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混合动力车辆本文重定向自 混合動力車輛

(重定向自Hybrid car)
丰田Prius在2013年6月的销售额超过3百万部,是全球最畅销的油电混合动力车[1]
本田ZE2油电混合引擎

混合动力车辆是使用两种或以上能量来源驱动的车辆,而驱动系统可以有一套或多套。常用的能量来源有燃油电池燃料电池太阳能电池、压缩气体等,而常用的驱动系统包含内燃机电动机涡轮机等技术。

使用燃油驱动内燃机加上电池驱动电动机的混合动力车称为油电混合动力车(Hybrid electric vehicle,简称HEV),目前市面上的混合动力车多属此种。油电混合动力车在低速引擎效率不佳的时候使用电动马达辅助,普遍比同型纯内燃机车辆有更好的燃油效率及加速表现,被视为较环保的选择,而缺点在于售价较高、动力系统占用空间较大、电池的寿命受限等。

近年来,有些车辆能够透过充电站或家用充电设备从输电网络为车辆电池充电,被称作插电式混合动力汽车(Plug-in HEV,简称PHEV),如果电网中的发电厂使用可再生能源、碳排放量低的发电方法或采取电力离峰时间充电,短距离通勤甚至可以纯电动行驶,那就可以进一步降低车辆的碳排放量。同时更大的电池还能放出储存的电能,提供住家或旅行临时的电力使用,多用途正逐渐变得欢迎。

原理

由于混合动力车辆使用超过一种动力来源,在推动系统的设计上能够适配于不同的输出功率而达到更高的效率。举例来说,内燃机引擎有其运转最有效率之马力输出区间,若搭配电动机共同运作,则可以调节内燃机的负载,使内燃机在最有效率之马力区间运作,进而达成节省燃料的效果。此外,混合动力车若有使用电力推动电动机作为其中一种推动装置,即可以用电池进行再生制动,在车辆减速时回收动能转换成电能,以节省能源,现在较普遍使用的油电混合动力车就属于这一类。油电混合动力车或柴电动力车可以由电动机及内燃机引擎共同推动,但也有纯粹使用电动机推动的设计。

历史

世界最早的混合动力车保时捷Lohner-Porsche

世界上第一辆混合动力的车辆罗纳-保时捷德语Lohner-Porsche(Lohner-Porsche)由斐迪南‧保时捷在1899年发表。大量生产的混合动力车则要在1990年代才出现,分别为本田丰田生产的InsightPrius,这两款车都可由电动机直接推动车轮提供动力。另有一说,世上第一辆油电混合动力车,在1899年由皮帕德语Établissements Pieper(Pieper)研发。利用刹车时进行能量再生制动的设计要到1978年才由电机工程师 David Arthurs 发明[2]

种类

混合动力车辆的分类方式有三种:

依动力来源分类:
  • 油电混合及柴电混合
  • 燃料电池、电池混合
  • 液压动力混合
  • 多重燃料混合
依传动配置分类
  • 并联式
  • 串联式(增程型)
  • 全面混合动力(混联式)
依混合程度配置分类
  • 轻度混合动力
  • 中度混合动力
  • 重度混合动力
  • 插电式混合动力

以动力来源划分

油电混合动力及柴电混合动力

柴油作燃料的柴电插电式混合动力车BMW未来效能动力车

油电混合车(HEV)现在所指的混合动力车多为此类。使用汽油及内燃机 + 可充电电池及电动机两种动力来源。电池及电池机直接推动车辆,同时回收剩余的动能为电池充电;而气油及内燃机则视乎设计而定,可以是直接产生机械动力推动车辆,也可以是用作发电机推动电动机或为电池充电。

柴电混合动力情况与油电混合动力相同,只是内燃机的燃料由汽油改成柴油。柴电比较适合在大型运输工具或插电式混合动力车辆,汽油引擎较轻,但低转速时扭力差,正好可以用电动马达补足低转速扭力又不会增加太多重量,小型车辆使用柴电则没有引擎与马达的互补性;而大型运输工具使用柴电,则可以省下庞大笨重又贵的变速机构。

燃料电池和电池混合车

燃料电池加上可充电电池的复合动力车简化结构图

这是基于燃料电池电动系统(Fuel cell electric vehicle,常简称为FCEV)的设计,只是加装了可充电电池,于是有燃料电池及电动机 + 可充电电池及电动机两种动力来源。与增程引擎电动系统的构造大同小异,不同的是把引擎换成燃料电池。燃料电池可以直接发电,为电动机供电,这就是原有的燃料电池电动系统,但后来发现电动机在加减速时会电池急剧变化而使高成本的燃料电池寿命大为减短,因此加装可充电电池为电流作缓冲,降低燃料电池电流变化,从而增加燃料电池的寿命。附带的好处是减低对燃料电池输出功率的要求,降低了成本。Chevrolet Equinox FCEV、Ford Edge Hyseries Drive和Honda FCX都是燃料电池/电池混合动力汽车的例子。

但是燃料电池的材料需要用到昂贵的稀土和贵金属,因此成本极高。目前燃料电池的主流燃料是燃值最高的“”,但问题在于氢气的储存、补充,而制造生产氢气同样需要消耗能源并产生碳排放,所以难以普及。

液压动力混合系统

同样与增程引擎电动系统的构造类似,是以液压动力或压缩空气引擎车辆为基础,加上内燃机把工作流体再增压,两种动力来源分别是内燃机推动而产生的高压气体及压缩引擎 +压缩储存系统内的高压气体及压缩引擎。液力储蓄器(蓄压器)的价格较低,而耐用性比电池高很多。

