式混合动力汽车较为有利。在串联混合动力汽车中，可通过燃气轮机直接驱动发电机，并输出电能。

在分轴燃气轮机中，气体发生器轴和动力输出轴实现了彼此分离。相比单轴燃气轮机，分轴燃气轮机的扭矩特性曲线更佳，并且适用于陆用车辆。为了减少车辆燃气轮机在部分负荷和怠速工况下的油耗，并改善加速性能，可通过调节工质温度，或通过涡轮和压缩机上的可调导向叶片对负荷进行调节。

在三轴燃气轮机中，压缩过程会分两步完成，并引入了中间冷却系统。同时，在涡轮间也会进行二次燃烧。由此，燃气轮机的油耗特性可通过更昂贵的结构成本和更高的复杂性得以进一步改善。

通常能以柴油或汽油等常规燃料用作燃气轮机的燃料。除此以外，燃气轮机也可燃用天然气和煤气等其他气相燃料[11]。在燃气轮机的燃烧过程中，由于空气流量较大，因此高温燃气可与冷空气混合，有效降低了燃烧室内的峰值温度，该数值通常低于内燃机燃烧室内的峰值温度，由此也会使燃气轮机的油耗明显高于内燃机。同时，由于气体流量较大，燃气轮机的CO、HC及NOx的排放会比内燃机更低。

车用分轴燃气轮机的主要优点包括：较低的排放，可燃用多种燃料，较好的扭矩特性，较低的振动，较长的保养周期。其主要缺点包括：较高的油耗，采用热交换器而提升了成本，燃烧室部件材料成本较高，较高的制造工艺要求。因此，考虑到上述特点，燃气轮机目前主要仅应用于主战坦克等大型军用车辆。

3 混合动力汽车运行策略研究

3.1 混合动力汽车驱动系统的运行策略研究总论

传统车辆运行所需的能量仅由内燃机提供。燃油中的化学能被转化成机械功，然后通过变速器、差速器和半轴传递至车辆的驱动轴[12，13]。通过切换不同的传动比可以将内燃机转矩和转速调节成所需要的数值。

通常而言，内燃机和电动机的组合有3种方式[14]，即仅搭载内燃机的车辆、仅搭载电动机的车辆，以及由内燃机和电动机共同驱动的车辆。

为进一步优化混合动力汽车的运行策略，必须考虑所有会影响车辆相关属性的部件及其特性。在优化油耗时，内燃机、电动机，以及蓄电池等都可被视为能量转换设备，车辆所具有的其他属性还包括尾气排放、噪声及舒适性等。

3.2 内燃机的运行策略

通过内燃机，可将燃油中所存储的能量转换成机械功。根据内燃机的工作原理，当其处于转速和扭矩不同的工况条件下，其热效率也各有不同。在城市运行工况下，内燃机处于低负荷工况区，其油耗也相对较高。

当内燃机应用于混合动力汽车时，由于通常会将电动机用于第2类动力装置，因此内燃机的运行策略也可得到进一步优化。在采用并联式混合驱动方案时，内燃机的动力输出与车轮的功率需求无关。

在高效的能量转换效率影响下，提升的功率可用于为蓄电池充电。此外，对于并联式和功率分流式混合动力汽车而言，内燃机转速与车轮转速并无直接联系。如果仅通过电动机来驱动整车[15]，则可以使内燃机停止运行。该项举措除了降低油耗和尾气排放外，还可以充分降低整车噪声。

3.3 电动机的运行策略

电动机与内燃机的区别一方面体现在电动机的效率明显更高，另一方面则体现在电动机在起动时即可输出最大扭矩。

应当注意的是，电动机不会产生尾气排放。由于其噪声明显低于内燃机，因此，混合动力汽车在城市内以低速行驶时，仅通过电动机即可实现该目标。与内燃机相比，电动机的另一项主要优点是其也可用于发电机。由此可实现制动能量的再生过程，即在车辆制动过程中将车轮动能转化为电能，并为蓄电池充电[16]。

3.4 蓄电池的运行策略

除了内燃机和电动机以外，混合动力汽车的能量管理系统中还包括蓄电池。目前主要采用的蓄电池类型包括镍氢电池、锂离子电池等。蓄电池可以通过发电机为其充电，并将电能转化为化学能并进行储备。对于插电式混合动力汽车而言[17]，可通过公用电网对电池进行充电。荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）是影响混合动力汽车运行策略的重要参数。

同时，还应考虑到蓄电池充电期间的效率、蓄能器的放电，以及由此产生的能量损耗，通过适当冷却以防止电池出现过热现象。同时还应采用监测系统，以避免车辆运行中的实际参数超出限值。

3.5 辅助机组的运行策略

对于目前的汽油车或柴油车而言，在其起动后，传动装置将会持续运行，直至车辆结束行驶后方才停止运作。因此，内燃机驱动辅助设备的所有工作模式都可投入使用。在该情况下，出于对整车安全性和舒适性等方面的考虑，必须确保助力转向系统、空调冷却系统和加热系统等辅助机组处于持续运行状态。

如果内燃机停止运行，上述单元将以电能驱动，即从蓄电池中获取部分能量以作为上述设备的动力来源。以空调系统为例，由于其有着高达数千瓦的功率需求，因此会对混合动力汽车的运行产生一定影响，在设计车辆运行策略的过程中必须考虑到这一点。

4 结论与展望

目前，内燃机必须与混合动力汽车动力系统的驱动方案实现匹配，以体现出内燃机在成本、排放和油耗等方面的优势。当前的研究重点主要有两方面，一方面是需要发动机在动力性能较低的情况下采用更简易的燃烧方案，另一方面则是需要发动机逐步向配备有双喷油和涡轮增压的复杂燃烧方案推进，并通过电动机辅助系统实现进一步优化。上述方案所采用的发动机，可有效实现小型化，并可实现气门调节功能，以此实现节能减排的重要发展目标。

相关研究方案将继续在内燃机和电动机的匹配方面实现进一步优化。例如，可通过使2缸内燃机实现小型化，同时借助于电动机的辅助过程，使内燃机的运转更为平稳。在该情况下，内燃机在中高速工况区域内，应具有较强的动力性能；而电动机则需要满足车辆在低速工况区域内的动力需求。

综上所述，除了传统的汽油机与柴油机外，斯特林发动机与燃气轮机也可用作车用动力装置，但其在车用动力领域的实际量产及应用经验尚不如传统内燃机，因此一定程度上限制了其推广进程。