插电式混合动力汽车的缺点及混合动力汽车模式比较

(一)混合动力汽车

混合动力汽车是指采用传统燃料的,同时配以电动机/发动机来改善低速动力输出和燃油消耗的车型。按照能否外接充电可分为插电式混合动力汽车(PHEV)和非插电式混合动力汽车(MHEV);按照混合动力驱动混合度情况可分为4种形式:微混合动力驱动汽车、轻混合动力驱动汽车、中混合动力驱动汽车和重混合动力驱动汽车;按照结构特点可分为并联式混合动力汽车、串联式混合动力汽车(又称增程式电动汽车)和混联式混合动力汽车。

1.非插电式混合动力汽车

非插电式混合动力汽车(图1-1-5)的优点如下:

①采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率,此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。需要大功率内燃机功率不足时,由电池来补充;负荷少时,富余的功率可发电给电池充电。因内燃机可持续工作,电池可以不断得到充电,故其行程和普通汽车一样。

②可以十分方便地回收制动、下坡、怠速时的能量。

③在繁华市区,可关停内燃机,由电池单独驱动,实现“零”排放。

④可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车遇到的难题。

⑤可以利用现有的加油站加油,不必再投资。

⑥可以让电池保持在良好的工作状态,不发生过充、过放,延长其使用寿命,降低成本。

非插电式混合动力汽车的缺点:长距离高速行驶基本不能省油。

2.插电式混合动力汽车

插电式混合动力汽车(图1-1-6)的优点如下:

①包含非插电式混合动力汽车的全部优点。

②通常拥有比非插电式混合动力汽车长得多的纯电续航里程,日常通勤可以做到完全纯电行驶(如国内某品牌插电式混合动力汽车已经做到100 km纯电续航里程)。

插电式混合动力汽车的缺点:电量不足时驾驶感受会有所降低。

图1-1-5

图1-1-6

3.微混合动力驱动汽车

这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机(一般为12 V)上加装了皮带驱动启动电机(Belt-alternator Starter Generator,BSG)。该电机为发电启动(Stop-Start)一体式电动机,用来控制发动机的启动和停止,取消发动机的怠速,降低了油耗和排放。从严格意义上讲,微混合动力驱动汽车不属于真正的混合动力汽车,因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。其电机仅作为内燃机的起动机/发电机使用,对其管理的控制策略是,需要时(如遇到红灯车辆停止)使内燃机熄火,并当车辆再次行驶时,立即重启动内燃机,以及制动时发电,实现制动能量回收。在微混合动力系统中,电机的电压通常有12 V和42 V两种。其中,42 V主要用于柴油混合动力系统。微混合可实现5%～15%的节油效果。

4.轻混合动力驱动汽车

轻混合动力系统(图1-1-7)电机可给内燃机提供辅助的驱动力矩,但不能单独驱动车辆,这种系统同样具有制动能量回收、发动机熄火/重启动等功能,其电机、电池能力都比微混合大,作用也强,内燃机功率可小一些。

Ricardo(一家国际汽车工程顾问公司)将电机功率不超过发动机最大功率的10%定义为轻混合。轻混合节油可达20%～25%。与微混合动力系统相比,轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止,还能实现:

①在减速和制动工况下,对部分能量进行吸收。

②在行驶过程中,发动机等速运转,发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。

5.中混合动力驱动汽车

中混合动力系统和轻混合动力系统一样,由燃油发动机提供动力,电动机只起辅助作用。但中混合动力系统在特定情况下(如低速巡航)能够单独使用电动机驱动汽车。

图1-1-7

图1-1-8

与轻混合动力系统不同,中混合动力系统采用的是高压电机。另外,中混合动力系统还增加了一个功能:在汽车处于加速或者大负荷工况时,电动机能够辅助驱动车轮,从而补充发动机本身动力输出的不足,更好地提高整车的性能。这种系统的混合程度较高,可以达到30%左右,目前技术已成熟,应用广泛。

