替代传统内燃机汽车方案的真实能量需求

德W. KLEMENT

因环境保护影响，采用燃料电池、蓄电池储能介质、内燃机或电动机的汽车方案完全替代传统内燃机的汽车方案，目前尚有争议。计算汽车所需的真实能量要以可测量的因素为基础，所有这些方案应在相同条件下，尽可能真实地进行试验研究。目前，该想法已在德国埃斯林根（Esslingen）大学的1个研究项目框架中实施。

能量需求;排放;替代方案

0 前言

环保是未来机动车辆重要的衡量标准之一，这意味着汽车要减少有害物的排放，而且汽车制造商要承担起处理这些污染物排放的责任[1]。正如许多研究证实，地球上的任何能源都是有限的。因此，为应对日趋严苛的排放控制政策，研究人员须开发出可替代传统内燃机、且能有效减少车辆尾管排放的汽车方案。为了确认替代汽车方案中车辆的实际能量需求，德国埃斯林根（Esslingen）大学汽车技术学院开发了1种可比较的方法，可通过试验研究车辆得到真实能量需求，并对试验研究结果进行了分析与评估[2]。

1 试验汽车和试验条件

替代传统内燃机的汽车方案区分了蓄电池电动车（BEV）和燃料电池电动车（FCEV）。BEV是需要外部充电的汽车，FCEV是借助于燃料电池发电的汽车。混合动力电动车（HEV）既有电动机又有内燃机，如果可以从外部充电的话，就被称为“插电式混合动力电动车（PHEV）”。表1列出了用于试验的车型。除了以燃料电池为动力系统的车辆采用样车外，其他车型均为量产汽车。在选择试验车辆时，研究人员首先关注的是车辆的质量，将所有汽车质量平均值的百分比偏差放置在1个很窄的分布带中。因此，汽车质量这个因素可忽略不计，试验结果可直接追溯到相应的汽车方案。

研究人员选择了环绕德国斯图加特的真实路段作为试验路段，将其分成 “城市循环”、“长途循环”和“高速公路循环”3种典型的驾驶模式，并记录了在相同的行驶时间和相同的交通条件下各循环模式存在的差异（图1）。同时，研究人员把所有的能量需求都换算成统一的能量单位kW·h，从而确定了CO2的排放当量[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）氢燃料1 L≈33.3 kW·h，1 kW·h≈489 g CO2。

2 试验结果

根据汽车驱动装置的不同，研究人员通过车辆原有数值、速度曲线、驾驶性能等计算出汽车行驶所需的功率，以此计算出车辆驱动所需净能量，以及可回收得到的功率。如果将这些计算结果与测量值进行比较，则能获得动力总成系统的效率（图2）。因传统内燃机能量回收不足，得到的数据如下：柴油车效率值为274%（計算值为9.7 kW·h，测量值为35.4 kW·h）;汽油车效率值为27.8% （计算值为9.9 kW·h，测量值为35.6 kW·h）。

研究人员通过试验发现，尽管每升柴油的能量增加了0.9 kW·h，但由于内燃机吸收能量的效率较低，柴油发动机消耗排放物更多，因此柴油机更环保的说法并不成立。此外，正如其他试验结果那样，紧凑型汽车在能量需求和环境污染方面并没有显示出明显的区别[6]。在试验中，替代了传统内燃机的新能源车型则具有较好的效率，作为样车的FCEV效率值达到410%（计算值为10.6 kW·h，测量值为25.8 kW·h），在能量回收方面具有较好的发展前景。同样，研究人员也发现，BEV的动力总成系统效率是最好的，其效率达到了70.0%（计算值为9.1 kW·h，测量值为13.0 kW·h）。搭载了电动机的PHEV效率为44.0%（计算值为8.3 kW·h，测量值为18.7 kW·h），其中HEV的效率为316%（计算值为8.3 kW·h，测量值为26.3 kW·h）。

图3示出了相对于BEV的各行驶循环模式推导出的能量需求，值得关注的是在城市行驶循环中各车型能量需求的差异。在试验中，带有能量回收可能性的车型和带充电电池的纯电动车的行驶方案明显优于其他车型行驶方案。尤其是BEV和PHEV，其在城市行驶中需要的能量仅为传统内燃机汽车所需能量的三分之一。因此，在城市中，采用带有能量回收的电力驱动方案是最佳的方案。试验测量数据也表明，使用内燃机运行的车辆在行驶功率不同时所产生的效率也是不同的，BEV和FCEV在部分负荷时差异明显较小。PHEV的电力驱动和内燃机驱动是混合使用的，蓄电池不足以满足长途行驶和高速公路行驶的能量需求。在这些行驶模式下，BEV还会有额外的能量消耗。值得注意的是， HEV空载电池的能量消耗值明显低于传统内燃机的消耗值。

