混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)車輛多以內(nèi)燃機作為動力裝置。通過內(nèi)燃機，可將燃料中以化學鍵形式存儲的能源轉(zhuǎn)化成機械功。除了內(nèi)燃機以外，以燃氣輪機為代表的其他熱力發(fā)動機也有著相似的能量轉(zhuǎn)換過程[1,2]。因此，對于現(xiàn)代混合動力汽車而言，熱力發(fā)動機依然是其驅(qū)動系統(tǒng)的核心組件。但與傳統(tǒng)車輛相比，現(xiàn)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(qū)動系統(tǒng)的乘用車及商用車都可通過電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械功。內(nèi)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(jié)構(gòu)，即：串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)、并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)和功率分流式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)[4]，并各自具有相應(yīng)的優(yōu)點與缺點。在進行結(jié)構(gòu)選擇時，需要優(yōu)先考慮的問題在于如何通過混合動力驅(qū)動系統(tǒng)降低整車能耗，同時進一步提高峰值功率，并相應(yīng)改善駕駛響應(yīng)性和駕乘舒適性。

1 混合動力汽車的優(yōu)點

目前，有多個國家都在大力發(fā)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(chǎn)生反應(yīng)物CO2[5]。通過對反應(yīng)方程式的定量分析，可以計算出每升燃料產(chǎn)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(yīng)降低了CO2的排放量[6]。

傳統(tǒng)汽車所采用的內(nèi)燃機通常有著寬廣的功率范圍，并且在動態(tài)駕駛模式下能快速改變輸出功率。內(nèi)燃機在蓄電池和電動機的輔助下，可在較窄的轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，實現(xiàn)穩(wěn)定的動力輸出及較低的油耗。由此可以更好地優(yōu)化內(nèi)燃機的運行工況范圍，并相應(yīng)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(nèi)提供額外的驅(qū)動力矩，并能提供額外的加速度。特別是對于質(zhì)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(nèi)燃機，但通過混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，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(zhuǎn)型的過渡車型

根據(jù)目前的發(fā)展趨勢，汽車將從技術(shù)成熟的內(nèi)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(zhuǎn)型，再逐步調(diào)整為未來的純電動汽車。相比短期內(nèi)的技術(shù)階躍，連續(xù)的長期技術(shù)過渡更易于被行業(yè)和市場所接受。

1.4 基于混合動力汽車的新技術(shù)開發(fā)

開發(fā)新型混合動力汽車需要采用多項技術(shù)。整車傳動系統(tǒng)中的附加部件同樣需要更多的布置空間，并且還會相應(yīng)增加整車的質(zhì)量。由于該項指標，因此在研發(fā)過程中對蓄電池有較嚴格的技術(shù)要求。盡管混合動力汽車的結(jié)構(gòu)相對更為復雜，但仍希望其能如同傳統(tǒng)汽車，有著較高的可靠性。雖然目前的技術(shù)已得以充分優(yōu)化，但是，蓄電池依然是技術(shù)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(qū)動系統(tǒng)的成本。

在混合動力驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)過程中，蓄電池是一項關(guān)鍵因素。近年來，蓄電池、電動機、控制系統(tǒng)及功率電子設(shè)備的技術(shù)水平也有了顯著進步。除此以外，對內(nèi)燃機也進行了重點優(yōu)化，一方面對其在混合動力驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了改良，另一方面則顯著提升了其經(jīng)濟性。

2 混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計過程研究

2.1 基于混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的內(nèi)燃機設(shè)計過程研究

除了插電式混合動力汽車外，內(nèi)燃機可用于提供混合動力汽車運行所需的全部能量。內(nèi)燃機所能提供的功率主要取決于所選擇的混合動力驅(qū)動方案。對并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)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(nèi)燃機進行組合使用。相反，內(nèi)燃機在輕度或微混合動力驅(qū)動系統(tǒng)中占有主導地位。在串聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)中，內(nèi)燃機輸出的機械功通常不直接用于驅(qū)動車輛，而是轉(zhuǎn)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(qū)動車輛前行。因此，針對內(nèi)燃機的設(shè)計過程必須明確針對混合動力汽車的使用目的和驅(qū)動系統(tǒng)來進行調(diào)整。

