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混合动力汽车节油机理
摘 要：论述了混合动力汽车的节油机理，通过实例揭示了混合动力汽车节油途径。通过选用较小功率发 动机、取消发动机怠速、控制发动机下作在高效区、控制发动机断油、适当增加电池 SOC 窗口以及回收再 生制动能量等 6 项措施来降低整车油耗，可实现节油 30%-50%的目标。
关键词：混合动力汽车 节油 机理
Abstract: A study on Fuel-Saving Mechanism for Hybrid Electric Vehicles Abstract:The fuel-saving mechanism for hybrid electric vehicles is discussed.Fucl-saving approaches for hybrid electric vehicles are revealed with instanccs.By selecting low the power engines,canecling engine idle,making the engine work in high efficiency area,conttol engine fuel stop,properly increasing battery SOC windows and recovering brake energy to reduce complete vehicle fuel consumption,the target to save fuel by 30%-50%can he realized. Key words:Hybrid electric vehicle,Fuel saving,Mechanism 1
1前言：随着我国汽车工业的蓬勃发展， 人们在享受汽车带来的便利的同时， 也而临着石油资源 匮乏以及汽车排放污染的困扰。 尽管现代内燃机采取了各种各样的节能措施， 技术水平也达 到了空前高的境界， 然而随着石油资源的日渐枯竭和大气污染的日益严重， 节能和环保己成 为汽车领域研究的严峻课题和任务。 随着汽车保有量的增加， 石油资源匮乏和环保压力已成 为汽车工业可持续发展的瓶颈。 为了获得社会、 经济与资源、 环境相互促进下的可持续发展， 许多国家都在积极地进行代用燃料汽车、 纯电动汽车、 燃料电池汽车以及混合动力汽车等新 型汽车的开发。 其中混合动力汽车被认为是近期降低汽车排放和油耗的最可行方案。 影响混 合动力汽车油耗主要有三个因素：动力总成参数匹配、循环工况和控制策略。本文主要是通 过研究并联混合动力汽车的控制策略来论述混合动力汽车的节油机理， 并通过实例分析揭示 混合动力汽车节油途径。
2 混合动力汽车的特点混合动力汽车的发动机和电动机以机械能叠加的方式驱动汽车。
发动机与电动机分属两 套系统， 可以分别独立地向汽车传动系提供扭矩， 在不同的路而上行驶时既可以共同驱动又 1 可以单独驱动。图是双轴结构混合动力汽车，其发动机和电动机分别通过离合器(K1，K2） 与变速器相连。 驱动车轮的转矩可由发动机和电动机联合提供， 也可以由发动机或电动机单 独提供；电动机同时可作为发电机向电池充电。 图 2 为分开式双轴并联混合动力汽车。其前轴或后轴由电动机驱动，而另一轴则由发 动机驱动， 可以根据需要采用前轮驭动或后轮驭动。 电动机既可以作电动机又可以作发电机 使用，可称为电动—发电机组。 由图 2 可知，由于没有单独的发电机，发动机可以直接通过传动机构驱动车轮，因此该 装置更接近传统的汽车驱动系统， 得到比较广泛的应用。 例如， 大众汽车公司的高尔夫 PHEV， 发动机通过离合器带动电动一发电机， 输出扭力再通过另一边离合器驭动车辆行驶。 静止启 动时，电池向电动一发电机供电，此时电动-发电机就是发动机的起动机。发动机启动后， 与传统汽车一样， 一方面作为车辆单独的动力源驭动车轮， 另一方面又带动电动一发电机发 电向电池充电。在市区行驶时，发动机关闭，一边离合器脱开，一边离合器接合，电池作为 唯一能源向电动机供电，由电动机取代发动机驱动车轮。当电动车需要高速或高负荷时，发 2 动机启动的同时离合器闭合，发动机与电动-发电机系统组成复合驱动形式，以最大功率驭 动车辆。
3 混合动力汽车节油机理
