揭秘 混動(dòng)新能源汽車的省油黑科技

??隨著各國(guó)政府對(duì)于汽車油耗和排放的要求日趨嚴(yán)格，混動(dòng)化幾乎是給內(nèi)燃機(jī)“續(xù)命”的唯一方法；而另一方面，如果電動(dòng)車最終真的將取代燃油車，在電池能量密度、價(jià)格，充電技術(shù)、充電設(shè)施建設(shè)尚未成熟之前，發(fā)展插電混合動(dòng)力也是很有必要的過(guò)渡手段。因此，有越來(lái)越多的廠商都投入了更多的資源研發(fā)混合動(dòng)力技術(shù)，很有可能在十年以內(nèi)就有一半的新售乘用車是某種形式的混動(dòng)汽車——跟今天的車迷熱衷于討論發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)、形式，變速箱類型，以及整車發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)布置方式一樣，未來(lái)的車迷很可能也會(huì)對(duì)混動(dòng)的各種技術(shù)形式耳熟能詳。??

??作為一名政策研究人員，汽車工程本不是我的強(qiáng)項(xiàng)，但出于研究新能源汽車的需要，我也曾專門(mén)學(xué)習(xí)過(guò)混動(dòng)技術(shù)的原理和分類。這個(gè)系列一共5篇文章，包括混動(dòng)為什么省油，混動(dòng)的基本構(gòu)型，行星齒輪混動(dòng)技術(shù)，電機(jī)的位置和組合，以及混合程度分級(jí)等內(nèi)容。寫(xiě)作的目的，是希望讓廣大車迷和消費(fèi)者對(duì)混合動(dòng)力有一個(gè)基本的概念，同時(shí)也是我自己的一份學(xué)習(xí)筆記。如有不準(zhǔn)確之處，還希望各位朋友不吝指教。??

??提到混合動(dòng)力，可能絕大部分人的第一印象，是省油。其實(shí)這個(gè)說(shuō)法不太準(zhǔn)確，以比亞迪秦、唐和三大混動(dòng)超跑法拉利LaFerrari、保時(shí)捷918 Spyder、邁凱輪P1為代表的車型，恰恰是以動(dòng)力性能而非油耗取勝（作為取向）的，在這些例子中，增加電機(jī)、電池的目的是突破內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的限制，省油并不是重點(diǎn)。所以，混動(dòng)實(shí)際上提升的是“效率”，而不是燃油經(jīng)濟(jì)性。

??那么，為什么混合動(dòng)力的效率更高呢？??

??一個(gè)流行的說(shuō)法是，因?yàn)榛靹?dòng)系統(tǒng)增加的電機(jī)在低速的效率更高。這個(gè)說(shuō)法似是而非。??

??電機(jī)在絕大多數(shù)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷區(qū)間效率都在85%以上，而內(nèi)燃機(jī)目前的最高記錄是豐田最新的2.5L直列四缸直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，也只有41%。所以其實(shí)如果只是比兩個(gè)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的效率，電機(jī)無(wú)論在低速還是高速都是比內(nèi)燃機(jī)更高的。

??但另一方面，混合動(dòng)力汽車上的電力并非憑空而來(lái)。大多數(shù)的混合動(dòng)力汽車其實(shí)并沒(méi)有“混合能量”，而只是混合了“驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”（drivetrain）——驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電力仍然來(lái)自于內(nèi)燃機(jī)，但內(nèi)燃機(jī)輸出的能量經(jīng)過(guò)了發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的兩步額外損耗，總效率其實(shí)是低于內(nèi)燃機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛的。??

??這套機(jī)構(gòu)沒(méi)有電池的話，其實(shí)就是火車上用來(lái)替代機(jī)械變速箱的“電傳動(dòng)”機(jī)構(gòu)。應(yīng)用在柴油火車特別是柴油動(dòng)力分散式的火車（即柴油動(dòng)車組）上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高和方便分散布置的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于汽車則效益有限，二戰(zhàn)時(shí)期斐迪南保時(shí)捷研發(fā)的虎P坦克就是一個(gè)反面例子。??

??如果電力來(lái)自于外接充電，火電廠的發(fā)電效率一般也只是比50%略多，經(jīng)過(guò)電力輸送、充電及電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的損耗，再考慮到電池增加的車重，最終驅(qū)動(dòng)效率比運(yùn)行在最佳狀態(tài)下的純內(nèi)燃機(jī)汽車也只不過(guò)是略高。而且它省油也并不是因?yàn)殡妭鲃?dòng)效率高，而是通過(guò)轉(zhuǎn)化化學(xué)能的低點(diǎn)從車載熱機(jī)轉(zhuǎn)移到了規(guī)模更大更高效的電廠熱機(jī)。??

??當(dāng)然了，整合兩種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在某些情況下也可以提高效率。目前世界上先進(jìn)的軍用艦船，普遍裝備了將柴油推進(jìn)、柴電推進(jìn)、燃?xì)馔七M(jìn)、蒸汽推進(jìn)、核動(dòng)力推進(jìn)中的某兩種或某一種的兩型混合在一起的聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)，從而兼顧日常巡航的經(jīng)濟(jì)性和戰(zhàn)斗時(shí)的高動(dòng)力輸出。??

