混合動力汽車的發(fā)展現(xiàn)狀與未來

史 程

(黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

穩(wěn)步增長的石油價格、持續(xù)增加的汽車消費和日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力，迫使未來汽車向節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。混合動力汽車、純電動車以及燃料電池汽車這三類低排放的汽車將是長期有效的解決方案。從長遠來看，純電動車、燃料電池汽車將是解決汽車節(jié)能環(huán)保的最終解決方案，但是由于其價格過于昂貴、技術(shù)尚未完全成熟以及缺乏相應(yīng)配套設(shè)施等因素的限制，目前還未大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。三者相比較而言，混合動力汽車技術(shù)較為成熟，市場規(guī)模正在逐漸擴大，是解決目前汽車節(jié)能環(huán)保問題的最有效方法。

混合動力汽車是結(jié)合了兩種動力對車輛的推進?？赡艿慕M合包括柴油/電動，汽油/飛輪以及燃料電池/蓄電池。通常情況下，一種動力存儲能源的同時，另一種動力將燃料轉(zhuǎn)換成電能。兩種動力的組合，可支持兩個獨立的推進系統(tǒng)。

1 發(fā)展混合動力汽車的必要性

1.1 社會效益

我國城市的大氣污染問題已不能忽視，汽車排放是主要污染源之一，目前，我國已有16個城市被列入全球大氣污染最嚴(yán)重的20個城市之中。我國現(xiàn)今人均汽車是每1 000人平均10輛汽車，但石油資源不足，2011年中國進口石油2.53億噸。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，假如中國人均汽車持有量達到現(xiàn)在全球水平——每1 000人有110輛汽車，我國汽車持有量將成10倍地增加，石油進口就成為大問題。因此在我國研究發(fā)展混合動力汽車不是一個臨時的短期措施，而是意義重大的、長遠的戰(zhàn)略考慮，只有混合動力才是唯一的解決途徑。目前，道路上的混合動力車是混合動力電動汽車(HEV)，而其他車輛，比如使用清潔的柴油發(fā)動機和高效率的汽油發(fā)動機，無論是現(xiàn)在或在不久的將來，都在朝著提高它們的燃油經(jīng)濟性的方向發(fā)展。從長遠來看，使用氫的內(nèi)燃機和氫燃料電池將成為市場的主流。政府部門和汽車制造商鼓勵燃料電池的推廣，作為能量來源，燃料電池和石油可以說是相互獨立的。燃料電池汽車(FCV)能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的零排放，這一點很重要，可以減緩全球氣候變暖。其他排放量的指標(biāo)也相應(yīng)地降低。燃料電池汽車的混合動力來自于燃料電池和蓄電池的融合體。雖然乙醇和其他替代燃料同樣影響著汽車的燃油經(jīng)濟性，但是與這種燃料電池汽車的混合動力相比還有不小的差距。在未來的個人和非商業(yè)性交通運輸中，柴油很可能扮演著主要的角色，而其中的生物柴油應(yīng)該占有十分重要的地位。生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂以及動物油脂、餐飲垃圾油等為原料油通過酯交換工藝制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料，是生物質(zhì)能的一種。替代燃料是重要的能源供應(yīng)方式。美國的能源保障將依賴于替代燃料。目前巴西已經(jīng)開始發(fā)展替代燃料，而不進口石油了。

1.2 經(jīng)濟效益

以南方電網(wǎng)在深圳的試點為例，如果為比亞迪汽車公司產(chǎn)的E6純電動汽車進行充電,快充2個小時可充電57度,行駛300km。按照目前普通商業(yè)電價計算，峰期每度電1.0064元，行駛300km只需57.5648元；若利用谷期進行充電的話，單價只有0.2495元，充滿一次電，僅需14.2215元。南方電網(wǎng)深圳試點報告內(nèi)容顯示，如按照傳統(tǒng)的燃料汽車來核算成本，每升汽油(深圳)7.71元、每100km油耗8L計算，行駛300km就需要185.04元，約相當(dāng)于峰期充電費用的3倍，谷期充電費用的13倍。上海目前混合動力公交車每行駛1km只需耗電1.2度，按照夜間半價電價計算,以每天行駛里程約200km計算,每天能源開支不到百元，遠遠低于普通公交車使用柴油的能源支出。

1.3 優(yōu)化能源消耗結(jié)構(gòu)

