混合動力

混合動力

通常所說的混合動力一般是指油電混合動力,即燃料(汽油,柴油等)和電能的混合。 混合動力汽車是由電動馬達作為發動機的輔助動力驅動汽車。

混合動力就是指汽車使用汽油驅動和電力驅動兩種驅動方式。優點在于車輛啓動停止時,隻靠電機帶動,不達到一定速度,發動機就不工作,因此,便能使發動機一直保持在最佳工況狀態,動力性好,排放量很低。而且電能的來源都是發動機,隻需加油即可。

隨著世界各國環境保護的措施越來越嚴格,替代燃油發動機汽車的方案也越來越多,例如氫能源汽車、燃料電池汽車、混合動力汽車等。但目前最有實用性價值並已有商業化運轉的模式,隻有混合動力汽車。

混合動力汽車的關鍵是混合動力系統,它的性能直接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箱一體化結構發展,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、並聯式和混聯式等三種。

  • 中文名稱
    混合動力
  • 一般指
    油電混合動力
  • 動力
    電動馬達作為發動機的輔助動力
  • 特點
    動力性好,排放量很低
  • 分類
    串聯式、並聯式和混聯式
  • 關鍵
    混合動力系統

基本優點

混合動力汽車的燃油經濟性能高,而且行駛性能優越,混合動力汽車的發動機要使用燃油,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,簡單地說,就是與同樣大小的汽車相比,燃油費用更低。

而且,輔助發動機的電動馬達可以在啓動的瞬間產生強大的動力,因此,車主可以享受更強勁的起步、加速。同時,還能實現較高水準的燃油經濟性

發展歷史

目前世界上已經有70餘種車型的燃料電池汽車問世,在國外最熱門、銷量最大的新能源車就是混合動力汽車。

中國

混合動力的技術概念和專利授權的公開,最早是在中國國家專利局實現的。上世紀90年代末,中國電動車腳踏車的套用開發剛剛起步。電動車技術上的瓶頸首先就暴露出來,即電池的能量有限,導致車輛的功率和行駛裏程極其有限。1997年1月27日國家專利局受理了中國第一個有關混合動力車的專利申請(混合動力這個中文名詞及技術概念也是第一次使用)並于1998年7月7日獲得國家專利局授權並公開。專利號(97210746.0); 專利名稱(內燃機/蓄電池混合動力腳踏車);專利人(羅憲安)。由于當時中國的經濟發展水準和製造業條件的限製,這個新概念和技術沒有機會在中國發展起來。

日本

1997年12月,第一款量產混合動力車普銳斯推向日本市場,當年售出18000輛。

1999年,本田混合動力雙門小車insight在美國推出,受到好評。2007年年底,美國權威機構Autodata的統計資料顯示,2007年10月份美國混合動力車的銷售量與上一年相比,同期成長了30個百分點,銷售量為24443輛。混合動力車型甚至成了平淡的美國汽車市場的一大亮點:2007年,美國市場銷售混合動力車型超過30萬輛。2007年5月17日,豐田混合動力車全球累計銷售突破100萬輛。

2012年我國混合動力汽車品牌結構2012年我國混合動力汽車品牌結構

"領跑者"--日本車企

歐美把重點放在比較遠的氫動力、或者很現實地提高傳統發動機技術之時,日本車企在混合動力上的成就讓它們目前成為新能源的領跑者,如今,豐田的混合動力車在全球的銷量已經超過了400萬輛。業內,普遍認為採用氫動力是汽車發展的理想目標,而混合動力被認為是目前最好的過渡產品,豐田、本田在這個領域大有所獲,不僅得到了商業利益,也收獲了環保節能的美譽。

行業前景

目前市場上的多家汽車廠商都在進行混合動力汽車的研發與生產,中國混合動力汽車的知名企業主要有比亞迪汽車有限公司、上海汽車集團股份有限公司、中國第一汽車集團公司、重慶長安汽車股份有限公司、東風電動車輛股份有限公司、鄭州宇通客車股份有限公司、北汽福田汽車股份有限公司等。但相對來說生產規模都不大,競爭並不激烈。

上圖可以看出,我國混合動力汽車主要集中在華東地區、華北地區和華中地區,以上三個地區的混合動力汽車佔到了全國的65.1%,特別是華東地區的混合動力汽車佔到全國的27.3%,其中安徽、浙江、福建省政府紛紛出台對混合動力汽車的補貼政策,促進了華東地區混合動力汽車的發展。華中和華南地區混合動力汽車別佔到了22.9%和14.9%,西部地區由于經濟發展比較落後,因此混合動力汽車行業在此發展比較緩慢,但是隨著國家對西部地區的重視,不斷出台相關政策加快西部地區的經濟發展,未來混合動力汽車在西部地區也將有很好的發展空間。

