深層講解:電動(dòng)車輛技術(shù)問題 - 全文

　一、電動(dòng)車輛　
? ? ? ?電動(dòng)車輛則是另一個(gè)節(jié)能、減排的發(fā)展方向。此處所指的“電動(dòng)車輛”，是一個(gè)廣義概念，大體上包含下列分支：純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車。

　　一、純電動(dòng)汽車 顧名思義，也就是完全由電力驅(qū)動(dòng)、而沒有其他動(dòng)力設(shè)備和能源裝置的車輛。其動(dòng)力系統(tǒng)很簡單：電池組—電動(dòng)機(jī)—車輛傳動(dòng)系…

　　電動(dòng)機(jī)的效率遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)，而且在工作時(shí)沒有任何化學(xué)污染物的排放，對節(jié)能和環(huán)保都有很大的意義。而且其機(jī)械傳動(dòng)和控制系統(tǒng)也不是非常復(fù)雜。

　　但純電動(dòng)車輛也存在一些問題：

　　(1)最主要的，純電動(dòng)車輛電池組的能量密度偏低。無論采取何種先進(jìn)電池技術(shù)，就目前技術(shù)水平而言，單位重量的電池所能儲存的電能，遠(yuǎn)低于同樣重量燃油所能釋放出來的機(jī)械功。這就意味著，要么犧牲動(dòng)力性和續(xù)駛歷程、要么極大的增加車載電池的重量。而對于很多運(yùn)輸任務(wù)而言，這兩個(gè)選擇都是難以接受的。

　　(2)另外，純電動(dòng)車輛的充電場所和充電時(shí)間都存在問題。

　　(3)如果我們深入研究其能量轉(zhuǎn)換鏈，會(huì)發(fā)現(xiàn)，純電動(dòng)車輛最終很可能還是依賴化石燃料(或者水電、核能;單純的太陽能或者風(fēng)能等完全清潔能源基本上不現(xiàn)實(shí))。

　　石油或者煤炭經(jīng)過發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)化成電能、經(jīng)過輸變電、給電動(dòng)車的電池充電、再由電池放電給電機(jī)做功。能量轉(zhuǎn)換次數(shù)較多，最終對化石燃料的利用率并不很高;而且所謂“零排放”只是對于車輛行駛環(huán)境而言，發(fā)電的過程及其設(shè)備維護(hù)很可能還是存在污染。(對于發(fā)電行業(yè)來說，雖然采用的技術(shù)在不斷地升級，如開發(fā)出了超高壓、超臨界、超超臨界機(jī)組，開發(fā)出了流化床燃燒和整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，但這種努力的結(jié)果是：機(jī)組規(guī)模巨大、超高壓遠(yuǎn)距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源效率仍然只有35%左右，大規(guī)模的污染仍然沒有得到根本解決。)

　　(4)大容量電池組的成本較高，維護(hù)較復(fù)雜，其制造和維護(hù)過程中很可能會(huì)產(chǎn)生大量污染物。

　　二、燃料電池車輛

　　目前車輛行業(yè)界的一個(gè)共識：電動(dòng)車輛、乃至所有“清潔能源汽車”的終極技術(shù)目標(biāo)，就是燃料電池。

　　1.基本定義 燃料電池是將所供燃料的化學(xué)能直接變換為電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，是通過連續(xù)供給燃料從而能連續(xù)獲得電力的發(fā)電裝置。由于其具有發(fā)電效率高，適應(yīng)多種燃料和環(huán)境特性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來已在積極地進(jìn)行開發(fā)。

　　依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)、磷酸型燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)及質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)等。

　　燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。

　　2.基本結(jié)構(gòu)與工作原理

　　(1)燃料電池

　　燃料電池從本質(zhì)上說是一種電化學(xué)裝置，其基本組成與一般電池相同。

　　為實(shí)現(xiàn)較大功率的輸出，燃料電池通常由若干“單體電池”組成。與普通電池類似，單體燃料電池是由正負(fù)兩個(gè)電極(負(fù)極即燃料電極，正極即氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。