6.重混合动力驱动汽车

重混合动力系统中的发动机和电动机都能单独驱动车辆行驶,如丰田的THS混合动力系统就是混联式结构的重混合动力系统。使用THS系统的第三代普锐斯(图1-1-8)采用的电动机最大功率达到60 kW,最大扭矩达到207 N·m,足以推动汽车进行中低速行驶。

与中混合动力系统相比,重混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。技术的发展使重混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。

7.并联式混合动力汽车(图1-1-9)

这类混合动力汽车内有两套驱动系统,大多是在传统燃油车的基础上增加电动机、电池、电控而成,电动机与发动机共同驱动车轮。车内只有一台电机,驱动车轮时充当电动机,不驱动车轮给电池充电时充当发电机。

这类混合动力汽车以发动机为主、电动机为辅,电动机一般无法单独驱动汽车。系统输出动力等于发动机和电动机输出动力之和,其中具有代表性的是本田IMA系统。

8.串联式混合动力汽车(即增程式电动汽车)(图1-1-10)

只靠发电机行驶的电动汽车,配置的发动机输出的动力仅用于推动发电机发电。系统输出动力等于电动机输出动力。其中具有代表性的是雪佛兰沃蓝达、宝马i3增程型。

串联式混合动力汽车车内只有一套电力驱动系统,包括电机、控制电路、电池。增程式插电混合动力汽车的电动机直接驱动车轮,发动机则用来于驱动发电机给电池充电。发动机不直接驱动车轮,不需要变速箱。这相当于在普通的电动车上装载了一台汽油/柴油发电机。串联式混合动力系统最接近纯电动系统。发动机在系统中仅用于推动发电机发电而不是直接驱动汽车。

图1-1-9

图1-1-10

(1)优点

①具有电动车的安静、起步扭矩大的优点,可以当纯电动汽车使用,在充电方便的条件下只充电、不加油,使用成本较低。

②相比其他混合动力模式,增程型混合动力汽车可以不用变速箱,成本略有降低。有发动机发电,只要有加油站就可以一直跑下去,在不方便充电的地方不会被迫拖车,解决基础设施不足的问题。

③发动机不直接驱动车轮,发动机转速和车轮转速、汽车速度没有直接关系,通过控制系统优化,可以让发动机一直保持在最佳转速状态。在充电不便时,市内堵车路况下油耗比较低,发动机噪声可以控制得非常小。

(2)缺点

①造成功率浪费。发动机和发电机并不直接驱动车轮,造成这部分功率的浪费,而发动机和发电机带来的质量并不减少。例如,一辆增程式混合动力汽车发动机功率50 kW,发电机功率50 kW,电动机功率100 kW,整车携带了总功率200 kW的发动机和发电机,但是能驱动车轮的功率只有100 kW。

②在高速路况下,油耗偏高。在高速路况下,如果发动机直接驱动车轮,可以一直工作在最佳工作模式,而增程式混合动力多了一个转换过程,转换本身要消耗能量,造成油耗反而偏高。

9.混联式混合动力汽车(图1-1-11)

这类混合动力汽车以电动机为主、发动机为辅,电动机和发动机都能单独驱动汽车。系统中配置有独立发电机,系统输出的最大动力等于发动机、电动机以及充当电动机(部分情况)的发电机的输出动力之和。混联式系统结构复杂,但动力性能和燃油经济性相当出色。

图1-1-11

与并联式混合动力汽车一样,这种模式也有两套驱动系统,但不同的是,混联式有两个电动机。一个电动机仅用于直接驱动车轮,另一个电动机具有双重角色。当需要极限性能时,充当电动机直接驱动车轮,整车功率就是发动机、两个电动机的功率之和;当电力不足时,充当发电机,给电池充电。混联式混合动力系统的发电机和发动机可以分别单独驱动车辆,独立的发电机使系统输出动力大于发电机和发动机输出动力之和,其中具有代表性的为丰田THS-Ⅱ系统。

