汽车能源新进化 主流混合动力技术全解析

2012-07-09 16:45:58来源: 搜狐汽车

    蒸汽机的发明带领人类迎来了内能与机械能的首次转化,而19世纪末内燃机的诞生,也让汽车工业与汽油结下了不解之缘。原本只是石油炼油厂廉价的副产品汽油,随着满世界跑的汽车而身价倍增,逐渐取代煤油成为石油工业的主导产品,时至今日,石油不仅仅是能源那么简单,早已和一个国家的经济、政治甚至外交有着重大密切关系。

地球上石油资源还能供人类用多久?

    虽然普遍使用的燃油发动机存在种种弊病,动能转化效率低/环境污染严重,但我们仍然无法摆脱对石油的依赖,甚至牵动全世界的命脉。然而近百年来,随着石油工业飞速发展,早已面临能源危机,作为非再生资源,总有一天会在地球消失,绝不是危言耸听,按照目前的开采速度,地球所剩下的石油资源仅仅能维持百年之久,就连煤炭等矿物能源也都仅仅在未来几百年内在地球枯竭,而目前最有效的办法,也只有开源节流,一方面节约汽油能源,另一方面开发和寻找新能源。

钢铁侠目前也只能活在科幻电影中?

    推广新能源汽车几乎成为现在全球瞩目的战略方针,短时间内,我们不要幻想什么核能,生物能甚至太阳能来取代现有的能源霸主,不仅仅是造价昂贵,更主要的是技术水平还没有达到一定高度,钢铁侠也只能在科幻小说中一展所长,把核动力装上汽车?移动原子弹就此诞生;也不要妄想水能变成油,那是违反了能量守恒定律,把水分解成氧和氢需要的能量就是氧和氢燃烧释放的能量,仔细想想,也只有电能才能在未来取代石油能源。

摆脱汽油——纯电动汽车电池是短板

    纯电动汽车可以真正实现绿色环保,彻底摆脱对石油的依赖,也成为目前众多厂商所拥护的技术发展方向,但从目前环境来看,电池技术短板和充电设施不完善难以推动纯电汽车发展,较差的续航能力携手较庞大的电池组,并非上上之选,连手机续航问题都还没解决,何谈汽车?什么时候充一次电能行程1000公里,纯电汽车才真正扬帆起航,但现在的技术还远远达不到,并且安全问题也是一道重大难关,手机电池爆炸都能毁容,汽车电池威力非同小可。

开源节流——混合动力大势所趋

    众多技术的不完善,导致汽油的霸主地位依旧不可动摇,没人否认,未来电能将必定取代石油来继续延续我们的生活,但目前不行。人类对于石油燃料的消耗和胃口越来越大,大气污染的加剧、全球变暖以及未来能源殆尽,都成为迫在眉睫之事,在目前纯电不给力的局面下,汽车厂商们纷纷推出新能源产品试图替代传统的内燃机,油电混合动力技术也由此发展开来。

混合动力概念及优缺点解析

概念:

    混合动力一般是指油电混合动力,即燃料驱动和电能驱动的相结合;混合动力汽车是由燃料发动机与电池电动机同时运行来驱动的汽车。

优点:

    1、和汽油车一样到加油站加油,不用改变汽车的使用习惯;政府和企业推广这种产品也无须投资新建充电装置或加气站。

    2、燃油经济性能高,而且行驶性能优越,混合动力汽车的发动机要使用燃油,而且在起步、加速时,由于有电动马达的辅助,所以可以降低油耗,可关停内燃机,由电池单独驱动,实现"零"排放。

    3、动力性优于同排量的单纯内燃机汽车,特别是在起步加速时,电动机可以有效地弥补内燃机低转速扭矩力不足的弱点

    4、减少车内的机械噪音、低速或怠速时采用电动机工作。

缺点:

