混合動力汽車技術(混合動力汽車技術發展現狀)
串聯、并聯、混聯共同構成混合動力的三部曲,我們來看看它們各自的優勢和不足都有什么。
隨著燃油消耗的監管日益嚴格,純電動車和混合動力汽車這類新能源車型的數量也是不斷增長,根據國家工信部的數據顯示,2017年1-6月,新能源汽車生產21.2萬輛,銷售19.5萬輛,同比增長19.7%和14.4%。而混合動力車型作為較早出現在市場中的新能源車型,也成為了眾多品牌的必備,像謳歌的NSX、寶馬的i8、豐田的普銳斯以及別克的君越。
這當中既有NSX這樣追求性能的超級跑車,也有普銳斯這種旨在降低油耗的家用車。因此不難看出混合動力的目的基本上就是兩種:提高性能、降低油耗。不論為了什么目的使用混合動力的方式,無外乎就是串聯式、并聯式、混聯式這三種形式。那么今天我們就來聊一聊“串、并、混”,這混合動力的三部曲。
串聯式
在串聯式結構當中,內燃機產生機械能經發電機轉化成為電能,對電動機進行供電,電動機用來驅動車輪。
這種連接方式中,內燃機與發電機通過機械裝置進行連接,共同組成一個模塊。這個模塊所產生的電能一部分給車輛的儲能裝置充電,另一部分提供給驅動車輪的電動機。此時,車輪的驅動力全部來自于電動機,而內燃機的作用是帶動發電機為電動機提供能量。
串聯式混合動力最大的優點就是能夠保證內燃機的運行條件相對于路況和車速是獨立的,這樣就可以讓內燃機的運轉保持在最佳工況點附近,對于節省燃油有著很大作用。同時,由于內燃機和發電機的模塊與電動機可以只進行電氣連接,所以串聯式結構對于車型的動力布局也有著很大的自由度,你可以把內燃機和發電機放置在車上任何你喜歡的位置。
不過串聯式的結構短板也十分明顯,由于是通過電動機驅動車輪,所以電動機作用在車輪上的力必須大于車輛所受到的最大行駛阻力,于是就需要使用大功率電動機來解決這個問題,這樣會使電動機的體積和質量有所增大,會在一定程度上增加整車的重量。
此外,內燃機輸出的機械能通過發電機轉化為電能,再通過電動機轉化成機械能傳遞給驅動輪。因此能量損失比較大,能量轉換的綜合效率較低。
以寶馬i3為例,i3的增程式混合動力版本含有一臺0.65升的雙缸汽油發動機,當電池組中的電量不足時,發動機會為電池組進行充電,以此來提升車輛的續航里程。
這臺0.65升的雙缸汽油發動機并沒有直接參與車輪的驅動,而是像我們前文中說的那樣為儲能裝置進行充電,由電動機驅動車輪。發動機只是在續航里程告急的時候才會進行工作,因此寶馬i3的增程式混合動力版續航里程要比純電動版多170公里左右,達到了約300公里。
并聯式
并聯式結構中,內燃機與電動機是相對獨立的。此時可以由內燃機或電動機單獨驅動車輪,也可以共同驅動車輪。
由于這種方式沒有單獨的發電機,所以電動機又可以作為發電機使用,在車輛制動或發動機輸出的功率高于驅動車輛所需功率時,電動機就會將多余的能量轉化為電能儲存在儲能裝置中。在車輛進行急加速的時候,內燃機就會和電動機共同作用,使車輪能夠獲得更大的動力。
并聯式混動由于能夠讓內燃機和電動機共同驅動車輪,所以會獲得更強勁的動力,對于車輛提速有較大作用。由于這種方式沒有單獨的發電機,對于車輛的減重也有一定幫助。而且電動機因為不需要給車輛提供全部的驅動力,功率可以比較小,成本也有所降低。
當然并聯式結構的缺點也很突出,因為內燃機會作為車輪動力的直接來源,所以并聯式結構仍然需要變速器來進行機械能的傳遞,即使是在純電力驅動的時候仍然需要變速器,因此機械效率的損失也比較大。同時,由于內燃機和電動機都可以作為車輪動力的直接來源,因此并聯式結構的組成和布局都會比較復雜。
像別克的2016款君越、比亞迪秦就是采用了并聯式的混合動力技術。
別克2016款君越的動力系統是由一臺1.8升自吸發動機和兩臺電動機所組成的。
通過示意圖我們可以看到,兩臺電機和發動機都能夠對車輪產生驅動力,發動機與兩臺電動機之間通過兩套離合器和兩組行星齒輪相連接,并配合ECVT變速箱實現多種驅動模式之間的無縫切換。
當車輛急加速的時候,發動機和兩臺電動機會共同產生動力驅動車輪,也能夠讓發動機或電動機單獨驅動車輪。
混聯式
混聯式混動系統有一個動力分配裝置。內燃機輸出的機械能一部分通過動力分配裝置傳遞給驅動系統,另一部分通過發電機對電動機提供電力或者對儲能裝置進行充電。而電動機的電能,一部分來自于內燃機,另一部分源于儲能裝置所儲備的電能。在車輛進行制動時,電動機會將能量回收到儲能裝置中。
混聯式混動系統充分發揮了串聯式與并聯式各自的優勢。在高速行駛時,系統采用并聯式工作方式;在城市道路當中,系統可以使用串聯式工作方式。這樣可以使車輛在更為復雜的工況下通過各部件的優化匹配,使系統始終在最優化的狀態下工作,以此獲得最大的經濟性。
混聯式集合了串聯與并聯各自的優點,既可以在中低速條件下單獨使用電動機進行驅動,也能夠在需要強大動力的時候讓內燃機和電動機共同驅動車輪,對于節省燃油和提高動力都有很大幫助。但是不足之處在于,它的控制動力分配的策略復雜,對于車載電腦要求較高,同時由于零部件的增加,所以在布局上也會變得復雜。
十代雅閣所采用的混動技術就是混聯式混合動力。
整個混動系統通過“切換”兩套動力的運行時機,來相互彌補各自的不足,兩套動力的優點被放大。不過i-MMD的復雜之處在于PCU控制單元。當要越過各自動力最高效節能的工況時,通過PCU單元控制含有三個齒輪結構的電動CVT來彌補切換。它既擁有插電混動車的一些原理,還發揮了發動機在巡航狀態更省油的特性,降低了電動機在高速巡航工況的動力消耗。
總結:相對于純電動車,混合動力似乎更容易讓人接受,特別是在續航里程的問題上。但是混合動力并非能夠在經濟和性能兩者中做到完美,更多是將廠商對于目標的進一步放大,或者節油好、或者提速猛。
現在的汽車市場中混動車型不在少數,但是由于路況和駕駛習慣等一系列因素,并不是所有的混動車型都會非常省油。不過省油這個全民追求的終極奧義在未來的日子里依舊會是各大品牌研究的重點課題,不論是內燃機還是新能源,總有一種動力組合會讓很多車迷朋友大呼過癮。
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