伍賽特

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

交通出行是現(xiàn)代社會(huì)的基本需求之一，公路運(yùn)輸又能實(shí)現(xiàn)門對(duì)門的精確客貨物流傳遞。因此，汽車這類載運(yùn)工具長(zhǎng)期以來(lái)一直備受關(guān)注，以此為基礎(chǔ)的汽車工業(yè)則是世界范圍內(nèi)的主要制造業(yè)之一。在過(guò)去的百年間，汽車技術(shù)一直在不斷發(fā)展，盡管在安全性、舒適性、性能和效率等方面得到穩(wěn)步改善，但仍有進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)展的潛力可挖。汽車油耗和相應(yīng)的二氧化碳排放量首當(dāng)其沖，已成為關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。其原因在于化石燃料儲(chǔ)量有限，特別是自工業(yè)革命以來(lái)大氣中的二氧化碳含量劇增，對(duì)全球氣候變暖造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。

即使是在當(dāng)前節(jié)能減排的大環(huán)境下，個(gè)別汽車制造廠家相應(yīng)車型的平均油耗值依然有暫時(shí)上升的趨勢(shì)，但近年來(lái)柴油車銷售量的不斷提升在一定程度上延緩了這一上升趨勢(shì)。由于汽車購(gòu)買力幾乎未曾受到高油價(jià)的影響，為此需提高大排量車輛的性能和效率，并不斷尋求技術(shù)上的突破?？紤]到能量守恒定律，當(dāng)前應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)方向通常為提高能量轉(zhuǎn)換效率、提升操作自由度以及加大汽車怠速工況下能量回收的可能性。

1 混合動(dòng)力汽車及其定義

根據(jù)新歐洲循環(huán)行駛標(biāo)準(zhǔn)，汽車處于城市行駛工況時(shí)具有顯著的節(jié)能潛力。目前混合動(dòng)力汽車發(fā)展前景較為可觀，因?yàn)樵摷夹g(shù)不僅能持續(xù)地提升車用內(nèi)燃機(jī)性能及能量轉(zhuǎn)換效率，而且可為進(jìn)一步的能量轉(zhuǎn)換提供更多的自由度，如制動(dòng)能量的回收和儲(chǔ)存等技術(shù)方式。

聯(lián)合國(guó)在2003年對(duì)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行定義：混合動(dòng)力汽車是指至少采用兩種用于驅(qū)動(dòng)車輛的動(dòng)力源和儲(chǔ)能系統(tǒng)的汽車，而化學(xué)能、電能或機(jī)械能均包含在內(nèi)。

2 混合動(dòng)力汽車的技術(shù)特點(diǎn)

車輛的整車質(zhì)量、最大功率、空氣動(dòng)力阻力及其他參數(shù)直接影響到內(nèi)燃機(jī)汽車的燃油消耗。通過(guò)改善車輛設(shè)計(jì)可調(diào)整整車質(zhì)量、空氣動(dòng)力阻力及滾動(dòng)摩擦力等參數(shù)。混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)采用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)以此優(yōu)化推進(jìn)系統(tǒng)的能源消耗。迄今為止，此類動(dòng)力系統(tǒng)已率先應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域。就目前而言，混合動(dòng)力汽車的技術(shù)特點(diǎn)如下所示。

2.1 由外部電源獨(dú)立供能

電池中的所有電能最初均來(lái)自于燃油的能量，因此不需像純電動(dòng)汽車一般花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間通過(guò)固定的外部電源對(duì)車輛進(jìn)行充電[2-4]。此外由于電能可通過(guò)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)換后快速地用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此就其空間、質(zhì)量及成本而言，可大幅降低電池存儲(chǔ)需求。

2.2 優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)工作效率

由于混合動(dòng)力系統(tǒng)中的內(nèi)燃機(jī)性能一定程度上取決于電池-電機(jī)系統(tǒng)，因此無(wú)需像內(nèi)燃機(jī)汽車以犧牲效率為代價(jià)而使輸出功率最大化。為此，某些混合動(dòng)力汽車采用阿特金森熱力循環(huán)，該循環(huán)更注重以降低功率為代價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)更高效率。但對(duì)于大部分內(nèi)燃機(jī)汽車而言，該技術(shù)特點(diǎn)難以接受，因?yàn)橐源藷o(wú)法實(shí)現(xiàn)快速加速、迅速爬坡等卓越的動(dòng)力性能。但此類循環(huán)可在混合動(dòng)力循環(huán)中充分發(fā)揮功用，使整車燃油經(jīng)濟(jì)性得以提升，并充分滿足其動(dòng)力性能。

