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汽車能源新進(jìn)化 主流混合動力技術(shù)全解析

作者: 時間:2012-07-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

蒸汽機的發(fā)明帶領(lǐng)人類迎來了內(nèi)能與機械能的首次轉(zhuǎn)化,而19世紀(jì)末內(nèi)燃機的誕生,也讓汽車工業(yè)與汽油結(jié)下了不解之緣。原本只是石油煉油廠廉價的副產(chǎn)品汽油,隨著滿世界跑的汽車而身價倍增,逐漸取代煤油成為石油工業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品,時至今日,石油不僅僅是能源那么簡單,早已和一個國家的經(jīng)濟、政治甚至外交有著重大密切關(guān)系。

地球上石油資源還能供人類用多久?

雖然普遍使用的燃油發(fā)動機存在種種弊病,動能轉(zhuǎn)化效率低/環(huán)境污染嚴(yán)重,但我們?nèi)匀粺o法擺脫對石油的依賴,甚至牽動全世界的命脈。然而近百年來,隨著石油工業(yè)飛速發(fā)展,早已面臨能源危機,作為非再生資源,總有一天會在地球消失,絕不是危言聳聽,按照目前的開采速度,地球所剩下的石油資源僅僅能維持百年之久,就連煤炭等礦物能源也都僅僅在未來幾百年內(nèi)在地球枯竭,而目前最有效的辦法,也只有開源節(jié)流,一方面節(jié)約汽油能源,另一方面開發(fā)和尋找新能源。

鋼鐵俠目前也只能活在科幻電影中?

推廣新能源汽車幾乎成為現(xiàn)在全球矚目的戰(zhàn)略方針,短時間內(nèi),我們不要幻想什么核能,生物能甚至太陽能來取代現(xiàn)有的能源霸主,不僅僅是造價昂貴,更主要的是技術(shù)水平還沒有達(dá)到一定高度,鋼鐵俠也只能在科幻小說中一展所長,把核動力裝上汽車?移動原子彈就此誕生;也不要妄想水能變成油,那是違反了能量守恒定律,把水分解成氧和氫需要的能量就是氧和氫燃燒釋放的能量,仔細(xì)想想,也只有電能才能在未來取代石油能源。

擺脫汽油——純電動汽車電池是短板

純電動汽車可以真正實現(xiàn)綠色環(huán)保,徹底擺脫對石油的依賴,也成為目前眾多廠商所擁護(hù)的技術(shù)發(fā)展方向,但從目前環(huán)境來看,電池技術(shù)短板和充電設(shè)施不完善難以推動純電汽車發(fā)展,較差的續(xù)航能力攜手較龐大的電池組,并非上上之選,連手機續(xù)航問題都還沒解決,何談汽車?什么時候充一次電能行程1000公里,純電汽車才真正揚帆起航,但現(xiàn)在的技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到,并且安全問題也是一道重大難關(guān),手機電池爆炸都能毀容,汽車電池威力非同小可。

開源節(jié)流——混合動力大勢所趨

眾多技術(shù)的不完善,導(dǎo)致汽油的霸主地位依舊不可動搖,沒人否認(rèn),未來電能將必定取代石油來繼續(xù)延續(xù)我們的生活,但目前不行。人類對于石油燃料的消耗和胃口越來越大,大氣污染的加劇、全球變暖以及未來能源殆盡,都成為迫在眉睫之事,在目前純電不給力的局面下,汽車廠商們紛紛推出新能源產(chǎn)品試圖替代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機,油電混合動力技術(shù)也由此發(fā)展開來。

混合動力概念及優(yōu)缺點解析

概念:

混合動力一般是指油電混合動力,即燃料驅(qū)動和電能驅(qū)動的相結(jié)合;混合動力汽車是由燃料發(fā)動機與電池電動機同時運行來驅(qū)動的汽車。

優(yōu)點:

