正當人們為不斷飆升的油價而無可奈何，也為持續的大氣污染而頭痛不堪的時候，新一代環保節能型複合動力車已閃亮登場，它集電動機與普通燃油發動機於一身，有效地控制了燃油消耗與廢氣排放。
基本介紹
- 中文名：複合動力車
- 外文名：Compound power car
石油能源日漸枯竭！全球氣候變暖日益嚴重！據稱，目前世界各大汽車製造商雄心勃勃，均加大了研發力度，計畫推出更新一代複合動力車。
去年夏天，當汽油價格攀升至3美元/升時，複合動力車便開始駛出展覽廳，投入實際運行。該車的動力由傳統發動機與電池供電的電動機共同提供，改進了燃油經濟性與運轉性能。普通美國汽車，每耗用一加侖汽油可行駛約23英里(約合37公里)，而技術完全成熟的複合動力車，如豐田普銳斯(Toyota Prius)，每耗用一加侖汽油則可使行程大約翻上一番(視駕駛情況而定)。從2004年到2005年，美國複合動力車的年銷售量增長了一倍，達到20萬輛，2010年將增加到50多萬輛，到2020年，一些最新車型也將提供複合動力傳動的可選方案。
到那時，稱為插入式複合動力車(plug-in hybrid)的下一代技術，將給駕車者帶來更佳的燃油效率和其他好處：前一天晚上，可將120伏插頭直接插入家庭或工作場所的電源插座上，對電池進行低成本充電，這樣，車主每年往返於加油站的次數就大大減少，甚至還可以將用不完的電返銷給電網。除了用戶得到好處外，這種新型插入式複合動力車還有助於環保，可減少溫室氣體排放量，使千百萬輛排放廢氣的汽車轉而使用電力。目前，發電廠利用當地提供的煤或天然氣發電，在將來，它們將利用諸如風、太陽乃至先進的系統化石燃料的能源來生產更清潔的電力，這些系統可將二氧化碳收集起來，貯藏於地下。
要了解複合動力車的發展方向，首先要回顧汽車的發展歷程。100多年來，汽車動力幾乎一直是由使用汽油或柴油來維持運轉的內燃機(internal-combustion engine)來提供的。20世紀初，汽車工程師們追求這樣一種概念：把發動機與電池供電的電動機結合起來，以獲得更大的動力和更好的燃油經濟性。但是，隨著發動機功率的增大，取消了助推力，這種設計概念便被束之高閣。那時，燃油價格低廉，可供廣泛使用，使得發電廠這個汽油消耗大戶未成為真正的問題。到了20世紀70年代石油危機發生時，駕車者便普遍認為，要提高每加侖汽油所行駛的里程數(汽油消耗定額)，就不得不犧牲汽車的尺寸、重量和運轉性能。雖然縮小汽車外部尺寸的趨勢開始流行，但不久以後汽車尺寸卻變得更大了，而且耗油量也隨之迅速增大。當石油價格最初開始攀升時，更好的燃油經濟性又再次成為非常合乎需要的性能特徵。
目前的複合動力車，利用先進的動力電子裝置和計算機控制裝置，與傳統的和電氣的動力傳動系統結合起來，以改善燃油經濟性和減少廢氣排放量，並獲得優良的加速性能和更大的變速範圍。通過一種比常規汽車使用的更小的內燃機，複合動力車能獲得上述性能，因為在需要加速或爬坡行駛時，電池和電動機系統便可提供更大的動力。
任何能提升燃油經濟性的技術，都可以用於增加功率。迄今為止，複合動力傳動系統能充分提升效率，其電動機也能極大地提升加速度，因此汽車製造商已使用這種技術，從而同時提升功率和燃油經濟性。例如，福特翼虎複合動力車(Ford Escape Hybrid)，採用幾乎相同的功率輸出，明顯提高了每加侖汽油所行駛的里程數。其他複合動力車，如豐田高地人複合動力(Toyota Highlander Hybrid)4×4(4輪4驅)運動型多用途車(SUV)，利用複合動力系統，在這兩方面都取得了適度提升。
