如何替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車方案的真實能量需求

因環(huán)境保護影響，采用燃料電池、蓄電池儲能介質(zhì)、內(nèi)燃機或電動機的汽車方案完全替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機的汽車方案，目前尚有爭議。計算汽車所需的真實能量要以可測量的因素為基礎(chǔ)，所有這些方案應(yīng)在相同條件下，盡可能真實地進行試驗研究。目前，該想法已在德國埃斯林根（Esslingen）大學(xué)的1個研究項目框架中實施。

0 前言

_

環(huán)保是未來機動車輛重要的衡量標準之一，這意味著汽車要減少有害物的排放，而且汽車制造商要承擔(dān)起處理這些污染物排放的責(zé)任。正如許多研究證實，地球上的任何能源都是有限的。因此，為應(yīng)對日趨嚴苛的排放控制政策，研究人員須開發(fā)出可替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機、且能有效減少車輛尾管排放的汽車方案。

為了確認替代汽車方案中車輛的實際能量需求，德國埃斯林根（Esslingen）大學(xué)汽車技術(shù)學(xué)院開發(fā)了1種可比較的方法，可通過試驗研究車輛得到真實能量需求，并對試驗研究結(jié)果進行了分析與評估。

1 試驗汽車和試驗條件

_

替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機的汽車方案區(qū)分了蓄電池電動車（BEV）和燃料電池電動車（FCEV）。BEV是需要外部充電的汽車，F(xiàn)CEV是借助于燃料電池發(fā)電的汽車。混合動力電動車（HEV）既有電動機又有內(nèi)燃機，如果可以從外部充電的話，就被稱為“插電式混合動力電動車（PHEV）”。

除了以燃料電池為動力系統(tǒng)的車輛采用樣車外，其他車型均為量產(chǎn)汽車。在選擇試驗車輛時，研究人員首先關(guān)注的是車輛的質(zhì)量，將所有汽車質(zhì)量平均值的百分比偏差放置在1個很窄的分布帶中。因此，汽車質(zhì)量這個因素可忽略不計，試驗結(jié)果可直接追溯到相應(yīng)的汽車方案。

研究人員選擇了環(huán)繞德國斯圖加特的真實路段作為試驗路段，將其分成“城市循環(huán)”、“長途循環(huán)”和“高速公路循環(huán)”3種典型的駕駛模式，并記錄了在相同的行駛時間和相同的交通條件下各循環(huán)模式存在的差異。

同時，研究人員把所有的能量需求都換算成統(tǒng)一的能量單位，從而確定了CO2的排放當(dāng)量如下：（1）汽油1 L≈8.9 kW·h，1 kW·h≈261.8 g CO2；（2）柴油1 L≈9.8 kW·h，1 kW·h≈269 g CO2；（3）氫燃料1 L≈33.3 kW·h，1 kW·h≈489 g CO2。

2 試驗結(jié)果

_

根據(jù)汽車驅(qū)動裝置的不同，研究人員通過車輛原有數(shù)值、速度曲線、駕駛性能等計算出汽車行駛所需的功率，以此計算出車輛驅(qū)動所需凈能量，以及可回收得到的功率。如果將這些計算結(jié)果與測量值進行比較，則能獲得動力總成系統(tǒng)的效率。

因傳統(tǒng)內(nèi)燃機能量回收不足，得到的數(shù)據(jù)如下：柴油車效率值為27.4%（計算值為9.7 kW·h，測量值為35.4 kW·h）；汽油車效率值為27.8% （計算值為9.9 kW·h，測量值為35.6 kW·h）。

研究人員通過試驗發(fā)現(xiàn)，盡管每升柴油的能量增加了0.9 kW·h，但由于內(nèi)燃機吸收能量的效率較低，柴油發(fā)動機消耗排放物更多，因此柴油機更環(huán)保的說法并不成立。此外，正如其他試驗結(jié)果那樣，緊湊型汽車在能量需求和環(huán)境污染方面并沒有顯示出明顯的區(qū)別。