1、和汽油車一樣到加油站加油,不用改變汽車的使用習(xí)慣;政府和企業(yè)推廣這種產(chǎn)品也無須投資新建充電裝置或加氣站。

2、燃油經(jīng)濟性能高,而且行駛性能優(yōu)越,混合動力汽車的發(fā)動機要使用燃油,而且在起步、加速時,由于有電動馬達(dá)的輔助,所以可以降低油耗,可關(guān)停內(nèi)燃機,由電池單獨驅(qū)動,實現(xiàn)"零"排放。

3、動力性優(yōu)于同排量的單純內(nèi)燃機汽車,特別是在起步加速時,電動機可以有效地彌補內(nèi)燃機低轉(zhuǎn)速扭矩力不足的弱點

4、減少車內(nèi)的機械噪音、低速或怠速時采用電動機工作。

缺點:

1、技術(shù)不成熟,相關(guān)產(chǎn)品定價過高,電動機和內(nèi)燃機兩套的造價遠(yuǎn)比一套的成本高。

2、長時間高速或勻速行駛不省油。因為混合動力車燃油消耗上的優(yōu)勢主要依靠勢能積蓄電力節(jié)能,換句話說,混合動力車在行駛中越是頻繁制動減速、或頻繁地起步停車就會相對更為節(jié)能。而如果處于長時間勻速行駛,其節(jié)能效果就會相應(yīng)降低。

  主流市場中目前存在各式各樣的混合動力車型,但各大廠商的混合動力技術(shù)也不盡相同,最終呈現(xiàn)節(jié)能效果也不同。從混動程度分類,主要可以分為輕/微混動、中度混動、全混動以及插電式混動四種方式,完全是根據(jù)電力與燃油參與的比重來劃分的,下面筆者就根據(jù)主流不同混合動力車型解析各大廠商的混合動力技術(shù):

微混合動力:

電混合比例5%

節(jié)油10%

  技術(shù)解析:微度混合在傳統(tǒng)內(nèi)燃機上的啟動電機(一般為12V)上加裝了皮帶驅(qū)動啟動電機。該電機為發(fā)電啟動(Stop-Start)一體式電動機,用來控制發(fā)動機的啟動和停止,從而取消了發(fā)動機的怠速,降低了油耗和排放。從嚴(yán)格意義上來講,這種微混合動力系統(tǒng)的汽車不屬于真正的混合動力汽車,因為它的電機并沒有為汽車行駛提供持續(xù)的動力。

代表車型:奔馳Smart Fortwo mhd

  作為奔馳所開發(fā)的由汽油到電動的過渡產(chǎn)品,smart MHD(Micro Hybrid Drive)采用了微型混動技術(shù),這是一款由汽油發(fā)動機 電動機組成的smart Fortwo微混合動力驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動的車型。

  為了應(yīng)付系統(tǒng)所需頻繁啟動引擎的特殊需求,mhd特別結(jié)合傳統(tǒng)啟動馬達(dá)與發(fā)電機功能以提升功率與使用壽命,就算臨時需要瞬間電能來提供車輛發(fā)動時也額外配有AGM電池來供應(yīng),其內(nèi)部采用膠態(tài)電解液能較一般電池有更長的蓄電量,不過當(dāng)計算機偵測到AGM電瓶內(nèi)部電量不足時,mhd系統(tǒng)也會暫時停止啟動以利電瓶進(jìn)行充電。

  奔馳Smart在車尾部有一個“mhd”標(biāo)識,這就是它獨有的微型混合驅(qū)動系統(tǒng)的英文縮寫。這套系統(tǒng)的作用就是盡可能的為這款小車節(jié)省燃油。它的開關(guān)位于擋把前方,帶有綠色“ECO”標(biāo)識的按鍵。按下后,儀表右側(cè)的綠色“ECO”指示燈會點亮。在踩下制動踏板并且行駛時速降到低于8公里的情況下,Smart的發(fā)動機會自動熄火;當(dāng)抬起制動踏板時,發(fā)動機又會自動啟動。

代表車型:大眾高爾夫1.4TFSI 藍(lán)驅(qū)

