混合动力汽车技术特点及发展前景展望

2019-11-27伍赛特

汽车零部件 2019年9期

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

交通出行是现代社会的基本需求之一，公路运输又能实现门对门的精确客货物流传递。因此，汽车这类载运工具长期以来一直备受关注，以此为基础的汽车工业则是世界范围内的主要制造业之一。在过去的百年间，汽车技术一直在不断发展，尽管在安全性、舒适性、性能和效率等方面得到稳步改善，但仍有进一步优化发展的潜力可挖。汽车油耗和相应的二氧化碳排放量首当其冲，已成为关注的焦点[1]。其原因在于化石燃料储量有限，特别是自工业革命以来大气中的二氧化碳含量剧增，对全球气候变暖造成不可逆转的影响。

即使是在当前节能减排的大环境下，个别汽车制造厂家相应车型的平均油耗值依然有暂时上升的趋势，但近年来柴油车销售量的不断提升在一定程度上延缓了这一上升趋势。由于汽车购买力几乎未曾受到高油价的影响，为此需提高大排量车辆的性能和效率，并不断寻求技术上的突破。考虑到能量守恒定律，当前应重点关注的技术方向通常为提高能量转换效率、提升操作自由度以及加大汽车怠速工况下能量回收的可能性。

1 混合动力汽车及其定义

根据新欧洲循环行驶标准，汽车处于城市行驶工况时具有显著的节能潜力。目前混合动力汽车发展前景较为可观，因为该技术不仅能持续地提升车用内燃机性能及能量转换效率，而且可为进一步的能量转换提供更多的自由度，如制动能量的回收和储存等技术方式。

联合国在2003年对混合动力汽车进行定义：混合动力汽车是指至少采用两种用于驱动车辆的动力源和储能系统的汽车，而化学能、电能或机械能均包含在内。

2 混合动力汽车的技术特点

车辆的整车质量、最大功率、空气动力阻力及其他参数直接影响到内燃机汽车的燃油消耗。通过改善车辆设计可调整整车质量、空气动力阻力及滚动摩擦力等参数。混合动力传动系统同时采用内燃机和电机以此优化推进系统的能源消耗。迄今为止，此类动力系统已率先应用于乘用车领域。就目前而言，混合动力汽车的技术特点如下所示。

2.1 由外部电源独立供能

电池中的所有电能最初均来自于燃油的能量，因此不需像纯电动汽车一般花费过多的时间通过固定的外部电源对车辆进行充电[2-4]。此外由于电能可通过内燃机转换后快速地用于驱动系统，因此就其空间、质量及成本而言，可大幅降低电池存储需求。

2.2 优化内燃机工作效率

由于混合动力系统中的内燃机性能一定程度上取决于电池-电机系统，因此无需像内燃机汽车以牺牲效率为代价而使输出功率最大化。为此，某些混合动力汽车采用阿特金森热力循环，该循环更注重以降低功率为代价，从而实现更高效率。但对于大部分内燃机汽车而言，该技术特点难以接受，因为以此无法实现快速加速、迅速爬坡等卓越的动力性能。但此类循环可在混合动力循环中充分发挥功用，使整车燃油经济性得以提升，并充分满足其动力性能。

混合动力汽车为阿特金森循环内燃机的发展提供了新的机遇。该热力循环最初由James ATKINSON于1882年发明。虽然该循环在其发明时尚未得到广泛使用，但它在提升燃油经济性方面具有显著优势，于20世纪90年代重新被应用于混合动力汽车系统中[5]。

2.3 再生制动

混合动力汽车在减速时可利用再生制动回收部分制动能量，并由车轮反馈至蓄电池，以提升能量利用效率。

3 插电式混合动力汽车及其技术特点

混合动力汽车在降低能源消耗方面的技术潜力目前已通过诸多的现有车型得到证明。但纯电动汽车亦有其自身优势，即纯电动汽车可通过转换自各类能源的电能而运行，涵盖了各类传统化石燃料及可再生能源。而混合动力汽车依然对汽油及柴油有一定的技术需求，无法从根本上解决石油消耗问题。