　　不同的是一般電池的活性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。而燃料電池的正、負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是名符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出，燃料電池就能連續(xù)地發(fā)電。

　　這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池的基本工作原理。

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　　氫-氧燃料電池反應(yīng)原理

　　這個(gè)反映是電觧水的逆過程。電極應(yīng)為：

　　負(fù)極： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-

　　正極： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-

　　電池反應(yīng)：H2 + 1/2O2==H2O

　　另外，只有燃料電池本體還不能工作，必須有一套相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，包括反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電性能控制系統(tǒng)及安全裝置等。

　　燃料電池通常由形成離子導(dǎo)電體的電解質(zhì)板和其兩側(cè)配置的燃料極(陽極)和空氣極(陰極)、及兩側(cè)氣體流路構(gòu)成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣(氧化劑氣體)能在流路中通過。

　　在實(shí)用的燃料電池中因工作的電解質(zhì)不同，經(jīng)過電解質(zhì)與反應(yīng)相關(guān)的離子種類也不同。PAFC和PEMFC反應(yīng)中與氫離子(H+)相關(guān)，發(fā)生的反應(yīng)為：

　　燃料極：H2 =2H+ + 2e- (1)

　　空氣極：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O (2)

　　全體：H2+1/2O2 = H2O (3)

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　　氫氧燃料電池組成和反應(yīng)循環(huán)圖

　　在燃料極中，供給的燃料氣體中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移動(dòng)到電解質(zhì)中與空氣極側(cè)供給的O2發(fā)生反應(yīng)。e- 經(jīng)由外部的負(fù)荷回路，再反回到空氣極側(cè)，參與空氣極側(cè)的反應(yīng)。一系例的反應(yīng)促成了e- 不間斷地經(jīng)由外部回路，因而就構(gòu)成了發(fā)電。并且從上式中的反應(yīng)式(3)可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外沒有其他的反應(yīng)，H2 所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成了電能。但實(shí)際上，參與電化學(xué)反應(yīng)的電極存在一定的電阻，電流通過時(shí)會(huì)引起了部分熱能產(chǎn)生，由此減少了轉(zhuǎn)換成電能的比例。

　　表1 燃料電池的分類

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　　(2)燃料電池電動(dòng)車的系統(tǒng)組成

　　組成燃料電池電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)有三個(gè)關(guān)鍵零組件，即

　?、僦亟M器(reformer)：將甲醇、汽油等液體燃料重組為富氫氣(hydrogen-rich)氣體燃料，提供予燃料電池反應(yīng)。

　?、谌剂想姵?fuel cell stack)：燃料電池是燃料電池電動(dòng)車的動(dòng)力源，其提供氫氣與空氣中的氧氣反應(yīng)并產(chǎn)生電流與電壓，同時(shí)產(chǎn)生廢熱(水)等副產(chǎn)物。

　?、垭娏?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器(inverter/converter)：將燃料電池產(chǎn)生的電力轉(zhuǎn)換為直流電或交流電，或具備升壓或降壓以調(diào)整電力輸出。

　　3.技術(shù)特色及發(fā)展現(xiàn)狀

　　燃料電池被稱為是繼水力、火力、核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。國際能源界預(yù)測，燃料電池是21世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電方法之一。

　　根據(jù)工作溫度的不同，把堿性燃料電池(AFC，工作溫度為100℃)、固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池(PEMFC，也稱為質(zhì)子膜燃料電池，工作溫度為100℃以內(nèi))和磷酸型燃料電池(PAFC，工作溫度為200℃)稱為低溫燃料電池;把熔融碳酸鹽型燃料電池(MCFC，工作溫度為650℃)和固體氧化型燃料電池(SOFC，工作溫度為1000℃)稱為高溫燃料電池，并且高溫燃料電池又被稱為面向高質(zhì)量排氣而進(jìn)行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池。