目前，我國交通運輸?shù)娜加拖募s占石油總消耗的一半，混合動力汽車的應(yīng)用可有效地減少對石油資源的依賴，可將有限的石油用于其他更重要的方面。由于混合動力汽車具有能源來源多元化的特點，各種可再生能源可以轉(zhuǎn)化為電能或氫能加以有效利用；同時，利用電網(wǎng)對混合動力汽車進行充電，增加電力在交通能源領(lǐng)域中的應(yīng)用，減少對石油資源的依賴，優(yōu)化交通能源消耗構(gòu)成。

2 混合動力汽車的市場分析

2.1 市場發(fā)展現(xiàn)狀

混合動力汽車在市場上獲得了出人意料的成功，一些還沒有進入混合動力市場的汽車制造商正在提升自身的研發(fā)進度，都爭取早日推出各自的混合動力汽車?；旌蟿恿嚨氖袌隹缍群艽?，從微型混合動力、輕型混合動力到全混合動力。微型混合動力的汽油發(fā)動機搭載一個非常小的發(fā)電機，而輕型混合動力的發(fā)電機功率占汽車發(fā)動機功率的約15%～25%；全混合動力的發(fā)電機功率占汽車發(fā)動機功率的約40%～50%。

輕型混合動力汽車可提供額定電壓為110V的電源插頭。相比于傳統(tǒng)車輛，一方面其排放和油耗均有不同程度的減少；但是另一方面，輕型混合動力汽車的成本則有一個不小的增加。為了進一步降低輕型混合動力汽車的成本，用超級電容器取代鎳金屬氫化物或鋰離子電池的措施，目前正在研究過程之中。大多數(shù)輕型混合動力汽車保留了再生制動等配置。出于成本的考慮，輕型混合動力車依然使用現(xiàn)有的低電壓，也就是14V[2]。

在2007年，混合動力車的全球銷量為38.5萬臺。 2010年達到110萬臺，出售的不同混合動力汽車的種類達到75種。到2015年，將達到200萬臺[3]。在未來的15～20年，混合動力車將面臨著來自先進內(nèi)燃機的激烈競爭，清潔柴油也將參與混合動力的競爭，同樣的，也有新開發(fā)的如均質(zhì)混合氣壓燃式(HCCI)柴油發(fā)動機汽車與渦輪增壓汽油發(fā)動機汽車的競爭。

2.2 購買混合動力汽車的理由

前些年，首次購買混合動力車的車主是傾心于其新穎的技術(shù)，而今天混合動力汽車的車主則更看重的是其更高的燃油效率和低排放量。購買混合動力汽車的理由可以歸結(jié)為主觀原因和客觀原因兩類。

購買混合動力汽車的主觀原因取決于每位車主的個人喜好。節(jié)能環(huán)保是很多車主購買的決定性因素，但也有個別的車主選擇混合動力汽車是為了吸引別人眼球，并體驗先進的技術(shù)等主觀原因。作為混合動力車獨特的駕駛體驗的一部分，為了實現(xiàn)良好的燃油經(jīng)濟性，需要特殊的駕駛操縱技巧。有些車主駕駛混合動力車的興趣甚至超過了玩網(wǎng)絡(luò)游戲。

客觀原因是那些可以量化的數(shù)字。燃油經(jīng)濟性是節(jié)省汽油的一個主要因素，較高的燃油經(jīng)濟性可以滿足一個更大范圍的燃料儲備。其他客觀原因包括低排放，也就是綠色行駛；有些混合動力汽車提供可提高的加速度；強調(diào)省油的混合動力車通常更小，更容易停放。

特殊政策優(yōu)惠也不容忽視。在許多國家，混合動力汽車有專門的法律甚至對司機有嚴(yán)格的規(guī)定，對于那些需要考慮停車費和稅款的車主顯得更有價值。在一些酒店和商業(yè)路段的停車場，停車費是免收的。當(dāng)然，國家和政府的免稅是購買混合動力車的另一個誘因，如果你覺得傳統(tǒng)車輛的所得稅規(guī)則紛繁復(fù)雜，那么毫無疑問，混合動力汽車的稅收就簡單得多了。

購買混合動力汽車對于這個環(huán)境惡化的世界是具有促進意義的?；旌蟿恿ζ囀欠凑y(tǒng)主義的標(biāo)志，是反地位身份的符號，同時亦是對政治的具體表現(xiàn)。混合動力汽車是最終可以擁有優(yōu)越生存環(huán)境的車輛。