法国PSA集团于2013年1月提出的新式混合动力系统,这套全新概念的混合动力系统由PSA集团与Bosch共同开发,主要由引擎,压缩空气储存系统与液压马达泵组成(实际上即是将上述的流体动力系统概念重度混合化)。压缩空气储存系统与液压马达可取代电池和电动马达,以空气来取代电力,称为“空气混合动力系统”(Hybrid Air),可望获得更低的重量和更耐用的零件。空气混合动力一样有三种动力模式:空气驱动(Air Power)、引擎驱动(Gasoline Power)以及混合模式(Combine Power),另外也一样有动能回收系统(Brake Energy Regeneration)。运作概念和油电混合系统一样,但由于系统和蓄能介质变了,特性上有大幅变更,主气瓶的体积和重量远比电池小,结构更简单,购买、使用和维护成本更低廉,制造和回收对环境的影响更小,就目前来看,优点确实比油电混合系统多不少,但由于还在开发阶段,效益高低和后续问题仍有待观察。 Volvo曾在1980年代曾亦这原理发明在巴士货车等重型车辆上使用,现在是一种仍在研究的项目。2002年10月,巴黎国际汽车展览会上展出了一款空气车英语Compressed air car(Compressed air car),使用压缩空气作动力,由于作为温度低,省去了冷却装置等设备,引擎也因此可以使用较轻的物料制造,进一步增加效率。 由于推动液压引擎的是低温的压缩空气,引擎可以用较轻的物料(如铝合金)制造,降低了车重,增加了整体效率。 同样原理的传动模式被广泛应用在铁路的液传动柴油机车上。

多重燃料混合动力系统

有些混合动力车款并非使用引擎搭配马达的设计,而是使用两具以上使用不同燃料的引擎,其中一具作为主要动力来源,其他则作为起步补助或提高出力的备用动力,因此也属于中度混合动力的一环。此外,有些设计是让一具引擎可容许使用多种燃料,称为复合燃料引擎或弹性燃料引擎,不过因为这种设计虽然功能一样,只有一具动力系统,因此是否可算混合动力有所争议。这类车只有一个油箱内可混合多种燃料使用,如汽油生物燃油甲醇乙醇等。再进一步,加设有储存气体燃料天然气石油气的装置,同一车可以使用液体燃料及气体燃料,但由于多了一个燃料容器,占去了多些空间,在一些用途上做成不便。

人力混合动力系统

以人力作为主要动力,再配上电动机或引擎作为次要动力。最原始的摩托车就是这种设计,但现在摩托车几乎已去掉踏板只靠引擎或马达为动力来源,仍有这种设计的是越野摩托车和传统式的电动自行车,不过前者并非以人力作为主要动力而是反过来以引擎为主要动力再以人力补助。

依程度分类

轻度混合动力

轻度混合动力(Micro Hybrid)同时拥有内燃机及电动机两种动力来源,不过只用内燃机驱动车辆行走,电动机则用作帮助内燃机启动及在内燃机停止运作时提供电力供应车内电器,又称怠速熄火系统(Start-stop system)。

在怠速熄火系统中,马达也在内燃机起动前的一刻将内燃机驱动至较高转速,避免让内燃机在低效率的低转数情况下运作,从而减少起动时的耗油量及机械损耗。电脑也设定在减速或刹车时自动关闭内燃机,减少内燃机空转的时间以进一步达节省燃油的效果。怠速熄火系统通常配有启动开关,可依驾驶的需求选择是否启用。怠速熄火系统优点就是开发成本低;缺点就是节能效率极有限(仍不到10%)及熄火时冷气会关闭(在气温高时会减低舒适度、其温差容易造成感冒,不过少数的车种仍可以在熄火时开启冷气)。因为开发成本极低故目前已被多家厂商使用,例如奔驰雪铁龙马自达标致汽车Smart

同属奔驰集团的奔驰与Smart开发的微型油电混合系统名叫mhd(micro hybrid drive之缩写),就是很典型的怠速熄火系统,该系统的核心是一个由皮带驱动的启动发电机,取代了一般传统的发动机与发电机。这具启动发电机供应了汽车的电力系统,同时还能快速启动车辆的汽油引擎。目前mhd已套用在Smart Fortwo mhd上贩售,未来将扩展于更多的车款如SLK。

同属PSA集团雪铁龙标致也有名为e-HDi的怠速熄火系统,它配合一具1.6升柴油涡轮增压引擎,以STOP & START怠速熄火系统并加上刹车动能回收系统,其优势是在熄火时冷气仍可运转一小段时间,可在市区拥挤的交通状况下,节省燃油损耗达到15%的效果,目前搭载在C4、308、3008和5008上。

马自达Skyactiv节能技术里也有一套i-Stop怠速熄火系统,它同时还配合Skyactiv系列引擎以及i-ELOOP动能回收系统。Skyactiv系列引擎包含了Skyactiv-G汽油引擎与Skyactiv-D柴油引擎,i-Eloop动能回收系统则是一套改以轻量化的电容代替电池作蓄电装置的系统。Skyactiv节能技术配合新的“魂动”设计语言,于2012年开始一一植入马自达旗下的新发表的车款。

中度混合动力

中度混合动力(Mild Hybrid)不但同时拥有两种以上能量来源,同时具有两种动力来源可同时驱动车辆(例如一具引擎搭配一具马达)。其中一种作为主要动力来源,可独立驱动车辆,其他则是次要动力来源,用来补助主要动力强化性能、减轻负担。中度混合动力有两种设计理念,一种是实用型,以低输出的主要动力配上次要动力后变成标准输出,主要目的是提高能源效率;另一种则是性能型,以标准输出的主要动力配上次要动力后变成高输出,在提高能源效率同时增进性能表现。

