日内瓦车展显示的新能源汽车技术进步

文章来源: 中国赤浪绿色新能源网 发布时间: 2012-11-01 10:02:14

以普锐斯为代表的丰田混合动力车迄今市场销售已达303.87万辆。其中,普锐斯的全球销量为218.55万辆。如果仅以2009~2010年美国、日本、欧洲的混合动力汽车的销售总量来计算,丰田的混合动力车占了77.2%的市场份额。

如果把1998年作为新能源汽车投放市场的标志性年份,那么在这12年间全球各大汽车公司都开发了很多新能源汽车技术和产品,而在本届日内瓦车展有了一些集中性的表现。

在这一发展过程中,全球各大汽车公司开发的新能源汽车技术在最近几年出现了一些新的发展趋势。

插电式混合动力车大行其道

 

为了在提高汽车节能减排效果的同时,提高行驶里程,显然采用插电式(或称增程型)的动力模式是较好的选择。

严格地说,无论是插电式或者是增程型,其本质依然是油电混合动力,只不过增加了外接电源充电的功能。有了该项功能,可以把原先汽车一定行驶里程所消耗一次能源(燃油),通过蓄电池的储能功能,转变为比较清洁的二次能源(电能)。同时为了使这个替代功能完成的更好,普遍采用了能量密度更高的锂离子电池,而原来立下了“汗马功劳”的镍氢电池已逐渐退出。以第三代普锐斯为例,由于更换了锂离子电池,其能量比原先增加了4倍。如果按体积来算,则能量密度增加了3倍。

原先用于手机、电脑的锂离子电池被新能源汽车采用之后,其发展前途得到了极大的扩充。预计到2015年的需求量将达到1亿kWh。在这种需求的强烈刺激下,美国、韩国、日本和中国的企业纷纷投资建厂,制定了规模庞大的发展计划。

在插电式混合动力车中最具代表性的车型,就是目前已在美国销售的Volt。通过动力分配系统的排列组合,Volt已具有多种行驶模式:

第一种为其所配置的111kW的大功率驱动电机,以纯电动模式行驶;

第二种为高速状态下,由另一台55kW电机参与驱动,从而在增加驱动力的同时,也适当降低主驱动电机的转速,以提高效率;

第三种为发动机带动55kW电机为蓄电池充电,同时主驱动电机继续工作;

第四种为发动机与主驱动电机共同工作产生更大的驱动力,同时将剩余动力带动发电机充电。

丰田普锐斯第三代插电式混合动力车问世的同时,还诞生了其另外两款姐妹车:尺寸更大一些的Prius V面包车、适应城市道路功能的Prius C概念车。这两款车型都将于今夏和明春分别上市。

三菱汽车也将2015年度之前推出8款插电式混合动力车和纯电动汽车。

混合动力传动机构中配置离合器

普锐斯是最早采用混联模式的量产混合动力车。其动力总成系统均通过行星齿轮机构来实现发电机、电动机,以及发动机的连接和变速。但传统的连接方式,在行驶过程中发动机与驱动电机是联通的,当发动机输出功率已足够满足行驶要求时,驱动电机在行星齿轮机构的外齿轮带动下依然工作,因此造成了能量的浪费。同样,如果仅依靠电动机就足够驱动车轮实现纯电动模式时,但因为存在着发动机的阻力矩,从而消耗了电动机的部分扭矩。

因此不少汽车厂家在动力传动分配系统中,设计添加了离合器。虽然依旧是通过行星齿轮机构来传递动力,但因分别在发动机与发电机、电动机的连接处增加了离合器,从而提高了控制功能、避免了不必要的燃油浪费,延长了纯电动模式的行驶距离。目前日产Fuga、本田Inspire(相当于中美市场的Accord)、福特C-MAX等车型都采用了这种技术。

通用雪佛兰Volt通过设置三个离合器连接发动机和两台电机。

 

这种增加离合器的连接方式,不仅在混联模式的汽车中使用,即便是在使用一个电机的并联混合动力车中,也解决了可单独以纯电动模式行驶的问题,如奥迪A6、保时捷卡宴等并联混合动力车。但也有坚持不配离合器的,如本田新发表的Civic,以及Insight、飞度等都是采用发动机与电机直接相连的设计。

自动变速器改装的混合动力系统

这是一种可将自动变速器中的变矩器和离合器置换成电机和另一型式离合器的油电两用动力分配系统。它是混合动力系统传动机构加装离合器的又一种表现形式。其优点是除了以上零部件的置换以外,基本无需再作任何其它改动,即可成一种新的混合动力系统。电机的转速仍可通过多速自动变速器进行调整,改变了使用传统行星齿轮机构的模式。通过8档变速可使速比变化更细腻,从而使动力系统的输出效率和燃效更高。这种传动系统模式的改变,其最大的优点在于零部件通用化层度高,改装费用低,而改装后的重量保持原配套水平。

采用由ZF 8速自动变速器改装的混合动力车,有大众途锐、奥迪A6等德系车。

配合起停装置的怠速启动器

一般认为目前正在准备大规模推广的发动机起停装置(Stop-Start)是一种改装简单、花费少,且对怠速时的节能减排有明显效果,且有能量回收功能的微混合动力系统。同时这种微混合动力汽车能比较适应当下对“节能汽车”所实施3000元政府补贴的政策。据了解,国家有关部门正准备制订法规,把怠速状态下的起停装置作为乘用车的标准配置。因此博世公司已在江苏无锡建有百万套起停装置生产能力的工厂,相信不久将可以为国内生产的乘用车配套。韩国起亚在是届日内瓦车展展出的1.1L排量Rio车就装备这种具有“起停功能”的配置。其CO2排放只有85g/km,大大低于欧盟现行标准的规定值。

