原创 汽车混合动力介绍

概念

    广义上说，混和动力汽车是指拥有至少两种动力源，使用其中一种或多种动力源提供部分或者全部动力的车辆。但是，在目前实际生活中，混合动力汽车多半采用传统的内燃机和电动机作为动力源，通过混合使用热能和电力两套系统开动汽车。使用的内燃机既有柴油机又有汽油机，因此可以使用传统汽油或者柴油，也有的发动机经过改造使用其他替代燃料，例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。使用的电动力系统中包括高效强化的电动机、发电机和蓄电池。蓄电池目前使用的有铅酸电池、镍锰氢电池和锂电池，将来应该还能使用氢燃料电池。

分类

    目前相当多的研究报告等材料中分类的方法基本是按照其组合方式来划分的，也就是并联式、串联式和混和式。但对于普通公众而言，美国杰出科学家联合会使用的分类方法可能更加容易理解。该方法将与混和动力有关的技术要求划分为5个方面，根据某一车辆具备其中哪些技术要求来划分该车辆属于哪种混和动力，总共将混和动力车辆划分为4种类型，具体情况见下表：

      怠速时能够关闭发动机的车辆并不一定是混和动力汽车，但是混和动力汽车怠速时一定能关闭发动机；助动型混和动力单纯使用混和动力技术来提高动力等方面性能而没有更多考虑节省燃料和减少尾气排放；温和型混和动力考虑到了各个方面，在和同类传统汽车比较情况下，没有消弱性能但却减少了燃料的消耗和尾气排放，本田的Insight和Civic两款混和动力汽车都属于这一类型； 完整型混合动力能够单独使用电力行驶使得不仅仅是怠速时能够关闭发动机，即便在正常行驶的时候也可以关闭发动机，从而进一步提高发动机的使用效率，这类混和动力汽车的典型例子就是丰田的Prius，也就是丰田即将和一汽合作在中国生产的“先驱”；充电型混和动力可以通过外接电源来对电池充电，从而减少使用燃料的次数，并且使得一次充电后单独使用电力行驶里程提高到32至96公里，这样就大大减少了汽车尾气对环境的污染，使得汽车能够象纯电动汽车一样运行，而当需要更大的里程时又能象内燃机一样的运行。

工作原理

    由于混合动力汽车同时装有内燃机和电动机两套系统，启动、加速和上坡等需要大功率输出时两套系统同时出力；刹车时原来通过热能损失的能量部分逆向存入蓄电池得以回收；平稳行驶时，由发动机以最佳的工作状态驱动汽车或者蓄电池驱使电动机单独出力，发动机关闭不再烧油；怠速时发动机关闭。由于能够回收部分制动能量，专门设计的小型内燃机能够以更高的燃烧效率工作，以及控制系统的优化，能量利用率能够由原来的60%－70%提高到了95%以上，由此混合动力车相对传统汽车可以节省近一半汽油，而且几乎没有发动机噪音和尾气污染，并且减少了发动机和制动装置等的维护费用。由于制动能量回收是其减少燃油消耗和尾气排放的一个重要原因，因此混和动力汽车在低速拥堵，经常走走停停，加速和减速频繁的城市路况节油非常明显。

组合方式

混合动力系统组合方式分为串联式、并联式和混联式三种。

图1 串联式

串联式是最简单的混和动力配置方式，动力系统采用电传动的方式，由发动机带动发电机发电，再带动电动机驱动汽车，同时也视情况为蓄电池充电；当发动机停止时由蓄电池的电能通过电动机驱动汽车。在这种方式中，只有电动机驱动车轮，发动机只用来提供电能，因此和车辆的运行状态没有太多关系，可以通过设计使得发动机一直在接近最佳状态下运行。串联系统布置容易，连接方便，没有离合器和复杂的机械变速箱。为了尽可能利用小发动机高效率的特性，相应配套使用的电池组一般相对于并联型大，因而价格也更加昂贵。同时，整个动力系统功率储备大（既有发动机，又有电动机，又有发电机），导致车辆重量和空间增加，而且由于能量传输要从燃料中的化学能通过燃烧转变为热能，驱动活塞转换为机械能再通过发电机到电能，最后才通过电动机驱动汽车，因此能量效率受到影响。这种组合方式一般应用在城市公交或载重型等大型车辆上。

图2 并联式

并联式中发动机和电动机都能直接驱动汽车，本田Insight和Civic混和动力汽车都采用这种配置。并联式比串联式结构复杂，发动机需要通过变速箱来驱动汽车，电力驱动系统通过蓄电池及电动机也能够驱动汽车。通常情况下，并联式使用的发动机比传统汽车发动机小，但是比串联式中使用的发动机大，而电池组却小一些。发动机能够为蓄电池充电，当回收制动能量时，电动机能够转换为发电机，从而实现为蓄电池充电，回收能量的功能。由于发动机能够直接驱动汽车，串联式中高速路上能量传送低效率的状况在并联式中不会发生。因此并联式既适合城市交通状况，也适合高速交通状况。