2012年我國混合動力汽車區域結構2012年我國混合動力汽車區域結構

種類

並聯方式

一種是以發動機為主動力,電動馬達作為輔助動力的"並聯方式"。(Parallel Hybrid)這種方式主要以發動機驅動行駛,利用電動馬達所具有的再啓動時產生強大動力的特征,在汽車起步、加速等發動機燃油消耗較大時,用電動馬達輔助驅動的方式來降低發動機的油耗。這種方式的結構比較簡單,隻需要在汽車上增加電動馬達和電瓶

並聯方式並聯方式

串聯並聯方式

另外一種是,在低速時隻靠電動馬達驅動行駛,速度提高時發動機和電動馬達相配合驅動的"串聯、並聯方式"。(Fuel Cell)啓動和低速時是隻靠電動馬達驅動行駛,當速度提高時,由發動機和電動馬達共同高效地分擔動力,這種方式需要動力分擔裝置和發電機等,因此結構復雜。

串聯方式

還有一種是隻用電動馬達驅動行駛的電動汽車"串聯方式"。(Series Hybrid)發動機隻作為動力源,汽車隻靠電動馬達驅動行駛,驅動系統隻是電動馬達,但因為同樣需要安裝燃料發動機,所以也是混合動力汽車的一種。

串聯方式串聯方式

從對電能的依賴程度,混合動力可分為弱混合動力MILD HYBRID(也稱輕度混合動力,軟混合動力,微混合動力等),中度混合動力,重度混合動力FULL HYBRID(也稱全混合動力,強混合動力等),插電混合動力PLUG IN HYBRID

弱混常用BSG皮帶傳送啓動/發電技術,例如奇瑞A5的BSG款(電機10KW),通常節油10%以下,電機不直接參與驅動,主要用于啓動和回收製動能量。

中混常用ISG內置安裝曲軸啓動/發電技術,例如別克君越EcoHybrid(電機15KW),通常節油20%左右。

強混合動力代表產品為TOYOTA PRIUS(電機50KW),可節油40%。

插電混合動力,將提供更好的節油比例,但將消耗一定的電能,例如大眾高爾夫TwinDrive(電機130KW)的測試資料,每百公裏8度電和2.5的油耗。

構成部分

混合動力電動汽車的動力系統主要由控製系統、驅動系統、輔助動力系統和電池組等部分構成。

工作原理

在車輛行駛之初,蓄電池處于電量飽滿狀態,其能量輸出可以滿足車輛要求,輔助動力系統不需要工作;

電池電量低于60%時,輔助動力系統起動:

由于蓄電池組的存在,使發動機工作在一個相對穩定的工況,使其排放得到改善。

不是所有的混合動力車輛都要依靠電動發動機、電池和電線。有些車輛是靠液壓發動機、鈴線和蓄能器的聯合作用來驅動的。

最近的汽油價格達到了創紀錄的歷史新高,讓站在加油泵面前的消費者膽顫心驚。但是,與重型卡車運輸車隊的經營者相比,這些消費者的痛苦隻能算是小痛小癢了。

從燃料經濟性的角度來看,為我們配送包裹和運送垃圾的卡車需要承受幾方面的不利沖擊。重量就是其中一個重大因素。滿載重型運輸車輛一般在14000到33000磅的重量範圍之間。除重量因素外,很多這類的運輸工具還具有燃料燃燒的工作負載迴圈,它們需要不斷地啓動和停車。

在過去的一年中,UPS公司一直在密歇根州測試運行一輛使用液壓混合動力系統的6類配送卡車。該公司還投入使用了50輛電動混合動力卡車。

所以,幾個最大的卡車車隊運營商已經開始追逐混合動力運輸工具的潮流,這對任何人來說都不會感到奇怪。聯邦快遞(Federal Express) 公司和 UPS 公司的運輸車隊在過去兩年增加了幾十輛混合動力卡車,兩個公司採用的都是Eaton Corp公司提供的混合動力傳動系。據美國最大的垃圾運送公司WasteManagement的發言 人Lynn Brown說,該公司也在評估一系列的渣土運輸車的混合動力解決方案。

