新能源之路的拐點--混合動力技術介紹

石油資源并非用之不竭，作為汽車的主要燃料，它總會有被替代的一天，雖然在尋找新能源的過程中，各大汽車企業曾一度各自為政，致力于不同的方向，但在經歷了長期摸索與碰壁之后，目前全球汽車業對能源革命的步驟也基本達成了共識，柴油、天燃氣、乙醇等清潔能源被公認為行之有效的方式，正處于推廣期；而氫動力則被視為了最終的完美處理之道。 作為第二階段的技術，油電混合動力則正處于大力發展期。混合動力雖然仍是基于石油作燃料，并不能徹底處理能源緊缺問題，但在諸多處理方案中，目前惟有混合動力成功實現了產業化，甚至一些曾對混合動力技術并不看好的歐洲汽車企業也開始奮起直追，并先后推出了各自的量產車型。什么是混合動力？混合動力汽車是采用傳統的內燃機和電動機作為動力源，通過混合使用熱能和電力兩套系統開動汽車，達到節省燃料和降低排氣污染的目的。使用的內燃機既有柴油機又有汽油機，但共同的特點是排量小、質量輕、速度高、排放好。混合動力汽車的關鍵是混合動力系統，它的性能筆直關系到混合動力汽車整車性能。經過十多年的發展，混合動力系統總成已從原來發動機與電機離散結構向發動機、電機和變速器一體化結構發展，即集成化混合動力總成系統。混合動力總成以動力傳輸路線分類，可分為串聯式、并聯式和混聯式三種。　　串聯式由發動機、發電機和電動機三部分動力總成組成，用串聯方式組成動力單元。發動機驅動發電機發電，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構驅動汽車。當車輛處于啟動、加速、爬坡工況時，發動機、發電機組和電池包共同向電動機提供電能；當車輛處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池包驅動電動機，當電池包缺電時則由發動機、發電機組向電池包充電。串聯式適用于城市內頻繁起步和低速工況，可以將發動機調整在最佳工況點附近穩定運轉，通過調整電池和電動機的輸出來達到調整車速的目的。使發動機避免了怠速和低速運轉，從而提高了發動機的效率，減少了廢氣排放。它的缺點是能量幾經轉換，機械效率較低，很難達到分明降低油耗的目的，目前主要用于城市大客車，在轎車中很少見。并聯式并聯式裝置的發動機和電動機共同驅動汽車，發動機與電動機分屬兩套系統，可以分別獨立地向汽車傳動系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動。當汽車加速爬坡時，電動機和發動機能夠同時向傳動機構提供動力，一旦汽車車速達到巡航速度，汽車將僅僅依賴發動機維持該速度。電動機既可以作電動機又可以作發電機使用，以平衡發動機所受的載荷，使其能在高效率區域工作。但是由于發動機和驅動輪采用機械連接，在城市工況時，發動機并不能總是運行在最佳工況點，車輛的燃油經濟性比串聯時要差。由于沒有單獨的發電機，發動機可以筆直通過傳動機構驅動車輪，這種裝置更接近傳統的汽車驅動系統，機械效率損耗與一般汽車差不多，因此得到比較廣泛的使用。并聯式代表車型——本田思域混合動力版思域混合動力版以本田最新開發的1.3 L三段式i-VTEC發動機作為主動力，它的特點是可以依據可變氣門正時及升程系統（VTEC），通過低轉速、高轉速、氣缸停止的三個階段對氣門進行控制。輔助動力則是安裝了本田小型化的IMA綜合電機輔助系統，這套系統可以在起步、低速巡航以及加速狀態下，通過電動機輔助的方式來降低油耗，而在車輛減速時，電動機回收能量，存儲到鎳金屬蓄電池里。當車輛停止時，發動機會自行封閉。這兩個動力組件的結合，令思域混合動力版實現了與1.8 L發動機相同的行駛動力，而其由于采用了聯合再生制動系統，成功地提高了燃油經濟性及駕駛舒適性。依據清華大學汽車工程系研究室的探測，在北京市區實際道路情況下，1.3 L混合動力版思域能比一般1.8 L思域節油36～41%，綜合節油效果為38%。