重度混合动力

重度混合动力(Full Hybrid又称作强混合Strong Hybrid)即是完全成熟的混合动力系统,它可完全单靠任一的动力来源为主要动力,也可以两者同步驱动产生更大的动力。[3]这类系统的控制电脑必须有效的运用各种动力来源,以达至有适当动力又可节省燃料。由于每种动力来源皆须具备单独推动车辆的能力,所以功率都差不多大,所占据的容量体积也较大。

插电式混合动力(PHEV)

插电式混合动力的雪佛兰伏特

插电式混合动力系统(Plug-in hybrid,缩写:PHEV)和充电式电动车一样能靠外来电源为车辆充电,但因为是属于混合动力系统,在缺乏电源时仍可靠内燃机引擎驱动,不用像纯电动车一样非要找充电站才可补充能源,续航力和实用性远比电动车来的高,这是优点,但也因为是混合动力系统,必须要有电动系统以外的动力装置,所以缺点是成本和重量会比电动车大。目前插电式混合动力系统多以全面型混合动力系统为基础开发,目前拥有插电式混合动力系统技术的厂商有雪铁龙丰田富豪

雪铁龙于2012年4月13日发表Numéro 9 Concept插电式油电混合概念车。Numéro 9 Concept的前轮轴配置一具能够产出225匹最大马力和28公斤米扭力峰值的1.6升THP汽油引擎,并在后轮轴配置了70匹最大马力和20.4公斤米扭力峰值的电动马达,合成了可以产出295匹最大综效马力之插电式油电混合动力系统。Numéro 9拥有了每升58.8公里的平均油耗,并能够在纯电动下行驶50公里,而其锂离子电池组也可以在3个半小时内完成充电。在抓地力不足之状况下,Numéro 9能够自动切换至4轮驱动模式,以电动马达驱动后轮,内燃机引擎驱动前轮,驾驶也能够手动自行切换至4轮驱动模式。Numéro 9 Concept是未来DS车系的设计蓝本。

丰田于2009年发表Prius Plug-in Hybrid Concept插电式油电混合概念车,并于2011年法兰克福车展上正式发表量产版本的Prius Plug-in Hybrid。Prius Plug-in Hybrid是以第三代Prius为基础,增设外接充电系统,并将原本的镍氢电池改为锂电池,性能表现与Prius一样,但电动续航力提高到24公里,并能以时速100公里的速度行驶,油耗表现也更加提升。Prius Plug-in Hybrid可以120V和240V的电源充电,充电时间分别为2.5~3小时和1.5小时。

沃尔沃的插电式油电混合系统是以一具共轨柴油引擎驱动后轮,并在前轮加装电动马达,因此可选择电动前驱或柴油后驱,也能让两者同时驱动变成四轮驱动。未来将用在V60 Plug-in Hybrid上。

日本车厂三菱于2012巴黎车展发表全新的Mitsubishi Outlander PHEV插电式油电混合动力车型,原厂于之前已公布了新车的相关数据,动力系统将采用一具2.0升汽油引擎,搭配两组功率同为60Kw的电动马达,而两组电动马达分别放置于前后轴处。Outlander PHEV能够在3种驾驶模式中进行自动切换,包括EV Drive Mode纯电动行驶模式、Series Hybrid Mode串联式油电混合行驶模式、以及Parallel Hybrid Mode并联式油电混合行驶模式。Outlander PHEV在12kWh的锂电池组协助下,以纯电动模式行驶最大巡航距离为55公里,而更长的巡航距离意味着油耗更低,目前原厂公布Outlander的综合油耗为每升62.5公里。至于Outlander PHEV的充电速度,原厂数据为使用200V电压的充电插座,在电池组完全放电的情况下充电,Outlander PHEV经过45分钟即可充饱电池组,30分钟更可充饱80%的电量。

依传动配置分类

并联式油电混合系统

并联混合动力系统结构方块图

并联式油电混合系统(Parallel hybrid)中,内燃机及电动机输出的动力各自透过机械传动系统传递而推动车轮,内燃机及电动机的动力在机械传动系统之前各自分开、互不相干,因此称作并联型混合动力。两者同时由电脑控制以达至协调。由于现有的并联混合动力系统大多数都不能单靠电力推动,往往会被分类为中度混合动力。[4]

常见的一种并联混合动力设计是以内燃机作为主要动力来源,电动机作为辅助动力系统,两者透过机械传动系统耦合。系统中并无专为电池充电用的发电机,行驶中,电池充电来源只有两项:一是靠再生制动系统在车辆减速、制停时,将动能转为电能。其二是是当内燃机仍有余力时,带动电动机转动而发电。[4]再生制动所得的电量相当有限,第二种情况所得的电量也不会太多。由于充电能力有限,此类设计倾向于使用较小的电池容量以及较低功率的电动机,电动机只作为补助性角色,不能独自推动车辆。[4] 此系统的优点在于:内燃机可以怠速熄火、提高内燃机起动时的燃油效率及降低损耗、使用再生制动系统回收电能。电动机能与内燃机一起运作,可以在需要时加大马力。由于主要动力来源依旧是内燃机,此类设计保留了内燃机在高转速时较省燃料的特性,有利在高速公路行走。综合而言,相对于同动力的纯内燃机车,补助型混合动力系统的燃料消耗与碳排量较低。由于此设计所使用的电池及电动机的容量及功率都较小,重量也较轻而减低了额外负载;另外,此设计并不需要大幅更动纯内燃机车辆的动力系统,因此设计变更的成本也较低。[4]