    1、技术不成熟,相关产品定价过高,电动机和内燃机两套动力系统的造价远比一套动力系统的成本高。

    2、长时间高速或匀速行驶不省油。因为混合动力车燃油消耗上的优势主要依靠势能积蓄电力节能,换句话说,混合动力车在行驶中越是频繁制动减速、或频繁地起步停车就会相对更为节能。而如果处于长时间匀速行驶,其节能效果就会相应降低。

  主流市场中目前存在各式各样的混合动力车型,但各大厂商的混合动力技术也不尽相同,最终呈现节能效果也不同。从混动程度分类,主要可以分为轻/微混动、中度混动、全混动以及插电式混动四种方式,完全是根据电力与燃油参与的比重来划分的,下面笔者就根据主流不同混合动力车型解析各大厂商的混合动力技术:

微混合动力:

电混合比例5%

节油10%

  技术解析:微度混合动力系统在传统内燃机上的启动电机(一般为12V)上加装了皮带驱动启动电机。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机,用来控制发动机的启动和停止,从而取消了发动机的怠速,降低了油耗和排放。从严格意义上来讲,这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车,因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。

代表车型:奔驰Smart Fortwo mhd

  作为奔驰所开发的由汽油到电动的过渡产品,smart MHD(Micro Hybrid Drive)采用了微型混动技术,这是一款由汽油发动机 电动机组成的smart Fortwo微混合动力驱动系统驱动的车型。

  为了应付系统所需频繁启动引擎的特殊需求,mhd特别结合传统启动马达与发电机功能以提升功率与使用寿命,就算临时需要瞬间电能来提供车辆发动时也额外配有AGM电池来供应,其内部采用胶态电解液能较一般电池有更长的蓄电量,不过当计算机侦测到AGM电瓶内部电量不足时,mhd系统也会暂时停止启动以利电瓶进行充电。

  奔驰Smart在车尾部有一个“mhd”标识,这就是它独有的微型混合驱动系统的英文缩写。这套系统的作用就是尽可能的为这款小车节省燃油。它的开关位于挡把前方,带有绿色“ECO”标识的按键。按下后,仪表右侧的绿色“ECO”指示灯会点亮。在踩下制动踏板并且行驶时速降到低于8公里的情况下,Smart的发动机会自动熄火;当抬起制动踏板时,发动机又会自动启动。

代表车型:大众高尔夫1.4TFSI 蓝驱

  高尔夫蓝驱的启动-停车(Start-Stop)技术和再生制动能量回收(Recuporation)技术的应用,降低了车辆静止时发动机怠速运行产生的燃油消耗,并回收再利用车辆在制动或减速过程中耗费的多余能量。特别是在频繁起步、停车的拥堵城市交通中,这两项技术的应用,能够有效节省能源和降低城市污染。

  除这套启停系统外,蓝驱版本高尔夫还配备了刹车能量回收系统、低风阻空气动力学套件、Bluemotion低滚阻轮胎和绿色防紫外线隔热玻璃,从细节处降低能耗。从官方数据来看,高尔夫蓝驱版90km/h的百公里油耗仅有4.9L,虽然大众没把蓝驱高尔夫划为混合动力车型中,但是仅仅从功能而已,算是微混行列。

中混合动力:

电混合比例30%

节油20%

  技术解析:该混合动力系统同样采用了ISG系统。与轻度混合动力系统不同,中混合动力系统采用的是高压电机。另外,中混合动力系统还增加了一个功能:在汽车处于加速或者大负荷工况时,电动机能够辅助驱动车轮,从而补充发动机本身动力输出的不足,从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高,可以达到30%左右,目前技术已经成熟,应用广泛。

代表车型:别克新君越2.4L eAssist

  君越eAssist属于中度混合动力,在新君越上,这套油电混合动力系统主要由通用的2.4SIDI(LAF)缸内直喷发动机、改进的6速自动变速箱、最大功率达15千瓦(20.4马力)的助力电机/发电机、115V的锂离子电池和混合动力系统的控制模块构成。

