混合动力电车如何利用内燃机，使能量管理策略能够适应实际驾驶？

文 | SHY

编辑 | 趣史研社

前言

自20世纪初以来，汽油和柴油内燃机一直以其可靠性和广泛应用，成为最为成功的汽车动力系统之一。

可尽管如此，这些内燃机也面临着效率低、排放问题和不断上涨的燃料成本等挑战。

与燃气发动机和电池电动汽车相比，它们的主要优势在于液体燃料的能量密度非常高，这使得汽车可以携带足够的燃料，通过小型轻量化的油箱，实现长时间的行驶续航。

另外，快速且安全的加油过程也为内燃机带来了便利，汽油和柴油燃料拥有已经完善的分布基础设施，这是难以被其他能源所替代的。

但建设和维护基础设施是一项昂贵且复杂的任务，因此短时间内难以实现转变，这也是现有液体燃料基础设施难以被其他能源替代的原因之一。

混合动力汽车的分类

根据车辆的架构，混合动力电动汽车可以分为不同类型，在混合动力电动车中，如果内燃发动机与电动机机械耦合在同一轴上，以满足车轮的动力需求，则称为“并联”混合动力电动车。

并联混合动力车可以在五种操作模式下运行，分别是动力辅助模式、电动模式、传统车辆模式和再生制动模式。

而混合动力车还有一个重要类型是串联混合动力车，在串联HEV中，电动机负责提供主要的动力需求。

它的内燃发动机则是通过发电机产生电流来为电池充电，以供电动机使用，这种设计使得电动机在车辆驱动中起到了核心作用。

与之相对的就是并联混合动力车，在并联HEV中，电动机和内燃发动机可以共同提供动力，它们可以在某些情况下同时运行，以满足动力需求。

在混合动力车的能量管理方面，有两种常见的模式：充电维持模式和电荷耗尽模式。

在CS模式中，电池始终保持一定的充电状态，以确保车辆的自主性，而在CD模式中，电池可以在任务期间完全放电，特别适用于插电式混合动力车。

而另一个控制策略是混合模式控制，主要用于插电式混合动力车，在这种策略下，电池逐渐放电，以在整个行程中实现最佳性能，从而平衡电动驾驶和燃油驱动。

此外，还有微型混合动力车，它们与传统车辆相似，但在停车时可以关闭发动机以节省燃料，这类似于启停系统的功能。

而轻度混合动力车是另一种类型，电动机和电池的规模比微型混合动力车大一些，这使得它们可以实现更高的燃油经济性和一些基本的电动驱动功能。

除此之外，全混合动力车是一类具有更大电动机和电池的混合动力车，可以在更广泛的情况下使用电动驱动，从而实现更高的燃油经济性和更强的动力性能。

这些混合动力汽车的不同类型和运行模式，提供了在不同情况下平衡燃油效率和动力性能的方法，从微型混合动力车到全混合动力车，每种类型都有其自身的优势和适用场景。

设计和管理混合动力应用的内燃机

在混合动力汽车中，内燃发动机的作用与传统汽车相比存在显著的不同。

而发动机不必被设计得更强大以满足车辆的最大速度、加速度和爬升需求，因为电动机可以在这些方面提供帮助。

与之相反的是，如果内燃发动机被设计得更小，可以减少油耗和温室气体排放，而内燃发动机在HEV中的作用可以更好地管理，以避免低效率和高排放的操作，比如怠速、车辆停止和强加速。