图3 混联型

混联式综合了串联式和并联式两者的优点。丰田Prius混和动力汽车采用这种方式使得发动机始终都在最佳状态下运行。混联型独特之处在于发动机可以和变速箱有效分离，从而必要时可以象串联式一样的工作。在低速状况，发动机和变速箱分离，按照串联方式工作；在告诉状态，发动机和变速箱连接，按照并联方式工作；因此混联式充分利用了串联和并联的优点，能够使发动机更高频率的在最佳状态下工作。由于添加了更多附件，而且组合更加复杂，混联式的成本也比前两者都普遍高。

关于串联式、并联式和混联式更加详细的组合描述请点击这里。

优缺点

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  燃油经济性（Fuel Economy）

车辆的燃油经济性受到很多方面影响，比如车辆惯性（车辆本身和乘客的重量），车辆横截面积及所受阻力，轮胎滚动阻力，附件（比如空调）功耗，能量传输效率。混和动力公交能够回收部分制动能量，由于车辆能量存储设备（电池）技术的限制，车辆减速越快，回收的能量越少。压缩天然气公交相对传统汽车燃油经济性更差，一般低10－20％。混和动力公交系统匹配好能达到节省燃料50％，排放下降80％。在低速拥堵的城市路况节油平均可达44%。下表列出了不同的技术方案对应的成本和收益（省油节约成本按照生命周期为15年算）。

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  颗粒物排放

相对传统汽车而言，混和动力汽车能够减少50％－70％的颗粒物排放，这主要归功于三个方面的原因：使用再生制动技术回收原本再刹车过程中损失的能量；减少发动机瞬间运行状态；再生颗粒物捕捉控制技术。相对于使用压缩天然气作为燃料的汽车，如果混和动力公交使用硫含量为300ppm的柴油，压缩天然气公交比混和动力公交颗粒物排放低50％－80％；如果柴油中硫含量很低，混和动力公交颗粒物排放比压缩天然气公交低。事实证明，削减乃至根除柴油中的硫不但能提高尾气排放控制及后处理仪器设施的性能，而且对降低颗粒物排放有很大的帮助。在使用低硫柴油的前提下，混和动力公交一年中平均颗粒物排放率大概为0.02g/mile。假定一年行驶27000英里，一辆40英尺的混和动力公交一年大概排放540克颗粒物。

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  氮氧化物（NO_x）和非甲烷有机物（NMOC，non-methane organic compounds）排放

相对传统车辆，混和动力公交能够降低30－40%的NO_x排放。压缩天然气公交比传统车辆减少50－60％的NO_x排放。

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  二氧化碳和甲烷温室气体排放

减少温室气体排放一般有三个方面可以考虑：提高燃油经济性，选用低碳燃料（比如压缩天然气）和先进的汽车技术（比如混和动力），保证更加接近完全燃烧和更好的尾气后期氧化处理。压缩天然气公交尽管比传统汽车排放更少的二氧化碳，但由于更差的燃油经济性（比传统汽车低20％左右）以及排放尾气中甲烷的全球变暖潜能是二氧化碳的21倍，总的来说压缩天然气公交产生更大的温室效应。混和动力公交的温室效应远远低于压缩天然气公交和传统公交。相对传统公交，能减少10％－40％的CO₂排放。

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  一氧化碳排放

一氧化碳是一个局部环境问题，通常发生在城市峡谷区域，其排放主要是由于发动机冷启动和发动机在开环状态运行。一氧化碳能影响血液的携氧能力，损伤心血管、肺部及神经系统。混和动力公交比传统的柴油公交CO排放低70％左右，这主要归功于发动机瞬间操作减少，更好的燃油经济性以及更有效的尾气后期处理。压缩天然气公交比传统柴油公交CO排放高300％。

尽管混和动力汽车具有很多优点，但是目前混和动力汽车还有几个需要解决的难题，一个是技术的进一步成熟可靠，尤其是混和动力客车；一个是电池的回收利用；另外一个是价格。同等车型的混和动力轿车比传统发动机轿车一般要贵，但是虽然造价更高，却更适合城市轿车节能和减少尾气污染物排放的需求，因此近年越来越受各大汽车生产厂商和各国政府的青睐。在美国等发达国家，对于为环保做出贡献的厂家和购车者，政府会在税收上给予相当幅度的减免以助推广。在这个前提下，美国的混和动力汽车比传统汽车约贵3000美元。这部分额外的开支一般在之后的使用过程中能够通过节省的燃料消耗收回。因此，如何能够让消费者接收混和动力汽车，政府的政策支持应该发挥一定的支持作用。

商业化车型

1997年日本开始销售全世界第一辆先进的混和动力汽车丰田Prius，1999年，美国市场上出现的第一辆混和动力汽车为本田Insight，接着2000年Prius也进入了美国市场。后来本田还开始生产销售另一款混和动力汽车Civic。截止到2004年10月，丰田已经在全世界销售超过25万辆Prius。下表列出了在美国销售的主要三款混和动力汽车的主要技术参数。> >

注：本田Insight的技术参数针对装有CVT（无级变速器）混合动力汽车。
    资料来源：Ward's Communications, Inc., Ward's Automotive Reports, Southfield, MI, 2002

除了上述的混和动力汽车，通用推出了Chevy Silverado和Sierra，福特推出了Escape。另外下表列出了即将推出的集中混和动力车型。