  高爾夫藍(lán)驅(qū)的啟動-停車(Start-Stop)技術(shù)和再生制動能量回收(Recuporation)技術(shù)的應(yīng)用,降低了車輛靜止時發(fā)動機怠速運行產(chǎn)生的燃油消耗,并回收再利用車輛在制動或減速過程中耗費的多余能量。特別是在頻繁起步、停車的擁堵城市交通中,這兩項技術(shù)的應(yīng)用,能夠有效節(jié)省能源和降低城市污染。

  除這套啟停系統(tǒng)外,藍(lán)驅(qū)版本高爾夫還配備了剎車能量回收系統(tǒng)、低風(fēng)阻空氣動力學(xué)套件、Bluemotion低滾阻輪胎和綠色防紫外線隔熱玻璃,從細(xì)節(jié)處降低能耗。從官方數(shù)據(jù)來看,高爾夫藍(lán)驅(qū)版90km/h的百公里油耗僅有4.9L,雖然大眾沒把藍(lán)驅(qū)高爾夫劃為混合動力車型中,但是僅僅從功能而已,算是微混行列。

中混合動力:

電混合比例30%

節(jié)油20%

  技術(shù)解析:該混合動力系統(tǒng)同樣采用了ISG系統(tǒng)。與輕度混合動力系統(tǒng)不同,中混合動力系統(tǒng)采用的是高壓電機。另外,中混合動力系統(tǒng)還增加了一個功能:在汽車處于加速或者大負(fù)荷工況時,電動機能夠輔助驅(qū)動車輪,從而補充發(fā)動機本身動力輸出的不足,從而更好的提高整車的性能。這種系統(tǒng)的混合程度較高,可以達(dá)到30%左右,目前技術(shù)已經(jīng)成熟,應(yīng)用廣泛。

代表車型:別克新君越2.4L eAssist

  君越eAssist屬于中度混合動力,在新君越上,這套油電混合動力系統(tǒng)主要由通用的2.4SIDI(LAF)缸內(nèi)直噴發(fā)動機、改進(jìn)的6速自動變速箱、最大功率達(dá)15千瓦(20.4馬力)的助力電機/發(fā)電機、115V的鋰離子電池和混合動力系統(tǒng)的控制模塊構(gòu)成。

身兼三職的電動機

  而在這套系統(tǒng)中主要發(fā)揮“節(jié)能”角色的就是前面提到的15千瓦的電動機,它在這里身兼三職,需要根據(jù)車輛的工況切換“起動機/發(fā)電機/助力電機”的角色,它能夠以15千瓦(20.4馬力)的最大功率和150?!っ椎呐ぞ仄饎影l(fā)動機,而作為助力電機時,它能夠輸出11.2千瓦(15馬力)的最大功率、可在1000rpm的轉(zhuǎn)速下(電機轉(zhuǎn)速)提供最高107牛·米的扭矩,車輛的最高扭矩可以達(dá)到347?!っ椎乃剑氨韧ㄓ玫?.0T直噴發(fā)動機。

115V的鋰離子電池組

  新君越的eAssist系統(tǒng)中,為電動機供電的是115V的鋰離子電池組,電池組的電容量為0.5千瓦時,輸出功率15千瓦。電池組被布置在后排座椅和行李廂之間,占據(jù)一小部分行李廂容積,相比鎳氫電池而言,鋰離子電池具有能量密度大、記憶效應(yīng)低等優(yōu)點,新君越的eAssist系統(tǒng)當(dāng)中這組115V的鋰電池重量僅為29kg,比我們的全尺寸備胎略重。

eAssist系統(tǒng)節(jié)能作用:

  智能啟停:車輛在短時停止的狀態(tài)下關(guān)閉發(fā)動機,依靠115V鋰離子電池組為車輛的用電設(shè)備提供電能(關(guān)于空調(diào)的疑問見后文),當(dāng)車輛需要啟動時,電動機直接帶動發(fā)動機起動,之后正常行駛。

