关于混合动力汽车,你所需要知道的一切

混合动力汽车是通往未来的基石:为了尽可能交通碳中和,汽车行业正逐步向电动汽车转型。然而,纯电动汽车如今依然面临重重挑战。这时,将两种截然不同的驱动系统(即电机和传统的内燃机)结合起来的混合动力汽车就脱颖而出了。

气候变化、碳排放量不断增加:政府间气候变化专门委员会的一项研究表明,所有碳排放中,23%来自交通领域。这也是交通必须实现碳中和的原因——并非在遥远的将来,而是越快越好。因此,我们需要减少对汽柴油发动机的依赖,并最终替换掉化石燃料。目前,电动驱动系统正在逐步替代传统内燃机。

然而,在很多情况下,纯电动汽车依然无法与传统汽车并驾齐驱:续航里程短、电池昂贵(这意味着车价高昂)而且在很多地区充电桩网络并不完善。对此,混合电动汽车交上了一份答卷:它们将电动驱动系统与内燃机结合起来,因此要比纯电动汽车行得更远,与纯内燃机汽车相比,消耗的汽油或柴油更少。

此外,它们还可以满足欧盟等制定的愈发严苛的乘用车碳排放标准。从2021年起,欧盟境内所有新登记汽车需达到95g/km的碳排放目标。2030年,目标值将在此基础上进一步降低37.5%。其他许多国家也同样设定了非常严苛的标准。

混合动力汽车:关键因素概览

什么是混合动力汽车?

“hybrid(混合的)”一词起源于希腊语,意思是“有两个来源”。同理,混合动力汽车就是从两个不同的来源获取动力的,因此它具有不止一个驱动系统:通常是电机和内燃机——一般以汽油为燃料;柴油较为少见。混合动力汽车旨在将两个驱动系统的优势结合起来,然后抵消二者的劣势:

  • 目前,与电动驱动系统相比,使用汽油机或柴油机的汽车的主要优势在于其续航里程。续航里程的不足并非是电机本身造成的,而是其储能单元:电池。电池的效率越高,续航里程就越长。另一大优势在于,与电动汽车相比,内燃机汽车的价格更便宜。但从负面的角度来讲,这些汽车会消耗燃料,产生排放和噪音。而且燃料产生的大部分能量都被浪费了。
  • 使用电机的汽车并不会产生废气或噪声,假如其电力来自于可再生能源,它就不会消耗化石燃料。有了电机,汽车就能更快、更动态地加速。然而,由于使用了电池,电动汽车的续航里程要比内燃机汽车短。而且它们需要使用非常大、也因此更为昂贵的电池。

将这两个驱动系统结合起来,就能在可接受的额外购买成本范围内实现更低的燃耗和排放,增加动态驾驶性能和延长续航里程。电机可以辅助,也可以替代内燃机——特别是在其效率较低时——并在某些情况下,提高性能。

加之政府提出了各种推广计划,因此,混合动力汽车的销量正在逐步增长。欧洲汽车制造商协会(ACEA)的数据显示,2018年,欧盟境内新登记了约70万台混合动力汽车,而到了2019年,这一数字已经超过了100万台。

你知道吗?

你知道吗?

1997年推出的丰田普锐斯是全球首款量产混合动力汽车。但实际上,混合动力驱动系统的出现要早得多:“ Mixte Hybrid”是首款将汽油和电力驱动系统结合在一起的汽车,它由费迪南德·保时捷为豪华客车制造公司K. u. K. Hof-Wagen und Automobil-Fabrik Jacob Lohner u. Co.设计。这辆汽车同时使用了一台16马力的汽油机和一台发电机,它可为电池充电,从而驱动车轮转动。

混合动力汽车如何工作?