(1)优点

①混联式同时具有增程式和并联式的优点,在纯电模式下具有电动车安静、使用成本低的优点。

②在增程模式下,没有“里程焦虑”,而且发动机可以一直控制在最佳转速,油耗低,噪声小,振动小。

③在并联模式下,两台电动机、一台发动机可以一起工作,三者功率加起来具有非常好的起步和加速性能,是一种比较完美的组合。

(2)缺点

①成本高。两台电动机、发动机、变速箱都不能少,配套的控制电路、电池、传动系统、油路也不能少,总体成本高于其他类型的插电混合动力。要控制两台电动机和一台发动机,还有不同的工作模式,控制系统相对复杂,进而增加成本。

②车重大。车的总质量会大一些。

(二)纯电动汽车

纯电动汽车(图1-1-12)顾名思义是指主要采用电力驱动的汽车。大部分车辆直接采用电动机驱动,有一部分车辆把电动机装在发动机舱内,还有一部分车辆直接以车轮作为4台电动机的转子。其难点在于电力储存技术。纯电动汽车本身不排放污染大气的有害气体,即使按所耗电量换算为发电厂的排放,除硫和微粒外,其他污染物显著减少。纯电动汽车可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电,使发电设备日夜都能充分利用,大大提高其经济效益。有关研究表明,同样的原油经过粗炼,送至电厂发电,充入电池,再由电池驱动汽车,其能量利用效率比经过精炼变为汽油,再经汽油机驱动汽车高,有利于节约能源和减少二氧化碳的排放量。正是这些优点,使纯电动汽车的研究和应用成为汽车工业的一个“热点”。有专家认为,对于纯电动汽车而言,目前最大的障碍就是基础设施建设以及价格影响了产业化的进程,与混合动力汽车相比,纯电动汽车更需要基础设施的配套,而这不是一家企业能解决的,需要各企业联合起来与当地政府部门一起建设,才会有大规模推广的机会。

图1-1-12

图1-1-13

(1)优点

技术相对简单成熟,只要有电力供应的地方都能充电。

(2)缺点(www.xing528.com)

蓄电池单位质量储存的能量太少;纯电动汽车的电池较贵,没形成经济规模,购买价格较贵;使用成本有些比传统汽车贵,有些仅为传统汽车的1/3,这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。

(三)燃料电池汽车

燃料电池汽车(图1-1-13)是指以氢气、甲醇等为燃料,通过化学反应产生电流,依靠电动机驱动的汽车。其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用,而不是经过燃烧直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物。燃料电池车辆是无污染汽车,燃料电池的能量转换效率比内燃机高2～3倍,从能源的利用和环境保护方面,燃料电池汽车是一种理想的车辆。

单个的燃料电池必须结合成燃料电池组,以便获得必需的动力,满足车辆使用的要求。

近年来,燃料电池技术取得了重大的进展。燃料电池轿车的样车正在进行试验,以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中存在着技术性的挑战,如燃料电池组的一体化。电动汽车燃料处理器和辅助部件都在朝着集成化的方向发展,以减少部件制造成本,并取得显著的进步。

与传统汽车相比,燃料电池汽车具有以下优点:

①零排放或近似零排放。

②减少机油泄漏带来的水污染。

③降低温室气体的排放。

④提高燃油经济性。

⑤提高发动机燃烧效率。

⑥运行平稳、无噪声。

1.氢燃料电池汽车

氢燃料电池汽车是一种真正实现零排放的交通工具,排放物是纯净水,具有无污染、零排放、储量丰富等优势。氢燃料电池汽车是传统汽车最理想的替代品。与传统动力汽车相比,氢动力汽车成本至少高出20%。中国长安汽车在2007年完成了中国第一台高效零排放氢内燃机点火,并在2008年北京车展上展出了自主研发的中国首款氢动力概念跑车“氢程”。

