启飞汽车

摘要

    随着经济社会的不断发展和人们对交通出行需求的持续增长, 全球汽车保有量越来越大, 其中燃油汽车自从上个世纪大规模被应用以来便一直是主流。进入21世纪以来, 随着资源短缺和环境污染问题的不断凸显, 人们开始寻找更加环保的替代品, 纯电动汽车的高成本和续航问题却限制了其发展, 而混合动力汽车最为两者之间的平衡方案获得了汽车厂商的足够重视。混合动力汽车是指以两种或两种以上的能源输出动力的汽车, 其在油耗降低、整车动力性和续航里程上都有着巨大的优势, 一般以油电混合最为常见。本文从混合动力汽车的概念讲起, 介绍了混合动力汽车的市场和现状, 分析了其类别和相关技术, 并对其未来发展做出了展望。
    作为全球范围内通用的交通工具, 汽车从发明至今已有接近200年的历史, 在现代已经成为人们日常工作生活中必不可缺的重要部分。在一百多年的发展历史中, 汽车的性能和外形与发明之初已经有了天翻地覆的变化, 但是其能源供给始终未有太大变化, 在所有类型汽车中, 燃油汽车始终占据着主导地位。然而随着汽车保有量的持续增加, 资源短缺和环境污染都迫使着人们寻找一种更加环保节能的替代方案, 《中国制造2025》规划中也明确指出未来汽车将朝着新能源和智能化的方向发展。在主流的新能源汽车中, 纯电动汽车存在着续航问题和高成本的限制, 其它诸如氢能源汽车、太阳能汽车等还处于概念阶段, 不具备量产条件, 人们试图寻找一种保证汽车性能、燃油消耗和排放综合最优的汽车, 介于燃油和纯电动之间的混合动力汽车应运而生。将传统化石能源和电能相结合, 不但能够大大降低燃油消耗和尾气排放, 对整车的动力性能也可以得到有效保证, 这些优势都使其受到全球各地消费者的青睐, 其市场份额也在不断扩展之中。

一、混合动力汽车简介

    混合动力汽车, 英文名称为Hybrid Electric Vehicle, 简写为HEV。国际电动汽车技术委员会对混合动力汽车所做出的标准化的定义为“具有多于一种能量转换器来提供汽车驱动动力的混合型电动汽车”。从定义中可以了解到, 相比于传统燃油汽车只有一种“内能转化为机械能”的能量转换器而言, 混合动力汽车提供了其它的能量转换模式。HEV可以看作是燃油汽车和电动汽车的综合体, HEV不仅具有电动汽车低排放和高加速性能的优势, 而且发挥了燃油汽车能量密度高、能源获取便捷的特点, 不仅有效降低了燃油汽车的能源消耗和排放, 还提高了电动汽车的续航里程, 是一种兼顾经济和高效的交通工具。促使混合动力汽车发展的主要有以下几点:
    (1)全球能源短缺问题逐渐显现, 石油储量不断减小, 各国之间打起了“能源战争”;
    (2)汽车尾气对大气层的破坏, 进而导致了全球变暖现象, 在城市中也造成了空气质量持续恶化;
    (3)电动汽车成本居高不下、续航里程低、充电设施匮乏。

二、混合动力汽车的现状

    为了减小汽车污染, 各国对于燃油汽车都出台了日益严格的法律法规。美国加利福尼亚州在2003年就出台了政策规定在本州销售的汽车中新能源汽车的占比必须不少于10%, 购买混动汽车的消费者还将得到购置税的减免。在2016年, 欧洲各国不约而同地出台了限制出售燃油车的规定, 其中英国和法国都规定2040年禁止销售汽柴油车, 此外, 荷兰和挪威曾提出, 将在2025年禁售燃油车。印度也称, 要在2030年全面禁售燃油车。各个汽车制造商也开始跟进这一环保政策, 进入21世纪以来, 日本汽车厂商本田、丰田也将混合动力汽车量产, 并取得了不错的销售成绩, 最具标志性的便是丰田的“凯美瑞”和“卡罗拉”混动版本, 本田的“雅阁”混动汽车, 这些混合动力汽车的油耗相比传统汽车都有着不小的降低, 其中工信部测定的“凯美瑞”百公里油耗直接从6.5L左右降低至4.1L左右, 丰田的混合动力系统可完美地分别使用电动机和发动机来行驶, 油耗与低等级排量的车辆相当, 功率却与高等级车辆相当, 同等排量的车辆相比, 其低油耗性能居世界前列。除此之外, 诸如通用、克莱斯勒、福特等传统汽车厂商都开始研发自己的混合动力汽车, 如表1所示。
 

表1 部分世界汽车厂商研制HEV情况
 

三、混合动力汽车的分类和技术

1.混合动力汽车的分类

    混合动力汽车的研究机构分布在世界各地, 由于每种方案的结构原理、组成部件和能源使用策略不同, HEV也形成了不同的技术种类。而业界内通用的分类是更具动力源的连接方式不同, 分为串联式、并联式和混联式。