混合动力汽车可通过下列途径达到节油目的：选择较小功率发动机；取消发动机怠速； 控制发动机工作在高效区；发动机断油；适当增大电池 SOC（State of Charge）窗口；回 收再生制动能量。
3.1 选择较小功率发动机 并联混合动力汽车的基木控制策略为： 通过限制发动机的工作区间， 将发动机控制在高 效率区运行， 提供所要求的扭矩； 将电机作为载荷调节装置， 当需要大扭矩输出时参与驱动， 当需要小扭矩输出时吸收发动机能量进行发电，并将电池组的电量状态维持在高效率区间 内。发动机的选择只需满足整车要求的平均功率即可，因此降低了发动机需求功率。发动机 功率降低带来如下优点：减小功率损失，提高了发动机的效率；所消耗的燃油减少，相应降 低了油耗。原来传统汽车需求的(缸机降为,缸机，即可满足混合动力汽车的整车要求。研究 表明，发动机由大功率降为中等功率，可节油 5%-15%。
3.2 取消发动机怠速 大型柴油机怠速 1h 消耗燃油约 3.875L。按照统计的城市公交客车循环工况，发动机怠 速时间约占整个循环时间的 30%-40%。如果一辆公交汽车每天运行 9-12L，则怠速燃油消耗 将达到 8h，可见取消发动机怠速有利于节约燃油。混合动力汽车通过控制策略，可以实现 发动机的起动与停止。当车速为零、加速踏板松开时，程序控制自动关闭发动机；当加速踏 板踩下时，程序控制电动机在 0.5s 内起动发动机，实现发动机无怠速控制。图 3 为北京循 环工况下取消发动机怠速时，发动机燃油消耗随时间的变化关系。从图中可以看出，车速为 零时，发动机关闭，取消了发动机怠速，相应发动机燃油率为零，达到了节油的目的。研究 表明，取消发动机怠速可节油 5%-10%。 3 图 3 取消发动机怠速时发动机燃油消耗量随时间变化关系
3.3 控制发动机工作在高效区 传统汽车其动力来源只有发动机。 为满足汽车的各种动力性能要求， 发动机必然要选择 的很大，使得汽车在绝大多数情况下的低负荷运行时，造成发动机在较小负载区域内工作， 因此使发动机经济性和排放性变差。 发动机在较高的负荷率及中高转速下工作时发动机的平均效率明显提高。 混合动力汽车 通过控制策略并选用了较小功率的发动机，可使绝大多数的工作点落在发动机的高效区间。 在低速低负荷时如果电机能够满足需求功率，则电机单独驱动，实现纯电动模式；如果电机 不能够满足需求功率，则控制发动机工作在高效区，剩余的功率为电池充电，以提高燃料利 用率。而在汽车急加速和爬坡、发动机满足不了整车需求时，电机参与工作，实现电机助力 联合驱动模式。控制发动机工作在高效区，可以实现节油。图 4 为北京循环工况下传统汽车 发动机（某型 170kw 发动机）工作点分布，从图中可以看出，传统汽车发动机的实际工作点 大部分落在了其低效区经济性和排放很差。 采用混合动力汽车， 通过控制策略可控制发动机 工作在高效区， 5 所示发动机的工作点基本上落在了发动机外特性线上， DEUTZ 发动机， 图 对 其外特性线上的效率很高，这样有利于节油。研究表明，控制发动机工作在高效区，可以节 油 5%-10%。
3.4 发动机断油控制 当松开加速踏板使汽车减速时，如图 3 所示，可以控制发动机高速反拖断油，直到怠速 4 恢复供油为止，实现节油目的。研究表明，控制发动机断油，可节油 5%。 图 4 北京循环工况下传统汽车发动机工作点分布 图 5 北京循环工况下混合动力汽车发动机工作点分布
3.5 适当增大电池 SOC 窗口 对于能量平衡型的混合动力汽车 （所谓能量平衡型是指汽车经过某一循环工况后， 电池 的荷电状态 SOC 的变化△SOC=0 或|SOC|<1%），电池的荷电状态 SOC 窗口适当增大有利于节 油。因为适当增大电池的荷电状态 SOC 窗口，电池所能提供的能量越多，电机参与的工作越 多，而电机和电池的效率要高于发动机，因此可以实现节油。另一方面，适当增大电池的荷 电状态 SOC 窗口，电池的充放电频率减少，这样能量间的转化损失减少，因此越节油。图 4 为电池 SOC 窗口对燃油消耗的影响。电池 SOC 窗口从 65%-80%到 60%-80%再到 40%-80%，燃 5 油经济性分别提高 0.01%和 3%)。因此，根据每种电池的性能，以及所允许的电池 SOC 工作 窗口不同，在兼顾电池效率（要求效率最高）和内阻（内阻最小）的情况下，可适当增大电 池 SOC 窗口，达到节油的目的。 图 6 电池的 SOC 窗口对燃油经济性的影响 回收再生制动能量