大型電池和電動機以及相關動力電子裝置的額外費用，意味著複合動力車的成本必然高於普通汽車。目前，複合動力車的額外費用在3,000美元到7,000美元範圍內起伏，其平均值為4,000美元。電動機和電池組件使得車體負重有所增加，例如本田的雅閣複合動力車(Honda Accord Hybrid)的負重約增加了5%。這種額外負重使得燃油效率稍有下降。
目前，對於每年行駛1.5萬英里(約合2.42萬公里)、以售價為2.50美元/加侖的汽油為燃料的汽車來說，由於複合動力技術可將汽車裡程數從20英里(約合32.2公里)/加侖提高到30英里(約合48.3公里)/加侖，因此每年可為用戶節約大約600美元。假定人們將諸如增加變速範圍之類的好處都認為沒有多少價值，那么對於目前複合動力車的售價，再加上美國政府對複合動力車新近提高的課稅減免，其投資回收時間可能要花上好幾年。
然而，隨著燃油價格的上升，複合動力車的效率將充分縮短投資回收時間。與此同時，製造水平的提升和電池技術的改進，也有望降低生產成本。例如，從1997年到2004年，複合動力車所使用的鎳氫電池隨著重量減少，價格也下降了50%。即使如此，目前電池的費用仍占複合動力車額外成本的一半以上。豐田公司打算獨自推出其幾乎所有車型的複合動力車版本，並計畫在下一個10年間使它的複合動力車遍布全球，年銷量達到100萬輛，為此，它還將努力提高產量，促使其成本相應下降。
複合動力車類型
複合動力車的設計各具特色，主要取決於工程師想要取得的燃油經濟性高低程度。“全面型”(full)複合型動力車利用多種技術來節省汽油；“適度型”(mild)複合動力車採用的節油技術較少，以避免增加額外的系統成本；而“低端”(micro)複合動力車則僅在停車時關閉發動機，以適度改善燃油效率。
像豐田普銳斯那樣的全面型複合動力車，能使燃油經濟性提高60%以上。全面型複合動力車的最大燃油節省來自於再生制動(regenerative braking)——這種技術，通常能將摩擦損失掉的大部分能量作為電能來加以回收。正如電動機能將電池貯存的電能轉變為轉矩(產生車輪轉動和牽引力的力)那樣，這一過程也能反向進行，將放慢車速產生的轉矩所生成的電力存儲於電池中。
在城市裡行車，停停走走，為制動能源再生提供了最大的機會，而這一過程也發生在鄉村上坡行駛期間。平均而言，目前複合動力車可回收全部制動能量的一半左右。未來更好的電池和更完善的系統，將能使複合動力車回收更多可利用能量。
內燃機動力裝置與所有發動機一樣，也能在一種有限的轉矩和轉速範圍內最有效地運行。因為複合動力車的電池和電動機，能提供加速行駛或上坡行駛所需的助推力，所以工程師們既能縮小發動機尺寸，又能使燃油效率最佳化，這樣，它僅僅在一些耗費汽油更少的高效運行點上運行。在需要時，複合動力車又能以電子方式啟動電動機，以輸出更多動力。
一些全面型複合動力車製造商，例如豐田和福特，已經採用一種基於阿特金森循環的更節油的發動機，以取代大多數汽油車使用的標準奧托循環發動機(Otto cycle engine)。現代阿特金森循環發動機(Atkinson cycle engine)使用電子控制裝置和進氣閥定時裝置，使燃燒在氣缸中的油/氣混合物的體積膨脹得更大，藉此讓動力裝置能更高效地利用燃油。從前工程師們很少使用阿特金森循環發動機，因為它獲得更高的燃油經濟性，往往以犧牲動力輸出為代價；然而，在複合動力車中，電動機能彌補這種動力損失。在公路上行駛時，阿特金森循環發動機與制動再生省下的能量相結合，能產生一種更好的複合動力車系統綜合效率，優於現代柴油發動機，而現代柴油發動機，則是目前在綜合效率方面領先的內燃機。
複合動力車還能避免常規汽車設計中的另一種低效率，即常規汽車的空調、動力轉向、水泵、油泵、風扇和其他動力消耗裝置，一般都由汽油機直接供給動力，而大型複合動力車，將電池與低成本的新型動力電子裝置結合起來，一起運行這些全電氣高效率部件。在炎熱的夏天，比起發動機驅動的空調裝置來，由電動機供電的空調裝置所消耗的能量要少20%。