随着“汽车社会”的逐渐形成,汽车保有量在不断地呈现上升趋势,而石油等资源却捉襟见肘,另外,吞下大量汽油的车辆不断排放着有害气体和污染物质。最终的解决之道不是限制汽车产业的发展,而是开放替代石油的新能源,燃料电池汽车的四轮快速又安静地滚过路面,辙印出新能源的名字——氢。

几乎所有的世界汽车巨头都在研制新能源汽车。电曾经被认为是汽车的未来动力,但蓄电池漫长的充电时间和质量使得人们渐渐对它兴味索然。而2009年的电与汽油合用的混合动力汽车只能暂时性地缓解能源危机,只能减少但无法摆脱对石油的依赖。这时,氢动力燃料电池的出现,犹如再造了一艘诺亚方舟,让人们从危机中看到无限希望。

以氢气为汽车燃料这种说法刚出来时吓人一跳,但事实上是有根据的。氢具有很高的能量密度,释放的能量足以使汽车发动机运转,而且氢气与氧气在燃料电池中发生化学反应只生成水,没有污染。许多科学家预言,以氢为能源的燃料电池是21世纪汽车的核心技术,它对汽车产业的革命性意义,相当于微处理器对计算机产业那样重要。

(1)优点

排放物是纯净水,行驶时不产生任何污染物。

(2)缺点

氢燃料电池成本过高,氢燃料的存储和运输的技术条件非常苛刻,氢分子非常小,极易透过储藏装置的外壳逃逸。另外,氢气的提取需要通过电解水或者利用天然气,需要消耗大量能源,除非使用核电来提取,否则,无法从根本上降低二氧化碳排放。

2.甲醇动力汽车

很多年前,有科学家预言——世界上终有一天,用水就可以驱动汽车。今天,虽然这一步还未达到,但以水中的氢气作为动力来源的科技却已经变为现实,来自日本的“丰田”汽车,就成功研制出一辆通过氢和氧化学反应进行发电的新一代电动汽车,取名为FCEV。

FCEV,英文Fuel Cell Electric Vehicle的缩写,中文名称为甲醇型燃料电池电动汽车。顾名思义,FCEV的主要燃料就是甲醇(具有毒性,为工业酒精中的杂质之一,饮入少量即可致盲)。在汽车上,保留油缸,但注入的不是汽油,而是甲醇。在引擎室内,安装由蒸发部、调整部及减少一氧化碳部3个部分组成的甲醇调整器,当燃料泵将甲醇(CH3OH)和水(H2O)的混合液体从油缸送至调整器时,在蒸发部加热会变为蒸气,再在调整部经催化剂作用,形成氢(H2)和二氧化碳(CO2)气体,此时,微量的有害一氧化碳(CO)气体会经过减少一氧化碳部被消减,最后,剩下的氢气及二氧化碳被送到燃料电池的氢极,经过化学反应而成为电能,就这样,甲醇不断通过调整器而变成电能,从而驱动汽车行驶。

图1-1-14

甲醇动力汽车(图1-1-14)达到了环保目的,经反复测试显示,二氧化碳排放量只及普通汽车的1/2以下,一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等有害物质的排放量虽然还未至零,但已经达到非常低的指数。甲醇成本比汽油低得多,加满一次即可连续行车400～500 km。FCEV无须改装油缸,只要将现有的油缸改存甲醇即可,简单经济,具有很大的发展潜力。

(四)其他新能源汽车

1.燃气汽车

图1-1-15

燃气汽车(图1-1-15)是指用压缩天然气(CNG)、液化石油气(LPG)和液化天然气(LNG)作为燃料的汽车。世界上各国政府都积极寻求解决气体储存这一难题,纷纷调整汽车燃料结构。燃气汽车排放性能好,可调整汽车燃料结构,运行成本低、技术成熟、安全可靠,被世界各国公认为是当前理想的替代燃料汽车。