混合动力汽车的动力一方面来自于化石燃料,另一方面来自于电能。因此,混合动力汽车至少具有两个储能系统——一个油箱和一个电池组——以及至少两个换能器,即电机和内燃机。其他重要组件还包括一个电控单元,即用于决定何时在两个驱动系统之间进行切换,以及一个逆变器,用于将来自电池的直流转换为交流电,并进行电机控制。

混合动力汽车的各个组成部分

与其他很多组件一样,下述部件也在混合动力汽车中发挥着重要作用:

  • 构成了核心。它具有两个功能:其一,它可在某些驾驶情况下,电动驱动汽车。其二,作为发电机,它可将来自制动的动能转换为电能,然后通过逆变器反馈给电池。这就是我们所说的能量回收。
  • 内燃机是传统的驱动系统,其能量主要来自汽油或柴油。它在最佳工作点以恒定速度运转时,效率特别高。
  • 控单元将电机和内燃机连接起来,然后根据驾驶时的最有效驱动方式,自动切换至最佳驱动系统。电子功率流管理可确保汽车高效运行。
  • 连接起了电池和电机。功率电子器件可将电池的直流电压转换为高频交流电压,从而形成电磁场,用于电机发电。
  • 负责为电机供电。在混合动力汽车中,锂离子电池与电池管理系统协同运作。除轻混合动力汽车(48V电池)之外,其他均使用高压电池。
  • 油箱负责储存化石燃料,即汽油或柴油。汽车的续航里程取决于油箱的大小。

混合动力汽车的电池如何充电

混合动力汽车通常会在行驶过程中,产生电能,并为电池充电。和纯电动驱动系统一样,混合动力汽车中的电机也起着发电机的作用。在制动或惯性滑行过程中,也就是汽车没有使用动力行驶时,它会将动能转换回电能——也就是我们说的“能量回收”。假如驾驶的是串联混合动力汽车(见下),则内燃机还充当发电机来发电。只有插电式混合动力汽车能另外通过充电桩充电。

当不同驱动系统在混合动力汽车中运转时

大多数混合动力汽车都可以在两个驱动系统之间自动切换,或让它们一起运转。这主要取决于具体的驾驶情况。比如,当汽车以恒定的高速行驶时,电控单元便会切换到内燃机模式。这个时候,内燃机的运转特别高效地。

又比如,当在斜坡上驾驶或超车时,两个驱动系统便可组合运转。在这种情况下,需要在短时间内用到动力增强器,电机可有效补充内燃机的动力。

在很多混合动力汽车中,电机自身就可以驱动车辆,在这种情况下,不会耗油。由于电机即使在低速时也具有高效率,因此特别适用于启动和低速运转。

采用并联混合动力配置(见下)的汽车的典型驾驶情况如下:汽车启动时,只有电机运转。随着汽车加速,内燃机启动。它通常在高速公路上运转。假如驾驶员踩刹车或让汽车惯性滑行,则动能会被捕获并储存在电池中,然后在需要时供给电机使用。

混合动力汽车分为哪些类型呢?

混合动力汽车的两个驱动系统能够以不同的方式一起运转,其驱动类型也可以有不同的权重。

微混合动力汽车、轻混合动力汽车与完全混合动力汽车

不同类型的混合动力汽车有着不同的电气化水平。德国汽车协会(ADAC)研究表明,与内燃机汽车相比,混合动力汽车可节省15-25%的燃油,插电式混合动力汽车则更多。

微混合动力汽车
微混合动力汽车利用自动启停系统,来回收制动能量,然后储存到典型的12V启动器电池里。然而,该汽车仅由内燃机驱动,这就解释了为何在许多驱动分类中,微混合动力系统未被划入混合动力之列。换言之,微混合动力汽车就是带有内燃机驱动系统和设计精密的驱动电子器件的汽车。节油水平较低。

轻混合动力汽车
与微混合动力汽车相反,轻混合动力汽车(MHEV)的驱动系统装有一个电机,但它无法独立运转,必须用来辅助内燃机。比如,在加速期间,增加发动机的功率。除了常见的12V电池,轻混合动力系统还装有一个48V电池。由于电压增加,与微混合动力系统相比,它可回收更多的制动能量。由于电机可以更频繁、更久的停机,自动启停系统的效率得到了提高。与传统的内燃机汽车相比,轻混合动力汽车可节省高达15%的燃料。