  減速斷油/制動能量回收:車輛在一些特定的減速工況下,發(fā)動機將自動斷油以節(jié)省燃料,接近停止時,電動機將承擔(dān)起驅(qū)動車輛的角色,實現(xiàn)車輛啟停的平滑過渡。在減速中一旦駕駛者踩下油門踏板,發(fā)動機便會回到正常工作狀態(tài)。在車輛制動或滑行等工況下,發(fā)動機曲軸通過皮帶輪帶動發(fā)電機(前面提到的三職一身的電動機)發(fā)電,向鋰離子電池組和車輛蓄電池充電。

  助力加速:在車輛需要急加速的情況下(控制模塊根據(jù)油門踏板動作等參數(shù)自動判斷),電動機通過皮帶向曲軸提供額外的扭矩,以此承擔(dān)發(fā)動機的負(fù)荷,減少發(fā)動機運轉(zhuǎn)阻力和負(fù)擔(dān),達(dá)到減少燃油消耗的目的。

代表車型:本田思域Hybrid

  思域Hybrid同樣屬于中混合動力型車,以汽油機為主。簡單而言,思域Hybrid如果沒有了身上那款1.3L汽油機,車子就動不了,電動機負(fù)責(zé)輔助加強性能的作用。

  思域 Hybrid的新技術(shù)IMA系統(tǒng)(電動機輔助系統(tǒng)),其內(nèi)部是永磁鐵的高性能電動機由于可以正反轉(zhuǎn)動,能額外提供給發(fā)動機15kW的動力(汽油機本身有70kW功率),而在收油減速或制動時,其自動回收能量(這個可以從儀表盤上監(jiān)控)儲存到蓄電池里。

  在加速方面,思域 Hybrid扭力充沛,汽油機本身有123Nm/4600rpm,發(fā)電機(電動機)103Nm/0-1160rpm。整個動力系統(tǒng)組合,在低轉(zhuǎn)速區(qū)3000轉(zhuǎn)以下時,扭力平直輸出有力。實際駕駛加速,雖然是1.3L車,但是和汽油版1.8L相差不是太多。

全混合動力:

電混合比例50%

節(jié)油40%

  技術(shù)解析:該系統(tǒng)采用了272-650v的高壓啟動電機,混合程度更高。與中混合動力系統(tǒng)相比,完全混合動力系統(tǒng)的混合度可以達(dá)到甚至超過50%,通過車載電池供電,電動機可以在啟動或巡航過程中,單獨驅(qū)動車輛行駛,在加速或者電池能量不足的情況下,再由內(nèi)燃機單獨或者聯(lián)合電動機驅(qū)動車輛。

代表車型:奧迪Q5 Hybrid

  作為首款全混合動力高檔中型SUV——奧迪Q5 hybrid的混合動力系統(tǒng)由采用并聯(lián)方式組成的TFSI發(fā)動機和一套電力驅(qū)動系統(tǒng),協(xié)同提供高效強勁的動力輸出。從0到100公里/小時的加速僅為7.1秒,最高時速225公里/小時,綜合油耗官方給出了7.4L的標(biāo)準(zhǔn),不僅動力相比汽油版2.0TFSI更強,燃油經(jīng)濟性也降低了不少。最大可實現(xiàn)180KW的功率,480牛米的扭矩,是發(fā)動機輔以電動機共同帶來的性能提升效果。

  奧迪Q5 hybrid的混合動力系統(tǒng)具備發(fā)動機單獨運行、電動機單獨運行、發(fā)動機和電動機協(xié)同工作、以及能量回收和全力加速等五種不同的工作狀態(tài)。不同狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換和過渡,由奧迪獨立研發(fā)的混合動力管理系統(tǒng)負(fù)責(zé),并高效、平順地完成。