另一种设计是内燃机及电动机各自分别推动不同的轮轴,两者透过车轮与地面的接触耦合(couple through the road),[5]行驶中,电池可靠再生制动系统充电,另一种充电方式是当内燃机在低附载状况下推动车辆行走时(如巡航),连着电动机的轮轴被地面带动而转动,此时,电动机便可发电而为电池充电。由于内燃机的输出是经过路面传至电动机,因此得名through the road。除了能够透过再生制动系统回收电能外,此种设计的另一好处是四轮驱动性。由前后轮轴都有动力,在某些情况下拥有四轮驱动的循迹性能(traction),有些类似设计甚至没有电池,例如日产的e-4WD系统,直接以发电机推动电动机以推动后轮,内燃机则推动前轮及发电机。[6]然而,此系统最大的问题在于两轮轴的动力往往难以完美协调而造成能量损耗,因此在燃油效率的表现上受到一定程度的限制。

串联混合动力系统

串联混合动力系统结构方块图

串联式油电混合系统(Series hybrid)是由一具功率仅供满足行进时平均功率的内燃机(也可以是外燃机)作为发电机发电,电力用以为电池充电及供电给电动机,车上唯一推动车轮的是电动机。如果在电动车的角度来看,这种设计可以“增”加电池行走里数的不足,故称为增程型电动系统;而其构造上动力输出的流程完全是一直线,所以又称串联式油电混合系统。依其电池容量大小,如果电池容量小而不足以独自推动电动机,这样就是中度混合,但若电池容量大至足以推动电动机行走一段距离[7],依重度混合动力的定义,这样的的串联混合动力系统就是重度混合[3]由于此种系统所需的电池及电动机的功率也较大,所以成本较高。[4][8] 由于引擎仅负责稳定运转发电,因此可以较好地易控制排污及提高效率,而引擎配置位置也较弹性,加上电动机的输出有高扭力,省却了机械传动系统及变速箱,能增加车箱容量及使布置合理化,简化了机械维护,省却了变速箱简化了架驶操纵,也没有变速箱换档时做成动力不连惯感觉,这些都是因以电动机推接推动而得到跟纯电车一样的好处。 在耗油量方面,这种系统特别适合于需要不停地起动及停车的情况(stop and go driving),例如巴士,[4][8]因为相对内燃机,电动机在的扭力及效率在相当大的转速范围内都能保持相当高,可使车辆起动及慢速时的比内燃机有更佳表现,而用于发电的内燃机可保持平稳转速而保持高效率[4],以英国双层巴士的经验可减少40%的燃油消耗。但在高速公路上,串联混合动力系统的能量经过多重转换:发电机损耗、电池充电损耗,电池放电损耗,电动机的转换效率等,相比传统内燃机车辆只有内燃机的损耗及机械转输的效率(一般约95%)。所以串联混合动力系统适合在市区中使用,但在高速公路上的情况就无甚得益。[7]

混联式混合动力系统(动力整合/分配式混合动力系统)

混联混合动力系统结构方块图

混联式油电混合系统”(Series-Parallel hybrid),又称为“动力整合式混合动力系统”或“动力分配式混合动力系统”(Power-split hybrid)[9][10]系统同时拥有功率相当的引擎与马达,所以可依路况选择使用电动模式、汽油(或柴油)模式或混合模式[4];设有由内燃机推动的发电机,产生充电或电动机所需电力。兼俱并联式及串联式的功能及特性,因而得名混联式混合动力。

在起步或低速时,内燃机的效率低,所以会全由低速性能及效率较佳的电动机推动,从而提高效率而达至较省燃料。视电池状况而定,内燃机会在需要时会推动发电机向电池充电或直接向电动机供电,亦即串联混合动力。当车速提高至内燃机能工作在有高效率的转速时就转由内燃机推动,在这情况相比继续以电动机推动,改由内燃机推动可以免却电动机推动时因多次能量转换而产生的能量损耗(燃料发电推动电动机的过程中,能量由化学由内燃机转为动能,动能由发电机转为电能,电能由电动机最后转为动能,每次转换都会有损耗;若是先充电池再由电池供电的话,更是增加充放电时的损耗),提高效率,减少耗油量[4]。而当需要时,例如加速及爬坡,电动机可以同时开动,增加额外马力,亦即并联混合动力。

马达提供了怠速熄火系统及制动再生功能,在停车或以电动机推动时关闭内燃机,在减速与刹车时、下坡时进行动能回收。内燃机也不必兼顾起动及低速的需要,可以进一步优化高转速时的需要,提高燃油效率及性能,也同时降低污染物的排放。

由于各推动单元都能各自独力推动整部车,因此混联式混合动力也必然地能达至重度混合动力的程度。[3]但混联式混合系统并不是唯一可达至重度混合的技术。

应用例子

辅助型混合动力系统

“辅助型混合动力系统”(Assist Hybrid)是依其特性所称的名称,如果依其构造分的话也就是“并联式油电混合系统”(Parallel hybrid)。补助型混合动力系统目前的主流设计是以一具功率较大引擎(多是内燃机)作为主要动力,再配上一具功率较小的马达(多在20kW以下)做补助动力,所以才叫做补助型混合动力系统;并提供动力给马达发电。马达与引擎直接连接,功能主要是发电、协助提高转速、进行动能回收和强化引擎性能等。而且两者同时驱动造出更大的纵效马力还可强化性能,由于这种技术是开发混合动力技术的过程,因此所有有开发过混合动力技术的车厂都具备这样的技术,例如奔驰法拉利本田马自达丰田

奔驰利用S-Class开发了一款自家的中度混合动力车S400 Hybrid L,采用的就是典型的补助型混合动力系统。一颗V6引擎加上锂电池,引擎曲轴箱与变速箱中央的碟型电动马达,单靠引擎动力可达299hp的马力与38公斤米的扭力值,碟型电动马达则可输出15kW之功率,纵效马力达319 hp。平均油耗仅7.9L/100km,每行驶一公里仅有186g二氧化碳排放。