燃气是世界汽车代用燃料的主流,燃气汽车在我国代用燃料汽车中占到90%左右。业内专家指出,替代燃料的作用是减轻并最终消除由石油供应紧张带来的各种压力以及对经济发展产生的负面影响。中国将主要用压缩天然气、液化气、乙醇汽油作为汽车的替代燃料。汽车代用燃料能否扩大应用,取决于中国替代燃料的资源、分布、可利用情况、替代燃料生产与应用技术的成熟程度以及减少对环境污染等;替代燃料的生产规模、投资、生产成本、价格决定着其与石油燃料的竞争力;汽车生产结构与设计改进必须与燃料相适应。

以燃气替代燃油是中国乃至世界汽车发展的必然趋势。我国应尽快组织力量,制定出国家级燃气汽车政策。考虑我国能源安全主要是石油的状况,发展包括燃气汽车在内的各种代用燃料汽车,已是刻不容缓的事,根据国情应做到:

①要限制燃气价格,使油、气价格之间保持合理的差价,即可保证燃气汽车适度发展。

②鉴于加气站投资大,回收期长,政府适当给予一定的补贴,在加气站售出的气价和汽车用户因用气节省的燃料费用之间,调节好利益分配。

③对加气站的所得税,应参照高新技术产业政策,采取免二减三的税收政策。

④将加气站用电按照特殊工业用电对待,电价从优;对加气站用地,能按重大项目和环保产业对待,特事特办,不要互相推诿、扯皮,积极采用国外先进建站标准,确定消防安全距离,节省土地资源。

2.乙醇动力汽车

乙醇俗称酒精,通俗地讲,使用乙醇为燃料的汽车,也可称为酒精汽车。用乙醇代替石油燃料的活动历史已经很长,生产上和应用上的技术都已经很成熟。由于石油资源紧张,汽车能源多元化趋向加剧,乙醇动力汽车又提到议事日程。

世界上已有40多个国家不同程度地应用乙醇动力汽车,有的已达到较大规模的推广,乙醇动力汽车的地位日益提升。

在汽车上使用乙醇,可以提高燃料的辛烷值,增加氧含量,使汽车缸内燃烧更完全,可以降低尾气有害物的排放。

乙醇动力汽车的燃料(图1-1-16)应用方式如下:

图1-1-16

①掺烧,指乙醇和汽油掺和应用。在混合燃料中,乙醇和容积比例以“E”表示,如乙醇占10%,15%,则用E10,E15来表示,掺烧在乙醇动力汽车中占主要地位。

②纯烧,即单烧乙醇,可用E100表示,应用并不多,属于试行阶段。

③变性燃料乙醇,指乙醇脱水后,再添加变性剂而生成的乙醇,属于试验应用阶段。

④灵活燃料,指燃料既可用汽油,又可用乙醇或甲醇与汽油比例混合的燃料,还可用氢气随时切换,如福特、丰田汽车均在试验灵活燃料汽车。

3.生物柴油汽车

图1-1-17

柴油作为一种重要的石油炼制产品,在各国燃料结构中占有较高的份额,已成为重要的动力燃料。随着世界范围内车辆柴油化趋势的加快,未来柴油的需求量会越来越大,而石油资源的日益枯竭和人们环保意识的提高,大大地促进了世界各国加快柴油替代燃料的开发步伐,尤其是进入20世纪90年代,生物柴油(图1-1-17)以其优越的环保性能受到各国的重视。

生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油,通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。生物柴油是生物质能的一种,是生物质利用热裂解等技术得到的一种长链脂肪酸的单烷基酯。生物柴油是含氧量极高的复杂有机成分的混合物,这些混合物主要是一些分子量大的有机物,几乎包括所有种类的含氧有机物,如醚、酯、醛、酮、酚、有机酸、醇等。