身兼三职的电动机

  而在这套系统中主要发挥“节能”角色的就是前面提到的15千瓦的电动机,它在这里身兼三职,需要根据车辆的工况切换“起动机/发电机/助力电机”的角色,它能够以15千瓦(20.4马力)的最大功率和150牛·米的扭矩起动发动机,而作为助力电机时,它能够输出11.2千瓦(15马力)的最大功率、可在1000rpm的转速下(电机转速)提供最高107牛·米的扭矩,车辆的最高扭矩可以达到347牛·米的水平,堪比通用的2.0T直喷发动机。

115V的锂离子电池组

  新君越的eAssist系统中,为电动机供电的是115V的锂离子电池组,电池组的电容量为0.5千瓦时,输出功率15千瓦。电池组被布置在后排座椅和行李厢之间,占据一小部分行李厢容积,相比镍氢电池而言,锂离子电池具有能量密度大、记忆效应低等优点,新君越的eAssist系统当中这组115V的锂电池重量仅为29kg,比我们的全尺寸备胎略重。

eAssist系统节能作用:

  智能启停:车辆在短时停止的状态下关闭发动机,依靠115V锂离子电池组为车辆的用电设备提供电能(关于空调的疑问见后文),当车辆需要启动时,电动机直接带动发动机起动,之后正常行驶。

  减速断油/制动能量回收:车辆在一些特定的减速工况下,发动机将自动断油以节省燃料,接近停止时,电动机将承担起驱动车辆的角色,实现车辆启停的平滑过渡。在减速中一旦驾驶者踩下油门踏板,发动机便会回到正常工作状态。在车辆制动或滑行等工况下,发动机曲轴通过皮带轮带动发电机(前面提到的三职一身的电动机)发电,向锂离子电池组和车辆蓄电池充电

  助力加速:在车辆需要急加速的情况下(控制模块根据油门踏板动作等参数自动判断),电动机通过皮带向曲轴提供额外的扭矩,以此承担发动机的负荷,减少发动机运转阻力和负担,达到减少燃油消耗的目的。

代表车型:本田思域Hybrid

  思域Hybrid同样属于中混合动力型车,以汽油机为主。简单而言,思域Hybrid如果没有了身上那款1.3L汽油机,车子就动不了,电动机负责辅助加强性能的作用。

  思域 Hybrid的新技术IMA系统(电动机辅助系统),其内部是永磁铁的高性能电动机由于可以正反转动,能额外提供给发动机15kW的动力(汽油机本身有70kW功率),而在收油减速或制动时,其自动回收能量(这个可以从仪表盘上监控)储存到蓄电池里。

  在加速方面,思域 Hybrid扭力充沛,汽油机本身有123Nm/4600rpm,发电机(电动机)103Nm/0-1160rpm。整个动力系统组合,在低转速区3000转以下时,扭力平直输出有力。实际驾驶加速,虽然是1.3L车,但是和汽油版1.8L相差不是太多。

全混合动力:

电混合比例50%

节油40%

  技术解析:该系统采用了272-650v的高压启动电机,混合程度更高。与中混合动力系统相比,完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%,通过车载电池供电,电动机可以在启动或巡航过程中,单独驱动车辆行驶,在加速或者电池能量不足的情况下,再由内燃机单独或者联合电动机驱动车辆。

代表车型:奥迪Q5 Hybrid

  作为首款全混合动力高档中型SUV——奥迪Q5 hybrid的混合动力系统由采用并联方式组成的TFSI发动机和一套电力驱动系统,协同提供高效强劲的动力输出。从0到100公里/小时的加速仅为7.1秒,最高时速225公里/小时,综合油耗官方给出了7.4L的标准,不仅动力相比汽油版2.0TFSI更强,燃油经济性也降低了不少。最大可实现180KW的功率,480牛米的扭矩,是发动机辅以电动机共同带来的性能提升效果。

