混合動力

混合動力

燃料和電能的混合的動力來源
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。混合動力汽車技術是解決目前車輛能源消耗過度、空氣質量污染和燃油成本過高的有效途徑之一。[1]
    中文名:混合動力 含義:燃料(汽油,柴油等)和電能的混合

概括

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。優點在于車輛啟動停止時,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态,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。

随着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并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、并聯式和混聯式等三種。

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啟動的瞬間産生強大的動力,因此,車主可以享受更強勁的起步、加速。同時,還能實現較高水平的燃油經濟性。

插電式混合動力電動汽車(PHEV)是兼具純電動汽車和混合動力汽車優點的新能源汽車,既可以通過外部電網對儲能裝置進行充電,降低了車輛對燃油的依賴性和使用成本,又可以保證汽車的續駛裡程,因此得到了汽車企業、科研機構及各國政府的普遍關注。

發展曆史

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,中國電動車自行車的應用開發剛剛起步。電動車技術上的瓶頸首先就暴露出來,即電池的能量有限,導緻車輛的功率和行駛裡程極其有限。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)并于1998年7月7日獲得國家專利局授權并公開。由于當時中國的經濟發展水平和制造業條件的限制,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,第一款量産混合動力車推向日本市場。

2007年年底,美國權威機構Autodata的統計數據顯示,2007年10月份美國混合動力車的銷售量與上一年相比,同期增長了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。

“領跑者”——日本車企

在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。業内,普遍認為采用氫動力是汽車發展的理想目标,而混合動力被認為是目前最好的過渡産品。

構成部分

混合動力電動汽車的動力系統主要由控制系統、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态,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曆史新高,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循環,它們需要不斷地啟動和停車。

這類液壓混合動力中最激進的型号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循環系統。

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制動的能力。貨物運送車輛和渣土運輸車經常要制動刹車,當車輛制動時,液壓泵發動機會為高壓蓄能器蓄能。當卡車再次啟動前行時,儲存在蓄能器中的能量可以用來減少柴油引擎的負載。這些能量也可以限制引擎關閉時推進力的迸發,比如說,在室内操作車輛時。

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裡,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應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。并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。

液壓驅動方式

當今的液壓混合動力系統主要有三種方式,并且都處在發展之中。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)和其他合作夥伴聯合開發了一種混合動力系統。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議,着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蓄能器産生扭矩并存儲能量,而不是使用電動發動機、電線和電池。

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。的确,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。

中國汽車界和科技界曾對電動車的開發情有獨鐘,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”的傻聰明終于随着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,是一項必須關注的前沿技術,但僅僅是“關注”即可。而混合動力車的研發倒應該是當務之急。一是混合動力車并非什麼遠在天邊的高科技,又有成熟的商品化車型可借鑒。二是混合動力車特别适合中國大城市交通普遍擁堵,汽車頻繁制動的國情,節能治污的效果可以發揮到極緻。

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。合資生産或者進口混合動力車,估計很快就會被精明的生産商或經銷商提到議事日程。混合動力車将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産生)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内工作,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注,混合動力汽車和電動汽車被看作是一種自然的發展目标。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,以及傳動系統内部各個相關部件的運轉狀态,可以最大程度的優化汽車的設計,從而達到改善油耗的目标。

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。

混合動力汽車采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。其結果是提高了總體效率,同時并未犧牲性能。混合動力車設計成可回收制動能量。在傳統汽車中,當司機踩制動時,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,并将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并聯工作,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内燃機直接帶動發電機發電,産生的電能通過控制單元傳到電池,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。電池在發電機産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應用比較多,轎車上很少使用。

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。

二是并聯式混合動力系統。并聯式混合動力系統有兩套驅動系統:傳統的内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。這種系統适用于多種不同的行駛工況,尤其适用于複雜的路況。該聯結方式結構簡單,成本低。本田的Accord和Civic采用的是并聯式聯結方式。

以發動機為主動力,電動馬達作為輔助動力的“并聯方式”(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啟動時産生強大動力的特征,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。

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内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,或采用行星輪式結構結合在一起,從而綜合調節内燃機與電動機之間的轉速關系。與并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内燃機的功率輸出和電機的運轉。此聯結方式系統複雜,成本高。

随着科學技術日益進步和人們生活水平的不斷提高,汽車越來越多的進入了人們的生活。近些年汽車保有量迅速增長,伴随而來的能源需求和能源消耗也越來越大,同時車輛尾氣的排放也對我們日常生活環境造成污染,影響了人們的健康。為此,發展汽車節能技術和新能源汽車迫在眉睫。液壓混合動力汽車是節能與新能源汽車的代表之一,近年來因其節能效果明顯而得到了越來越多人的重視。液壓混合動力系統采用液壓蓄能器、液壓泵/馬達等液壓元器件作為儲能、能量轉換元件,利用液壓元器件功率密度大的特性,可充分回收傳統車輛在制動階段通過摩擦制動器而消耗的動能,并将該部分能量存儲起來,當車輛起動加速時再釋放存儲的能量,以此達到節約能源、減少尾氣排放的目的。

混合度分類

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占的比重,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内燃機上的啟動電機(一般為12V)上加裝了皮帶驅動啟動電機(也就是常說的Belt-alternator Starter Generator,簡稱BSG系統)。該電機為發電啟動(Stop-Start)一體式電動機,用來控制發動機的啟動和停止,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,因為它的電機并沒有為汽車行駛提供持續的動力。在微混合動力系統裡,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。該混合動力系統采用了集成啟動電機(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制發動機的啟動和停止,還能夠實現:(1)在減速和制動工況下,對部分能量進行吸收;(2)在行駛過程中,發動機等速運轉,發動機産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。輕混常用BSG皮帶傳送啟動/發電技術,通常節油10%以下,電機不直接參與驅動,主要用于啟動和回收制動能量。

三是中混合動力系統。與輕度混合動力系統不同,中混合動力系統采用的是高壓電機。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,應用廣泛。

中混常用ISG内置安裝曲軸啟動/發電技術,強混合動力可節油40%。

四是完全混合動力系統。該系統采用了272-650v的高壓啟動電機,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%。技術的發展将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,商業應用,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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