完全混合动力汽车
完全混合动力汽车(FHEV)具有一台电机和一台内燃机,二者灵活且智能地协作。它还可实现纯电动驾驶,但通常只适用于数英里的短途驾驶。不同于轻混合动力汽车,完全混合动力汽车没有额外安装48V电池,但它具有上百伏的高压牵引电池。电机的功率也比轻混合动力汽车高。德国联邦环境署表示,与纯内燃机汽车相比,完全混合动力汽车可节省20%以上的燃油。

插电式混合动力汽车

插电式混合动力汽车(PHEV)是对完全混合动力汽车的进一步发展。其与众不同的一点在于,除了动力回收,它的电池还可在充电桩或壁式插座上充电,这就是“插电式”混合动力汽车命名的来源。

与完全混合动力汽车相似,插电式混合动力汽车也安装了高压电源,不过它更大、效率也更高。举个例子,在纯电动模式下,续航里程达70公里(约44英里)及以上(具体取决于汽车型号)。得益于此,许多通勤人员便可在日常通勤过程中不产生任何排放。与可比内燃机汽车相比,插电式混合动力汽车的标准油耗要低35%。不过能否在现实路况条件下实现该数值,很大程度上取决于驾驶员是否定期充电以及能否真正发挥汽车的节油潜力。同时,还要考虑季节性波动,因为冬季的低温会缩短电池的续航里程。

串联式混合动力汽车与并联式混合动力汽车

除了按照电气化水平分类,我们还可以按照混合动力汽车的构造进行划分。当前,最常见的是并联混合动力汽车,它涵盖了上述轻混合动力汽车、完全混合动力汽车以及插电式混合动力汽车。市面上常见的还有串联混合动力汽车,功率分流式混合动力汽车是二者的结合。

并联式混合动力汽车
并联混合动力汽车具有两个驱动系统,即电机和内燃机。二者都能驱动汽车前进,并与驱动轴相连。它们可根据需求进行部署:汽车可以由纯电动驱动、纯内燃机驱动,也可将二者结合使用。使用这类驱动系统时,电机和内燃机的功率之和为总功率。

串联式混合动力汽车
串联式混合动力汽车装有一台电机和一台内燃机,但只能有一个驱动系统。其动力来源是串联的:通常情况下,电机驱动汽车前进,内燃机为电池发电。其动力来源并非机械连接。

这类混合动力汽车还使用了增程器概念。简言之,就是内燃机在电池没电的时候,仅作为发电机来为其充电,直到汽车抵达充电桩为止。

功率分流式混合动力汽车
并联和串联混合动力驱动系统也可以组合到一辆汽车中。使用功率分流式混合动力汽车时(也称串联-并联混合动力汽车),驾驶员可从这两个驱动系统中择一使用。

混合动力汽车:优势与劣势

混合动力汽车有何优势?

与仅使用内燃机的汽车相比,采用混合动力驱动系统或纯电机的汽车的优势如下:

  • 混合动力汽车在某些行驶状态和类型下,可使用最佳驱动方式,比如在城市或乡村道路上。
  • 油耗降低15-50%(具体取决于汽车类型),尤其是在频繁启停的城市交通中。
  • 降低油耗,纯电动模式在某些情况下可以实现减排。
  • 驱动效率更高,由于可以捕获和利用制动和惯性滑行所回收的能量,因此,与汽油机或柴油机相比,能耗更低。
  • 由于续航里程比纯电动汽车长,因此可以行驶更长的距离
  • 与传统驱动系统相比,加速能力提高10-20%。内燃机需要更快的速度,来获得更大的扭矩。而使用电机时,启动时扭矩就很大。
  • 除了插电式混合动力汽车,其他车辆无需充电——因此,驾驶员无需寻找充电桩。

混合动力汽车有何劣势?