目前具有广阔前景的一类混合动力汽车即为插电式混合动力汽车，在该类车型中，蓄电池系统容量随之增加，使汽车可在仅依赖储存的电能而不依赖内燃机的情况下行驶较长里程。

目前世界范围内的各大汽车制造商正在大力提倡插电式混合动力汽车。此外还开发了大量插电式改装套件，此类改装套件可将混合动力汽车改装成插电式混合动力汽车，并可在无需使用内燃机的情况下确保相当距离的汽车的行驶里程。采用插电式混合动力汽车可大幅减少燃油消耗，来源于多种能源体系的电能可一定程度上缓解车用内燃机对汽油及柴油的消耗。

此外，插电式混合动力汽车依然具有一定的安全效益。一旦出现国际争端而导致油品供应中断的情况，插电式混合动力汽车依然可依靠电能实现运输功能，而电能通常不会直接受国际关系危机的影响。

就二氧化碳排放和对空气质量的影响而言，插电式混合动力汽车比传统内燃机汽车优势更为明显，可有效减缓污染物进入大气，同时亦降低石油的消耗。

出于减少对传统石油资源的依赖以及对气候环境的保护，插电式混合动力汽车技术在系统层面对交通运输系统起到了积极的影响作用。为了以最优方式为插电式混合动力汽车充电，通常应在不使用时通过充电系统与电网长时间连接。

而目前开发智能电网对插电式混合动力汽车进行充电是一大技术发展方向。智能电网可感应到整体电网负荷及可用电量，然后向插电式混合动力汽车的充电器发出信号，使其开始充电或停止充电。插电式混合动力汽车不但可利用该类方法进行高效充电，同时可通过电能车辆-电网系统反馈至电网，以此节约资源消耗成本。

4 混合动力汽车未来发展前景展望

近年来，混合动力汽车的技术出现了较大飞跃。早期的技术关注点在于混合动力技术能否在汽车领域占据一席之地，而当前重点关注的是混合动力系统的动力分配比例以及能否更优地实现较高的电气化工作效率。汽车用混合动力技术横跨微混合动力及其起/停功能和电机管理，以及全混合动力汽车，在未来的汽车技术发展进程中仍有较好的前景。

根据当前全球范围内的汽车市场现状分析，在中短期以内至少要实现起/停功能的一定覆盖面。长期而言，未来在该行业内将会存在低电功率和高电功率两极并存的局面，而中间过渡部分的意义则并不大。

采用低电功率的汽车，如微型和轻型混合动力汽车具有吸引人的性价比，有利于进一步的普及推广，对于整车制造企业而言，由于其技术门槛和设备投入较低也便于大量生产。高电功率如燃料电池或插电式混合动力汽车(配备有增程器)，可被视作较长时期内大续航里程混合动力汽车的主流技术发展趋势[6-7]。

节能减排的政策法规将对混合动力汽车的发展产生重大影响。根据世界范围内各国法律条款中出现的种种关于二氧化碳排放的指标以及零排放技术的规定，存在着相应的技术利弊。比如美国方面，设立了特定区域对特定车辆限行，并实施了特定税收方案；而中国方面，则对部分地区开放混合动力汽车上路牌照、免费停车等优惠政策。

除了大力发展以传统内燃机为基础的混合驱动技术以外，燃料电池和纯电动汽车等新型车用动力装置也受到了广泛关注[8]。燃料电池汽车所配备的蓄电装置使制动过程中的能量回收成为可能，同时使冷起动时的起动耗时有效缩短。由于已经存在电力驱动系统，只需再配备一个体积相对较小的蓄电装置即可实现混合动力的功能。

目前，针对纯电动汽车的商业推广主要还是靠出台大量政策及配套充电装置，在中短期内，动力电池技术还无法实现传统内燃机汽车所能达到的续航里程和行驶时间的现行标准，因此该类车辆至少需配备一台小型内燃机作为增程器，由此为车内人员提供随时可用性、可以接受的续航里程和高/低温环境下的舒适性，使纯电动汽车更快地融入市场。高性能动力电池附加小排量高效率内燃机的方案，在可预见的一段时间内会有着较好的技术发展前景[9]。

而以更长远的技术眼光来看，随着燃料电池技术的不断进步及完善，更为清洁、安全、便捷的燃料电池汽车将会在公路运输领域逐渐崭露头角。