替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車方案的真實(shí)能量需求

德W. KLEMENT

因環(huán)境保護(hù)影響，采用燃料電池、蓄電池儲(chǔ)能介質(zhì)、內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)的汽車方案完全替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車方案，目前尚有爭(zhēng)議。計(jì)算汽車所需的真實(shí)能量要以可測(cè)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(shí)地進(jìn)行試驗(yàn)研究。目前，該想法已在德國埃斯林根（Esslingen）大學(xué)的1個(gè)研究項(xiàng)目框架中實(shí)施。

能量需求;排放;替代方案

0 前言

環(huán)保是未來機(jī)動(dòng)車輛重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)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[1]。正如許多研究證實(shí)，地球上的任何能源都是有限的。因此，為應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)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(jī)、且能有效減少車輛尾管排放的汽車方案。為了確認(rèn)替代汽車方案中車輛的實(shí)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(yàn)研究車輛得到真實(shí)能量需求，并對(duì)試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行了分析與評(píng)估[2]。

1 試驗(yàn)汽車和試驗(yàn)條件

替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的汽車方案區(qū)分了蓄電池電動(dòng)車（BEV）和燃料電池電動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)車（HEV）既有電動(dòng)機(jī)又有內(nèi)燃機(jī)，如果可以從外部充電的話，就被稱為“插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車（PHEV）”。表1列出了用于試驗(yàn)的車型。除了以燃料電池為動(dòng)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(yàn)車輛時(shí)，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(gè)很窄的分布帶中。因此，汽車質(zhì)量這個(gè)因素可忽略不計(jì)，試驗(yàn)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(shí)路段作為試驗(yàn)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(shí)間和相同的交通條件下各循環(huán)模式存在的差異（圖1）。同時(shí)，研究人員把所有的能量需求都換算成統(tǒng)一的能量單位kW·h，從而確定了CO2的排放當(dāng)量[3-5]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(yàn)結(jié)果

根據(jù)汽車驅(qū)動(dòng)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(jì)算出汽車行駛所需的功率，以此計(jì)算出車輛驅(qū)動(dòng)所需凈能量，以及可回收得到的功率。如果將這些計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值進(jìn)行比較，則能獲得動(dòng)力總成系統(tǒng)的效率（圖2）。因傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)能量回收不足，得到的數(shù)據(jù)如下：柴油車效率值為274%（計(jì)算值為9.7 kW·h，測(cè)量值為35.4 kW·h）;汽油車效率值為27.8% （計(jì)算值為9.9 kW·h，測(cè)量值為35.6 kW·h）。

研究人員通過試驗(yàn)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(jī)吸收能量的效率較低，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)消耗排放物更多，因此柴油機(jī)更環(huán)保的說法并不成立。此外，正如其他試驗(yàn)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[6]。在試驗(yàn)中，替代了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的新能源車型則具有較好的效率，作為樣車的FCEV效率值達(dá)到410%（計(jì)算值為10.6 kW·h，測(cè)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(dòng)力總成系統(tǒng)效率是最好的，其效率達(dá)到了70.0%（計(jì)算值為9.1 kW·h，測(cè)量值為13.0 kW·h）。搭載了電動(dòng)機(jī)的PHEV效率為44.0%（計(jì)算值為8.3 kW·h，測(cè)量值為18.7 kW·h），其中HEV的效率為316%（計(jì)算值為8.3 kW·h，測(cè)量值為26.3 kW·h）。

圖3示出了相對(duì)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(yàn)中，帶有能量回收可能性的車型和帶充電電池的純電動(dòng)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(jī)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(dòng)方案是最佳的方案。試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)也表明，使用內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行的車輛在行駛功率不同時(shí)所產(chǎn)生的效率也是不同的，BEV和FCEV在部分負(fù)荷時(shí)差異明顯較小。PHEV的電力驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)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(huì)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(jī)的消耗值。

圖4示出了根據(jù)試驗(yàn)車輛在各行駛循環(huán)模型下測(cè)得的能量消耗并計(jì)算出的CO2排放情況。研究人員通過試驗(yàn)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(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，將汽油轉(zhuǎn)換成能量比電力驅(qū)動(dòng)更為有利。BEV在行駛中無疑是環(huán)保的，但從整個(gè)能量鏈來看，BEV并沒有考慮到電池生產(chǎn)時(shí)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(tái)較為嚴(yán)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(duì)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(jī)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(jī)汽車的CO2排放量減少了26%。