炼油企业为了向市场提供清洁油品使燃烧柴油尾气排放达到标准要求,需要采取以下3种措施:一是要有性能优异的深度加氢脱硫催化剂,以脱除难以加氢脱硫的4,6-二甲基苯并噻吩等芳香基硫化合物;二是要有抗硫的贵金属芳烃饱和催化剂,能使芳烃加氢饱和在较低压力下进行,以节省投资;三是要有提高十六烷值的工艺。而生物柴油以其优异的环保性能很容易达到“界燃油规范”的柴油Ⅱ、Ⅲ类标准要求。

众所周知,柴油分子是由15个左右的碳链组成的,研究发现植物油分子则一般由14～18个碳链组成,与柴油分子中碳数相近。生物柴油就是一种用油菜籽等可再生植物油加工制取的新型燃料。按化学成分分析,生物柴油燃料是一种高脂酸甲烷,它是通过以不饱和油酸C18为主要成分的甘油酯分解而获得的。与常规柴油相比,生物柴油具有下述无法比拟的性能:

①具有优良的环保特性。生物柴油中硫含量低,使二氧化硫和硫化物的排放低,可减少约30%(有催化剂时为70%);生物柴油中不含对环境造成污染的芳香族烷烃,因废气对人体损害低于柴油。检测表明,与普通柴油相比,使用生物柴油可降低90%的空气毒性,降低94%的患癌率;生物柴油含氧量高,使其燃烧时排烟少,一氧化碳的排放与柴油相比减少约10%(有催化剂时为95%);生物柴油的生物降解性高。

②具有较好的低温发动机启动性能。无添加剂冷凝点达-20℃。

③具有较好的润滑性能。使喷油泵、发动机缸体和连杆的磨损率低,使用寿命长。

④具有较好的安全性能。生物柴油闪点高,不属于危险品。在运输、储存、使用方面的优点显而易见。

⑤具有良好的燃料性能。十六烷值高,使其燃烧性好于柴油,燃烧残留物呈微酸性使催化剂和发动机机油的使用寿命加长。

⑥具有可再生性能。作为可再生能源,与石油储量不同,通过农业和生物科学家的努力,生物柴油供应量不会枯竭。

生物柴油的优良性能使得采用生物柴油的发动机废气排放指标满足欧洲Ⅱ号标准,甚至满足随后即将在欧洲颁布实施的更加严格的欧洲Ⅲ号排放标准。生物柴油燃烧时排放的二氧化碳远低于该植物生长过程中所吸收的二氧化碳,改善了由二氧化碳的排放而导致的全球变暖这一有害于人类的重大环境问题。生物柴油是一种真正的绿色柴油。

4.太阳能汽车

电动汽车是一种以电力为能源的汽车,一般使用铅酸电池或锂离子电池进行供电。而太阳能汽车(图1-1-18)是在此基础上,将太阳能转化为电能对车进行供电,在很大程度上降低了电动汽车的使用成本,而且非常环保,是真正的绿色能源汽车。

图1-1-18

(1)优点

①节约能源。太阳能汽车的能源来自太阳,取之不尽,用之不竭。太阳能汽车是一种非常节能的汽车。

②能源利用率高。太阳能汽车很少通过齿轮机构传递能量,这样可以防止能量消耗。其驱动电机的能量利用率非常高,可达到98%。这一点是内燃机汽车不能比拟的(一般最高30%左右)。

③减少环境污染。太阳能汽车消耗的能量是电能,不产生废气,这样就减少了大气中的一氧化碳、碳氢化合物和二氧化碳的含量。

④灵活,操控性好。太阳能汽车中很多部件都是电子部件,可以很好地保证操作性。在电子部件发生损坏时,可以通过信号诊断,方便检测出故障点。

⑤太阳能汽车结构简单,易保养。除了定期更换蓄电池以外,基本上不需要日常保养,省去了传统汽车必须经常更换机油、添加冷却水等定期保养的烦恼。

(2)缺点

太阳能汽车真正走进大众生活,还有很多难题需要解决,如太阳能的采集及转换技术、造价太高、最大功率跟踪技术和蓄电池充放电技术等问题。