在試驗中，替代了傳統(tǒng)內(nèi)燃機的新能源車型則具有較好的效率，作為樣車的FCEV效率值達到41.0%（計算值為10.6 kW·h，測量值為25.8 kW·h），在能量回收方面具有較好的發(fā)展前景。

同樣，研究人員也發(fā)現(xiàn)，BEV的動力總成系統(tǒng)效率是最好的，其效率達到了70.0%（計算值為9.1 kW·h，測量值為13.0 kW·h）。搭載了電動機的PHEV效率為44.0%（計算值為8.3 kW·h，測量值為18.7 kW·h），其中HEV的效率為31.6%（計算值為8.3 kW·h，測量值為26.3 kW·h）。

相對于BEV的各行駛循環(huán)模式推導(dǎo)出的能量需求，值得關(guān)注的是在城市行駛循環(huán)中各車型能量需求的差異。在試驗中，帶有能量回收可能性的車型和帶充電電池的純電動車的行駛方案明顯優(yōu)于其他車型行駛方案。

尤其是BEV和PHEV，其在城市行駛中需要的能量僅為傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車所需能量的三分之一。因此，在城市中，采用帶有能量回收的電力驅(qū)動方案是最佳的方案。試驗測量數(shù)據(jù)也表明，使用內(nèi)燃機運行的車輛在行駛功率不同時所產(chǎn)生的效率也是不同的，BEV和FCEV在部分負荷時差異明顯較小。

PHEV的電力驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動是混合使用的，蓄電池不足以滿足長途行駛和高速公路行駛的能量需求。在這些行駛模式下，BEV還會有額外的能量消耗。值得注意的是，HEV空載電池的能量消耗值明顯低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的消耗值。

根據(jù)試驗車輛在各行駛循環(huán)模型下測得的能量消耗并計算出的CO2排放情況。研究人員通過試驗發(fā)現(xiàn)，PHEV的CO2排放與BEV的CO2排放相同。各車型在高速公路行駛時的測試數(shù)據(jù)表明，將汽油轉(zhuǎn)換成能量比電力驅(qū)動更為有利。

BEV 在行駛中無疑是環(huán)保的，但從整個能量鏈來看，BEV并沒有考慮到電池生產(chǎn)時所產(chǎn)生的能量消耗和排放，因此BEV的能量轉(zhuǎn)化并不是太好。在當(dāng)前各國陸續(xù)出臺較為嚴苛的CO2排放限值的框架下，BEV更有利于環(huán)保的這種說法仍需要被考證。

研究也表明，對使用了可再生氫作為燃料系統(tǒng)的FCEV非常有意義。傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的CO2排放量比PHEV和BEV的CO2排放量多了60%，而HEV的CO2排放量比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的CO2排放量減少了26%。

3 插電式混合動力方案

_

PHEV的2種結(jié)構(gòu)方案的比較。在PHEV功率分支方案中，PHEV驅(qū)動需要配置2個電機，相應(yīng)在此結(jié)構(gòu)中取消了許多組成元件，比如沒有布設(shè)齒輪泵及附加的起動元件，特別是沒有安裝膜片式離合器和疊片式制動器，因此PHEV在電力驅(qū)動的狀態(tài)下會有制動損失。此外，該方案還消除了系統(tǒng)對這些轉(zhuǎn)換部件的控制及諸如電磁閥等靈敏部件的控制。

PHEV功率分支的結(jié)構(gòu)至少需要1個用于功率切換功能的行星齒輪組，并且電動機需要1個固定傳動級的速比。這種結(jié)構(gòu)的變速器控制范圍可與1個10檔的自動變速器相媲美，其效率明顯優(yōu)于已知的串行解決方案。

PHEV功率分支結(jié)構(gòu)采用了無級傳動，可以在每種行駛速度下自動選擇最佳的發(fā)動機運行工況點，從而實現(xiàn)了無滯后的純電動起步，且完全獨立于內(nèi)燃機運行。這種方案的最大優(yōu)點是“負荷工況點移動”功能，它在應(yīng)用2個電機時，內(nèi)燃機的接合和斷開并沒有受到任何沖擊，可以實現(xiàn)無差別的轉(zhuǎn)換。