  奥迪Q5 hybrid的混合动力系统具备发动机单独运行、电动机单独运行、发动机和电动机协同工作、以及能量回收和全力加速等五种不同的工作状态。不同状态间的转换和过渡,由奥迪独立研发的混合动力管理系统负责,并高效、平顺地完成。

代表车型:雷克萨斯CT200H

  CT200h由一台汽油发动机、一台为主电池提供电力的水冷发电机、一台永磁电动机以及镍氢电池模组、动力分离装置等主要部分组成的丰田的THS-II混合动力系统。这套系统主要是将一部分发动机排出的高温高热废气导回燃烧室,辅助燃烧的阿特金森循环(Atkinson cycle)式样的2ZR-FXE型1.8L自然吸气发动机、3JM型永磁交流同步电动机、由28颗容量6.5Ah的镍氢电池构成的主电池模组组成。最终由传统汽油发动机和电动机提供的动力通过P310型电子无级变速箱传递到前轮驱动车辆。

  CT200h采用了雷克萨斯第二代油电混合动力系统,搭载直列4缸1.8升阿特金森循环发动机(型号5ZR-FXE),最大功率73kW/5200rpm,峰值扭矩为142N·m/4000rpm;与电动机配合,这套动力系统能输出最大100kW的功率。电动机最大输出功率为60kW,最大扭矩为207N·m,官方油耗为4.6L百公里,纯电力模式下只能行驶3公里,当时速超过40km/h,发动机介入。

插电式混合动力:

电混合比例75%

节油70%

  技术解析:这是一种将纯电动系统和现有混合动力系统相结合的产物。由于车辆带有外接插入式充电系统,车辆可以单独利用电动机行驶较长的距离,将内燃机的工作比例进一步缩小,提供更好的节油比例,但会消耗一定的电能。同时,又解决了目前纯电动汽车巡航里程短的问题。

代表车型:2012丰田普锐斯

  目前新普锐斯搭载的是一款全新的直列四缸1.8L VVT-i汽油发动机,采用了阿特金森循环技术,最大功率73kW(99马力),最大扭矩为142N·m,本身相比老款的1.5L发动机在动力上已经有了一定幅度的提升。而配合具有60kW、207N·m动力输出的全新永磁交流电机后,最大功率可以提升至100kW(135马力),最大扭矩可提升至207N·m。

  对于锂电池的充电,家用100V的标准电源可以在3小时内将电池充满,而200V的标准电源只需要1个半小时多就能够将电池充满。在未来充电桩逐渐普及后,这样的充电效率还是可以令大家接受的。

  在新增加的行星齿轮机构辅助下,电动机可以实现高达13000转/分的高转速,功率也从50千瓦提升到60千瓦;发电机的线圈改用集中缠绕结构,实现了更加小型化、轻量化;Ni-Mh镍氢蓄电池由25千瓦升级为27千瓦,官方给出的油耗是4.3L。

代表车型:雪佛兰VOLT

  VOLT沃蓝达是一款续航能力达到500公里以上的电动车,而通常情况下电动车在纯电力模式下的行驶距离很少能够超过150公里。VOLT沃蓝达的解决方案是通过一组16千瓦/时的电池组与电动机,提供最多60公里的续航能力;当电力不足时VOLT的电力储存会通过三个方式:固定式充电(此种方式可以完全充满电池);行驶中制动力回收转化为电力;1.0升引擎进行发电为电池组充电(此种方式不可完全将电池充满)

  当储蓄的电力耗尽后,E-Flex动力推进系统可以将汽油、乙醇、生物柴油、氢气等能源转化成电能,从而为车辆的行驶确保有足够的电力驱动能力。例如配备1.0 升的三缸涡轮增压发动机的雪佛兰Volt,通过能源转化,每百公里的汽油消耗量仅为4.7升。

关键字:主流  技术  解析

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0709/article_5609.html
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