混动五讲之一:混动到底靠什么省油

混动五讲之一:混动到底靠什么省油

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随着各国政府对于汽车油耗和排放的要求日趋严格,混动化几乎是给内燃机“续命”的唯一方法;而另一方面,如果电动车最终真的将取代燃油车,在电池能量密度、价格,充电技术,充电设施建设尚未成熟之前,发展插电混合动力也是很有必要的过渡手段。因此,有越来越多的厂商都投入了更多的资源研发混合动力技术,很有可能在十年以内就有一半的新售乘用车是某种形式的混动汽车。跟今天的车迷热衷于讨论发动机缸数和形式,变速箱类型,以及整车发动机和驱动布置方式一样,未来的车迷很可能也需要对混动的各种技术形式耳熟能详。

作为一名政策研究人员,汽车工程本不是我的强项。但出于研究新能源汽车的需要,我也曾专门学习过混动技术的原理和分类。这个系列一共5篇文章,包括混动为什么省油,混动的基本构型,行星齿轮混动技术,电机的位置和组合,以及混合程度分级等内容。写作的目的,是希望让广大车迷和消费者对混合动力有一个基本的概念,同时也是我自己的一份学习笔记。如有不准确之处,还希望各位朋友不吝指教。另外,推荐对混合动力技术感兴趣的朋友,多阅读站上 @Brandon Lu @Kevin Chow @姚昌晟等人的文章,也可以关注我的收藏夹混合动力

提到混合动力,可能绝大部分人的第一印象,是省油。这个说法不太准确,以比亚迪秦、唐和三大混动超跑法拉利LaFerrari,保时捷918 Spyder和迈凯轮P1为代表的车型恰恰是以动力性能而非油耗取胜的,在这些例子中,增加电机、电池的目的是突破内燃机技术的限制,省油并不是重点。所以,混动实际上提升的是“效率”,而不是燃油经济性。

那么,为什么混合动力的效率更高呢?

一个流行的说法是,因为混动增加的电机在低速的效率更高。这个说法似是而非。

电机在绝大多数转速和负荷区间效率都在85%以上,而内燃机目前的最高记录是丰田最新的2.5L直列四缸直喷发动机,也只有41%。所以其实如果只是比两个动力机构的效率,电机无论在低速还是高速都是比内燃机更高的。

但另一方面,混合动力汽车上的电力并非凭空而来。大多数的混合动力汽车其实并没有“混合能量”,而只是混合了“驱动系统”(drivetrain),驱动电机的电力仍然来自于内燃机,但内燃机输出的能量经过了发电机和电动机的两步额外损耗,总效率其实是低于内燃机直接驱动车辆的。

这套机构没有电池的话,其实就是火车上用来替代机械变速箱的“电传动”机构。应用在柴油火车特别是柴油动力分散式的火车(即柴油动车组)上,具有结构简单、可靠性高和方便分散布置的优势。但对于汽车则效益有限,二战时期斐迪南保时捷研发的虎P坦克就是一个反面例子。

当然了,整合两种动力驱动系统在某些情况下也可以提高效率。目前世界上先进的军用舰船,普遍装备了将柴油推进、柴电推进、燃气推进、蒸汽推进、核动力推进中的某两种或某一种的两型混合在一起的联合推进系统,从而兼顾日常巡航的经济性和战斗时的高动力输出。

理论上,汽车也可以在日常行驶时使用小型高效发动机降低油耗,激烈驾驶再加入大排量高性能发动机增加输出。但轻型汽车的体积有限,需要克服的阻力对重量也十分敏感,如果仅仅是搞出两套动力系统,往往得不偿失。所以只有像涡轮增压、歇缸、可变气门正时、可变气门升程等让发动机特性可以改变的技术。额外增加一套动力系统的不是没有,但多半是为了四驱和高性能,油耗则一点都不低。

实际上,混动高效的关键,并不在于电机,而在于电池。或者更准确的来说,在于拥有一个峰值能量存储装置PPS(peaking power source)。跟油箱、天然气罐这些储能装置不同,PPS即使在车辆行驶的过程中也可以填充能量,而不只是释放能量。这个装置在混动系统中通过三个方面来提升效率:

首先,如下面这张BSFC图所示,内燃机的高效工作区间非常狭窄,往往只局限在中低转速、中高负荷的狭小范围。汽车日常行驶的功率需求远比最佳区间低,而激烈驾驶或爬坡时转速和负荷又都比这个区间高,效率就低了很多。而PPS则起到了“削峰填谷”的作用,发动机最优工作功率高于路况需求功率时,多余功率通过电机转化为电能储存在电池中;低于路况需求功率时则电池储存的电能驱动电机与发动机共同驱动车辆。这样一来,内燃机就可以永远(或在更多情况下)工作在最优或接近最优的区间

下图中横轴为转速,纵轴为扭矩,蓝线为功率,也即动力需求,百分比曲线为节气门开度,等高线色块为单位做功的燃油消耗量,即燃油效率,可以看出,内燃机的低转速低负荷时的效率可能只有最优区间的60%或更低。

而更进一步的,因为得到电池支持的电机可以在短时间内脱离内燃机独立工作,可以在有极端需求时对动力进行补充,所以内燃机的设计可以更为极端,只考虑在最优工况工作时的热效率和NVH(振动、噪音和平顺性),而不需要像传统发动机一样兼顾其他工况。目前丰田、本田等车厂生产的混合动力普遍采用的阿特金森循环发动机,在低转速时低节气门开度时扭矩很差,如果没有电机的低转速高扭矩做补充的话,是不适合使用在家用汽车上的。

最后,PPS的存在也使得动能回收成为可能。传统汽车在下坡或减速、制动时动能转化为刹车片的热能,白白浪费能量还增加刹车片磨损,但混合动力汽车因为有一个相对大的储能机构,就可以将这些动能回收,之后再用于驱动车辆。

虽然大部分混合动力汽车都用电池作为PPS,但其实PPS还可以采用其他的装置。

马自达在创驰蓝天动力系统中使用的i-Eloop微混系统就采用充放电更快、也更耐久的电容作为PPS。不过超级电容的单位能量所需的体积太大,因此极少在电动化程度更高的弱混和强混系统上采用。

F1赛车的动能回收系统,即所谓的KERS(Kinetic energy recovery system),则往往采用飞轮作为储能机构。飞轮虽然有能量随时间损耗较快的缺点,但充能功率更高,而且单位重量能储存的能量也更高,F1赛车的版本可以提供120kw的加力,很适合短时间高频率充放能的赛车。沃尔沃也曾经发布过民用飞轮混合动力系统的概念。

液压装置也可以作为PPS。与飞轮一样,液压泵驱动的气体或弹簧蓄能器在相同重量下比电池储存的能量更多,虽然充放能的功率和工作效率没有飞轮高,但损耗较小,多在中大型车辆上采用。美国的UPS曾经使用过一批液压混合动力车辆,也有公司研发过液压混合动力的城市公交车和工程车。

与液压系统很相似的还有压缩空气。法国的PSA在压缩空气混合动力方面研究多年,已经推出过样车。

飞轮和压缩的流体都并非用来存储电能,自然这几种混合动力也就并不使用电机了。

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