思域混合動力版自2001年12月面世以來，先后在全球40多個國家和地區銷售，到目前為止的全球累計銷量已將近20萬輛。電動車與氫動力電動車——三菱i MiEV三菱i MiEV是通過對微型車i進行最小幅度的改進開發而成，它配備了最大輸出功率47 kW的電動機以及減速齒輪，取代了發動機和變速器，并配備了鋰離子充電電池。2006年度的聯合研究車配備電壓為330 V、容量為16 kWh的電池，目標最大時速達到130 km/h，繼續行駛距離達到130 km。到2007年，計劃將電池容量增至20 kWh，繼續行駛距離延長至160 km。三菱汽車今后還將改進電池并減輕各部分的質量，力爭在2010年前后使繼續行駛距離達到200 km。同時三菱i MiEV還在制定力爭2010年上市的計劃。技術瓶頸：電池容量、電動系統效能以及成本內燃機加氫動力——寶馬氫能7系寶馬氫能7系裝備了能夠使用液氫燃料和汽油的6.0 L V12發動機，最大輸出功率為191 kW，最大扭矩可達390 N•m，在9.5 s內即可從靜止加速到100 km/h，最高電子限速為230 km/h。除了一個容量74 L的一般油箱外，氫能7系還配有一個額外的燃料罐，可容納約8 kg的液態氫。雙模驅動為BMW氫能7系提供了超過700 km的總行駛里程，其中氫驅動200 km以上；汽油驅動500 km。駕駛者可以手動完成從氫動力到汽油動力模式的轉換，完全不會對氫能7系的行駛狀態和性能造成影響。如果一種燃料用盡，系統將會自動切換到另一種燃料形式，保證燃料的供應繼續而可靠。技術瓶頸：液氫的供應系統和使用成本混聯式混聯式裝置蘊含了串聯式和并聯式的特點。動力系統包括發動機、發電機和電動機，依據助力裝置不同，它又分為發動機為主和電機為主兩種。由于混聯方式是串聯和并聯的結合體，因此它也結合了串聯式可使發動機不受汽車行駛工況的影響，始終可以讓發動機在最佳工作區域穩定運行，并可選用功率較小的發動機以及并聯式可由發動機和電動機共同驅動或各自單獨驅動汽車的特點，能夠使發動機、電機等部件進行更多的優化匹配，從而在結構上保證了在更復雜的工況下使系統在最優狀態工作，所以更容易實現排放和油耗的控制目標。混聯式的缺點是結構比較復雜。混聯式代表車型——豐田普銳斯豐田普銳斯屬于以電機為主的混聯形式，混合動力系統除了包括發動機與電動機兩個動力總成之外，還蘊含了發電機、電動機、內置動力分離裝置的混合動力專用變速器、鎳氫電池包和動力控制總成。普銳斯的混合動力系統有一個特點，就是采用行星齒輪變速結構，變速器內置動力分離裝置，行星齒輪機構巧妙地將減速器、發電機和電動機等動力部件耦合在一起，同時行星齒輪又起到無級變速器的功能，結構十分緊湊，形成一個集成化混合動力總成系統。啟動以及中速以下行駛，此時發動機效率低下，因此普銳斯的發動機封閉，僅由大功率電動機驅動車輛。在常規行駛時，發動機做主動力源，由動力分離裝置將動力分成兩路，一路驅動發電機進行發電，萌生的電力驅動電動機運轉，另一路則筆直驅動車輪，系統會自動對兩條路徑的動力進行最佳分配，以達到效率的最大化。當要加速時，電池包會加進來為電動機供電，加強電動機輸出功率。當減速或制動時，則由車輪的慣性力驅動電動機。這時電動機變成了發電機，車輛制動能量轉換成了電能。電池包電量保持在一個恒定水平，當系統發現電池包電量下降會啟動發動機驅動發電機發電，向電池包充電。　　理念更為前衛的混合動力什么是燃料電池(Fuel Cells)?燃料電池是將所供燃料的化學能筆直變換為電能的一種能量轉換裝置，是通過連續供給燃料從而能連續獲得電力的發電裝置。由于其具有發電效率高，適應多種燃料和環境特性好等優勢，近年來已在積極地進行開發。福特Edge 插電式混合動力車福特Edge是世界上第一輛可通過家用電源為電池包充電，并使用氫燃料電池混合動力的概念車。它使用了車載氫燃料電池、發電機和鋰離子蓄電池相結合的動力系統，該系統將傳統燃料電池的尺寸、質量、成本和復雜性減少了50%以上，還有望使燃料電池包的壽命翻一番之多。