为了使这种起停装置使用时反应更加“敏捷”,改善驾驶者在发动机燃料供给停止后,重新启动时所感到的“滞后感”,日本电装公司开发了一种能依靠飞轮旋转惯性重新启动发动机的启动器。改变了原先采用起动电机向发动机一侧推出小齿轮,通过其与发动机环形齿轮(飞轮)的啮合帮助发动机启动,并且通过一个单向离合器,解决“滞后感”的装置,使得发动机即便在惯性旋转中,也能与起动电机前端推出的小齿轮平顺啮合。

纯电动车有后来居上的趋势

国际汽车界对待汽车的节能减排显然存在不同的技术路线。以美国为代表的纯电动车和插电式混合动力车产品发展路径的特点最为鲜明。Volt成为了一面旗帜。近两年奥巴马总统的几度讲话中明确提出了2015年发展100万辆电动车的目标,并且在2月份的国情咨文中更明确取消了对燃料电池车和清洁柴油车的支持。虽然以普锐斯为代表的混合动力车在美国市场已销售了几十万辆,但作为其本国产品,并不发展这项技术。美国政府和其州政府的补助对象为零排放汽车(ZEV)。目前,ZEV法案已经被美国13个州采用。

日本自从最近日产Leaf大张旗鼓上市以来,似乎出现了混合动力和纯电动车并举的态势。Leaf的出现,大有与普锐斯争夺新能源汽车“旗手”之势,并带动了其它日本厂商发展电动车的趋势。

欧洲正在从执意发展清洁柴油车的“孤立主义”中慢慢走了出来,混合动力车和电动车都有了明显的进展。

在本届日内瓦车展中,大众展出了6座小型电动休旅概念车,和大众GO纯电动概念车;雷诺展出了Kangoo Van Maxi Z.E商用电动车;保时捷和西亚特展示了混合动力车。就连劳斯莱斯也展出了102EX电动汽车的研究车,并将于今年交付客户进行评测。

在我国,由于决策部门更倾向于应用更为清洁的二次能源,因此在政策优惠的倾向中,电动车占有极大的上风。两级政府的补助加起来甚至超过了10万元。而混合动力车只有“节能汽车”的区区3000元补助。因此从政策层面来看,电动车一面倒的趋势非常明朗。

概括起来看,全球的电动车(含插电式)发展趋势似乎更强于混合动力车的发展。

目前纯电动车的发展有两种代表作。一种是以美国特斯拉(Tesla)为代表的装配40kWh的大容量电池。续驶里程在200km左右的Model S。但其售价高达5.74万美元。为了减少因为装载电池而带来的车身重量,但其车身采用了大量的轻型材料。如大部分车身是由铝合金制成。嵌装蓄电池的地板左右下梁为铝制封闭式构造。电机与变速器壳体为一体式铸铝件。

另一种代表作则是日本车企的小型电动车,如丰田iQ、本田飞度、马自达Demio等。

欧洲各汽车公司开发的电动汽车大小则相对适中,如沃尔沃C30 Electric。另有一些电动商用车。

对于纯电动车的发展,目前更关注于锂离子蓄电池的能量密度、价格和轻量化。尽管不断把安全问题挂在嘴边上,但迄今尚未出现困扰人们的事故出现。

为了提高电动汽车的续驶里程,使其接近传统化石燃料汽车的使用特性,提高蓄电池的能量密度成为了关键。同时,能量密度的大幅提高还可降低蓄电池的重量和成本。因此各大汽车厂围绕电动汽车的竞争主要就在于锂离子电池的性能,以及以此为中心的电动车设计战略考虑,究竟把重点发在提高续驶里程,还是放在降低价格,或者是两者兼顾。或许插电式混合动力车和电动车的小型化就是为此应运而生的产物。在这方面的典型代表为插电式的雪佛兰Volt和纯电动的日产Leaf、丰田iQ、本田飞度。其中丰田倚仗先发优势,把年产数十万辆插电式普锐斯电池,与明年投放市场的纯电动iQ电池实现通用化来降低成本就是一种考虑。

目前,国际上锂离子蓄电池的能量密度水平一般为120~150Wh/kg的水平。当然,也有自称为达到180Wh/kg更或200Wh/kg以上的。但这不是夸张,就是属于在今后若干年达到目标的事了。

同时在锂离子蓄电池正负极材料(尤其是正极)的选用方面,也成为了提高能量密度和充放电寿命的关键因素。目前通常使用的以磷酸铁锂为正极,其所有性能,包括安全性在内均能达到一般要求,因此成为一种最常用的选择。但为了提高使用寿命,能经受3C以上的快速充电,负极使用钛酸锂不失为一个很好的选择。三菱i-MiEV就是采用东芝公司SCiB LTO电池。但在日本和韩国又有新的开发目标。这是一种通称为三元类的镍、钴、锰作为正极材料的锂离子电池。其优点是电池电压可达到3.7V,有利于提高能量密度。但其成本却相当高昂,仅正极材料就至少占了整体成本的30%。

总之,为了达到或接近传统汽车的行驶里程和充电的快速性、便利性,锂离子蓄电池的发展之路还很长。