但是,可能讓人感到意外的是,FedEx公司、UPS公司和Waste Management公司正在考慮選用在一些最重型車輛上的混合動力系統的種類。這些混合動力系統不像豐田公司的Prius車型一樣,使用的是電動發動機、電池和電線,而是利用液壓泵發動機、高壓鈴線和蓄能器的聯合作用來驅動車輛。

這類液壓混合動力中最激進的型號完全擺脫了傳統的機械動力傳動系統。在這些車輛上,柴油引擎驅動液壓泵發動機,而液壓泵發動機再為高壓蓄能器蓄能。蓄能器驅動後輪上的斜軸式液壓馬達從而驅動車輛。一個低壓儲備器用于收集液體,然後把液體再送回到第一個液壓泵發動機中,這樣就形成了一個完整的液壓迴圈系統。

與電動混合動力發動機一樣,液壓混合動力發動機也有提供再生製動的能力。貨物運送車輛和渣土運輸車經常要製動剎車,當車輛製動時,液壓泵發動機會為高壓蓄能器蓄能。當卡車再次啓動前行時,儲存在蓄能器中的能量可以用來減少柴油引擎的負載。這些能量也可以限製引擎關閉時推進力的迸發,比如說,在室內操作車輛時。

對一般消費者或某些工程師來說,在這樣一個電氣化程度不斷提高的世界裏,液壓發動機技術看上去有些落伍。但是,液壓泵發動機和蓄能器可以提供一種套用扭矩和存儲能量可靠的、低成本途徑,這也正是混合動力車輛所需要的。並且液壓發動機與電動系統相比具有明顯的功率密度優勢,至少現在是這樣。"液壓發動機好像非常有效,至少對大多數重型卡車系列來說是這樣的,"環境保護基金會(Environmental Defense)高級汽車策略會成員、機械工程師John DeCicco博士這樣評價。

液壓驅動方式

當今的液壓混合動力系統主要有三種方式,並且都處在發展之中。美國環境保護署(U.S. Environmental Protection Agency,英文縮寫EPA)交通與空氣質量辦公室(Office of Transportation and Air Quality,英文縮寫OTAQ)的研究者們與Eaton Corp公司、美國西南研究院(Southwest Research Institute,英文縮寫SwRI)和其他合作伙伴聯合開發了一種混合動力系統。從2006年6月開始,這套系統開始由UPS公司的配送卡車在底特律市進行測試運行。美國環境保護署也與Parker Hannifin公司簽訂了一個單獨合作研發協定,著手液壓混合動力方面的設計。

在某些方面,液壓混合動力系統與其同伴電動混合動力系統相似。但是,液壓系統是使用液壓泵發動機、鈴線和蓄能器產生扭矩並存儲能量,而不是使用電動發動機、電線和電池。

Eaton Corp和Parker Hannifin兩家公司也都各自進行了自主智慧產權的液壓混合動力系統的開發。Eaton公司開發的是一個液壓啓動輔助的並行系統,但是其主要的推進力仍然是來自于機械動力傳動系。Parker Hannifin公司在過去的一年半的時間裏研發出一種新型的液壓混合動力設計,其中一些負載迴圈資料來自于Waste Management公司。Parker Hannifin公司負責液壓動力事業部創新設計的副總裁、機械工程師Joe Kovach博士報告說,他們公司將在今年晚些時候結合新型液壓混合動力系統建造一個渣土運送卡車模型。

談到節能環保的汽車新能源的發展,在中國還往往停留在電動汽車的探索上。的確,全球汽車界在電動車上沒有少下功夫,但是到頭來都是走進死胡同。在新世紀,汽車發展的技術路線趨于理智而統一:近期從油電混合動力下手大幅度降低油耗和排放;長遠靠資源極為豐富,且完全沒有污染的氫動力燃料電池重新定義汽車。

在全球汽車業低迷的大勢下,豐田堪稱是"一枝獨秀"。2003年豐田的純利潤101億美元,遠遠高過美國三大汽車公司的利潤總和。豐田成功的因素很多,其中之一就是新技術的開發和套用。豐田率先商品化的混合動力車"先驅"今年上半年在美國銷售了21783輛,增幅為120%。客戶要等上6個月甚至加價才能拿到車。"先驅"因此被稱為豐田在美國市場的"掙錢機器",讓同行看著流口水。在全球,"先驅"已經賣出22萬輛。