　　燃料電池最大的優(yōu)點(diǎn)在于能量轉(zhuǎn)換次數(shù)少，燃料利用率高。

　　傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)這些龐大的設(shè)備上，燃燒時(shí)還會(huì)排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進(jìn)行燃燒，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無論大小實(shí)際發(fā)電效率可達(dá)40%～60%，可以實(shí)現(xiàn)直接進(jìn)入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達(dá)80%，裝置為集木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機(jī)供電、大到和目前的火力發(fā)電廠相比，非常靈活。

　　此外，燃料電池還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)部分負(fù)荷時(shí)也能保持高的效率;

　　(2)通過與燃料供給裝置的組合，可適用較大范圍的不同燃料;

　　(3)輸出功率可按“積木式”靈活調(diào)節(jié);

　　(4)電池本體的負(fù)荷響應(yīng)性好;

　　(5)NOX及SOX等的排出量少，有利環(huán)保。

　　近20多年來，燃料電池經(jīng)歷了堿性、磷酸、熔融碳酸鹽和固體氧化物等幾種類型的發(fā)展階段，燃料電池的研究和應(yīng)用正以極快的速度在發(fā)展。AFC已在宇航領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，PEMFC已廣泛作為交通動(dòng)力和小型電源裝置來應(yīng)用，PAFC作為中型電源應(yīng)用進(jìn)入了商業(yè)化階段，MCFC也已完成工業(yè)試驗(yàn)階段，起步較晚的作為發(fā)電最有應(yīng)用前景的SOFC已有幾十千瓦的裝置完成了數(shù)千小時(shí)的工作考核，相信隨著研究的深入還會(huì)有新的燃料電池出現(xiàn)。

　　美、日等國已相繼建立了一些磷酸燃料電池電廠、熔融碳酸鹽燃料電池電廠、質(zhì)子交換膜燃料電池電廠作為示范。日本已開發(fā)了數(shù)種燃料電池發(fā)電裝置供公共電力部門使用，其中磷酸燃料電池(PAFC)已達(dá)到"電站"階段。已建成兆瓦級燃料電池示范電站進(jìn)行試驗(yàn)，已就其效率、可運(yùn)行性和壽命進(jìn)行了評估，期望應(yīng)用于城市能源中心或熱電聯(lián)供系統(tǒng)。日本同時(shí)建造的小型燃料電池發(fā)電裝置，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、飯店、賓館等。

　　在車輛工程領(lǐng)域，目前比較普遍的方案是氫動(dòng)力質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

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　　圖 通用汽車公司燃料電池轎車氫動(dòng)三號

　　在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)方面突破大功率氫燃料電池組制備的關(guān)鍵技術(shù)，轎車用凈輸出30KW、客車用凈輸出60KW和100KW的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，已在同濟(jì)大學(xué)和清華大學(xué)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測試基地通過嚴(yán)格的測試并裝車運(yùn)行，燃料電池轎車已累計(jì)運(yùn)行4000多km，燃料電池客車?yán)塾?jì)運(yùn)行超過8000km。

　　由于氫氣里沒有腐蝕性的雜質(zhì)，也沒有碳阻塞燃燒室，燃料電池車很少需要維修。

　　此外，氫燃料車比汽油車安全。即使在失火的情況下也便于逃生。汽油車發(fā)生事故或遇火，油箱會(huì)爆炸，油產(chǎn)生的熱和毒氣都會(huì)致命。而氫燃料車在猛烈的撞擊下，甚至儲氫罐破裂都不會(huì)引起大火，在逃生時(shí)不會(huì)被大火燒傷。即使氫采用壓縮儲存，也僅易燃。若撞擊后氫燃料外溢沒有著火，它會(huì)蒸發(fā)到空氣中，不產(chǎn)生污染。即使失火也不會(huì)爆炸，因?yàn)闅錃庵挥信c氧氣或空氣在密閉的空間里混合才會(huì)爆炸。

　　氫燃料電池車的尾氣排放物是水，對環(huán)境的污染為零。

　　4.需要解決的問題

　　對于純?nèi)剂想姵剀嚮蚧跉淠茉吹钠渌愋蛙?，怎樣合理控制制氫成本和建立社?huì)網(wǎng)絡(luò)化的儲氫站是一個(gè)重要工程;在行駛的汽車?yán)镌鯓颖４鏆淙剂弦彩且粋€(gè)重要課題。