對于混合動力汽車的驅(qū)動方案而言，針對內(nèi)燃機的一項重要設(shè)計原則是需要對其效率進行優(yōu)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(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的損失來實現(xiàn)效率優(yōu)化，此類優(yōu)化過程可在內(nèi)燃機側(cè)通過降低冷卻和廢氣溫度來實現(xiàn)。在該情況下，為應(yīng)對冬季的氣候特征，需要在車內(nèi)安裝額外的加熱裝置。如果發(fā)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(nèi)燃機在此類工況點上運行時，也會有最低的油耗。為了使內(nèi)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(qū)動系統(tǒng)而言，如果長時間通過電動機驅(qū)動整車，會出現(xiàn)排氣溫度逐步降低的現(xiàn)象，由此也會相應(yīng)降低下游催化轉(zhuǎn)化器的溫度，并且難以有效減少催化反應(yīng)。因此，在實際運行過程中，不能使催化轉(zhuǎn)化器的溫度持續(xù)低于運行溫度，以此會降低內(nèi)燃機的效率。

對于混合汽車驅(qū)動系統(tǒng)而言，可以對內(nèi)燃機進行優(yōu)化設(shè)計，從而使其結(jié)構(gòu)更為簡單。對通過曲軸皮帶或鏈條驅(qū)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(nèi)燃機在取消了皮帶或鏈條后能實現(xiàn)安靜的運行過程，同時充分改善系統(tǒng)的磨損現(xiàn)象。為了進一步實現(xiàn)系統(tǒng)的輕量化并改善摩擦現(xiàn)象，需要采用高品質(zhì)的材料和先進的加工工藝。

由于混合動力驅(qū)動系統(tǒng)通常采用電動機作為第2種動力裝置，因此可相應(yīng)降低內(nèi)燃機的功率。另外，小型內(nèi)燃機同樣也可用于乘用車中。內(nèi)燃機的小型化意味著可通過精簡氣缸數(shù)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(tǒng)來補償功率的損失，以此使內(nèi)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(shù)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(qū)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(nèi)燃機的制動效應(yīng)，在再生制動模式下提高對發(fā)電機的能量輸入。

2.1.1 基于混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的汽油機設(shè)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(fā)售的相關(guān)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(yōu)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(tǒng)，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(zhuǎn)速限制，并使汽油機實現(xiàn)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(nèi)，可通過為其設(shè)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(chǎn)生負面效應(yīng)。通常會采取特殊方案，如阿特金森循環(huán)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(huán)。

阿特金森循環(huán)由詹姆斯·阿特金森（James At‐kinson）于1882年提出。在該循環(huán)中，進氣閥到達下止點后才被關(guān)閉。因此，通過節(jié)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(guān)閉。因此，汽油機工作需要的新鮮空氣量可通過調(diào)整進氣閥的持續(xù)開啟時間來實現(xiàn)。該過程同樣可以通過調(diào)節(jié)膨脹比來實現(xiàn)，甚至可以對膨脹比進行設(shè)定，使其數(shù)值比壓縮比更高。如果能使缸內(nèi)燃氣得以充分膨脹，并使其壓力降至與環(huán)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(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，通過該方法可使整機功率提高約10%。其技術(shù)的弊端是在較低的轉(zhuǎn)速工況范圍內(nèi)，汽油機的燃燒效率相對較低，因此其扭矩也相應(yīng)較低。

米勒循環(huán)與阿特金森循環(huán)相似，進氣門在達到下止點之前就已關(guān)閉，在理論上可取得相似的效果。在該情況下，由于缸內(nèi)吸入的空氣較少，因此在米勒循環(huán)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(huán)與阿特金森循環(huán)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(xiàn)，而電動機通常會布置于汽油機的驅(qū)動軸上。通過電動機實現(xiàn)的驅(qū)動過程，能使缸內(nèi)可燃混合氣處于最佳點火狀態(tài)，并達到汽油機起動所需的最低轉(zhuǎn)速，從而相應(yīng)降低起動階段產(chǎn)生的排放物。與配備有小型齒輪的傳統(tǒng)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(xiàn)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(yōu)化外，油耗也是1項重要的參數(shù)。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(yīng)用于許多混合動力驅(qū)動系統(tǒng)中，以實現(xiàn)上述目標。

為此，在輕度和微混合動力驅(qū)動系統(tǒng)中，通常會配備有集成起動發(fā)電一體機（ISC），通過驅(qū)動軸上的電動機來替代常規(guī)起動設(shè)備，從而實現(xiàn)響應(yīng)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(tài)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(jīng)采用了特殊的燃燒過程（如阿特金森循環(huán)或米勒循環(huán)）。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(chǎn)生濃混合氣（過量空氣系數(shù)λ＜1），燃燒室的其余部分則分布有稀混合氣（過量空氣系數(shù)λ＞1）。然而，稀薄空氣的燃燒過程僅在較為有限的空間區(qū)域內(nèi)進行。在該空間區(qū)域內(nèi)，混合氣通過汽油機的壓縮過程被劇烈加熱。在該空間區(qū)域以外，可通過電動機來驅(qū)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(fā)動機的效率，從而使整機具有更高的扭矩，并相應(yīng)降低了油耗和排放[9]。