Ferrari在2012年4月正式展示自家开发的补助型混合动力系统。Ferrari的混合动力系统取名叫HY-KERS,该系统目前是由一个V型12缸引擎和一个配备电动马达的双离合器变速箱构成,而安装在V12引擎前方的第二台电动马达则专门用于辅助系统上。这两组电动马达也与电池组相连,使得电池组可根据空间大小和最终配置情况,放置于车体结构内。这套系统并非以环保节能为主要目标,而是以提升引擎动力为优先,而且不得过度增加车重,希望能在增加动力之余还能降地碳排放与油耗。该系统曾试验性的以前中置引擎后轮驱动安装在599 Hybrid Concept上,但目前展示的系统已改为后中置引擎后轮驱动,计划优先搭载于限量跑车Enzo的后继车款F150 LaFerrari上。

Honda Insight本田洞察者

Honda在2000年投产的Insight也是补助型混合动力系统。Honda开发的补助型混合动力系统命名为IMA(Integrated Motor Assist)。IMA系统使用自家的i-VTEC引擎配上电动马达,可达到有效的节能与性能表现,不过因为仍属中度混合动力的程度,效果仍算有限。Insight当前采用的是输出动力95匹的1.3升四缸汽油引擎搭配可输出14匹的电动马达,总合动力输出有102匹,大约相当于1.5升的引擎。除了Insight之外,Honda现在还有Fit Hybrid、Fit Shuttle、Freed、Freed Spike和CR-Z等车款使用IMA系统。

Mazda发展的e-4WD亦是类似的系统。e-4WD是在前轮带动车的后轮装上电动机,在需要的时候在后轮加进推力。

Toyota第一代的Prius因为技术尚未成熟,所以也是采用补助型混合动力系统,但从第二代起技术已开发完备而改用更进步的重度混联式混合动力系统。

增程型电动系统(串联式油电混合系统)

这种设计目前多用于大型车辆,例如Wrightbus的双层巴士Wright Gemini 2及运载量达13吨的军用运输车HEMTT A3 Hybrid Truck[11]

采用串联混合动力的双层混合动力巴士Gemini 2 HEV[12]

Chevrolet VoltOpel Ampera挂载1.4升增程式电动动力系统。这组由通用汽车GM集团研发的1.4升增程式电动动力系统,拥有了Electric纯电动以及Extended-Range增程模式。在纯电动模式下有约56km最大巡航距离,而在电池耗尽后,发动机供电的增程模式能够提供约554km的最大距离,总行驶距离达约610km,能满足日常生活使用。 2010年正式推出量产车型,中文名为沃蓝达。为延长电池寿命,电池电量状态(SOC)被控制在30至85%之间,低于30%时发电机会启动,为电池充电及供电给发电动机以推动车辆行驶。不过在部分行驶模式中会更早地启动发动机。

AudiA1 e-tron概念车也是这种设计,车上配备一具小排气量转子引擎只作发电用,专为电池组充电,车辆完全由电动马达驱动,但Audi并无计划量产这型号。

全面型混合动力系统(混联式油电混合系统)

全面型混合动力可以是让引擎与马达都驱动前轮或后轮,也可以设计成分开驱动前后轮变成四轮驱动。目前拥有全面型混合动力系统技术的厂商有ToyotaFord,其中Ford的混合动力系统来自于Toyota的授权和专利交换。

从2013年开始,Honda推出了名为I-MMD系统的混合动力雅阁,在北美和日本首先上市。该系统具体工作原理与Toyota的行星齿轮组有较大不同,但是经过一系列媒体测试表明,该系统燃油效率非常高,按照美国EPA标准合47MPG(5.0l/100KM),实际测试效果也基本达到预期。目前Honda的I-MMD系统也被认为属于全面型混合动力系统。

丰田Prius使用的是混联式混合动力系统

LexusToyota使用的是丰田集团开发的HSD全面型混合动力系统(LexusToyota同为丰田集团旗下厂牌,BMW也以技术交换合法共享部分该技术)。HSD系统用一颗Atkinson循环汽油引擎配上两具电动马达,其中一具马达与引擎整合,主要功能是当发电机用引擎余力发电,同时也是在怠速熄火系统启动后帮引擎提升转速;另一具马达则与驱动轴连接,主要功能是在电动和混合模式时提供车轮动力,并在减速与刹车时进行动力回收,而Atkinson循环汽油引擎在低转速下扭矩不足的缺点,可有效的为马达所弥补,使得丰田混合动力汽车同时拥有极低的油耗和优异的动力表现。这些技术结合下来打造当今最有效的混合动力系统。LexusToyota已有数十款车型也实用,当前在省油效果方面最佳的代表是第四代Toyota Prius

环境影响

耗油量

混合动力车辆可以回收能量,电动机的效率又比引擎高,所以比用内燃机的汽车有较低的耗油量。现今较为低耗油量的混合动力车采用的是混联式混合动力系统及串联式混合动力系统,他们是通过以下方法把耗油量降低:

