新能源之路的拐點(diǎn)--混合動(dòng)力技術(shù)解析

石油資源并非用之不竭，作為汽車(chē)的主要燃料，它總會(huì)有被替代的一天，雖然在尋找新能源的過(guò)程中，各大汽車(chē)企業(yè)曾一度各自為政，致力于不同的方向，但在經(jīng)歷了長(zhǎng)期摸索與碰壁之后，目前全球汽車(chē)業(yè)對(duì)能源革命的步驟也基本達(dá)成了共識(shí)，柴油、天燃?xì)?、乙醇?a href="http://msthinker.com/news/article-5683.html" target="_blank">清潔能源被公認(rèn)為行之有效的方式，正處于推廣期；而氫動(dòng)力則被視為了最終的完美解決之道。       作為第二階段的技術(shù)，油電混合動(dòng)力則正處于大力發(fā)展期。 　　混合動(dòng)力雖然仍是基于石油作燃料，并不能徹底解決能源緊缺問(wèn)題，但在諸多解決方案中，目前只有混合動(dòng)力成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，甚至一些曾對(duì)混合動(dòng)力技術(shù)并不看好的歐洲汽車(chē)企業(yè)也開(kāi)始奮起直追，并先后推出了各自的量產(chǎn)車(chē)型。 　　什么是混合動(dòng)力？ 　　混合動(dòng)力汽車(chē)是采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)混合使用熱能和電力兩套系統(tǒng)開(kāi)動(dòng)汽車(chē)，達(dá)到節(jié)省燃料和降低排氣污染的目的。使用的內(nèi)燃機(jī)既有柴油機(jī)又有汽油機(jī)，但共同的特點(diǎn)是排量小、質(zhì)量輕、速度高、排放好?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵是混合動(dòng)力系統(tǒng)，它的性能直接關(guān)系到混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)性能。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，混合動(dòng)力系統(tǒng)總成已從原來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)離散結(jié)構(gòu)向發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和變速器一體化結(jié)構(gòu)發(fā)展，即集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)?；旌蟿?dòng)力總成以動(dòng)力傳輸路線分類(lèi)，可分為串聯(lián)式、并聯(lián)式和混聯(lián)式三種。 　　串聯(lián)式 　　由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)三部分動(dòng)力總成組成，用串聯(lián)方式組成動(dòng)力單元。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過(guò)控制器輸送到電池或電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)通過(guò)變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。當(dāng)車(chē)輛處于啟動(dòng)、加速、爬坡工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組和電池組共同向電動(dòng)機(jī)提供電能；當(dāng)車(chē)輛處于低速、滑行、怠速的工況時(shí)，則由電池組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電池組缺電時(shí)則由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組向電池組充電。串聯(lián)式適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速工況，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)整電池和電動(dòng)機(jī)的輸出來(lái)達(dá)到調(diào)整車(chē)速的目的。使發(fā)動(dòng)機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，減少了廢氣排放。它的缺點(diǎn)是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機(jī)械效率較低，很難達(dá)到明顯降低油耗的目的，目前主要用于城市大客車(chē)，在轎車(chē)中很少見(jiàn)。 　　并聯(lián)式 　　并聯(lián)式裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)分屬兩套系統(tǒng)，可以分別獨(dú)立地向汽車(chē)傳動(dòng)系提供扭矩，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)汽車(chē)加速爬坡時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)能夠同時(shí)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，一旦汽車(chē)車(chē)速達(dá)到巡航速度，汽車(chē)將僅僅依靠發(fā)動(dòng)機(jī)維持該速度。電動(dòng)機(jī)既可以作電動(dòng)機(jī)又可以作發(fā)電機(jī)使用，以平衡發(fā)動(dòng)機(jī)所受的載荷，使其能在高效率區(qū)域工作。