代表車型:雷克薩斯CT200H

  CT200h由一臺汽油發(fā)動機、一臺為主電池提供電力的水冷發(fā)電機、一臺永磁電動機以及鎳氫電池模組、動力分離裝置等主要部分組成的豐田的THS-II混合動力系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要是將一部分發(fā)動機排出的高溫高熱廢氣導(dǎo)回燃燒室,輔助燃燒的阿特金森循環(huán)(Atkinson cycle)式樣的2ZR-FXE型1.8L自然吸氣發(fā)動機、3JM型永磁交流同步電動機、由28顆容量6.5Ah的鎳氫電池構(gòu)成的主電池模組組成。最終由傳統(tǒng)汽油發(fā)動機和電動機提供的動力通過P310型電子無級變速箱傳遞到前輪驅(qū)動車輛。

  CT200h采用了雷克薩斯第二代油電混合動力系統(tǒng),搭載直列4缸1.8升阿特金森循環(huán)發(fā)動機(型號5ZR-FXE),最大功率73kW/5200rpm,峰值扭矩為142N·m/4000rpm;與電動機配合,這套動力系統(tǒng)能輸出最大100kW的功率。電動機最大輸出功率為60kW,最大扭矩為207N·m,官方油耗為4.6L百公里,純電力模式下只能行駛3公里,當(dāng)時速超過40km/h,發(fā)動機介入。

插電式混合動力:

電混合比例75%

節(jié)油70%

  技術(shù)解析:這是一種將純電動系統(tǒng)和現(xiàn)有混合動力系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物。由于車輛帶有外接插入式充電系統(tǒng),車輛可以單獨利用電動機行駛較長的距離,將內(nèi)燃機的工作比例進(jìn)一步縮小,提供更好的節(jié)油比例,但會消耗一定的電能。同時,又解決了目前純電動汽車巡航里程短的問題。

代表車型:2012豐田普銳斯

  目前新普銳斯搭載的是一款全新的直列四缸1.8L VVT-i汽油發(fā)動機,采用了阿特金森循環(huán)技術(shù),最大功率73kW(99馬力),最大扭矩為142N·m,本身相比老款的1.5L發(fā)動機在動力上已經(jīng)有了一定幅度的提升。而配合具有60kW、207N·m動力輸出的全新永磁交流電機后,最大功率可以提升至100kW(135馬力),最大扭矩可提升至207N·m。

  對于鋰電池的充電,家用100V的標(biāo)準(zhǔn)電源可以在3小時內(nèi)將電池充滿,而200V的標(biāo)準(zhǔn)電源只需要1個半小時多就能夠?qū)㈦姵爻錆M。在未來充電樁逐漸普及后,這樣的充電效率還是可以令大家接受的。

  在新增加的行星齒輪機構(gòu)輔助下,電動機可以實現(xiàn)高達(dá)13000轉(zhuǎn)/分的高轉(zhuǎn)速,功率也從50千瓦提升到60千瓦;發(fā)電機的線圈改用集中纏繞結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了更加小型化、輕量化;Ni-Mh鎳氫蓄電池由25千瓦升級為27千瓦,官方給出的油耗是4.3L。

代表車型:雪佛蘭VOLT

  VOLT沃藍(lán)達(dá)是一款續(xù)航能力達(dá)到500公里以上的電動車,而通常情況下電動車在純電力模式下的行駛距離很少能夠超過150公里。VOLT沃藍(lán)達(dá)的解決方案是通過一組16千瓦/時的電池組與電動機,提供最多60公里的續(xù)航能力;當(dāng)電力不足時VOLT的電力儲存會通過三個方式:固定式充電(此種方式可以完全充滿電池);行駛中制動力回收轉(zhuǎn)化為電力;1.0升引擎進(jìn)行發(fā)電為電池組充電(此種方式不可完全將電池充滿)

  當(dāng)儲蓄的電力耗盡后,E-Flex動力推進(jìn)系統(tǒng)可以將汽油、乙醇、生物柴油、氫氣等能源轉(zhuǎn)化成電能,從而為車輛的行駛確保有足夠的電力驅(qū)動能力。例如配備1.0 升的三缸渦輪增壓發(fā)動機的雪佛蘭Volt,通過能源轉(zhuǎn)化,每百公里的汽油消耗量僅為4.7升。



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