之前的HEV设计方法通常使用为传统汽车开发的内燃发动机，从这个角度来看，混合动力汽车的燃油经济性优势可能会被动力总成的更高复杂性、重量和体积所抵消。

而传统发动机中许多用于提高效率和减少排放的电子控制装置在HEV应用中并不总是适用，特别是在怠速和低速低扭矩操作模式下。

因此，有可能针对混合动力应用开发更为简化、轻量化且成本更低的发动机。

这意味着，在设计适用于混合动力汽车的发动机时，可以优化其工作方式，使之更加适应HEV的运行模式。

这种优化可以包括减少不必要的复杂性，提高内部燃烧的效率，并针对HEV的操作特点进行调整。

而发动机的设计可能在混合动力汽车中发挥更大的作用，从而实现更好的燃油经济性和排放性能。

在混合动力电动汽车中，内燃发动机的运行在低温下通常会导致燃油经济性的下降和体积的增加。

这在HEV中尤为重要，因为这些车辆允许发动机在较长时间内关闭，这可能导致发动机温度下降。

而且这种情况可能会引起冷启动排放的增加，特别是由于在未达到适宜温度时后处理装置的转换效率降低。

但在混合动力电动汽车中，可以通过发动机和后处理装置的控制来减少这些问题，从而提高性能。

混合动力电动汽车的设计允许更精细地控制发动机和后处理装置，以减少预热时间并提高性能。

在HEV中，发动机的转速通常比传统车辆要高，这导致了在启动过程中不同的燃烧条件，因此，启动过程中的燃油经济性和排放，与发动机和电动机的控制策略密切相关。

为了解决这些问题，研究人员提出了一些方法，例如为了缩短发动机的预热时间，一些研究考虑将废气热量回收到冷却液和齿轮箱油中，从而提高它们的温度。

或者通过开发废热回收装置，可以对发动机的废气热量进行整体热交换，从而升高冷却液和变速箱油的温度，减少摩擦损失并提高燃油经济性。

监督控制模型的方法

混合动力电动汽车的能力，包括降低油耗和减少污染物排放，在很大程度上依赖于监督控制策略以及特定的驾驶条件。

在这类车辆中，监控控制系统的作用非常关键，它在每次驱动时都会定义燃料转换系统，和电力存储系统之间的功率分配，以达到多重目标。

但需要注意的是，这些目标之间存在竞争关系，因此HEV的性能在很大程度上取决于哪个目标被视为更为重要。

在实际应用中，监控控制系统需要根据不同的驾驶条件和运行情况动态地调整策略，以平衡这些目标，而这需要考虑诸如行驶速度、加速度、电池充电状态、发动机效率等因素。

车辆行驶模式的预测

经过研究发现，未来驾驶曲线对于混合动力汽车的开发是一个关键问题。

事实上，混合动力汽车的监控控制器，可以利用未来的速度曲线来优化未来时间段内的功率分配，以最大程度地减少燃料消耗、污染物排放和电池使用。

而关于未来驾驶情况的信息，还可以用于启动发动机和后处理装置的电加热，确保它们在打开时达到适当的工作温度。

研究人员已经提出了多种试图预测未来驾驶条件的“自适应”技术，其中一种方法就是基于车辆过去的行为来预测未来的驾驶条件。

但这种方法依赖于类似操作条件的假设，而未来的驾驶情况还会受到驾驶员实时决策的影响，这是基于物理环境而做出的。

同时，研究还表明驾驶员风格、道路类型和交通状况对燃油消耗和排放有着显著影响。

在插电式混合动力电动汽车的情况下，控制变得更加复杂，很大程度上取决于初始电池充电状态和任务长度，尤其是在使用混合模式控制方法时。

研究还指出，如果已知总行驶距离，那么可以通过在行程结束时将电池的SOC调整到较低水平来优化燃油经济性。

一些研究提出了使用GPS信息和历史交通数据来定义优化的驾驶模式，以适应不同的驾驶环境。

还有研究估计，在未来60秒的时间窗口内了解驾驶循环可以将采用混合模式控制的串联插电式混合动力车的燃油消耗提高20%。

信息通信技术与可持续交通

如果车辆能够感知自身和环境的状态，与环境进行通信并计划和执行适当的操作，则可以将其定义为智能。

智能车辆是指那些具备自身和周围环境状态感知能力，能够与环境进行通信，并能计划和执行相应操作的汽车系统。

这一概念首次应用在提升驾驶安全性方面，通过在关键时刻提供驾驶员辅助来实现。

为了实现这一目标，智能车辆系统利用了多种技术，包括车载摄像头、雷达、激光雷达、数字地图，以及与其他车辆或交通系统的通信。

这些技术的应用范围非常广泛，例如车载摄像头能够识别车道线，从而帮助驾驶员保持车辆在正确的车道上行驶。

雷达和激光雷达可以监测前方障碍物，通过发出警告或自动进行紧急制动来防止碰撞，自适应巡航控制系统则可以根据前方车辆的速度，自动调整车辆的巡航速度，以保持安全距离。

除此之外，智能车辆还包括平行停车辅助系统，它通过车载传感器自动控制车辆完成停车过程，减少了驾驶员在狭小空间中停车的难度。

碰撞警告和自动紧急制动系统则能够预测碰撞风险，在必要时发出警告或自动实施制动，以减小事故的影响。

智能车辆系统的应用还可以进一步扩展，通过数字地图和与其他车辆或交通基础设施的通信，实现更高级的功能，如实时交通信息更新、智能路线规划以及协同驾驶等。

研究中心的研究人员强调这些信息的潜力，以调整混合动力电动汽车中的能源管理控制器，预测未来驾驶模式，提供充电站可用性信息，预测路线，并生成用于修改预先存储地图的统计信息。

结语

这次研究介绍了在智能混合动力电动汽车中，如何最佳利用内燃机，使能量管理策略能够适应实际驾驶条件，并能够感知周围环境。

经过对混合动力电动汽车及其面临挑战的简要介绍，探讨了信息和通信技术在减少温室气体排放方面的作用。

本次研究还引入了四个评估方法，以衡量所提出的能源管理方法的性能，完成了对未来汽车的展望。