但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪采用機(jī)械連接，在城市工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)并不能總是運(yùn)行在最佳工況點(diǎn)，車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)時(shí)要差。由于沒(méi)有單獨(dú)的發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，這種裝置更接近傳統(tǒng)的汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械效率損耗與普通汽車(chē)差不多，因此得到比較廣泛的應(yīng)用。 　　并聯(lián)式代表車(chē)型——本田思域混合動(dòng)力版 　　思域混合動(dòng)力版以本田最新開(kāi)發(fā)的1.3 L三段式i-VTEC發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，它的特點(diǎn)是可以根據(jù)可變氣門(mén)正時(shí)及升程系統(tǒng)（VTEC），通過(guò)低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)速、氣缸停止的三個(gè)階段對(duì)氣門(mén)進(jìn)行控制。輔助動(dòng)力則是安裝了本田小型化的IMA綜合電機(jī)輔助系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以在起步、低速巡航以及加速狀態(tài)下，通過(guò)電動(dòng)機(jī)輔助的方式來(lái)降低油耗，而在車(chē)輛減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)回收能量，存儲(chǔ)到鎳金屬蓄電池里。當(dāng)車(chē)輛停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)自行關(guān)閉。這兩個(gè)動(dòng)力組件的結(jié)合，令思域混合動(dòng)力版實(shí)現(xiàn)了與1.8 L發(fā)動(dòng)機(jī)相同的行駛動(dòng)力，而其由于采用了聯(lián)合再生制動(dòng)系統(tǒng)，成功地提高了燃油經(jīng)濟(jì)性及駕駛舒適性。根據(jù)清華大學(xué)汽車(chē)工程系研究室的測(cè)試，在北京市區(qū)實(shí)際道路情況下，1.3 L混合動(dòng)力版思域能比普通1.8 L思域節(jié)油36～41%，綜合節(jié)油效果為38%。 　　思域混合動(dòng)力版自2001年12月面世以來(lái)，先后在全球40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)銷(xiāo)售，到目前為止的全球累計(jì)銷(xiāo)量已將近20萬(wàn)輛。 　　電動(dòng)車(chē)與氫動(dòng)力 　　電動(dòng)車(chē)——三菱i MiEV 　　三菱i MiEV是通過(guò)對(duì)微型車(chē)i進(jìn)行最小幅度的改進(jìn)開(kāi)發(fā)而成，它配備了最大輸出功率47 kW的電動(dòng)機(jī)以及減速齒輪，取代了發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，并配備了鋰離子充電電池。2006年度的聯(lián)合研究車(chē)配備電壓為330 V、容量為16 kWh的電池，目標(biāo)最大時(shí)速達(dá)到130 km/h，持續(xù)行駛距離達(dá)到130 km。到2007年，計(jì)劃將電池容量增至20 kWh，持續(xù)行駛距離延長(zhǎng)至160 km。三菱汽車(chē)今后還將改進(jìn)電池并減輕各部分的質(zhì)量，力爭(zhēng)在2010年前后使持續(xù)行駛距離達(dá)到200 km。同時(shí)三菱i MiEV還在制定力爭(zhēng)2010年上市的計(jì)劃。 　　技術(shù)瓶頸：電池容量、電動(dòng)系統(tǒng)效能以及成本 　　內(nèi)燃機(jī)加氫動(dòng)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(fā)動(dòng)機(jī)，最大輸出功率為191 kW，最大扭矩可達(dá)390 N•m，在9.5 s內(nèi)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(gè)容量74 L的普通油箱外，氫能7系還配有一個(gè)額外的燃料罐，可容納約8 kg的液態(tài)氫。雙模驅(qū)動(dòng)為BMW氫能7系提供了超過(guò)700 km的總行駛里程，其中氫驅(qū)動(dòng)200 km以上；汽油驅(qū)動(dòng)500 km。駕駛者可以手動(dòng)完成從氫動(dòng)力到汽油動(dòng)力模式的轉(zhuǎn)換，完全不會(huì)對(duì)氫能7系的行駛狀態(tài)和性能造成影響。如果一種燃料用盡，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)切換到另一種燃料形式，保證燃料的供應(yīng)持續(xù)而可靠。 　　技術(shù)瓶頸：液氫的供應(yīng)系統(tǒng)和使用成本 　　混聯(lián)式 　　混聯(lián)式裝置包含了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，根據(jù)助力裝置不同，它又分為發(fā)動(dòng)機(jī)為主和電機(jī)為主兩種。