汽車能源新進化 主流混合動力技術(shù)全解析

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)還遠遠達不到，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，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)燃機兩套動力系統(tǒng)的造價遠比一套動力系統(tǒng)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：微度混合動力系統(tǒng)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 藍驅(qū)

　　高爾夫藍驅(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，從細節(jié)處降低能耗。從官方數(shù)據(jù)來看，高爾夫藍驅(qū)版90km/h的百公里油耗僅有4.9L，雖然大眾沒把藍驅(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、改進的6速自動變速箱、最大功率達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?！っ椎呐ぞ?，車輛的最高扭矩可以達到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)動機的負荷，減少發(fā)動機運轉(zhuǎn)阻力和負擔(dān)，達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沃藍達是一款續(xù)航能力達到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沃藍達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。