混合動(dòng)力汽車為阿特金森循環(huán)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。該熱力循環(huán)最初由James ATKINSON于1882年發(fā)明。雖然該循環(huán)在其發(fā)明時(shí)尚未得到廣泛使用，但它在提升燃油經(jīng)濟(jì)性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，于20世紀(jì)90年代重新被應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)中[5]。

2.3 再生制動(dòng)

混合動(dòng)力汽車在減速時(shí)可利用再生制動(dòng)回收部分制動(dòng)能量，并由車輪反饋至蓄電池，以提升能量利用效率。

3 插電式混合動(dòng)力汽車及其技術(shù)特點(diǎn)

混合動(dòng)力汽車在降低能源消耗方面的技術(shù)潛力目前已通過(guò)諸多的現(xiàn)有車型得到證明。但純電動(dòng)汽車亦有其自身優(yōu)勢(shì)，即純電動(dòng)汽車可通過(guò)轉(zhuǎn)換自各類能源的電能而運(yùn)行，涵蓋了各類傳統(tǒng)化石燃料及可再生能源。而混合動(dòng)力汽車依然對(duì)汽油及柴油有一定的技術(shù)需求，無(wú)法從根本上解決石油消耗問(wèn)題。

目前具有廣闊前景的一類混合動(dòng)力汽車即為插電式混合動(dòng)力汽車，在該類車型中，蓄電池系統(tǒng)容量隨之增加，使汽車可在僅依賴儲(chǔ)存的電能而不依賴內(nèi)燃機(jī)的情況下行駛較長(zhǎng)里程。

目前世界范圍內(nèi)的各大汽車制造商正在大力提倡插電式混合動(dòng)力汽車。此外還開(kāi)發(fā)了大量插電式改裝套件，此類改裝套件可將混合動(dòng)力汽車改裝成插電式混合動(dòng)力汽車，并可在無(wú)需使用內(nèi)燃機(jī)的情況下確保相當(dāng)距離的汽車的行駛里程。采用插電式混合動(dòng)力汽車可大幅減少燃油消耗，來(lái)源于多種能源體系的電能可一定程度上緩解車用內(nèi)燃機(jī)對(duì)汽油及柴油的消耗。

此外，插電式混合動(dòng)力汽車依然具有一定的安全效益。一旦出現(xiàn)國(guó)際爭(zhēng)端而導(dǎo)致油品供應(yīng)中斷的情況，插電式混合動(dòng)力汽車依然可依靠電能實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸功能，而電能通常不會(huì)直接受國(guó)際關(guān)系危機(jī)的影響。

就二氧化碳排放和對(duì)空氣質(zhì)量的影響而言，插電式混合動(dòng)力汽車比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車優(yōu)勢(shì)更為明顯，可有效減緩污染物進(jìn)入大氣，同時(shí)亦降低石油的消耗。

出于減少對(duì)傳統(tǒng)石油資源的依賴以及對(duì)氣候環(huán)境的保護(hù)，插電式混合動(dòng)力汽車技術(shù)在系統(tǒng)層面對(duì)交通運(yùn)輸系統(tǒng)起到了積極的影響作用。為了以最優(yōu)方式為插電式混合動(dòng)力汽車充電，通常應(yīng)在不使用時(shí)通過(guò)充電系統(tǒng)與電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)間連接。

而目前開(kāi)發(fā)智能電網(wǎng)對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車進(jìn)行充電是一大技術(shù)發(fā)展方向。智能電網(wǎng)可感應(yīng)到整體電網(wǎng)負(fù)荷及可用電量，然后向插電式混合動(dòng)力汽車的充電器發(fā)出信號(hào)，使其開(kāi)始充電或停止充電。插電式混合動(dòng)力汽車不但可利用該類方法進(jìn)行高效充電，同時(shí)可通過(guò)電能車輛-電網(wǎng)系統(tǒng)反饋至電網(wǎng)，以此節(jié)約資源消耗成本。

4 混合動(dòng)力汽車未來(lái)發(fā)展前景展望

近年來(lái)，混合動(dòng)力汽車的技術(shù)出現(xiàn)了較大飛躍。早期的技術(shù)關(guān)注點(diǎn)在于混合動(dòng)力技術(shù)能否在汽車領(lǐng)域占據(jù)一席之地，而當(dāng)前重點(diǎn)關(guān)注的是混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力分配比例以及能否更優(yōu)地實(shí)現(xiàn)較高的電氣化工作效率。汽車用混合動(dòng)力技術(shù)橫跨微混合動(dòng)力及其起/停功能和電機(jī)管理，以及全混合動(dòng)力汽車，在未來(lái)的汽車技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中仍有較好的前景。