因為汽車在城市交通中，車輛的瞬時行駛所需要的內(nèi)燃機功率是比較大的，而傳統(tǒng)的內(nèi)燃機只能在明顯更好的工況點運行。采用功率分支方案可以避免部分負荷工況點效率較差的現(xiàn)象發(fā)生。

在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，電動行駛與內(nèi)燃機/發(fā)電機行駛之間的切換可通過大量的控制元件來實現(xiàn)，這導(dǎo)致了調(diào)節(jié)損耗，這是因為功率流必須通過1個分離離合器來轉(zhuǎn)換。因此，并聯(lián)結(jié)構(gòu)在性能上并沒有任何優(yōu)勢。

正如試驗所示，因為PHEV的變速器效率和檔位是固定的，即使采用傳統(tǒng)的動力總成來運行，其結(jié)果也不太理想。此外，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的PHEV因其車輛質(zhì)量增加了約300 kg，這會對能量需求產(chǎn)生負面影響，因為額外增加的質(zhì)量會使車輛在行駛中產(chǎn)生較大的阻力。

從技術(shù)上分析，并聯(lián)結(jié)構(gòu)的PHEV方案在能量消耗和環(huán)保性方面尚不清楚是否具有優(yōu)勢，但從創(chuàng)新發(fā)展來看，這種并聯(lián)混合動力汽車可視為是現(xiàn)有汽車的進一步發(fā)展。目前，關(guān)于PHEV的研究都忽視了不同結(jié)構(gòu)PHEV 的區(qū)別，這是1種誤導(dǎo)。

4 總結(jié)

_

上述試驗表明，采用蓄電池、燃料電池和功率分支混合動力的方案比采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機的方案效率更高。未來汽車都會采用具有無級轉(zhuǎn)速和扭矩轉(zhuǎn)換的驅(qū)動配置，以適用于所有駕駛需求。

當(dāng)汽車的驅(qū)動裝置由電動機來支持時，內(nèi)燃機將只作為能源供應(yīng)，而不再是“驅(qū)動發(fā)動機”，這也會使發(fā)動機出現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速變化特性。以目前汽車性能相關(guān)設(shè)計的標準來看，功率分支結(jié)構(gòu)型式的PHEV是1個幾乎完美的解決方案。

研發(fā)人員根據(jù)日常行駛里程能計算出相應(yīng)的蓄電池容量。如果行駛里程較長，可用效率較高的內(nèi)燃機來驅(qū)動。作為目前由電動部件與內(nèi)燃機的最佳組合，該方案只需要1個大小合適的蓄電池就能滿足這種變化，且不增加汽車質(zhì)量，并能滿足CO2的排放要求。

如果車輛油箱中的燃油量能替代電驅(qū)系統(tǒng)并實現(xiàn)繼續(xù)行駛，那么原來須配套的基礎(chǔ)設(shè)施，如充電樁等將不再是強制要求。

在所有研究方案中，傳統(tǒng)內(nèi)燃機的動力總成系統(tǒng)的效率是最低的。未來的汽車市場還是屬于FCEV，因為它已呈現(xiàn)出了比傳統(tǒng)內(nèi)燃機更高的能量效率。氫作為綠色能源也符合環(huán)境保護要求。地球上的不可再生能源將日漸衰竭，之前各國廣泛討論的借助氫氣生產(chǎn)電能來制取燃料（E-燃料）作為車輛驅(qū)動新燃料的設(shè)想，因過高的能量需求而限制了其推廣應(yīng)用。

作者：［德］W.KLEMENT等

整理：范明強

編輯：吳玲

下載鏈接：

https://pan.baidu.com/s/1rhTV9Z63LuKRpFjL6eQWHQ

提取碼：

bmhk

編輯：jq