??理論上，汽車也可以在日常行駛時(shí)使用小型高效發(fā)動(dòng)機(jī)降低油耗，激烈駕駛再加入大排量高性能發(fā)動(dòng)機(jī)增加輸出。但輕型汽車的體積有限，需要克服的阻力對(duì)重量也十分敏感，如果僅僅是搞出兩套動(dòng)力系統(tǒng)，往往得不償失。所以只有像渦輪增壓、歇缸、可變氣門(mén)正時(shí)、可變氣門(mén)升程等讓發(fā)動(dòng)機(jī)特性可以改變的技術(shù)。額外增加一套動(dòng)力系統(tǒng)的不是沒(méi)有，但多半是為了四驅(qū)和高性能，油耗則一點(diǎn)都不低。??

??實(shí)際上，混動(dòng)高效的關(guān)鍵，并不在于電機(jī)，而在于電池。或者更準(zhǔn)確的來(lái)說(shuō)，在于擁有一個(gè)峰值動(dòng)力存儲(chǔ)裝置PPS（peaking power source）。跟油箱、天然氣罐這些儲(chǔ)能裝置不同，PPS即使在車輛行駛的過(guò)程中也可以填充能量，而不只是釋放能量。這個(gè)裝置在混動(dòng)系統(tǒng)中通過(guò)三個(gè)方面來(lái)提升效率——??

??首先，如下面這張BSFC圖所示，內(nèi)燃機(jī)的高效工作區(qū)間非常狹窄，往往只局限在中低轉(zhuǎn)速、中高負(fù)荷的狹小范圍。汽車日常行駛的功率需求遠(yuǎn)比最佳區(qū)間低，而激烈駕駛或爬坡時(shí)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷又都比這個(gè)區(qū)間高，效率就低了很多。而PPS則起到了“削峰填谷”的作用，發(fā)動(dòng)機(jī)最優(yōu)工作功率高于路況需求功率時(shí)，多余功率通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在電池中；低于路況需求功率時(shí)則電池儲(chǔ)存的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)車輛。這樣一來(lái)，內(nèi)燃機(jī)就可以永遠(yuǎn)（或在更多情況下）工作在最優(yōu)或接近最優(yōu)的區(qū)間。??

??下圖中橫軸為轉(zhuǎn)速，縱軸為扭矩，藍(lán)線為功率，也即動(dòng)力需求，百分比曲線為節(jié)氣門(mén)開(kāi)度，等高線色塊為單位做功的燃油消耗量，即燃油效率，可以看出，內(nèi)燃機(jī)的低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時(shí)的效率可能只有最優(yōu)區(qū)間的60%或更低。

??而更進(jìn)一步的，因?yàn)殡姍C(jī)可以對(duì)內(nèi)燃機(jī)形成補(bǔ)充，削峰填谷，所以內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)可以更為極端，只考慮在最優(yōu)工況工作時(shí)的熱效率和NVH（振動(dòng)、噪音和平順性），而不需要像傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣兼顧其他工況。??

??目前豐田、本田等車廠生產(chǎn)的混合動(dòng)力系統(tǒng)普遍采用的阿特金森循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，在低轉(zhuǎn)速、低節(jié)氣門(mén)開(kāi)度時(shí)扭矩很差，如果沒(méi)有電機(jī)的低轉(zhuǎn)速高扭矩做補(bǔ)充的話，是不適合使用在家用汽車上的。??

??最后，PPS的存在也使得動(dòng)能回收成為可能。傳統(tǒng)汽車在下坡或減速、制動(dòng)時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為剎車片的熱能，白白浪費(fèi)掉還增加剎車片磨損，但混合動(dòng)力汽車因?yàn)橛幸粋€(gè)相對(duì)大的儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)，就可以將這些動(dòng)能回收，之后再用于驅(qū)動(dòng)車輛。??

^??雖然大部分混合動(dòng)力汽車都用電池作為PPS，但其實(shí)PPS還可以采用其他的裝置。?^?

??馬自達(dá)在創(chuàng)馳藍(lán)天動(dòng)力系統(tǒng)中使用的i-Eloop微混系統(tǒng)就采用充放電更快、也更耐久的電容作為PPS。不過(guò)超級(jí)電容的單位能量所需的體積太大，因此極少在電動(dòng)化程度更高的弱混和強(qiáng)混系統(tǒng)上采用。

??F1賽車的動(dòng)能回收系統(tǒng)，即所謂的KERS（Kinetic energy recovery system），則往往采用飛輪作為儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)。飛輪雖然有能量隨時(shí)間損耗較快的缺點(diǎn)，但充能功率更高，而且單位重量能儲(chǔ)存的能量也更高，F(xiàn)1賽車的版本可以提供120kW的加力，很適合短時(shí)間高頻率充放能的賽車。沃爾沃也曾經(jīng)發(fā)布過(guò)民用飛輪混合動(dòng)力系統(tǒng)的概念。

??液壓裝置也可以作為PPS。與飛輪一樣，相同重量的液體比電池儲(chǔ)存的能量更多，雖然充放能的功率和工作效率沒(méi)有飛輪高，但損耗較小，多在中大型車輛上采用。美國(guó)的UPS曾經(jīng)使用過(guò)一批液壓混合動(dòng)力車輛，也有公司研發(fā)過(guò)液壓混合動(dòng)力的城市公交車和工程車。

??與液壓很相似的還有壓縮空氣，重量更低，但體積則更大。法國(guó)的PSA在壓縮空氣混合動(dòng)力方面研究多年，已經(jīng)推出過(guò)樣車。??

??飛輪、液壓和壓縮空氣都并非用來(lái)存儲(chǔ)動(dòng)力，自然這幾種混合動(dòng)力也就并不使用電機(jī)了。??