根據(jù)當(dāng)前全球范圍內(nèi)的汽車市場(chǎng)現(xiàn)狀分析，在中短期以內(nèi)至少要實(shí)現(xiàn)起/停功能的一定覆蓋面。長(zhǎng)期而言，未來(lái)在該行業(yè)內(nèi)將會(huì)存在低電功率和高電功率兩極并存的局面，而中間過(guò)渡部分的意義則并不大。

采用低電功率的汽車，如微型和輕型混合動(dòng)力汽車具有吸引人的性價(jià)比，有利于進(jìn)一步的普及推廣，對(duì)于整車制造企業(yè)而言，由于其技術(shù)門檻和設(shè)備投入較低也便于大量生產(chǎn)。高電功率如燃料電池或插電式混合動(dòng)力汽車(配備有增程器)，可被視作較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)大續(xù)航里程混合動(dòng)力汽車的主流技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[6-7]。

節(jié)能減排的政策法規(guī)將對(duì)混合動(dòng)力汽車的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。根據(jù)世界范圍內(nèi)各國(guó)法律條款中出現(xiàn)的種種關(guān)于二氧化碳排放的指標(biāo)以及零排放技術(shù)的規(guī)定，存在著相應(yīng)的技術(shù)利弊。比如美國(guó)方面，設(shè)立了特定區(qū)域?qū)μ囟ㄜ囕v限行，并實(shí)施了特定稅收方案；而中國(guó)方面，則對(duì)部分地區(qū)開(kāi)放混合動(dòng)力汽車上路牌照、免費(fèi)停車等優(yōu)惠政策。

除了大力發(fā)展以傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)為基礎(chǔ)的混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)以外，燃料電池和純電動(dòng)汽車等新型車用動(dòng)力裝置也受到了廣泛關(guān)注[8]。燃料電池汽車所配備的蓄電裝置使制動(dòng)過(guò)程中的能量回收成為可能，同時(shí)使冷起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)耗時(shí)有效縮短。由于已經(jīng)存在電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，只需再配備一個(gè)體積相對(duì)較小的蓄電裝置即可實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力的功能。

目前，針對(duì)純電動(dòng)汽車的商業(yè)推廣主要還是靠出臺(tái)大量政策及配套充電裝置，在中短期內(nèi)，動(dòng)力電池技術(shù)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車所能達(dá)到的續(xù)航里程和行駛時(shí)間的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，因此該類車輛至少需配備一臺(tái)小型內(nèi)燃機(jī)作為增程器，由此為車內(nèi)人員提供隨時(shí)可用性、可以接受的續(xù)航里程和高/低溫環(huán)境下的舒適性，使純電動(dòng)汽車更快地融入市場(chǎng)。高性能動(dòng)力電池附加小排量高效率內(nèi)燃機(jī)的方案，在可預(yù)見(jiàn)的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)有著較好的技術(shù)發(fā)展前景[9]。

而以更長(zhǎng)遠(yuǎn)的技術(shù)眼光來(lái)看，隨著燃料電池技術(shù)的不斷進(jìn)步及完善，更為清潔、安全、便捷的燃料電池汽車將會(huì)在公路運(yùn)輸領(lǐng)域逐漸嶄露頭角。

5 結(jié)論及展望

混合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展歷程幾乎與汽車技術(shù)史同樣悠久。在汽車技術(shù)的發(fā)展初期，離合器、變速器和內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力調(diào)節(jié)性能等方面發(fā)展尚不完善，于是需要引入混合動(dòng)力技術(shù)，而如今對(duì)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能效、制動(dòng)能回收、車輛安全性、舒適性、供暖、附加功能等技術(shù)方向的關(guān)注度更高。

目前尚無(wú)特定的車用動(dòng)力系統(tǒng)可以達(dá)到十全十美的地步，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車以及新型的純電動(dòng)汽車與燃料電池汽車均有其各自的技術(shù)利弊。考慮到當(dāng)前日益嚴(yán)苛的節(jié)能及環(huán)保要求，混合動(dòng)力汽車作為一類過(guò)渡性的新能源車型在當(dāng)前的局勢(shì)下依然有其獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，它必將在公路運(yùn)輸領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。