五年前,採訪底特律車展,我曾請教日本豐田汽車公司社長張富士夫:今後十年,全球汽車業競爭的決定因素是什麽?張社長的回答斬釘截鐵:是環保技術。今後,哪個公司握有先進的能源和環保技術,就能立于不敗之地

2001年,我到日本豐田公司試駕過混合動力車"先驅"。它同時裝有汽油發動機和電動機兩套系統。啓動、加速和上坡時兩套系統同時出力;剎車時能量逆向存入蓄電池;平穩行駛時,由蓄電池驅使電動機單獨出力,不再燒油。算總賬,混合動力車可以節省一半汽油,尾氣污染自然也減少一半。

混合動力車當時的市價210萬日元(人民幣16萬元),比同級車貴40萬日元。但是政府對私人購車補貼25萬日元,車主多花的錢一年多就能在節省的汽油費中賺回來。尤其讓消費者感到方便的是混合動力車隻需到平常的加油站加油,不用改變汽車的使用習慣;政府和企業推廣這種產品也無須投資新增充電裝置或加氣站。

日本豐田、美國通用、德國賓士等具備強大技術優勢的汽車企業,對于全球汽車業最大課題――能源與環境的對策在近年來殊途同歸:近期,努力完善混合動力車;長遠,邁出氫動力燃料電池車從概念車向商品化的步伐。電動車的研製生產因造價高,充電後行駛距離短的死結而已經放棄。有訊息說,美國和日本的汽車企業已經開始了在混合動力車市場的競爭,預計三五年後整個市場將達到100萬輛級的規模。

中國汽車界和科技界曾對電動車的開發情有獨鍾,主要出于如下考慮:傳統汽車中國比發達國家晚了幾十年;而電動車全世界還沒有大突破,我們現在開始研究,與發達國家站在同一起跑線上,完全可能後來者居上。但是這種"抄近道兒"的傻聰明終于隨著美國日本汽車業宣布放棄電動車的研發而走進死胡同。

應該說,中國汽車業的發展思路應該轉移到務實而量力而行的方向了。氫動力燃料電池車,是一項必須關註的前沿技術,但僅僅是"關註"即可。而混合動力車的研發倒應該是當務之急。一是混合動力車並非什麽遠在天邊的高科技,又有成熟的商品化車型可借鏡。二是混合動力車特別適合中國大城市交通普遍擁堵,汽車頻繁製動的國情,節能治污的效果可以發揮到極致。

其實,如果中國的油價繼續攀升或實行燃油稅,道路擁堵又難以根本改善,市場的混合動力車的需求就會非常迫切。合資生產或者進口混合動力車,估計很快就會被精明的生產商或經銷商提到議事日程。混合動力車將是中國車市的新商機。

熱動力源

(Hybrid Electric Vehicle, 簡稱HEV) 是指同時裝備兩種動力來源--熱動力源(由傳統的汽油機或者柴油機產生)與電動力源(電池與電動機)的汽車。通過在混合動力汽車上使用電機,使得動力系統可以按照整車的實際運行工況要求靈活調控,而發動機保持在綜合性能最佳的區域內工作,從而降低油耗與排放。混合動力車的工作原理

汽車廢氣排放和能源成本問題一直備受關註,混合動力汽車和電動汽車被看作是一種自然的發展目標。通過了解整個混合動力和電動汽車傳動系統的能量消耗的詳細分析,以及傳動系統內部各個相關部件的運轉狀態,可以最大程度的最佳化汽車的設計,從而達到改善油耗的目標。

以串聯混合動力電動汽車為例,介紹一下混合動力電動汽車的工作原理。

電池電量低于60%時,輔助動力系統起動:當車輛能量需求較大時,輔助動力系統與蓄電池組同時為驅動系統提供能量; 當車輛能量需求較小時,輔助動力系統為驅動系統提供能量的同時,還給蓄電池組進行充電。

混合動力汽車採用能夠滿足汽車巡航需要的較小發動機,依靠電動機或其它輔助裝置提供加速與爬坡所需的附加動力。其結果是提高了整體效率,同時並未犧牲性能。混合動力車設計成可回收製動能量。在傳統汽車中,當司機踩製動時,這種本可用來給汽車加速的能量作為熱量被白白扔掉了。而混合動力車卻能大部分回收這些能量,並將其暫時貯存起來供加速時再用。當司機想要有最大的加速度時,汽油發動機和電動機並聯工作,提供可與強大的汽油發動機相當的起步性能。在對加速性要求不太高的場合,混合動力車可以單靠電機行駛,或者單靠汽油發動機行駛,或者二者結合以取得最大的效率。比如在公路上巡航時使用汽油發動機。而在低速行駛時,可以單靠電機拖動,不用汽油發動機輔助。即使在發動機關閉時電動轉向助力系統仍可保持操縱功能,提供比傳統液壓系統更大的效率。