  • 混联式混合动力系统(例如丰田Prius),因有电动机刊辅助,引擎马力可以切合一般速度的情况而不用兼顾起步等情况,所以可以选用相对较低功率的引擎而提高得了效率。能量不足时可以以电动机补齐,闲置(甚至不加速时)时可以关闭内燃机(或用马达转动内燃机但停止供油)以节省能源;也因此所使用的内燃机比纯内燃机汽车轻及小,效率也更高。
  • 串联混合动力系统,内燃机的效率及污染排放随转速而改变,一般车辆在各种行驶状况需要的能量差异很大,内燃机很少在最高效率状态运转。串联混合动力车的内燃机是用作发电机而不是推动车辆,若有多余能量可以用来向电池充电,所以转速变化相当小,可以常维持在高效率低污染状态;设计引擎时也就可以针对该转速进一步改善效率及污染排放,耗油量及污染排放会比汽车引擎低得多。有电池辅助应付高输出时的需要,引擎也可使用较细功率,进一步增加效率及减轻重量。车轮直接由电动机推动,免去了机械传动系统的能量损耗也减轻了重量。

此两类系统刹车及下坡时可以使用电动机,将动能转成电能为电池充电,进行再生制动。而一般车辆刹车时的动能只能转化成无用的废热,而下坡时也必须使用消耗燃料的引擎刹车以避免刹车系统过热失效。[13]。此功能对在有交通挤塞行走(如某些市区)、需要经常停车起步(例如公共交通工具)、路途经常需要上坡落坡的情况作用特别大,由于耗油量低,运作费用比一般用内燃机引擎的汽车低。

碳排放量

位于蒙特利尔的以生物柴油做驱动的油电混合动力巴士

虽然耗油量低不代表总生命周期(life cycle)的碳排放量低,因为混合动力车辆在制造的过程中产生的二氧化碳可能比一般汽车高。但即使考虑生产过程的二氧化碳排放,混合动力车的总排碳量仍然低于纯内燃机的车辆。[14]

产品周期总排碳量估算值(吨) 生产过程排碳量所占比例 生产过程排碳估算量(吨)
一般汽油内燃机的汽车: 24 23% 5.6
油电混合动力: 21 31% 6.5
插电式混合动力汽车: 19 35% 6.7
纯电动车: 19 46% 8.8

值得注意的是当中纯电动车插电式混合动力汽车所使用的电力,发电的排碳量以英国的情况为准,英国近年燃煤发电占总发电最的33.08%,其余为燃气发电核能发电可再生能源发电等。

与纯电动车相比的话,就要视乎如当地发电的能量来源,如果大部分发电燃料是的话,由于燃煤发电的效率较低,加上输电网络的损耗,为纯电动车充电而产生的二氧化碳比混合动力车行走时产生的还多,因此混合动力车会比全纯电动车排碳更小,更环保。但相关文献也同时提及,上述的比较是在未将燃料的精炼,与利用管线或油罐车输送至各地的加油设施过程中所消耗的能量与产生的碳排放量纳入考量,由于这方面的耗能因所在地区不同差异极大难有统一的量化标准,因此在总体的能耗与碳排表现上何者为优,尚无定论[15]

优点与缺点

  • 混合动力车(中度以上)拥有两种以上的动力来源,相较纯引擎或纯电动车,可以提升续航力。
  • 混合动力车(中度以上)可以在数种动力来源同时使用的情况下,可以强化性能,提供与跑车相近的加速度。
  • 混合动力车多有再生制动功能,除能回收能量外,也使减轻了制动系统的负担,延长制动系统零件寿命。在市区可大幅减少油耗,市区燃油效率甚至能优于高速巡航。
  • 混合动力车多有怠速熄火系统,可在车辆减速或长时间停车时自动熄火又不停止车内电器的运作,在市区可大幅减少油耗。
  • 如果两种动力来源属于互补的性质,更可因此依路况使用最适合的动力发挥最大功效,降低整体的能源消耗。
  • 空气污染排放较低,引擎的废气排放在高功率输出下会特别严重,马达的辅助可以让内燃机很少在高功率运转,大幅减少空气污染
  • 混合动力车辆可以减少引擎耗损,电动马达降低内燃机高功率运转的几率的时间、也可以带动引擎处于合理转速后才供油点火,重度混合动力车甚至有较低的引擎运转温度,降低更多保养维修成本。
  • 增程型电动车省减了离合器变速器等机械传动系统,减轻了车身重量,也省却了部分机械维护工作。而且让出更多车箱空间,空间的布局也更合符实际应用需要,能运载更多人或货。
  • 有电动系统的混合动力车和纯电动车相比多了另一种动力来源和自发电系统,即使电池电力用尽仍可提供能量行驶并生电,无需担忧有无充电站的问题(没有里程焦虑)。
  • 插电式混合动力和纯电动车一样把在道路上的污染集中移至发电厂,发电厂完善有更好的设备处理污染,不过碳排放量多少就要视乎行驶地区发电设施及输电网络的效率。经济上,在大部分地区,由于成本、税务等因素,电力价格比燃油低,对用家有一定使用诱因。
  • 某些混合动力车使用超高电容容量的电容器取代电池,电容的好处是充电快速、可以回收更多刹车能量,也完全解决了电池寿命的问题,缺点是容量仍低。
  • 有纯电动模式的混合动力车在电动行驶状况下噪音极低,可大幅降低高流量路段的噪音污染。但噪音过低也可能会对行人或踏单车人士构成危险[16],部分混合动力车制造商决定为混合动力车加是引擎声音合成装置[17][18][19][20],以模拟引擎声音,让途人能察觉。
  • 有电动系统的混合动力车并不适合使用率低的人士,这是因为价格高,但燃料费及保养费的节省少,整体成本可能比纯引擎或纯电动车还要高,不符合经济效益,必须降低电池等成本,以利普及。[21]。而且普通镍氢电池有自放电问题,需要经常使用效益才够高[来源请求],低自放电镍氢电池和车用锂电池目前价格仍而贵。
  • 有电动系统的混合动力车和电动车一样有电池制造及回收污染的问题,需要进一步降低电池污染及耗能。而且混合动力车还需要制造其他的动力系统,生产和回收所造成的污染与耗能大多比纯引擎车高,必须要在行驶数万公里以后才会有环保效益。[22]

