串联、并联、混联 哪种方式更省油？

　　笔者曾经撰文称：只要汽车采用内燃机，混合动力汽车就会成为必然。简而言之，混合动力与内燃机共生存。如今，发展外充电混合动力(包括增程式)汽车，大有成为新能源汽车主流产品的趋势。但是，串联、并联、混联三种混合动力，哪种技术路线更节油?这一直是人们争论的焦点。另外，由于汽车的用途、运行环境、设计水平和技术路线的不同，对混合动力汽车油耗的影响很大，因此一直没有一个比较科学的答案。

　　众说纷纭之中，日本自动车研究所(JARI)进行的对比实验，不仅给出了较为明确的答案，而且对技术方案及关键零部件对油耗的影响因素，也作了详细对比与技术分析……这些信息，对选择新能源汽车的技术路线和进行相应的技术开发，都具有十分重要的参考价值。

　　一、试验车型

　　被称为ACE(AutoCAD　Electrical)的技术研究，其能耗对比实验选用了两款车型。一款是整备质量为2500kg、额定载荷2000kg的小型载货汽车;另一款是整备质量为10000kg、额定载客人数为65人的大型城市客车。

　　1.车型设计依据

　　车型设计所依据基本原则与技术要求是：

　　(1)以节能技术指标先进为第一选项，而对于车辆空间布置和成本不做考虑;

　　(2)与混合动力相关的总成及零件，均以满足车辆基本性能为条件;

　　(3)能够满足城市道路工况的动力要求，而对其它使用条件下的动力性要求不作考虑;

　　(4)汽车性能应满足日本M15模式且坡道平均比例为4%;

　　(5)采用电机应满足日本M15试验模式下全过程的能量回收;

　　(6)蓄电池能够满足电机的全负荷的正常运转(并联混合动力汽车包括内燃机带发电机的能量输出);

　　(7)满足最高车速运行的传动比;

　　(8)能够维持车辆以最高车速运行的发动机动力或发电机电力;

　　(9)考虑到小型载货汽车不仅能够在市内运行，也需满足城市间道路的行驶要求，所以将最高车速设定为100km/h;

　　(10)大型城市客车在城区道路行驶的最高车速限定在60km/h，同时兼顾公交汽车的使用特点，充分满足起步、加速所需的大转矩、高转速要求。

　　2.日本M15和JE05试验模式

　　试验采用日本标准，M15和JE05工况模式如图1所示。

图1 日本M15和JE05工况模式

　　3.车辆技术参数

　　以2款车型为基础改装成的6种混合动力汽车、共8种车的主要技术参数如表1和表2所示。其中：

　　(1)混合动力汽车采用与基准柴油汽车相同的空气阻力系数;

　　(2)运转部分的等值惯性质量，一律确定为整备质量的7%;

　　(3)考虑到不同动力类型会引起零件质量变化，对车辆进行等质量载荷配置时，允许配载误差范围为：小型载货汽车为6%、大型客车为3%;

　　(4)大型客车采用的柴油机，优选最大转矩和最高效率方案;

　　(5)串联式混合动力汽车的电机为高转速型，并联式混合动力汽车为低转速型电机，转速与发动机转速相当;电机转矩与效率参数采用ACE技术研究成果;

　　(6)串联式混合动力汽车的发电机为高转速型，发电机的转矩与效率参数采用ACE技术成果;

　　(7)混合动力汽车的能量储藏装置，一律采用市售的镍氢电池，其充放电效率符合日本JARI标准。

　　用于测试的8种车型的主要技术参数如表1和表2所示。其中，SHEV为串联式混合动力，PHEV为并联式混合动力，SPHEV为混联式混合动力。

　　表1 四款小型载货汽车的主要技术参数

　　表2 四款大型城市客车的主要技术参数

　　二、混合动力类型对油耗的影响

　　1.滚动阻力对油耗影响

　　滚动阻力变化对油耗影响不言而喻。混合动力汽车滚动阻力增加，不仅受驱动方式的影响，受减速时能量回收的影响更加明显。

　　小型载货汽车和大型城市客车的滚动阻力及其对油耗的影响的试验，均采用日本M15工况模式。其结果分别如图2和图3所示。纵轴为滚动阻力系数增加1%时，两种基准柴油车与其他各种混合动力汽车每公里油耗(L/km)变化及对比情况。

　　对于小型载货汽车，混合动力汽车因滚动阻力增加的油耗(每公里耗油量)，相当于基准柴油车的1.7～2.2倍。而对于大型城市客车而言，混合动力汽车因滚动阻力增加的油耗，则大致相当于基准柴油车的2倍。

图2 小型货车滚动阻力变化对油耗的影响

图3 大型城市客车滚动阻力变化对油耗的影响

　　2.工作效率对油耗的影响

　　各主要总成包括：电池、驱动电机、能量回收、发电机、发动机、减速器、传动系的工作效率，都会对油耗产生不同的影响。纵轴表示不同混合动力汽车所构成的工作效率变化对油耗(每公里耗油量)的影响。