2.1.2 基于混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的柴油機設(shè)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(chǎn)生過高的油耗。然而，即使在低負荷工況區(qū)域內(nèi)，通過柴油機驅(qū)動混合動力汽車仍具有一定的優(yōu)勢。

目前，針對柴油機小型化的技術(shù)研究正在持續(xù)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(qū)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(jié)合。

柴油機小型化的新方案可與兩級增壓器實現(xiàn)同步運作。即：將2個渦輪增壓機進行串聯(lián)或并聯(lián)（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(qū)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(shè)計方案則相對簡易。在該情況下，與電動機進行協(xié)同運作可降低對柴油機動力性能的要求。由于在傳統(tǒng)柴油車中會產(chǎn)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(tǒng)進行優(yōu)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(shè)計過程，并降低其成本。相關(guān)方案涉及柴油微粒濾清器、NOx還原系統(tǒng)[10]，以及選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)。對于傳統(tǒng)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(guān)重要。在該情況下，需要對起動系統(tǒng)進行專門設(shè)計，以便使柴油機能安靜且迅速地實現(xiàn)起動，并避免柴油機在停車時出現(xiàn)劇烈的抖動現(xiàn)象，該目標可通過適當選擇氣門正時或可變氣門調(diào)節(jié)系統(tǒng)來實現(xiàn)。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(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.2 基于混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的其他熱力發(fā)動機設(shè)計過程研究

2.2.1 基于混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的斯特林發(fā)動機設(shè)計過程研究

由羅伯特·斯特林（Robert Stirling）發(fā)明的第1款斯特林發(fā)動機已于1818年正式投入使用。斯特林發(fā)動機可借助于氣缸外部的連續(xù)燃燒過程來獲取熱量。同時，熱交換器可將工質(zhì)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(zhì)實現(xiàn)往復流動，從而使缸內(nèi)壓力產(chǎn)生周期性變化。壓力波動可經(jīng)工作活塞和曲柄機構(gòu)而轉(zhuǎn)換成機械功輸出。由于冷卻器會使斯特林發(fā)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(huán)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(huán)難以真正實現(xiàn)。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(xù)處于恒定狀態(tài)。

作為1類熱力發(fā)動機，斯特林發(fā)動機有多種常見的結(jié)構(gòu)型式，如曲軸驅(qū)動裝置、菱形齒輪驅(qū)動裝置和擺動輪盤式驅(qū)動裝置等。旋轉(zhuǎn)活塞發(fā)動機的結(jié)構(gòu)型式同樣也適用于斯特林發(fā)動機。與內(nèi)燃機相比，斯特林發(fā)動機的優(yōu)勢在于其外部燃燒過程可持續(xù)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(fā)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(nèi)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(fā)動機在車輛處于靜止狀態(tài)時可以輸出扭矩，且無須配備起動機。斯特林發(fā)動機的另一項優(yōu)點是其振動和噪聲特性較好。

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

2.2.2 基于混合動力汽車驅(qū)動系統(tǒng)的燃氣輪機設(shè)計過程研究

燃氣輪機是1類連續(xù)運作的熱力渦輪機械。工質(zhì)持續(xù)流經(jīng)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(tài)及參數(shù)的變化以實現(xiàn)熱力循環(huán)，從而實現(xiàn)機械功的輸出過程。上述部件可通過螺栓等部件實現(xiàn)連接。

在燃氣輪機中，將新鮮空氣連續(xù)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(tài)或液態(tài)燃料持續(xù)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(zhuǎn)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(qū)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(chǎn)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(zhuǎn)速非常高，因此一般會通過齒輪減速器將其降至常用的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，并使其與變速器相連接。同時，渦輪還可用于為發(fā)電機或液壓泵等輔助設(shè)備供電。由于其工作速度較高，工質(zhì)流量較大，因此，根據(jù)其性能特點，在功率相同的前提下，燃氣輪機的質(zhì)量比內(nèi)燃機等熱力發(fā)動機更輕。

當燃氣輪機用于車用動力裝置時，通常會對其結(jié)構(gòu)型式進行相應(yīng)調(diào)整。燃氣輪機的軸數(shù)、熱交換器、中間冷卻器及燃燒室的數(shù)量會根據(jù)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(zhuǎn)速在每個時間點都等于輸出軸的轉(zhuǎn)速，該類簡單的結(jié)構(gòu)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(lián)式混合動力汽車較為有利。在串聯(lián)混合動力汽車中，可通過燃氣輪機直接驅(qū)動發(fā)電機，并輸出電能。

在分軸燃氣輪機中，氣體發(fā)生器軸和動力輸出軸實現(xiàn)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(diào)節(jié)工質(zhì)溫度，或通過渦輪和壓縮機上的可調(diào)導向葉片對負荷進行調(diào)節(jié)。

