替代傳統內燃機汽車方案的真實能量需求

德W. KLEMENT

因環境保護影響，采用燃料電池、蓄電池儲能介質、內燃機或電動機的汽車方案完全替代傳統內燃機的汽車方案，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，所有這些方案應在相同條件下，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）大學的1個研究項目框架中實施。

能量需求;排放;替代方案

0 前言

環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起處理這些污染物排放的責任[1]。正如許多研究證實，地球上的任何能源都是有限的。因此，為應對日趨嚴苛的排放控制政策，研究人員須開發出可替代傳統內燃機、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）大學汽車技術學院開發了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，并對試驗研究結果進行了分析與評估[2]。

1 試驗汽車和試驗條件

替代傳統內燃機的汽車方案區分了蓄電池電動車（BEV）和燃料電池電動車（FCEV）。BEV是需要外部充電的汽車，FCEV是借助于燃料電池發電的汽車。混合動力電動車（HEV）既有電動機又有內燃機，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）”。表1列出了用于試驗的車型。除了以燃料電池為動力系統的車輛采用樣車外，其他車型均為量產汽車。在選擇試驗車輛時，研究人員首先關注的是車輛的質量，將所有汽車質量平均值的百分比偏差放置在1個很窄的分布帶中。因此，汽車質量這個因素可忽略不計，試驗結果可直接追溯到相應的汽車方案。

研究人員選擇了環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”、“長途循環”和“高速公路循環”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模式存在的差異（圖1）。同時，研究人員把所有的能量需求都換算成統一的能量單位kW·h，從而確定了CO2的排放當量[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 試驗結果

根據汽車驅動裝置的不同，研究人員通過車輛原有數值、速度曲線、駕駛性能等計算出汽車行駛所需的功率，以此計算出車輛驅動所需凈能量，以及可回收得到的功率。如果將這些計算結果與測量值進行比較，則能獲得動力總成系統的效率（圖2）。因傳統內燃機能量回收不足，得到的數據如下：柴油車效率值為274%（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現，盡管每升柴油的能量增加了0.9 kW·h，但由于內燃機吸收能量的效率較低，柴油發動機消耗排放物更多，因此柴油機更環保的說法并不成立。此外，正如其他試驗結果那樣，緊湊型汽車在能量需求和環境污染方面并沒有顯示出明顯的區別[6]。在試驗中，替代了傳統內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410%（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展前景。同樣，研究人員也發現，BEV的動力總成系統效率是最好的，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316%（計算值為8.3 kW·h，測量值為26.3 kW·h）。

圖3示出了相對于BEV的各行駛循環模式推導出的能量需求，值得關注的是在城市行駛循環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內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動方案是最佳的方案。試驗測量數據也表明，使用內燃機運行的車輛在行駛功率不同時所產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的電力驅動和內燃機驅動是混合使用的，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內燃機的消耗值。

圖4示出了根據試驗車輛在各行駛循環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現，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據表明，將汽油轉換成能量比電力驅動更為有利。BEV在行駛中無疑是環保的，但從整個能量鏈來看，BEV并沒有考慮到電池生產時所產生的能量消耗和排放，因此BEV的能量轉化并不是太好。在當前各國陸續出臺較為嚴苛的CO2排放限值的框架下，BEV更有利于環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的FCEV非常有意義。傳統內燃機汽車的CO2排放量比PHEV和BEV的CO2排放量多了60%，而HEV的CO2排放量比傳統內燃機汽車的CO2排放量減少了26%。

3 插電式混合動力方案

圖5示出了PHEV的2種結構方案的比較。在PHEV功率分支方案中，PHEV驅動需要配置2個電機，相應在此結構中取消了許多組成元件，比如沒有布設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在電力驅動的狀態下會有制動損失。此外，該方案還消除了系統對這些轉換部件的控制及諸如電磁閥等靈敏部件的控制。PHEV功率分支的結構至少需要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。這種結構的變速器控制范圍可與1個10檔的自動變速器相媲美，其效率明顯優于已知的串行解決方案[7]。PHEV功率分支結構采用了無級傳動，可以在每種行駛速度下自動選擇最佳的發動機運行工況點，從而實現了無滯后的純電動起步，且完全獨立于內燃機運行。這種方案的最大優點是“負荷工況點移動”功能，它在應用2個電機時，內燃機的接合和斷開并沒有受到任何沖擊，可以實現無差別的轉換。因為汽車在城市交通中，車輛的瞬時行駛所需要的內燃機功率是比較大的，而傳統的內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象發生。

在并聯結構中，電動行駛與內燃機/發電機行駛之間的切換可通過大量的控制元件來實現，這導致了調節損耗，這是因為功率流必須通過1個分離離合器來轉換。因此，并聯結構在性能上并沒有任何優勢。正如試驗所示，因為PHEV的變速器效率和檔位是固定的，即使采用傳統的動力總成來運行，其結果也不太理想。此外，并聯結構的PHEV因其車輛質量增加了約300 kg，這會對能量需求產生負面影響，因為額外增加的質量會使車輛在行駛中產生較大的阻力。從技術上分析，并聯結構的PHEV方案在能量消耗和環保性方面尚不清楚是否具有優勢，但從創新發展來看，這種并聯混合動力汽車可視為是現有汽車的進一步發展。目前，關于PHEV的研究都忽視了不同結構PHEV的區別，這是1種誤導。

4 總結

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內燃機的方案效率更高。未來汽車都會采用具有無級轉速和扭矩轉換的驅動配置，以適用于所有駕駛需求。當汽車的驅動裝置由電動機來支持時，內燃機將只作為能源供應，而不再是“驅動發動機”，這也會使發動機出現不同的轉速變化特性。以目前汽車性能相關設計的標準來看，功率分支結構型式的PHEV是1個幾乎完美的解決方案。研發人員根據日常行駛里程能計算出相應的蓄電池容量。如果行駛里程較長，可用效率較高的內燃機來驅動。作為目前由電動部件與內燃機的最佳組合，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系統并實現繼續行駛，那么原來須配套的基礎設施，如充電樁等將不再是強制要求。

在所有研究方案中，傳統內燃機的動力總成系統的效率是最低的。未來的汽車市場還是屬于FCEV，因為它已呈現出了比傳統內燃機更高的能量效率。氫作為綠色能源也符合環境保護要求。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電能來制取燃料（E-燃料）作為車輛驅動新燃料的設想，因過高的能量需求而限制了其推廣應用。

[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.

[2]MNSTERMANN M， MLLER M. Forschungsprojekt FZM “re-

alverbrauch unterschiedlicher antriebskonzepte 2019”hochschule esslingen fakultt fahrzeugtechnik[C].interner Bericht， Esslingen，2019.

[3]Entwicklung des CO2-emissionsfaktors für den strommix in deutschland in den jahren 1990 bis 2019[OL].http：//de.statista.com/statistik/daten/studie/38897/umfrage/co2-emissionsfaktor-fuer-den-strommix-in-deutschland-seit-1990/.

[4]Energiedichte[OL].http：//www.chemie.de/lexikon/Energiedichte.html.

[5]Energy density DE[OL]. http：//www.de.wikipedia.org/wiki/Energiedichte#/media/File： Energy_density_DE.svg.

[6]LANGE M， HENDZLIK M，SCHMIED M. Klimaschutz durch tempolimit[J]. Umweltbundesamt （Hrsg.），2020（38）：18.

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

[8]GAUKEL J， HOLLER C. Erneuerbare energien ohne heie luft[C]. München： Oekom Verlag， 2018.