误解

  • 油电混合车只是把汽油车和电动车挤在一辆车上,一旦电池电力耗尽就没电进行电动行驶,必须找充电站充电,在充电站普及前不实用:
油电混合车并非单纯的将汽油车和电动车挤在一辆车上,两套动力系统也被整合成可互相补助。有电动系统的混合动力车可靠数种方法来自行充电,可以靠内建的自发电系统或燃料电池,因此只需要普通的加油站即可解决,也可以在减速时使用动能回收系统将减少的动能转为电能充电,纯引擎行驶的模式也可以用引擎余力充电,在充电站普及前即可实用化。
  • 纯电动车才是终极目标,混合动力车只是过渡性产品,投入研发只会浪费资源:
混合动力车因为拥有两种以上的动力来源,可以依照使用状况选择最有效率的动力模式,比起纯电动车,混合动力车对某些使用人而言能发挥更好效益并降低更多的耗能。
对于车商来说,所有的车辆都是过渡性产品,而混合动力车辆就算是一个过渡方案,也是不会浪费研发能量,因应混合动力车辆所发展的技术,大多也是燃料电池车纯电动车所需的技术(电动机马达)、高品质充电电池、轻量化车体)。[23]而在串联式混合动力车上就更是内燃发电机直接供电给充电电池及电动机,并无传动系统,所以只要等待高性能电池出现后把发电机换作高性能电池就马上变化完整的纯电动车;而燃料电池车辆其实也是一种串联式混合动力车辆,只是把内燃机系统换成燃料电池。
对于消费者来说,混合动力车辆的预期寿命反而比较长,况且在混合车辆的预期寿命内,出现革命性产品(实用化的车用燃料电池、车用高能量密度充电电池)的几率很低;而插电式混合动力车辆在多数状况下,已经与电动车相近。
  • 有电动系统的混合动力车和纯电动车一样需要定期更换电池,而更换电池的费用会比节省下来的燃料费花更多钱:
有电动系统的混合动力车其电池寿命多半很长,因为多了引擎提供动力,因此电池较少,无需停下充电,可以优化充电方法,使电池寿命大幅延长,甚至到车辆停驶报废为止有可能无更换电池的需要。以Prius为例,其电池电压为100.8V、容量只有5.7Ah,而寿命保用里数为253000km或十年,销售至今很少见到因为电池老化而更换的纪录,就算是有更换电池的车子,大多也已经省下足够换电池的油钱才需更换,足见其电池寿命相当长。而且所用的电池多是镍氢电池锂离子电池,是可回收再用的电池。因此,混合动力车的电池对环境的影响相当有限,比纯电动车少得多。
  • 混合动力车售价较高,购买不符合经济效益:
怠速熄火系统及刹车能源回收系统的成本极低,因此对使用量低的人来说也比没有这些系统的传统车辆经济。
而对于使用率高的人,混合动力车的节能效益可省下大量的燃料费,只要好好保养车辆,长期下来可以回本价差,甚至更多;对于使用里程低的人,可省下的燃料费及保养费并不多,且有电动系统的混合动力车若使用频率过低、则易导致电池寿命减短,而需要提前花费更换电池。
但是决定整体使用成本(经济效应)的因素经常是妥善率及维修费用、购车成本则影响较低、燃料成本影响更低。而混合动力系统可以使引擎耗损较低、从而增加经济效应,对一些使用里程数中等的人来说,混合动力车辆是由保养费而非燃料费来降低总成本。而厂牌是决定妥善率的重要因素,如果购买低妥善率的厂牌的一般汽车,维修成本反而会比高妥善率车厂的混合动力车辆高。
插电式混合动力系统可用外部电源充电,只要使用模式是经常短程使用、而且停车地点多可充电,在大部分地区,由于成本、税务等因素,电力价格比燃料费低,整体成本会更低;但有一些车种在长途使用下油耗并不好。
与柴油车辆相比,混合动力车也没那么贵,这是因为柴油车辆需要较为坚固的引擎、并且必须比汽油车多装高压共轨供油系统、柴油碳微粒滤清器AdBlue等环保装置,这都提高柴油车的建造成本。
若以台湾的中价位车市论,若条件是兼顾安全性、妥善率及原厂服务品质不要太差、原厂维修成本不要太高,则会发现只有混合动力车辆与非常少数的车种可以选择,因此使用量低却重视安全的消费者,可能会发现混合动力车辆仍可能是最低成本的选择。
  • 混合动力车绝对比汽油车环保:
插电式混合动力车辆的引擎若是牵引发电机而非变速器,在长途行驶极可能反而比较耗油,这是因为以变速器传输机械能的效率还是优于转换成电能再传输。
比起台湾五期环保摩托车,混合动力车燃烧燃料之排放并计入制造过程碳排放量,并不比五期环保摩托车环保,反而碳排放量更高[来源请求]。但根据英国的减碳车辆联合会(Low Carbon Vehicle,LowCVP),即使将制造过程的排碳量计入,混合动力车的总排碳量(包括生产过程中产生的二氧化碳)的确比一般使用内燃机的车低。[14]
  • 混合动力车都可以在熄火时开空调:
一些混合动力车(主要是无纯电动模式的中轻度混合)的冷气压缩机仍然是采用传统车辆的设计:直接使用皮带连接引擎,因此在引擎熄火时,压缩机就无法转动。例如Honda的IMA系统。