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(tǒng)。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(jié)構(gòu)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(guī)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(nèi)的峰值溫度，該數(shù)值通常低于內(nèi)燃機燃燒室內(nèi)的峰值溫度，由此也會使燃氣輪機的油耗明顯高于內(nèi)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(nèi)燃機更低。

車用分軸燃氣輪機的主要優(yōu)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(yǎng)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(yīng)用于主戰(zhàn)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(qū)動系統(tǒng)的運行策略研究總論

傳統(tǒng)車輛運行所需的能量僅由內(nèi)燃機提供。燃油中的化學能被轉(zhuǎn)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(qū)動軸[12，13]。通過切換不同的傳動比可以將內(nèi)燃機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)成所需要的數(shù)值。

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

為進一步優(yōu)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(guān)屬性的部件及其特性。在優(yōu)化油耗時，內(nèi)燃機、電動機，以及蓄電池等都可被視為能量轉(zhuǎn)換設(shè)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(nèi)燃機的運行策略

通過內(nèi)燃機，可將燃油中所存儲的能量轉(zhuǎn)換成機械功。根據(jù)內(nèi)燃機的工作原理，當其處于轉(zhuǎn)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(nèi)燃機處于低負荷工況區(qū)，其油耗也相對較高。

當內(nèi)燃機應(yīng)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(nèi)燃機的運行策略也可得到進一步優(yōu)化。在采用并聯(lián)式混合驅(qū)動方案時，內(nèi)燃機的動力輸出與車輪的功率需求無關(guān)。

在高效的能量轉(zhuǎn)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(lián)式和功率分流式混合動力汽車而言，內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速與車輪轉(zhuǎn)速并無直接聯(lián)系。如果僅通過電動機來驅(qū)動整車[15]，則可以使內(nèi)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(nèi)燃機的區(qū)別一方面體現(xiàn)在電動機的效率明顯更高，另一方面則體現(xiàn)在電動機在起動時即可輸出最大扭矩。

應(yīng)當注意的是，電動機不會產(chǎn)生尾氣排放。由于其噪聲明顯低于內(nèi)燃機，因此，混合動力汽車在城市內(nèi)以低速行駛時，僅通過電動機即可實現(xiàn)該目標。與內(nèi)燃機相比，電動機的另一項主要優(yōu)點是其也可用于發(fā)電機。由此可實現(xiàn)制動能量的再生過程，即在車輛制動過程中將車輪動能轉(zhuǎn)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(nèi)燃機和電動機以外，混合動力汽車的能量管理系統(tǒng)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(fā)電機為其充電，并將電能轉(zhuǎn)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(wǎng)對電池進行充電。荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）是影響混合動力汽車運行策略的重要參數(shù)。

同時，還應(yīng)考慮到蓄電池充電期間的效率、蓄能器的放電，以及由此產(chǎn)生的能量損耗，通過適當冷卻以防止電池出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。同時還應(yīng)采用監(jiān)測系統(tǒng)，以避免車輛運行中的實際參數(shù)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(xù)運行，直至車輛結(jié)束行駛后方才停止運作。因此，內(nèi)燃機驅(qū)動輔助設(shè)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(zhuǎn)向系統(tǒng)、空調(diào)冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)等輔助機組處于持續(xù)運行狀態(tài)。

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

4 結(jié)論與展望

目前，內(nèi)燃機必須與混合動力汽車動力系統(tǒng)的驅(qū)動方案實現(xiàn)匹配，以體現(xiàn)出內(nèi)燃機在成本、排放和油耗等方面的優(yōu)勢。當前的研究重點主要有兩方面，一方面是需要發(fā)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(fā)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(tǒng)實現(xiàn)進一步優(yōu)化。上述方案所采用的發(fā)動機，可有效實現(xiàn)小型化，并可實現(xiàn)氣門調(diào)節(jié)功能，以此實現(xiàn)節(jié)能減排的重要發(fā)展目標。

相關(guān)研究方案將繼續(xù)在內(nèi)燃機和電動機的匹配方面實現(xiàn)進一步優(yōu)化。例如，可通過使2缸內(nèi)燃機實現(xiàn)小型化，同時借助于電動機的輔助過程，使內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)更為平穩(wěn)。在該情況下，內(nèi)燃機在中高速工況區(qū)域內(nèi)，應(yīng)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(qū)域內(nèi)的動力需求。

綜上所述，除了傳統(tǒng)的汽油機與柴油機外，斯特林發(fā)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(lǐng)域的實際量產(chǎn)及應(yīng)用經(jīng)驗尚不如傳統(tǒng)內(nèi)燃機，因此一定程度上限制了其推廣進程。