3 插電式混合動(dòng)力方案

圖5示出了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(dòng)需要配置2個(gè)電機(jī)，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(dòng)元件，特別是沒有安裝膜片式離合器和疊片式制動(dòng)器，因此PHEV在電力驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下會(huì)有制動(dòng)損失。此外，該方案還消除了系統(tǒng)對(duì)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(gè)用于功率切換功能的行星齒輪組，并且電動(dòng)機(jī)需要1個(gè)固定傳動(dòng)級(jí)的速比。這種結(jié)構(gòu)的變速器控制范圍可與1個(gè)10檔的自動(dòng)變速器相媲美，其效率明顯優(yōu)于已知的串行解決方案[7]。PHEV功率分支結(jié)構(gòu)采用了無級(jí)傳動(dòng)，可以在每種行駛速度下自動(dòng)選擇最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了無滯后的純電動(dòng)起步，且完全獨(dú)立于內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行。這種方案的最大優(yōu)點(diǎn)是“負(fù)荷工況點(diǎn)移動(dòng)”功能，它在應(yīng)用2個(gè)電機(jī)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的接合和斷開并沒有受到任何沖擊，可以實(shí)現(xiàn)無差別的轉(zhuǎn)換。因?yàn)槠囋诔鞘薪煌ㄖ校囕v的瞬時(shí)行駛所需要的內(nèi)燃機(jī)功率是比較大的，而傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)只能在明顯更好的工況點(diǎn)運(yùn)行。采用功率分支方案可以避免部分負(fù)荷工況點(diǎn)效率較差的現(xiàn)象發(fā)生。

在并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，電動(dòng)行駛與內(nèi)燃機(jī)/發(fā)電機(jī)行駛之間的切換可通過大量的控制元件來實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致了調(diào)節(jié)損耗，這是因?yàn)楣β柿鞅仨毻ㄟ^1個(gè)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(shì)。正如試驗(yàn)所示，因?yàn)镻HEV的變速器效率和檔位是固定的，即使采用傳統(tǒng)的動(dòng)力總成來運(yùn)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(huì)對(duì)能量需求產(chǎn)生負(fù)面影響，因?yàn)轭~外增加的質(zhì)量會(huì)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(shì)，但從創(chuàng)新發(fā)展來看，這種并聯(lián)混合動(dòng)力汽車可視為是現(xiàn)有汽車的進(jìn)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(yàn)表明，采用蓄電池、燃料電池和功率分支混合動(dòng)力的方案比采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的方案效率更高。未來汽車都會(huì)采用具有無級(jí)轉(zhuǎn)速和扭矩轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)配置，以適用于所有駕駛需求。當(dāng)汽車的驅(qū)動(dòng)裝置由電動(dòng)機(jī)來支持時(shí)，內(nèi)燃機(jī)將只作為能源供應(yīng)，而不再是“驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)”，這也會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)的標(biāo)準(zhǔn)來看，功率分支結(jié)構(gòu)型式的PHEV是1個(gè)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(jì)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(jī)來驅(qū)動(dòng)。作為目前由電動(dòng)部件與內(nèi)燃機(jī)的最佳組合，該方案只需要1個(gè)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(shí)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(qiáng)制要求。

在所有研究方案中，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力總成系統(tǒng)的效率是最低的。未來的汽車市場(chǎng)還是屬于FCEV，因?yàn)樗殉尸F(xiàn)出了比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更高的能量效率。氫作為綠色能源也符合環(huán)境保護(hù)要求。地球上的不可再生能源將日漸衰竭[8]，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(dòng)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。

[1]BADUR J.Ermittlung der schadstoff-und klimagasemissionen von pkw und leichten nutzfahrzeugen durch WLTP und RDE unter berücksichtigung zukünftiger kraftstoffe und antriebskonzepte[J]. Umweltbundesamt （Hrsg.），2019（27）： 28-31.

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[7]KLEMENT W.Hybridfahrzeug-getriebetechnologie an Beispielen[C]. München： Carl Hanser Verlag， 2017.

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