主题：【原创】谈谈油电混合动力汽车 -- 北田

说了那么多理论，还是用个例子来说明油电混合动力比常规动力的优势。

假设每天俺要开着俺的老CARMY上班，行车时间约40分钟，其中5分钟开出小区，10分钟在 local,10分钟在HIGHWAY上飞驰，5分钟被堵在HIGHWAY， 下来后再堵10分钟到公司。

CARMY参数： 发动机2.4l.I4,

动力性能：

1， 怠速700 rpm，

2， 最大转矩时的转速 Te=187NM/4400rpm,

3, 最大功率时转速, Pe= 110KW6000 rpm

4, 最佳燃油效率的转速范围是 2800-3100 rpm.

看看老CARMY的发动机是如何工作的。

五分钟行驶在小区内，时速不到20KM/H，发动机转速700-1500RPM，有三个STOP。

十分钟在LOCAL，时速60KM/H，发动机转速2200RPM，有一个红灯，不一定停。

十分钟在HIGHWAY，时速100KM/H，发动机转速3000RPM。

五分钟堵在HIGHWAY，时速40KM/H，发动机转速2000RPM

从HIGHWAY下来，再堵十分钟到公司，差不多是爬过去，一脚油门，再一脚刹车，时速10KM/H，发动机基本上处于怠速。

所以在整个行驶过程中，发动机只有1/4时间处于最佳燃油状态。其于的30分钟，有十分钟是怠速，效率最低，十分钟20-40KM/H，效率很低，十分钟，车速在60KM/H，效率稍高一点。理论油耗与实际值的差别可想而知了。

再换一辆PRIUS开，与CAMRY对比一下过程，

PRIUS启动后，在低于40KM/H的状态下，以纯电机驱动车辆，在小区行驶。每次在STOP前刹车，动能回馈电池。如果电池电量不足够，发动机马上给电池充电， 并处于最佳燃油效率状态，4200-5000RPM，随后关断。

十分钟在LOCAL，时速60KM/H，此时驱动由电机与汽油机间隔驱动车辆，能量管理设备会调整电机与汽油机输出功率分配，使汽油始终处接近最大功率运行状态，基本上以最佳燃油效率运行。

十分钟HIGHWAY，汽油机完全以最大功率运行，并且始终处于最佳燃油效率状态。如遇高加速或长上坡时，电机辅助汽油机运行。

五分钟堵在HIGHWAY上，电机运行，汽油机关断。

十分钟爬在到公司的路上，纯电机运行，汽油机按需要启动充电，并始终在最佳燃油状态。

整个四十分钟运行过程，汽油机的燃油效率始终处于最高状态，而在PWM与双闭环系统控制下，电机运行效率可>90%。

刹车能量完全回馈电池，刹车时，汽车的动能会通过发电机以电能方式存储在电池中，然后在下次加速时提供给电机，比机械式刹车能量通过摩擦，完全转化为热能浪费掉要节省。所以燃油总效率要比常规动力高得多。

这里还没有更细致比较加速过程，这一过程中，CARMY 加速时，汽油机负载是整个车辆的加速负载，由于汽油机的低速低转矩，必须由传动齿轮箱不断切换变速比来维持相应的转矩，所需时间长。而PRIUS的汽油机加速时几乎是空载，电机利用低转速高转矩特性完全承担车辆加速负载。所以这一过程比CARMY短得多，燃油消耗自然更少。

谈到油电混合动力汽车，大家就会想到省油，广告上不就将其作为卖点嘛。

但实际上油电混合动力带来的并不仅仅是刹车时的节能，它还有更多的特点，并且其电力驱动技术将彻底改变现有汽车的结构性和安全性，甚至于是汽车新的使用方式，这将是汽车发明百年后的一场新的汽车革命的开始。

概括来说，油电混合动力的主要特点有三点：

1，节油

2，高加速性能

3，低污染排放

既然要谈油电混合动力的特点，那应该有个对比, 比较一下与常规纯燃油动力的性能差别。

今天的汽车常规动力指的是汽油机和柴油机，不过作为家用车，汽油机占大多数。

汽油机的动力性能是指发动机的曲轴转速，曲轴输出转矩，和发动机功率之间的关系，通常用图来表明。

其中转速与转矩是独立的，而功率是转矩与转速的乘积。

对于每种发动机，通常都是以节气门开到最大时的图为标准图的。

下图表明了发动机的转矩，功率与转速的关系。

1，最小转速不可能为零， 而是怠速，不然发动机就熄火了。

2，转速升高，转矩与功率都会增加。

3，转矩达到最大后，开始减小，但功率依然增加。

4，可以找到最大转矩与最大功率时的转速。

5，最大转矩的转速范围很小

从动力性能上来说，汽油机并不是一种理想的车用动力。因为汽车的速度与加速度经常要变化，而汽油机的转速转矩性能与其要求是相反的。

当汽车启动后，起步加速，希望最大转矩，但此时发动机转速只比怠速高一点，转矩很小，如果直接拖动汽车，发动机会熄火。 所以必须用齿轮箱增大速比，将转矩放大，来拖动车子加速前进。随着发动机转速提高，发动机转矩也增大，如果想维持稳定速度，发动机转矩就要平稳，但实际上转矩会随着转速增加而增加， 所以只能依靠齿轮箱降低变速比，维持转矩稳定。