与内燃机汽车或纯电动汽车相比,混合动力汽车也存在一些劣势:

  • 由于双驱动技术的设计十分复杂,因此混合动力汽车的价格比内燃机汽车高。不过,从长远来看更低的油耗能够抵消这一缺点。
  • 由于有两个动力来源以及增加了电池,混合动力汽车更重。在某些情况下,即只有内燃机在运转时,油耗会更高。
  • 增加的电池会占用一定空间。这意味着后备箱要比传统汽车小。
  • 插入式混合动力汽车的总碳足迹取决于给电池充电的电能——使用的绿色电能越多越好。
  • 与纯电动汽车相比,混合动力汽车依然依赖化石燃料,会产生碳排放。

英飞凌对混合驱动系统的贡献

和往常一样,在发电、储电和电力转换的过程中,微电子技术发挥着重要作用。其中,传感器负责测量各种参数,微控制器负责做决策——比如系统中的某个部分何时应当有电流流过,何时不应有电流流过。功率半导体负责执行这些决策。电子器件运作时的智能和效率程度会对汽车的续航里程、性能和成本以及(使用插电式混合动力汽车和全电动汽车时的)充电时间产生重大影响。

英飞凌很早就开始专门针对电动汽车和混合动力汽车开发半导体产品。现已是领先的电动汽车芯片提供商。英飞凌汽车电子事业部副总裁兼高功率业务线总经理Stephan Zizala表示:“本世纪,全世界大多数新生产的汽车都将实现部分或完全电气化。”因此,英飞凌也在相应地提高产能。比如在奥地利菲拉赫,英飞凌斥资16亿欧元建造用来生产混合动力汽车和电动汽车以及其他应用所需功率电子器件的新工厂。

英飞凌还致力于技术创新,旨在打造功能更加强大、效率更高的电子器件。碳化硅等新型半导体材料的应用就是一个例子。与传统硅芯片相比,由碳化硅制成的芯片能够给某些应用带来更高的功率和能效。在给混合动力汽车充电时,能够降低能耗,并增加电动汽车的续航里程。

重要问答概述

插电式混合动力汽车指的是同时配备了内燃机和电机的汽车。与其他混合动力汽车不同,它不仅能通过制动和惯性滑行时的能量回收来充电。如有需求,它还可通过充电桩或壁式插座充电,这也是将其命名为“插电式”混合动力汽车的原因。由于电池比其他混合动力汽车大,因此,其续航里程要比纯电动汽车长——一般为50公里,某些汽车甚至能达到65公里。

驾驶员更适合驾驶轻混合动力汽车、完全混合动力汽车还是插电式混合动力汽车,要视具体情况而定。在驾驶插电式混合动力汽车时,驾驶员可期待利用纯电力,来行驶更长的距离。其电池可以通过充电桩或壁式插座充电。而其他混合动力汽车则无法实现这一点:其电能只能通过能量回收和内燃机而获得。纯电动运行时,只能短距离行驶。此外,电机提高了内燃机的效率。

所有的混合动力汽车都是通过能量回收来获得电力的:由制动和惯性滑行产生的动能并未完全消失;部分动能被转化为电能,并储存在电池中。这与传统的内燃机汽车相比,是一个很大的优势。同时,汽油或柴油发动机的动力也可以用来发电。插电式混合动力汽车还可以在家或者通过充电桩来充电。

混合动力汽车可以进行长途驾驶。但由于城市驾驶中的频繁制动才是其电力的主要来源,因此这时,这个组合驱动系统的优势就没那么明显了。此外,汽车启动时,电机会专门辅助内燃机。车速较慢时,一些混合动力汽车也可以纯电动行驶。通常而言,由于混合动力汽车增加了电机,其油箱要比纯内燃机汽车小。因此,混合动力汽车携带的燃油较少,缩短了长途驾驶时的续航里程。

有些混合动力汽车能够进行纯电动短途驾驶,比如在城市里。这时,不会消耗化石燃料。然而,如果驾驶员没有频繁制动的话,就无法回收很多动能,这时,内燃机就不得不上场了。如果主要是短途驾驶的话,那么纯电动汽车可能更合适,因为它可以在充电桩充满电。如果这辆车还不得不跑长途的话,那么插电式混合动力汽车更为合适。

最后更新日期:2020年6月

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