(1)串联式HEV

    串联式HEV的结构如图1所示。顾名思义,该模式的发动机和电动机为“串联”,发动机利用燃油驱动发电机转动产生电能, 电能可以直接带动电动机转动驱动汽车, 也可以储存在电池之中,而发动机不直接驱动汽车。在汽车行驶的过程中,当发电机的功率小于电动机的功率时 (如起步、加速、爬坡、高速行驶等),电池储存的电能向电动机提供额外需要的电能;当发电机功率大于电动机功率时(如刹车、减速、低速行驶、暂时停车等),发电机产生多余的电能向蓄电池充电。传统燃油汽车在不同行驶模式时, 发动机会在各个工作区间来回切换, 导致效率降低,这也是传统燃油汽车油耗居高不下的原因。而串联式HEV可以使发动机不受汽车行驶工况的影响, 在绝大多数时间都维持在最佳的工作区间运行, 而且发动机可以选择排量较小的型号,有效降低油耗和排污, 并且在市区低速行驶时,发动机可以完全关闭,仅依靠蓄电池供电来驱动电动机, 实现“零排放”。由于发动机和电动机之间没有机械连接,整车的传统装置布局会更加灵活,空间利用会更加优秀。但是串联式HEV也有自己的缺陷,因为其能量要经过若干次转化, 所以导致燃油利用率较低。
 

 
图1 串联式HEV动力系统结构

(2)并联式HEV

    并联式HEV即为燃油汽车额外增加一个独立的“蓄电池+电动机”系统, 此系统来补充汽车行驶时需要的功率和发动机的功率差, 并联式HEV有三种动力模式:发动机单独工作、电动机单独工作、发动机电动机共同工作。与串联式结构相比, 其发动机可以直接驱动汽车, 所以其能量利用率较高, 然而并联式HEV并不能保持发动机始终在最佳区间内运转, 所以其最适应的场合是高速长时间行驶状况。而且并联式HEV会增加较多的变速器和动力传输装置来配合发动机和电动机的工作, 结构相对复杂。

(3)混联式HEV

    混联式HEV即串联式和并联式的结合利用, 发动机的输出一部分直接驱动汽车, 另一部分的带动发电机发电。发电机输出的电能输送给电动机或者蓄电池, 电动机输出的转矩则直接接入传动系统。混联式HEV虽然结构较复杂, 但是其结合了串联式和并联式的优势, 达到了取长补短的效果。在汽车低速或者处于频繁启停的工况时, 动力系统主要是串联模式工作, 使发动机持续处于最佳区间, 节约燃油消耗;当汽车处于高速长时间行驶时, 动力系统主要以并联模式工作, 以获得最佳的燃油利用率。混联式模式广泛应用于主要的混动汽车中, 例如丰田凯美瑞就是最为典型的代表。

2.混合动力汽车的运行过程

    为了实现最高水准的低油耗, 混合动力系统分别发挥电动机和发动机各自的特长来行驶。具体到每种工况, 其动力策略有以下区别:
    (1)在启动及低速行驶时, 混合动力系统仅利用电动机的动力来行驶, 因为这时发动机的效率不高。因为发动机不能在低旋转带输出大扭矩, 而电动机可以灵敏、顺畅、高效地进行启动, 所以混动汽车在起步阶段的加速度非常大, 有强烈的“推背感”。
    (2)在一般行驶时发动机效率很高, 发动机产生的动力不仅是车轮的驱动力, 同时也用来发电带动电动机, 并给蓄电池充电。在需要强劲加速力时 (如爬陡坡及超车) , 蓄电池也提供电力, 来增加电动机的驱动力。通过发动机和电动机双动力的结合使用, 混合动力系统得以实现与高一级发动机同等水平的强劲而流畅的加速性能。
    (3)在减速或制动时, 油电混合动力系统以车轮的旋转力驱动电动机发电, 将能量回收到蓄电池中。在踩制动器和松油门时, 混合动力系统使车轮的旋转力带动电动机运转, 将其作为发电机使用。而在减速时通常作为摩擦热散失掉的能量, 在此被转换成电能, 回收到蓄电池中进行再利用。
    (4)在停车时, 发动机、电动机、发电机全部自动停止运转。不会因怠速而浪费能量。
    要实现以上的整个过程, 混合动力汽车需要多种技术支持, 例如:智能控制技术、能源管理技术、制动回收技术、驱动电机技术、电池充放电技术、高效率机械传动技术等, 因此, 混合动力汽车是涉及机械、电子、控制、计算机、软件等多个领域的综合性工程技术。

四、混合动力汽车的未来发展

    随着资源短缺和环境污染等全球性问题的不断加剧, 燃油汽车将在不久的未来退出历史舞台, 而新能源汽车已经成为各国大力倡导的一种环保交通工具。混合动力汽车目前在市场中虽然占比依然较低, 但是增长迅速, 在电动车充电设施还未普及和电池技术还未突破的一段时间内, 混合动力汽车依然是最佳的新能源汽车模式。而未来的混合动力汽车也会吸收工程界和科技界的各种先进成果, 其主要的发展方向有以下几个方面:
    (1)超级电容在混动HEV上的使用。超级电容的能量比极大, 利用超级电容可以大大增加电池系统的效率和寿命, 并增强其在极端温度下的适应性;
    (2)自适应电子差速技术、智能无级变速技术等控制技术的应用。
    (3)其他形式能源的引入, 例如氢能源、太阳能等清洁能源的加入会使混合动力汽车不断趋近于零排放。
 
作者：傅锦隆  来源：东方企业文化
 

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