　　儲氫技術(shù)基本上有三種，一是在超低溫-253°將氫呈液態(tài)保存，二是用高壓(約5000磅/平方英寸)壓縮氣態(tài)氫，提高能量密度，三是用金屬氫化合物在普通常溫下儲存氫;具體來說，燃料電池電動(dòng)車普及化道路上尚需攻克的課題主要有：

　　(1)氫氣燃料的供給

　　如前所述，燃料電池電動(dòng)車以燃料的氫氣與空氣的氧氣反應(yīng)，以其產(chǎn)生的電力推動(dòng)馬達(dá)而得以行駛。相較于傳統(tǒng)電動(dòng)車，燃料電池電動(dòng)車的燃料電池可視為小型發(fā)電廠，且燃料電池電動(dòng)車可以改善傳統(tǒng)電池過重、電能容量及長時(shí)間充電的缺點(diǎn)，燃料電池發(fā)電可視為水電解的逆反應(yīng)，發(fā)電過程中只有水份的排放，是清凈的動(dòng)力能源。而這些都依賴于氫能源的充足供給。

　　以國外的情形為例：日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省原來預(yù)估2010年底，燃料電池電動(dòng)車可以達(dá)到5萬臺，2020年達(dá)到500萬臺的目標(biāo)，目前看來似乎有些過熱，各個(gè)車廠開始以較務(wù)實(shí)的態(tài)度對應(yīng)這件事情。Toyota預(yù)定2003年燃料電池電動(dòng)車商品化，且希望將價(jià)格訂在日幣1000萬元以下才具產(chǎn)品競爭力。但短期內(nèi)，燃料電池價(jià)格不易降至數(shù)百萬日元內(nèi)。同期從事研發(fā)工作的Honda、Daimler Chrysler、Ford等車廠都認(rèn)為燃料電池電動(dòng)車發(fā)展的難題是─氫氣燃料的供給。特別是氫氣供應(yīng)站與氫氣燃料的環(huán)境整備 (infrastructure)。燃料電池電動(dòng)車可以純氫氣為燃料，抑或以碳?xì)湎等剂先缂状?、天然氣、汽油等?jīng)由重組取得富氫氣燃料，其熱值等性質(zhì)雖各有所長，以儲存性與管理而言，甲醇與高品質(zhì)的汽油經(jīng)由重組似乎較具優(yōu)勢。

　　(2)燃料重組

　　燃料重組，最大的問題在于重組過程中造成的高溫現(xiàn)象，甲醇重組時(shí)溫度約300℃，汽油重組時(shí)的溫度則高達(dá)800℃(碳與氫分子鍵結(jié)強(qiáng)，不易打斷)，已經(jīng)在道路行駛測試(fleet test)的甲醇重組方式燃料電池電動(dòng)車，因?yàn)楦邷囟枰渲么笮屠鋮s風(fēng)扇，產(chǎn)生令人不快的噪音問題，雖然靜肅性 (如：馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)等)仍較傳統(tǒng)電動(dòng)汽車優(yōu)越，但燃料重組時(shí)大型冷卻風(fēng)扇噪音問題亦不得不重視。而且大型冷卻風(fēng)扇亦會(huì)造成能量消耗，燃料重組方式燃料電池電動(dòng)車因兼顧能源效率與噪音問題，事實(shí)上、較Toyota 的Prius 的復(fù)合動(dòng)力能源效率相異不大，看不出燃料電池電動(dòng)車的顯著優(yōu)勢。更何況燃料重組時(shí)并非百分之百的零污染，仍有一定量的CO2甚至NOx和SOx排出。以甲醇重組并完成日本道路行駛測試的Mazda認(rèn)為“唯有以純氫氣作為燃料的燃料電池電動(dòng)車才具有挑戰(zhàn)性!”甲醇與汽油重組衍生的各種問題，特別是高溫，是燃料電池電動(dòng)車普及化的一大障礙。另外，高效率的重組器開發(fā)亦刻不容緩。

　　(3)純氫氣燃料儲存方式

　　純氫氣燃料，似乎是燃料電池電動(dòng)車未來可能普及化的燃料供應(yīng)方式，然而氫氣的儲存卻是另一問題點(diǎn)。目前即使是氣密性最佳的燃料容器，充氣后長時(shí)間放置很可能即漏失完畢!