3.6 回收再生制动能量 当车辆滑行或制动时， 传统汽车通过机械制动系统将车辆的动能转化为热能， 消耗在转 动鼓(盘)上而浪费掉。混合动力汽车由于加装了电机系统，在车辆滑行或制动时，可利用电 机吸收能量，回馈到电池组中储存起来。为了最大限度地回收再生制动能量，控制策略应是 优先山电机再生制动， 当电机满足不了整车制动强度或电池的 SOC 达到最大限值时， 机械制 动参与工作以实现制动的可靠性。 7 为电机再生制动能量与机械制动能量分配关系图。 图 在 制动过程中，整车控制策略分配制动力知，实现电机最大限度地回收再生制动能量。侧十究 表明，由于电机再生制动能量的回收可节油 5%-12%。 6 图 7 电机再生制动能量与机械制动能量分配关系 综合采取上述措施，可大大降低整车油耗，达到节油 30%-50%的目标，如图 8 所示。 图 8 混合动力汽车节油机理分析
4 混合动力汽车节油与排放技术
4 1 在发动机结构方而所采取的措施
4.1.1 采用高膨胀比的 Atkinson 循环发动机 传统发动机的压缩比和膨胀比基木是一样的， 要增加膨胀比就必须增加压缩比， 而增加 压缩比会导致汽汕发动机产生爆燃。因此，发动机的压缩比限制了发动机膨胀比的增长。采 用高膨胀比的 Atkinson 循环发动机，能提高发动机的功率和减少排气污染。将进气门开启 的时间延长到压缩行程开始之后， 使气缸中的一部分混合气在活塞开始上升时被压回到进气 管中去， 即延迟了实际压缩行程开始的时间， 其结果是在没有提高实际压缩比的情况卜却提 高了膨胀比和发动机的能量转换效率，减少了大气污染。
4.1.2 调节节气门的开度 调节节气门的开度能够降低发动机在部分负荷时的进气管真空度，减少泵气的能量损 失，提高发动机的经济性。
4.1.3 改进结构 由于拥有两套驭动系统，发动机的各个部件所受到的作用力较小，强度也较低，所以零 部件的尺寸可以做得小一些。 发动机采用铝合金制造的刚体、 结构紧凑的气体管道和各种轻 量化的构件，减小了发动机的总质量，缩小了发动机的外形尺寸，进一步提高了发动机的经 济性。
4.2 发动机的控制技术 7
4.2.1 发动机的开—关控制 在汽车停车和低速行使时，发动机能够自动关闭;当汽车速度超过工档速度时，发动机 能够自动启动，控制发动机在最佳的工作运转范围，使发动机避开启动、怠速和转速突然变 化时， 燃料燃烧不完全引起的燃料经济性降低和有害废气的排放， 从而控制发动机始终处于 最佳状态卜运转。 此控制技术特别适合汽车在市区行驶， 因为电动机驭动不会污染市内空气， 并可以获得满意的速度和加速度，同时在交通路口停车等待通行时不消耗能量。 4.2.2 发动机稳定运转控制 这是以车速为主要参数的控制技术， 利用车速大小作为控制的依据。 当汽车车速低于所 设定的车速时，电机单独驭动车轮;当车速高于所设定的车速时，电机停止驭动，而山发动 机驭动车轮;当车轮负荷比较大(如汽车急加速、爬陡坡或以较高车速爬坡)时，则山发动机 和电动机联合驭动车轮。 这种技术利用了电动机低速大转知的作用， 避免了发动机的怠速及 低负荷工况。 山于电动机的参与使得发动机的工作转速比普通轿车低， 活塞的往复次数减少， 活塞的运动速度降低活塞环的弹性张力减少，气门的开闭次数减少，气门弹簧的负荷也降 低。 这些都能有效地降低运动副之间的摩擦损耗， 同时也减少了零部件的摩擦损失和延长各 零件的寿命，提高了发动机的经济性。 4.2.3 发动机启动—加速控制 由于电动一发电机在短时间内能够完成发动机的启动加速， 缩短发动机的启动时间和降 低排放。而在汽车启动时，作为发动机的起动机，利用电动机低转速大转知的特点，快速地 带动发动机启动。发动机正常运转后，电动一发电机即转换为发电机向电宇也充电。
5 结束语混合动力汽车通过采取上述措施改善了其排放和燃汕经济性，达到了节汕目的:选择较 小功率发动机可使整车的经济性提高 5%一 15%;取消发动机怠速可使经济性提高 5%-10%;控 制发动机工作在高效区可使经济性提高 5%-10%;发动机断汕使经济性提高 5%;适当增大电池 SOC 窗口可使经济性提高 3%;回收再生制动能量可使经济性提高 5%-12%。这样整个系统可以 提高燃汕经济性 30%-50%。研究结果为混合动力汽车控制器开发提供了设计依据，第一汽车 集团公司混合动力客车整车控制器的控制策略和算法正基于此机理进行开发。
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