简单地说，常规动力的汽油发动机，其转矩是该大的时候不大，该小的时候不小，要让他配合汽车驱动需求，必须用齿轮箱，离合器来拉平输出转矩。

当然不能只看动力性能， 燃油效率也很重要。

目前所使用的内燃机几乎都是基于“奥托循环”（Otto Cycle），它包括吸气、压缩、做功和排气四个冲程。当活塞运行到每个行程止点时气门打开或关闭。奥托循环发动机的优势在于用相对简单的机构和运动实现了较高的热力效率（汽油燃烧的热能转化为机械能）、较高的升功率和可靠性。

汽油机也是内燃机，其燃烧是汽油与空气的混合气体， 要使燃烧效率达到最高，理想的油气混合比为14.3, 这意味着每完全燃烧1克燃油，需要消耗14.3克空气。

但在整个发动机性能曲线图上，不可能始终保持到理想值。因为发动机的气门由凸轮驱动，凸轮的形状决定了气门开关的时间和行程(幅度)。一般发动机气门开关的时间和行程是固定不变的，而这种情况不能最大限度地发挥发动机的潜力。

首先，发动机处于低转速时，为了与较慢的燃烧速度相匹配，混合气进入汽缸的速度应该慢一些，进气量小一些，所以，此时理想的气门叠开角和进气门行程都应该比较小；而当发动机处于高转速时，为了让发动机产生高功率，理想的气门叠开角和进气门行程都应该比低速时更大一些。但是常规发动机的凸轮设计是固定的，气门叠开角和进气门行程只能在理想的最大与最小值之间选一个折中值。于是发动机在低速时，由于气门叠开角比理想值大，新鲜混合气就可能被废气带走，造成油耗增加；而在高速时，由于气门叠开角和进气门行程比理想值小，从而限制了发动机所能达到的最大功率。

所以在发动机燃油效率最佳点，发动机的输出功率值大约为其额定功率40％左右，就是红线转速的40％～45％ 通常这一数值就是能让汽车在水平道路上以100KM/H匀速行驶所需的功率。然而实际情况下，绝大部分时间，发动机都并未工作在最佳燃油状态 。

还有排放，

理想情况下，所有燃油充分燃烧。 但在低速时，并且高加速工况下，发动机通常需要浓混合气体，既过量燃油，以提高功率响应 ，这也导致燃烧不充分，排放物会超标。

所以汽油机作为汽车动力是先天不足， 当年老戴，老奔，老福也是实在是没的可挑了。电机可能老爱才搞出来，而以计算机与集成电路为核心的电机控制系统， 还要100年后才能见到。可怜啊！近百年以来，无数汽车人都为了修补这些先天不足缺陷而工作。

理想的汽车动力应该是能够在整个调速范围内做到恒转矩，也就是说无论转速大还是小，转矩都能保持不变，并且能耗效率始终保持最大。

能做到这一点的， 只有电机了。

下面是电机性能曲线图，多少汽车人为了将内燃机性能近似于它而明知不可为还是要为却总是为不成。

今天油电混合动力所用的驱动电机都是永磁式交流同步电机，这也是一种电子换向器的直流电机。特点是性能如同直流电机，调速精度高，同步性好，因为要与汽油机输出轴同步，而后者在不断变速。电压为500V直流，通过逆变器转成频率可调的交流电，其频率就是电机转动速率。

图是PRIUS的电机性能图，参数如下

Maximum voltage: 500 V;

Maximum output: 50 kW/ 1200 - 1540 r.p.m.;

Maximum torque: 400 N.m / 0 - 1200 r.p.m.

从中看出其性能相比于汽油机的优势，

1，从0-1200转每分钟， 都可以采用最大恒转矩调速，最大转矩400NM。

BMW 328I的汽油机动力将转矩做到200NM/2750RPM，这恐怕是家用纯机械动力最好的性能了，但跟PRIUS相比，还只是小儿科， 它的交流同步电机能轻易地输出400NM并且还是在0~1200RPM恒转矩， BMW在这一范围内恐怕连车都拖不动。

2，从1200-1540 转每分钟， 恒功率调速， 最大功率为50KW。

再看看PRIUS车的汽油发动机

Maximum power output: 57 kW (77 PS)/5,000 r.p.m

Maximum torque: 115 Nm (11.7 kgm)/4,200 r.p.m.

采用了阿特金森循环（Atkinson Cycle）取代了常规的奥托循环，以获得更高的燃油效率，比后者高10%。汽油机只是满足缓加速和爬缓坡的要求， 并在当蓄电池能量不足时，利用发动机充电以保证其充电容量 。当要求急加速的时间很短或爬较长的陡坡时，利用储存在蓄电池中的电能驱动电动机提供辅助动力 。这样油电混合动力就能充分利用汽油机的大功率长时间稳定运行，而在短时间的不稳定（加速），则可利用电机的调速优势与其互相补充。

在设计时，将发动机的工作区间设定为发挥最佳燃油经济性，能够保证在通常驾驶情形下发动机始终处于最佳燃效状态。这种设计比常规汽油机动力大幅度节省了储备功率，并使发动机总是处于接近峰值功率而不像传统的有级齿轮变速器 。 其燃油效率比常规发动机更高，并且燃油能充分燃烧，具有更低度的排放。