图4示出了根据试验车辆在各行驶循环模型下测得的能量消耗并计算出的CO2排放情况。研究人员通过试验发现，PHEV的CO2排放与BEV的CO2排放相同。各车型在高速公路行驶时的测试数据表明，将汽油转换成能量比电力驱动更为有利。BEV在行驶中无疑是环保的，但从整个能量链来看，BEV并没有考虑到电池生产时所产生的能量消耗和排放，因此BEV的能量转化并不是太好。在当前各国陆续出台较为严苛的CO2排放限值的框架下，BEV更有利于环保的这种说法仍需要被考证。研究也表明，对使用了可再生氢作为燃料系统的FCEV非常有意义。传统内燃机汽车的CO2排放量比PHEV和BEV的CO2排放量多了60%，而HEV的CO2排放量比传统内燃机汽车的CO2排放量减少了26%。

3 插电式混合动力方案

图5示出了PHEV的2种结构方案的比较。在PHEV功率分支方案中，PHEV驱动需要配置2个电机，相应在此结构中取消了许多组成元件，比如没有布设齿轮泵及附加的起动元件，特别是没有安装膜片式离合器和叠片式制动器，因此PHEV在电力驱动的状态下会有制动损失。此外，该方案还消除了系统对这些转换部件的控制及诸如电磁阀等灵敏部件的控制。PHEV功率分支的结构至少需要1个用于功率切换功能的行星齿轮组，并且电动机需要1个固定传动级的速比。这种结构的变速器控制范围可与1个10档的自动变速器相媲美，其效率明显优于已知的串行解决方案[7]。PHEV功率分支结构采用了无级传动，可以在每种行驶速度下自动选择最佳的发动机运行工况点，从而实现了无滞后的纯电动起步，且完全独立于内燃机运行。这种方案的最大优点是“负荷工况点移动”功能，它在应用2个电机时，内燃机的接合和断开并没有受到任何冲击，可以实现无差别的转换。因为汽车在城市交通中，车辆的瞬时行驶所需要的内燃机功率是比较大的，而传统的内燃机只能在明显更好的工况点运行。采用功率分支方案可以避免部分负荷工况点效率较差的现象发生。

在并联结构中，电动行驶与内燃机/发电机行驶之间的切换可通过大量的控制元件来实现，这导致了调节损耗，这是因为功率流必须通过1个分离离合器来转换。因此，并联结构在性能上并没有任何优势。正如试验所示，因为PHEV的变速器效率和档位是固定的，即使采用传统的动力总成来运行，其结果也不太理想。此外，并联结构的PHEV因其车辆质量增加了约300 kg，这会对能量需求产生负面影响，因为额外增加的质量会使车辆在行驶中产生较大的阻力。从技术上分析，并联结构的PHEV方案在能量消耗和环保性方面尚不清楚是否具有优势，但从创新发展来看，这种并联混合动力汽车可视为是现有汽车的进一步发展。目前，关于PHEV的研究都忽视了不同结构PHEV的区别，这是1种误导。

4 总结

上述试验表明，采用蓄电池、燃料电池和功率分支混合动力的方案比采用传统内燃机的方案效率更高。未来汽车都会采用具有无级转速和扭矩转换的驱动配置，以适用于所有驾驶需求。当汽车的驱动装置由电动机来支持时，内燃机将只作為能源供应，而不再是“驱动发动机”，这也会使发动机出现不同的转速变化特性。以目前汽车性能相关设计的标准来看，功率分支结构型式的PHEV是1个几乎完美的解决方案。研发人员根据日常行驶里程能计算出相应的蓄电池容量。如果行驶里程较长，可用效率较高的内燃机来驱动。作为目前由电动部件与内燃机的最佳组合，该方案只需要1个大小合适的蓄电池就能满足这种变化，且不增加汽车质量，并能满足CO2的排放要求。如果车辆油箱中的燃油量能替代电驱系统并实现继续行驶，那么原来须配套的基础设施，如充电桩等将不再是强制要求。

在所有研究方案中，传统内燃机的动力总成系统的效率是最低的。未来的汽车市场还是属于FCEV，因为它已呈现出了比传统内燃机更高的能量效率。氢作为绿色能源也符合环境保护要求。地球上的不可再生能源将日渐衰竭[8]，之前各国广泛讨论的借助氢气生产电能来制取燃料（E-燃料）作为车辆驱动新燃料的设想，因过高的能量需求而限制了其推广应用。

[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.