2.3 混合動力汽車發(fā)展中遇到的問題

由于混合動力汽車電池的電量有限，為了能行駛更長的路程，必須要有正確的駕駛操縱技巧。比如在緩行車道上避免超速行駛；緩慢啟動車輛，輕踩油門踏板；在交通信號燈變燈時，不要把油門踏板踩到底，等待下一個前進信號；遇到前方路況需要制動時，提前剎車,再生制動通過系統(tǒng)把更多的電能補充到電池中。

混合動力汽車的性價比不是很高,而且購買新車時要有一個漫長的等待時間。無論是傳統(tǒng)車輛還是混合動力電動汽車，小型手動擋的車型相對來講都具有更好的燃料經(jīng)濟性，基于這個原因，混合動力車的車身尺寸設(shè)計得相對較小，導(dǎo)致一些身材較高的或者體重較大的人乘坐混合動力車時可能會感覺不舒服和局限感，當(dāng)乘客有很多行李時也會很不方便。

將一個傳統(tǒng)汽車改裝成混合動力車是需增加45～90kg的重量，額外增加的重量會影響制動距離，剎車踏板變得很靈敏, 其再生制動性能不如普通的車輛。除了會增加重量，電池在混合動力汽車?yán)镆矔己艽蟮目臻g，電池通常安裝在汽車后輪的上方，這樣會減少相應(yīng)的行李儲物空間。一些兩箱式混合動力轎車后排座位有一排很長的電池組，這樣也會損失很多車內(nèi)空間[1]。

混合動力汽車的制造成本過高是制約目前混合動力電動汽車推廣應(yīng)用的主要難點。由于混合動力汽車除了要搭載常規(guī)的動力裝置外,至少還需要安裝提供動力源的電池, 其成本不可能降至傳統(tǒng)汽車的水平。因此,混合動力汽車技術(shù)發(fā)展的首要難題是降低成本,這也是今后有待解決的最大課題,特別是必須降低動力電池、電機驅(qū)動系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等的成本[5]。

混合動力汽車具備了良好的燃油經(jīng)濟性，出色的動力性，而且清潔環(huán)保，經(jīng)濟實用。為達到提高車輛的動力性、經(jīng)濟性和環(huán)保性, 需要采用當(dāng)代最先進的內(nèi)燃機技術(shù)深入分析低油耗特性；選擇比功率、比能量和效率最高、扭矩密度最大的電機, 研究它的低速大轉(zhuǎn)矩、效率和再生制動能量回饋性能；經(jīng)過周密分析和試驗研究特性, 選擇最佳各自高性能區(qū)段的組合與疊加。

提高汽車行駛過程中的能量再生利用效率，從汽車制造工藝階段著手, 設(shè)計改進汽車動力系統(tǒng), 滿足汽車再生制動回收要求，加強混合動力電動汽車的可靠性, 解決動力電池的使用壽命和可靠性問題, 是混合動力電動汽車推廣應(yīng)用必不可少的階段[4]。

柴油/電混合動力比汽油/電混合動力提供更好的燃油經(jīng)濟性和低排放量，而且柴油發(fā)動機的扭矩在低轉(zhuǎn)速時會很高,這與汽油發(fā)動機是截然不同的。但是柴油發(fā)動機成本高，電路總成也會花費更多的錢，成本回收很難。因此，柴油/電混合動力將是未來一個很好的研發(fā)項目。

3 混合動力汽車的前景

當(dāng)前混合動力汽車所面臨的技術(shù)問題還有很多。盡管從長遠來看只是一種過渡車型，但混合動力汽車在接下來的20～30年內(nèi)會很有發(fā)展前景。汽車行業(yè)專家預(yù)測，在不久的將來，新生產(chǎn)的汽車中混合動力汽車將占40%以上。同時，其排量低、污染小，也是未來汽車發(fā)展的必然趨勢。

參考文獻：

[1]Allen E.Fuhs.Hybrid Vehicles and the Future of Personal Transportation[M].CRC Press.2009:37～41.

[2]S. Birch. Powertrain: Ultracapacitors meet mild hybrids, Automotive Engineering International,Society of Automotive Engineers[J].Warrendale,2008:36～37.

[3]D. Carney. Electricity drives forward,continuous advances in component design and integration are helping to overcome cost and performance obstacles, Automotive Engineering International, Society of Automotive Engineers[J].Warrendale,2007:48～51.

[4]郝志勇，岳東鵬，李建國.混合動力汽車研究的現(xiàn)狀及未來發(fā)展前景[J].鐵道機車車輛，2003，(11):205～209.

[5]何云信,等.汽車混合動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].裝備制造技術(shù)，2010，(2)：133～134.