揭秘 混動新能源汽車的省油黑科技

??隨著各國政府對于汽車油耗和排放的要求日趨嚴格，混動化幾乎是給內(nèi)燃機“續(xù)命”的唯一方法；而另一方面，如果電動車最終真的將取代燃油車，在電池能量密度、價格，充電技術(shù)、充電設施建設尚未成熟之前，發(fā)展插電混合動力也是很有必要的過渡手段。因此，有越來越多的廠商都投入了更多的資源研發(fā)混合動力技術(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汽車——跟今天的車迷熱衷于討論發(fā)動機缸數(shù)、形式，變速箱類型，以及整車發(fā)動機和驅(qū)動布置方式一樣，未來的車迷很可能也會對混動的各種技術(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項，但出于研究新能源汽車的需要，我也曾專門學習過混動技術(shù)的原理和分類。這個系列一共5篇文章，包括混動為什么省油，混動的基本構(gòu)型，行星齒輪混動技術(shù)，電機的位置和組合，以及混合程度分級等內(nèi)容。寫作的目的，是希望讓廣大車迷和消費者對混合動力有一個基本的概念，同時也是我自己的一份學習筆記。如有不準確之處，還希望各位朋友不吝指教。??

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

??那么，為什么混合動力的效率更高呢？??

??一個流行的說法是，因為混動系統(tǒng)增加的電機在低速的效率更高。這個說法似是而非。??

??電機在絕大多數(shù)轉(zhuǎn)速和負荷區(qū)間效率都在85%以上，而內(nèi)燃機目前的最高記錄是豐田最新的2.5L直列四缸直噴發(fā)動機，也只有41%。所以其實如果只是比兩個動力機構(gòu)的效率，電機無論在低速還是高速都是比內(nèi)燃機更高的。

??但另一方面，混合動力汽車上的電力并非憑空而來。大多數(shù)的混合動力汽車其實并沒有“混合能量”，而只是混合了“驅(qū)動系統(tǒng)”（drivetrain）——驅(qū)動電機的電力仍然來自于內(nèi)燃機，但內(nèi)燃機輸出的能量經(jīng)過了發(fā)電機和電動機的兩步額外損耗，總效率其實是低于內(nèi)燃機直接驅(qū)動車輛的。??

??這套機構(gòu)沒有電池的話，其實就是火車上用來替代機械變速箱的“電傳動”機構(gòu)。應用在柴油火車特別是柴油動力分散式的火車（即柴油動車組）上，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和方便分散布置的優(yōu)勢。但對于汽車則效益有限，二戰(zhàn)時期斐迪南保時捷研發(fā)的虎P坦克就是一個反面例子。??

??如果電力來自于外接充電，火電廠的發(fā)電效率一般也只是比50%略多，經(jīng)過電力輸送、充電及電機驅(qū)動過程中的損耗，再考慮到電池增加的車重，最終驅(qū)動效率比運行在最佳狀態(tài)下的純內(nèi)燃機汽車也只不過是略高。而且它省油也并不是因為電傳動效率高，而是通過轉(zhuǎn)化化學能的低點從車載熱機轉(zhuǎn)移到了規(guī)模更大更高效的電廠熱機。??

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

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

??實際上，混動高效的關(guān)鍵，并不在于電機，而在于電池。或者更準確的來說，在于擁有一個峰值動力存儲裝置PPS（peaking power source）。跟油箱、天然氣罐這些儲能裝置不同，PPS即使在車輛行駛的過程中也可以填充能量，而不只是釋放能量。這個裝置在混動系統(tǒng)中通過三個方面來提升效率——??

??首先，如下面這張BSFC圖所示，內(nèi)燃機的高效工作區(qū)間非常狹窄，往往只局限在中低轉(zhuǎn)速、中高負荷的狹小范圍。汽車日常行駛的功率需求遠比最佳區(qū)間低，而激烈駕駛或爬坡時轉(zhuǎn)速和負荷又都比這個區(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)動機最優(yōu)工作功率高于路況需求功率時，多余功率通過電機轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中；低于路況需求功率時則電池儲存的電能驅(qū)動電機與發(fā)動機共同驅(qū)動車輛。這樣一來，內(nèi)燃機就可以永遠（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，藍線為功率，也即動力需求，百分比曲線為節(jié)氣門開度，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)燃機的低轉(zhuǎn)速低負荷時的效率可能只有最優(yōu)區(qū)間的60%或更低。

??而更進一步的，因為電機可以對內(nèi)燃機形成補充，削峰填谷，所以內(nèi)燃機的設計可以更為極端，只考慮在最優(yōu)工況工作時的熱效率和NVH（振動、噪音和平順性），而不需要像傳統(tǒng)發(fā)動機一樣兼顧其他工況。??

??目前豐田、本田等車廠生產(chǎn)的混合動力系統(tǒng)普遍采用的阿特金森循環(huán)發(fā)動機，在低轉(zhuǎn)速、低節(jié)氣門開度時扭矩很差，如果沒有電機的低轉(zhuǎn)速高扭矩做補充的話，是不適合使用在家用汽車上的。??

??最后，PPS的存在也使得動能回收成為可能。傳統(tǒng)汽車在下坡或減速、制動時動能轉(zhuǎn)化為剎車片的熱能，白白浪費掉還增加剎車片磨損，但混合動力汽車因為有一個相對大的儲能機構(gòu)，就可以將這些動能回收，之后再用于驅(qū)動車輛。??

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

??馬自達在創(chuàng)馳藍天動力系統(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。不過超級電容的單位能量所需的體積太大，因此極少在電動化程度更高的弱混和強混系統(tǒng)上采用。

??F1賽車的動能回收系統(tǒng)，即所謂的KERS（Kinetic energy recovery system），則往往采用飛輪作為儲能機構(gòu)。飛輪雖然有能量隨時間損耗較快的缺點，但充能功率更高，而且單位重量能儲存的能量也更高，F(xiàn)1賽車的版本可以提供120kW的加力，很適合短時間高頻率充放能的賽車。沃爾沃也曾經(jīng)發(fā)布過民用飛輪混合動力系統(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存的能量更多，雖然充放能的功率和工作效率沒有飛輪高，但損耗較小，多在中大型車輛上采用。美國的UPS曾經(jīng)使用過一批液壓混合動力車輛，也有公司研發(fā)過液壓混合動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。法國的PSA在壓縮空氣混合動力方面研究多年，已經(jīng)推出過樣車。??

??飛輪、液壓和壓縮空氣都并非用來存儲動力，自然這幾種混合動力也就并不使用電機了。??