　　氫氣燃料儲存方式有高壓儲氫(compressed hydrogen gas)，可能引發(fā)安全上的顧慮，理論上較高的壓力儲氫量越多，但高壓儲氫材料容器的價(jià)格昂貴，尤其是燃料電池電動(dòng)車，這種移動(dòng)式載具必須考慮碰撞的安全性;低溫儲氫，要儲存氫氣燃料于 -273℃環(huán)境，其所需低溫儲存處理的能量消耗亦不容忽視，且應(yīng)考慮前述漏失問題;較安全且可行的方案是儲氫合金(metal hydride，儲存效率仍有極大的改善空間。

　　(4)純氫氣燃料的制備

　　依照日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省預(yù)估2020年達(dá)到500萬臺的燃料電池電動(dòng)車目標(biāo)，相當(dāng)于一年需要37億5000mm3的氫氣，這樣的消耗量單靠天然氣提煉氫氣是不可能符合需求，況且在精制氫氣時(shí)亦會(huì)衍生一定數(shù)量的CO2排放，與降低CO2排放訴求的燃料電池電動(dòng)車互為矛盾，其實(shí)只是CO2排放只是改變?yōu)槿剂想姵仉妱?dòng)車以外發(fā)生的場所罷了。

　　為了不增加制造純氫氣燃料時(shí)所帶來的環(huán)境污染，以太陽能發(fā)電的電力對水產(chǎn)生電解制造純氫氣似乎可行。實(shí)際上，Honda 在美國加州的研發(fā)中心即利用太陽能發(fā)電制造純氫氣，并由供應(yīng)站供給氫氣進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，每輛車單以太陽能發(fā)電制造純氫氣即可獲得一年約7600L，相當(dāng)于每天20.8L氫氣，以目前供給氫氣1.0L行駛1.8km的實(shí)驗(yàn)車為例，每天可行駛37.4km，一年可累積里程13,680km，基本上可以滿足普通行駛要求。不過、配置在每臺燃料電池電動(dòng)車上的太陽電池面積是車輛平面投影面積的4倍，太陽電池的能源利用效率與如何小型化又是另一個(gè)課題!

　　(5)燃料電池價(jià)格

　　目前燃料電池因需要使用一定量的貴重金屬(主要是鉑)，燃料電池廠預(yù)計(jì)短期內(nèi)不易降至量產(chǎn)化價(jià)格。除了膜組合體中貴重金屬如何降低使用量之外，開發(fā)耐高溫(200℃)與耐不純物的質(zhì)子交換膜等都是當(dāng)前重要的課題。

　　現(xiàn)階段燃料電池電動(dòng)車普及化最大的課題是，氫氣的儲存方式與供給體制。如何增加氫氣儲存效率(開發(fā)高效率儲氫合金材料)與氫氣供應(yīng)站的普及化都是燃料電池電動(dòng)車技術(shù)能否普及化的因素。而欲促進(jìn)燃料電池電動(dòng)車普及化，現(xiàn)階段與未來應(yīng)朝下列幾個(gè)方向發(fā)展：

　　1、增加重組過程中富氫氣的比例

　　2、改善反應(yīng)氣體供應(yīng)方式

　　3、改善氫氣的使用效率

　　4、改善燃料系統(tǒng)對硫成分的抗性

　　5、縮短啟動(dòng)時(shí)間

　　6、動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理

　　7、動(dòng)力系統(tǒng)的最佳化設(shè)計(jì)

　　8、減少燃料電堆的容積與重量

　　三、混合動(dòng)力汽車(HEV)