全面型複合動力車的另一個主要燃油經濟性優勢，源於其不使用發動機就能用電動機和電池來驅動車輛，因而在怠速行駛或低速行駛時，可將車輛轉換為電動車運行，而不用燒汽油，以達到節油的目的。
適度型複合動力傳動系(power train)，例如本田的Insight、思域(Civic)和新型雅閣(Accord)等型號的集成電動機輔助系統，可提供高達35%的燃油經濟增益。除了在起-停期間提供動力外，在加速行駛時，適度型複合動力車的電動機還可給發動機提供助推力，並回收部分制動能量。
對於低端型複合動力車或起-停複合動力車，例如通用汽車公司推出的那些複合動力車，當汽車停駛時，發動機便關閉，而當駕駛者踩踏油門時，集成式啟動機-發電機(integrated starter-generator)便立刻啟動發動機。這種低端型複合動力車，用電動機代替車輪來驅動其輔助裝置，在市區行車時可提高10%的燃油效率，而在公路上行駛時，則幾乎沒有任何效率增益。
插入式複合動力車標準
隨著時間的推移，複合動力車將很可能變得更有價值：它們能更有效地利用汽油，降低二氧化碳排放量，而二氧化碳則是主要的溫室效應氣體。美國聯邦政府未來出台的交通運輸政策，有可能因為人們對阻止氣候變化的關注而得以進一步推進。許多工業已開發國家制定了嚴格的燃油經濟性標準，以減少二氧化碳排放量。2002年，美國加利福尼亞州通過立法，規定於2016年將車輛溫室效應氣體排放量減少30%，據預計，美國東北部諸州也會群起而仿效這一做法(雖然汽車製造商將為此對簿公堂)。
插入式複合動力車融合了最佳電力與複合動力驅動技術，能夠以電動方式或複合動力方式充分發揮作用，有可能大大減少廢氣排放量，並節省更多的燃油。這類車輛部分使用當地發電廠生產的電力運行，這樣便能減輕國家對外國進口石油的依賴，同時還使發電廠的非峰值電力市場得以完善，也讓駕駛者能選擇使用更清潔、更廉價的燃料。而且，與傳統的複合動力車一樣，插入式複合動力車也能燃燒液體燃料，以快速加油的方式來保證長途行駛，而且不會比現有的複合動力車更複雜、更重或更貴。首先，它們的內燃機發動機將隨著電動機和電池的小型化而縮小尺寸；其次，電池和電子部件的價格也一直在穩步下降。
按現行油價計算，普通汽車行駛每英里約花12美分，而插入式複合動力車依靠電子裝置使用電力運行，每英里則只花3美分，其每消耗一千瓦小時的電力，僅須付8美分，此電價即為現行平均居民用電價。假定有一半的美國汽車每天僅行駛25英里(約合40.3公里)或更短路程，那么使用能提供20英里(約合32.2公里)行程動力的電池插入式複合動力車，便可使石油燃料消耗量節省60%。即使長途通勤者採用插入式複合動力車，在一天的大部分時間裡，它也能依靠存儲於先進電池中的低廉電力運行——這種電池藉助於普通牆壁插座，可在前一天晚上充滿電，並在白天工作時再進行短時充電。
插入式複合動力車使用更大的電池，並配備功率更大的電動機，使汽油機和其他相關機械系統的尺寸大大縮小。加利福尼亞大學戴維斯分校的研究人員，已製造出一些插入式複合動力車樣車，它們僅依靠電力就能行駛60英里(約合96.6公里)，其發動機體積不到標準發動機的一半，而其8座車和運動型多用途車實樣正在接受測試。2005年，戴姆勒-克萊斯勒公司推出了第一輛插入式複合動力車樣車，它是該公司下屬的一家主要汽車製造廠為美國市場定製的，即梅塞德斯-賓士複合動力短跑家麵包車(Sprinter Van)的一款插入式複合動力車版本(見中圖)。這輛改進型短跑家麵包車配備一台120馬力的電動機，能以全電動方式行駛20英里(約合32.2公里)，比普通短跑家麵包車省油40%，且加速性能更好。至今為止，歐洲只有幾輛這樣的插入式短跑家麵包車在運行。