系統分類

聯結方式分類

A、根據混合動力驅動的聯結方式,混合動力系統主要分為以下三類:

一是串聯式混合動力系統。串聯式混合動力系統一般由內燃機直接帶動發電機發電,產生的電能通過控製單元傳到電池,再由電池傳輸給電機轉化為動能,最後通過變速機構來驅動汽車。在這種聯結方式下,電池就象一個水庫,隻是調節的對象不是水量,而是電能。電池對在發電機產生的能量和電動機需要的能量之間進行調節,從而保證車輛正常工作。這種動力系統在城市公交上的套用比較多,轎車上很少使用。

二是並聯式混合動力系統。並聯式混合動力系統有兩套驅動系統:傳統的內燃機系統和電機驅動系統。兩個系統既可以同時協調工作,也可以各自單獨工作驅動汽車。這種系統適用于多種不同的行駛工況,尤其適用于復雜的路況。該聯結方式結構簡單,成本低。本田的Accord和Civic採用的是並聯式聯結方式。

三是混聯式混合動力系統。混聯式混合動力系統的特點在于內燃機系統和電機驅動系統各有一套機械變速機構,兩套機構或通過齒輪系,或採用行星輪式結構結合在一起,從而綜合調節內燃機與電動機之間的轉速關系。與並聯式混合動力系統相比,混聯式動力系統可以更加靈活地根據工況來調節內燃機的功率輸出和電機的運轉。此聯結方式系統復雜,成本高。Prius採用的是混聯式聯結方式。

混合度分類

B、根據在混合動力系統中,電機的輸出功率在整個系統輸出功率中佔的比重,也就是常說的混合度的不同,混合動力系統還可以分為以下四類:

一是微混合動力系統。代表的車型是PSA的混合動力版C3和豐田的混合動力版Vitz。這種混合動力系統在傳統內燃機上的啓動電機(一般為12V)上加裝了皮帶驅動啓動電機(也就是常說的Belt-alternator Starter Generator, 簡稱BSG系統)。該電機為發電啓動(Stop-Start)一體式電動機,用來控製發動機的啓動和停止,從而取消了發動機的怠速,降低了油耗和排放。從嚴格意義上來講,這種微混合動力系統的汽車不屬于真正的混合動力汽車,因為它的電機並沒有為汽車行駛提供持續的動力。在微混合動力系統裏,電機的電壓通常有兩種:12v 和42v。其中42v主要用于柴油混合動力系統。

二是輕混合動力系統。代表車型是通用的混合動力皮卡車。該混合動力系統採用了集成啓動電機(也就是常說的Integrated Starter Generator,簡稱ISG系統)。與微混合動力系統相比,輕混合動力系統除了能夠實現用發電機控製發動機的啓動和停止,還能夠實現:(1)在減速和製動工況下,對部分能量進行吸收;(2)在行駛過程中,發動機等速運轉,發動機產生的能量可以在車輪的驅動需求和發電機的充電需求之間進行調節。輕混合動力系統的混合度一般在20%以下。

三是中混合動力系統。本田旗下混合動力的Insight, Accord 和Civic都屬于這種系統。該混合動力系統同樣採用了ISG系統。與輕度混合動力系統不同,中混合動力系統採用的是高壓電機。另外,中混合動力系統還增加了一個功能:在汽車處于加速或者大負荷工況時,電動機能夠輔助驅動車輪,從而補充發動機本身動力輸出的不足,從而更好的提高整車的性能。這種系統的混合程度較高,可以達到30%左右,目前技術已經成熟,套用廣泛。

四是完全混合動力系統。豐田的Prius 和未來的Estima屬于完全混合動力系統。該系統採用了272-650v的高壓啓動電機,混合程度更高。與中混合動力系統相比,完全混合動力系統的混合度可以達到甚至超過50%。技術的發展將使得完全混合動力系統逐漸成為混合動力技術的主要發展方向。

以上各種不同的混合方式,都能在一定程度上降低成本和排放。各大汽車廠商在過去的十幾年,通過不斷的研發投入,試驗總結,商業套用,形成了各自的混合動力技術之路,而在市場上的表現也是各具特色。

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