　　1.定義 目前，關(guān)于“混合動(dòng)力”的定義比較多，一般比較通行的是：一輛汽車，同時(shí)擁有兩種、或兩種以上的動(dòng)力裝置(也有的用“能源裝置”術(shù)語，但不夠嚴(yán)謹(jǐn))，其中有一種必須是電能動(dòng)力。

　　而一般來說，除了電力之外的動(dòng)力，另一種都是車用內(nèi)燃機(jī)。所以“混合動(dòng)力”又常被稱作“油電混合”。

　　2.基本工作原理

　　與純電動(dòng)車和燃料電池車(以及單純太陽能汽車等)方案相比，可以說混合動(dòng)力采用的是一種不那么激進(jìn)的“中庸之道”。

　　其全部能源歸根結(jié)底還是來自車載燃油，燃油還是通過傳統(tǒng)熱力學(xué)過程由熱機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

　　也就是說，混合動(dòng)力整車的能源利用率不會(huì)高于車載內(nèi)燃機(jī)的最佳熱效率。

　　其節(jié)能減排的基本出發(fā)點(diǎn)是：優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間。

　　(可以類比無級變速器。無級變速器可以在某功率下尋求燃油消耗率最小的工作點(diǎn)，而混合動(dòng)力可以將發(fā)動(dòng)機(jī)控制在整個(gè)萬有特性圖中的最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)。)

　　例如，發(fā)動(dòng)機(jī)的最經(jīng)濟(jì)工作點(diǎn)是：n=2000rpm，Pe=40Kw。

　　當(dāng)車輛負(fù)荷較輕時(shí)，比如，僅需要20Kw的功率。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍工作在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，輸出40Kw功率;多余的20Kw由電系統(tǒng)回收，儲存在電池中。(或者發(fā)動(dòng)機(jī)完全關(guān)閉，單純由電系工作。)

　　轉(zhuǎn)速和車速的協(xié)調(diào)由傳動(dòng)系的傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)，所以很多HEV配置無級變速器。

　　當(dāng)車輛負(fù)荷較大時(shí)，比如，需要60Kw的功率。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)仍工作在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，輸出40Kw功率;不足的20Kw由電系統(tǒng)提供，電池對外放電。(或者發(fā)動(dòng)機(jī)完全關(guān)閉，單純由電系工作。)

　　混合動(dòng)力技術(shù)能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性的具體原因，可參閱《汽車?yán)碚摗返诙?第五節(jié)。

　　就目前技術(shù)水平而言，與常規(guī)動(dòng)力車輛相比，混合動(dòng)力車輛的油耗可以降低一半左右，排放污染物水平減少的幅度更大。

　　3.技術(shù)類型

　　混合動(dòng)力車輛，根據(jù)“油”與“電”的不同組合方式，有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)之分。較常見的是前兩者。

　　(1)所謂“串聯(lián)”，就是發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)-車輛傳動(dòng)裝置…成線形串成一列。在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間是蓄電池端口，由控制器控制。能量基本流程：

　?、侔l(fā)動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，燃油的化學(xué)能由內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能(或者關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，完全由電池提供能源);

　?、趲?dòng)發(fā)電機(jī)全部轉(zhuǎn)化成電能;

　?、廴绻l(fā)電量不足，則由電池補(bǔ)充;如果發(fā)電量超過需求，則將多余的部分儲存在電池中;

　?、茈娔芙?jīng)過電池的調(diào)節(jié)后傳遞給電動(dòng)機(jī)，再次轉(zhuǎn)化成機(jī)械能;

　?、輽C(jī)械能帶動(dòng)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)，提供驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力…

　　由于所有能量都要經(jīng)過發(fā)電-電動(dòng)的反復(fù)轉(zhuǎn)換，效率較差;而且由于串行布置，所有動(dòng)力總成都要滿足車輛最大功率的需求，體積和質(zhì)量都難以控制。

　　但串聯(lián)式方案由于發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪之間沒有直接的聯(lián)接，發(fā)動(dòng)機(jī)工作不受行駛環(huán)境和駕駛員意圖的影響，容易控制在理想工作點(diǎn)，整套控制系統(tǒng)也較簡單(相對并聯(lián)和混聯(lián))。