应用

铁路运输

JR东日本旗下采用锂离子电池的混合动力火车KiHa E200

早在1911年,德国已经开始采用混合动的铁路车辆,混合动力铁路车辆是使用可充电储能装置辅助牵引系统的铁路动力车辆。起动时以电动机推动,在车辆加速或上斜时引擎提供牵引装置额外的动力,减轻主要动力源的负担,下坡时以电动机发电回收能量至储能装置,因此可以达到省油效益,个别系统可以节省30%至40%耗油量。日本、英国、北美及捷克都有使用混合动力铁路车辆,当中美国有部分设计使用生质燃油配合电池,使碳排放量进一步降低。

道路运输

纽约市警察局使用混合动力车作警车
在伦敦投入服务的Volvo B5L英语Volvo B5L

早期混合动力车发展集中在货车及其他重型车辆。随着技术进步,成本降低,混合动力车近年普及于较小型车辆,如私家车等,混合动力车较省油,减少用油开支也间接降低整体成本,有助普及。由于整体使用成本下降,加上有低碳排放量,乎合大多数政府环保政策的需要,公用车辆道路公共交通工具巴士等近年也开始采用混合动力车辆;全世界第一架混合动力双层巴士在2007年2月于伦敦开始投入服务,伦敦现在有106架油电混合动力巴士在行走中。相对全电动巴士,混合动力巴士技术更为成熟,无需增建充电设施,而且在以燃煤发电的地区,其碳排放量比纯电动车更低。

军用车辆

使用串联柴电混合动力的悍马车XM1124

混合动力技术投入军用车辆自第二次世界大战时期便开始了,最早开发出混合动力战车的是英国,在1939年研制的TOG1重型战车,由于原型车在竞标中输给了丘吉尔战车而没能投产,其后开发的改良型TOG2亦如此。1941年纳粹德国斐迪南·保时捷做的虎I战车试作型之一VK4501(P)亦采用混合动力技术的重型战车,然而该车仅做为试作型没有通过测试成功量产,只做出10辆,但其底盘跟驱动系统被沿用到象式重驱逐战车并生产90辆来。另外此技术也被沿用在超重战车八号战车鼠式上,但该车仅完成原型车阶段未能量产德国便投降。当时的混合动力战车全采用的技术是由引擎发电再驱动马达出力的串联式混合动力系统,由于缺乏电脑控制技术并没办法使用高效率的混联式系统,而且冷却跟抗电磁干扰的问题也尚未解决,认真讲是种不成熟的技术。

美军自1985年开始试验串联混合动力悍马四轮驱动越野车XM1124,其优点在于匿踪性能较佳:全行程达9.7公里的电动状态下有较低的噪声及红外线特征,较低的耗油量也意味着更远的行程(这代表后勤需求降低,战区的运费很贵、风险也很高)。

军用大型运输车辆也有使用混合动力设计,美国现役的重型增程机动战术卡车开发出了柴电混合动力版本,以加挂A3或A4编号做区隔。随使用情况不同可以省20%至40%的燃料,也降低了红外线特征。其为电动机供电的发电机输出达200kW,有需要时可以为失去电力供应的建筑物或设施供电。使用超大容量电容取代电池作储电装置,不用更换。

现代战场上的高科技装备用电量庞大,混合动力军用车辆可以满足其需求;对后勤系统来说,转换为混合动力军用车辆很好适应、又可以降低负担。

混合动力自行车

装上电动机的混合动力自行车

混合动力自行车又称作摩托化自行车,是在自行车(单车)上加上混合动力的设计,较先进的是使用电动机的设计,能使用再生制动及较宁静。在较短途的行程中,混合动力自行车比油电混合动力车所耗能源少得多,所需停泊位也较少,却又比普通自行车省力、舒适。在美国、日本、俄罗斯及英国、德国、西班牙等多个欧洲国家都有法例规管及容许混合动力自行车的使用,但有些地区“没有允许”有动力自行车行走的法例,其普及性受到限制,例如中国大陆某些城市,在政府禁止摩托车上路行驶的城市区域,燃油混合动力电动自行车视同摩托车,禁止通行。

市面上的混合动力车

已停产的车款

  • Dodge
    • Ram Diesel Hybrid Electric Vehicle HEV
  • Lexus
    • HS 250h
  • Mazda
    • Tribute Hybrid-Electric Vehicle

现今或未来贩售的车款

  • Ford
    • C-MAX Hybrid(未来)
    • Escape Hybrid
    • Fusion Hybrid
  • GMC
    • Sierra Hybrid Crew Cab
    • Yukon Hybrid
  • Holden
    • Volt(轻度混合)
  • Honda
    • Accord Hybrid
    • Civic Hybrid
    • CR-Z
    • Fit Hybrid
    • Fit Shuttle
    • Freed
    • Freed Spike
    • Insight
    • Jazz Hybrid
  • Hyundai
  • Infiniti
    • M35h
    • Q50 Hybrid
    • QX60 Hybrid
  • Jaguar
    • C-X75(量产计划中止改限量)
  • Kia
    • K5/Optima Hybrid
  • Land Rover
    • Range Rover hybrid (SDV6)
  • Lexus
    • CT 200h
    • IS 300h
    • ES 300h
    • GS 450h
    • LS 600hL
    • LS 500h
    • RC 300h
    • LC 500h
    • NX 300h
    • RX 450h

相关条目

参考文献

  1. ^ Toyota Europe News. Worldwide Prius sales top 3-million mark; Prius family sales at 3.4 million. Green Car Congress. 2013-07-03 [2013-07-03]. (原始内容存档于2013-08-28).
  2. ^ Yuping Wu. Lithium-Ion Batteries: Fundamentals and Applications. CRC Press. : 531. ISBN 9781466557338.
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  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Hybrids Under the Hood(part 2)。. (原始内容存档于2010-01-11).
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外部链接


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