由于混聯(lián)方式是串聯(lián)和并聯(lián)的結(jié)合體，因此它也結(jié)合了串聯(lián)式可使發(fā)動(dòng)機(jī)不受汽車(chē)行駛工況的影響，始終可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工作區(qū)域穩(wěn)定運(yùn)行，并可選用功率較小的發(fā)動(dòng)機(jī)以及并聯(lián)式可由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)或各自單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的特點(diǎn)，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)等部件進(jìn)行更多的優(yōu)化匹配，從而在結(jié)構(gòu)上保證了在更復(fù)雜的工況下使系統(tǒng)在最優(yōu)狀態(tài)工作，所以更容易實(shí)現(xiàn)排放和油耗的控制目標(biāo)?；炻?lián)式的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 　　混聯(lián)式代表車(chē)型——豐田普銳斯 　　豐田普銳斯屬于以電機(jī)為主的混聯(lián)形式，混合動(dòng)力系統(tǒng)除了包括發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)兩個(gè)動(dòng)力總成之外，還包含了發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、內(nèi)置動(dòng)力分離裝置的混合動(dòng)力專用變速器、鎳氫電池組和動(dòng)力控制總成。普銳斯的混合動(dòng)力系統(tǒng)有一個(gè)特點(diǎn)，就是采用行星齒輪變速結(jié)構(gòu)，變速器內(nèi)置動(dòng)力分離裝置，行星齒輪機(jī)構(gòu)巧妙地將減速器、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)等動(dòng)力部件耦合在一起，同時(shí)行星齒輪又起到無(wú)級(jí)變速器的功能，結(jié)構(gòu)十分緊湊，形成一個(gè)集成化混合動(dòng)力總成系統(tǒng)。 　　啟動(dòng)以及中速以下行駛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)效率低下，因此普銳斯的發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，僅由大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。在常規(guī)行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)做主動(dòng)力源，由動(dòng)力分離裝置將動(dòng)力分成兩路，一路驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，另一路則直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)兩條路徑的動(dòng)力進(jìn)行最佳分配，以達(dá)到效率的最大化。 　　當(dāng)要加速時(shí)，電池組會(huì)加進(jìn)來(lái)為電動(dòng)機(jī)供電，增強(qiáng)電動(dòng)機(jī)輸出功率。當(dāng)減速或制動(dòng)時(shí)，則由車(chē)輪的慣性力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)變成了發(fā)電機(jī)，車(chē)輛制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成了電能。電池組電量保持在一個(gè)恒定水平，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電池組電量下降會(huì)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，向電池組充電。 　　理念更為前衛(wèi)的混合動(dòng)力 　　什么是燃料電池(Fuel Cells)? 　　燃料電池是將所供燃料的化學(xué)能直接變換為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，是通過(guò)連續(xù)供給燃料從而能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置。由于其具有發(fā)電效率高，適應(yīng)多種燃料和環(huán)境特性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已在積極地進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 　　福特Edge 插電式混合動(dòng)力車(chē) 　　福特Edge是世界上第一輛可通過(guò)家用電源為電池組充電，并使用氫燃料電池混合動(dòng)力的概念車(chē)。它使用了車(chē)載氫燃料電池、發(fā)電機(jī)和鋰離子蓄電池相結(jié)合的動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)將傳統(tǒng)燃料電池的尺寸、質(zhì)量、成本和復(fù)雜性減少了50%以上，還有望使燃料電池組的壽命翻一番之多。 　　Edge混合動(dòng)力車(chē)由一個(gè)336 V的鋰離子電池組提供全時(shí)動(dòng)力，用標(biāo)準(zhǔn)家用電源就可以為電池組充電，這一舉措使得Edge成為了一款真正的插電式混合動(dòng)力車(chē)。充滿電后，該車(chē)會(huì)自動(dòng)優(yōu)先以儲(chǔ)存的電力行駛40 km，當(dāng)電池組的電能消耗到40%以后，氫燃料電池開(kāi)始自動(dòng)給電池組充電。氫燃料電池是通過(guò)一個(gè)35 MPa的氫氣罐，供應(yīng)4.5 kg的可用氫來(lái)轉(zhuǎn)化成電能給電池組充電。現(xiàn)在如果一次充滿電并加滿4.5 kg的氫后，Edge混合動(dòng)力車(chē)可連續(xù)行駛362.25 km，同時(shí)實(shí)現(xiàn)真正的零排放。