　　目前，如果選用效率較高的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，串聯(lián)式混合動(dòng)力車輛的效能還是可以接受的。

　　(2)所謂“并聯(lián)”，指的是“油”和“電”都可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。它的核心電系是一個(gè)在控制器控制下的電機(jī)，可以適時(shí)的充當(dāng)電動(dòng)機(jī)或者發(fā)電機(jī)。

　?、侔l(fā)動(dòng)機(jī)工作在最經(jīng)濟(jì)點(diǎn)，燃油的化學(xué)能由內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能(或者關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，完全由電池提供能源);

　?、谌绻摴β什蛔?，則電池放電，電機(jī)對外輸出機(jī)械功，在動(dòng)力合成裝置的協(xié)調(diào)下該機(jī)械功與來自內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械功匯合，共同驅(qū)動(dòng)車輛;如果發(fā)動(dòng)機(jī)功率過剩，那么動(dòng)力合成裝置將一部分功率分配給電機(jī)，電機(jī)發(fā)電，將剩余的能量儲存起來;

　?、蹚膭?dòng)力合成裝置輸出的機(jī)械功驅(qū)動(dòng)車輛…

　　很顯然，并聯(lián)式方案更復(fù)雜，而且發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪存在機(jī)械連接，對控制器的要求更高。

　　但其最大的優(yōu)點(diǎn)是效率高。驅(qū)動(dòng)輪輸出功率中的很大一部分直接來自發(fā)動(dòng)機(jī)，而不需要發(fā)電-電動(dòng)的轉(zhuǎn)換。另外，由于內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的功率是相加后共同滿足行駛需求，它們各自的額定功率都可以遠(yuǎn)小于整車的功率需求，可以做到小型化、輕量化，這對于許多小型車輛而言是必須的。

　　(3)還有一種“混聯(lián)”。從理論上說，其綜合性能最佳;但系統(tǒng)組成非常龐大，傳動(dòng)布置非常困難，對控制系統(tǒng)的要求也非常高。在此不多介紹。

　　4.特點(diǎn)總結(jié)

　　總之，混合動(dòng)力技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：

　　(1) 所采用的動(dòng)力總成都是對已有技術(shù)的繼承，需要完全重新研制的設(shè)備不多。

　　(2) 由于所有能源從本質(zhì)上還是來自車載燃油，能夠比較準(zhǔn)確的定量評價(jià)對燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性的貢獻(xiàn)。

　　(3) 是目前唯一可以回收制動(dòng)能量(部分)的技術(shù)。

　　(4) 對蓄電池技術(shù)要求相對不高。

　　(5) 利用普通加油站。

　　而存在的問題主要有：

　　(1) 沒有完全擺脫對化石燃料的依賴。這是最致命的缺陷，所以一般認(rèn)為混合動(dòng)力技術(shù)只是燃料電池車輛普及之前的一個(gè)過渡。

　　(2) 在所有電動(dòng)車輛技術(shù)中，其控制系統(tǒng)最為復(fù)雜。對控制器軟硬件水平以及車上信號通信的要求非常高。(因此，實(shí)際混合動(dòng)力車輛的效能與仿真計(jì)算相比，存在一定差異。)

　　(3) 由于各動(dòng)力裝置的工作狀況切換比較頻繁，其壽命存在問題。而且大量的瞬態(tài)工作過程對油耗和排放都帶來一定負(fù)面影響。

　　(4) 專門用于混合動(dòng)力車輛的高效率、低排放內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)還需加快進(jìn)度。

　　(5) 研發(fā)和制造成本較高。

　　這是所有電動(dòng)車輛(乃至所有新型節(jié)能車輛)的共性。如果沒有政策性傾斜，單憑其技術(shù)優(yōu)勢和消費(fèi)者對環(huán)境問題的自覺認(rèn)知，市場競爭力不佳。因?yàn)槠涑跏假徿囐M(fèi)用和日程養(yǎng)護(hù)、維修費(fèi)用的增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過節(jié)能所帶來的收益。