Edge混合動力車由一個336 V的鋰電池包提供全時動力，用標準家用電源就可以為電池包充電，這一舉措使得Edge成為了一款真正的插電式混合動力車。洋溢電后，該車會自動優先以儲存的電力行駛40 km，當電池包的電能消耗到40%以后，氫燃料電池開始自動給電池包充電。氫燃料電池是通過一個35 MPa的氫氣罐，供應4.5 kg的可用氫來轉化成電能給電池包充電。今朝如果一次洋溢電并加滿4.5 kg的氫后，Edge混合動力車可連續行駛362.25 km，同時實現真正的零排放。此外，目前Edge已經可以達到136.85 km/h的最高車速。混合動力的不足之處混合動力最顯著的缺點在于由于搭載兩套動力系統而導致成本偏高。要想克服這一障礙，僅憑用戶和廠家的努力是不夠的。目前，不少發達國家政府從稅收等方面對混合動力車等環保、低油耗車型執行相應的優惠政策。比如日本在稅收中立的前提下，對排放性能及節能性能良好，且對環境負荷小的汽車，降低其稅率，新車注冊一定年數后對環境負荷大的汽車作為特例解決要提高稅率。歐美各國也通過不同程度地減免汽車購置稅、消費稅、個人所得稅等優惠政策，積極促使混合動力車等低油耗車的普及和發展。其次在于蓄電池技術。目前，在混合動力汽車中，技術成熟的鎳金屬電池幾乎已經成為了標準，但這也意味著鎳金屬電池在能量密度和功率密度方面不會有大的飛躍了，電池的使用壽命和電池容量對混合動力車的節能效率都有所制約。更為高效的鋰離子電池是替代鎳金屬電池的最佳選擇，但除了技術上仍需要很多沖破之外，鋰離子電池的高昂成本也是一個難以處理的問題，但很多行業專家認為，電池的改進決定著混合動力車今后的發展方向。其他品牌混合動力產品動態奔馳S400 HYBRID梅賽德斯-奔馳在2007年的法蘭克福車展上展出了一款S400 HYBRID，這款采用混合動力的S級搭載了一款最大功率205 kW 的3.5 L V6汽油發動機，并結合一臺提供15 kW的動力以及160 N•m扭矩的電動機。二者結合的最大功率為220 kW，最大扭矩為375 N•m，0～100 km/h加速時間僅需7.3 s，最高車速可達250 km/h。這款混合動力版的S級將于2009年中首先在歐洲上市。奧迪Q7 3.6FSI HYBRIDQ7 HYBRID采用并聯式混合動力系統，利用3.6 L FSI汽油發動機和一臺電動機共同驅動車輛行駛，動力通過Quattro®全輪驅動系統傳遞到四個車輪，總體性能指標超過搭載3.6 L FSI發動機的標準版Q7。電動機由一個288 V鎳氫電池提供動力，可以使功率額外增加37 kW。這款混合動力車的油耗大大降低，同時CO2排放量也降低了23%，0~100 km/h加速時間僅為8.5 s。這款Q7 HYBRID將在08年底上市。福特Escape Hybrid福特在2004年與豐田簽署混合動力技術專利許可協議后，隨即投放了當時市場上第一款混合動力SUV車型Escape。08款Escape Hybrid搭載了2.3 L汽油發動機，同時還匹配了電動機、發電機，以及置于行李廂底板下的330 V鎳氫電池。在6 000 r/min時發動機可發揮98 kW的最大功率，而在4 250 r/min時能夠輸出174 N•m的最大扭矩；電動機則是在3000～5000 r/min之間維持有69 kW的功率輸出，新車綜合輸出數值實際上已經與一般的3.0 L V6發動機相當了。凱迪拉克凱雷德Hybrid凱雷德Hybrid應當是迄今為止在大型豪華SUV上運用節能混合動力的首部車型，它是以兩個小型電動機和原先的那款6.2 L V8發動機為動力基礎，可以萌生244 kW的功率和497 N•m的扭矩，同時它還有一個300 V的混合動力系統。據稱，加裝了電動機的混合動力版凱雷德經濟性要比原來提高了25%，凱雷德Hybrid預計在2008年夏季上市銷售。

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