此外，目前Edge已經(jīng)可以達(dá)到136.85 km/h的最高車(chē)速。 　　混合動(dòng)力的不足之處 　　混合動(dòng)力最顯著的缺點(diǎn)在于由于搭載兩套動(dòng)力系統(tǒng)而導(dǎo)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(fā)達(dá)國(guó)家政府從稅收等方面對(duì)混合動(dòng)力車(chē)等環(huán)保、低油耗車(chē)型執(zhí)行相應(yīng)的優(yōu)惠政策。比如日本在稅收中立的前提下，對(duì)排放性能及節(jié)能性能良好，且對(duì)環(huán)境負(fù)荷小的汽車(chē)，降低其稅率，新車(chē)注冊(cè)一定年數(shù)后對(duì)環(huán)境負(fù)荷大的汽車(chē)作為特例處理要提高稅率。歐美各國(guó)也通過(guò)不同程度地減免汽車(chē)購(gòu)置稅、消費(fèi)稅、個(gè)人所得稅等優(yōu)惠政策，積極促進(jìn)混合動(dòng)力車(chē)等低油耗車(chē)的普及和發(fā)展。 　　其次在于蓄電池技術(shù)。目前，在混合動(dòng)力汽車(chē)中，技術(shù)成熟的鎳金屬電池幾乎已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)，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(huì)有大的飛躍了，電池的使用壽命和電池容量對(duì)混合動(dòng)力車(chē)的節(jié)能效率都有所制約。更為高效的鋰電池是替代鎳金屬電池的最佳選擇，但除了技術(shù)上仍需要很多突破之外，鋰電池的高昂成本也是一個(gè)難以解決的問(wèn)題，但很多行業(yè)專家認(rèn)為，電池的改進(jìn)決定著混合動(dòng)力車(chē)今后的發(fā)展方向。 　　其他品牌混合動(dòng)力產(chǎn)品動(dòng)態(tài) 　　奔馳S400 HYBRID 　　梅賽德斯-奔馳在2007年的法蘭克福車(chē)展上展出了一款S400 HYBRID，這款采用混合動(dòng)力的S級(jí)搭載了一款最大功率205 kW 的3.5 L V6汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，并結(jié)合一臺(tái)提供15 kW的動(dòng)力以及160 N•m扭矩的電動(dòng)機(jī)。二者結(jié)合的最大功率為220 kW，最大扭矩為375 N•m，0～100 km/h加速時(shí)間僅需7.3 s，最高車(chē)速可達(dá)250 km/h。這款混合動(dòng)力版的S級(jí)將于2009年中首先在歐洲上市。 　　奧迪Q7 3.6FSI HYBRID 　　Q7 HYBRID采用并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，利用3.6 L FSI汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，動(dòng)力通過(guò)Quattro®全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳遞到四個(gè)車(chē)輪，總體性能指標(biāo)超過(guò)搭載3.6 L FSI發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)版Q7。電動(dòng)機(jī)由一個(gè)288 V鎳氫電池提供動(dòng)力，可以使功率額外增加37 kW。這款混合動(dòng)力車(chē)的油耗大大降低，同時(shí)CO2排放量也降低了23%，0~100 km/h加速時(shí)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(dòng)力技術(shù)專利許可協(xié)議后，隨即投放了當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上第一款混合動(dòng)力SUV車(chē)型Escape。08款Escape Hybrid搭載了2.3 L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)還匹配了電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)，以及置于行李廂底板下的330 V鎳氫電池。在6 000 r/min時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可發(fā)揮98 kW的最大功率，而在4 250 r/min時(shí)能夠輸出174 N•m的最大扭矩；電動(dòng)機(jī)則是在3000～5000 r/min之間維持有69 kW的功率輸出，新車(chē)綜合輸出數(shù)值實(shí)際上已經(jīng)與普通的3.0 L V6發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)了。 　　凱迪拉克凱雷德Hybrid 　　凱雷德Hybrid應(yīng)該是迄今為止在大型豪華SUV上運(yùn)用節(jié)能混合動(dòng)力的首部車(chē)型，它是以兩個(gè)小型電動(dòng)機(jī)和原先的那款6.2 L V8發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力基礎(chǔ)，可以產(chǎn)生244 kW的功率和497 N•m的扭矩，同時(shí)它還有一個(gè)300 V的混合動(dòng)力系統(tǒng)。據(jù)稱，加裝了電動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力版凱雷德經(jīng)濟(jì)性要比原來(lái)提高了25%，凱雷德Hybrid預(yù)計(jì)在2008年夏季上市銷(xiāo)售。