　　与基准柴油车相比，小型载货混合动力汽车发动机、减速传动系统的工作效率，对油耗所带来的影响较大。其中，串联混合动力(SHEV)各项要素所带来的油耗影响平均可以达到2%;并联混合动力(PHEV)中，与电机、电池相比，发动机与减速、传动系统所带来的影响也较大;而混联混合动力(SPHEV)中，电机、电池、发动机、减速和传动系统所带来的影响则基本相同(图4)。

　　对于大型城市客车，各总成的工作效率所带来的影响与前述基本一致。不过，蓄电池效率所带来的影响要高于小型载货汽车(图5)。

图4 小型货车各总成工作效率对油耗的影响

图5 大型城市客车各总成工作效率对油耗的影响

　　3.ACE开发技术对油耗的影响

　　采用ACE(AutoCAD　Electrical)技术开发，对改善混合动力客车油耗的效果十分明显。这里ACE开发要素对油耗的影响的评价，主要针对超级电容、锂离子电池、轮毂电机、低滚动阻力轮胎而进行。各种车型的经济性及其评价结果如图6和图7所示。

　　小型载货汽车的试验，分别采用M15和JE05两种运行模式;大型城市客车的试验采用M15运行模式。

　　纵轴为各主要总成每公里油耗的影响。其中，轮毂电机驱动主要用于串联或混联方式，并采用的是2级减速。如果将其变更成为1级减速，传动效率会有所提高并减少后桥的质量。此外，低滚动阻力轮胎使滚动阻力降低了25%。

　　对于小型载货汽车，怠速熄火装置的节油效果比较突出，尤其是停车时间较长时， M15试验模式下的节油率可以达到20%。

　　混合动力采用低滚动阻力轮胎的效果，可相当于基准柴油车的两倍，节油率可以达到10%。此外，对电力依赖性高的串联/混联混合动力，能量储存装置、车轮电机驱动方式，也可以分得到10%的节油率。至于M15和JE05两种试验模式的比较，JE05试验模式所取得的节油效果并不十分明显，而对于其他方面的试验效果，两种模式基本相当(图6)。

图6 小型货车采用ACE技术带来的燃油经济性效果

　　对于大型城市客车，采用低滚动阻力轮胎的效果，基准柴油车勉强接近5%，而混合动力方式可以达到10%。

　　此外，混合动力储能装置的改善，可使节油效果提高4%～9%。串联式混合动力如果采用轮毂电机驱动，节油效果可提高11%。方式

　　混合动力的能量储存装置，可以收到4%～9%的节油效果。其中，串联方式SHEV中的车轮驱动电机，节油效果可达11%(图7)。

图7 小型货车采用ACE技术带来的燃油经济性效果

　　小型载货汽车和大型城市客车，尽管用途和使用条件不同，采用ACE技术同样能够收到不同的节油效果。尤其是采用超级电容或锂离子电池，串联、混联方式采用轮毂电机驱动，均可提高节油效果10%左右。

　　三、各种动力形式节油效果评价

　　各种动力型式的节油效果分别如图8、图9、图10所示。纵轴表示基准柴油车每公里油耗为100%，各种混合动力油耗与基准柴油车进行比较所取得的相对值。

　　1.小型货车M15试验模式(图8)

　　(1)采用锂离子电池组、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎的串联混合动力，可分别降低油耗6.8%、7.5%、4.8%，每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的47.6%。

　　(2)对于并联式混合动力，采用锂离子电池和低滚动阻力轮胎，可分别降低油耗0.8%和3.7%，每公里油耗(L/km)与串联混合动力相等，亦相当于基准柴油货车的47.6%。

　　(3)对于混联式混合动力，采用锂离子电池组、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎，可分别降低油耗6.6%、4.6%和3.9%，每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的42.7%。

图8 小型货车M15试验模式的节油效果

　　2.小型货车JE05试验模式

　　装有怠速熄火装置的柴油车节油效果明显。如果采用ACE开发技术，则燃油经济性改善效果更加明显。

　　(1)对于串联式混合动力，采用锂离子电池、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎，可分别降低油耗8.2%、7.3%和6.7%，每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的74.4%。

　　(2)对于并联式混合动力，采用锂离子电池和低滚动阻力轮胎，可分别降低油耗2.7%和6.5%，每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的71.0%。

　　(3)对于混联式混合动力，采用锂离子电池、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎，可分别降低油耗6.3%、4.2%和4.4%，每公里油耗(L/km)相当于基准柴油货车的67.5%。

图9 小型货车JE05试验模式的节油效果

　　3.大型客车M15试验模式

　　(1)对于串联式混合动力，采用锂离子电池组、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎的串联混合动力，可分别降低油耗5.4%、7.9%和5.4%，每公里油耗(L/km)相当于基准柴油客车的50.1%。

　　(2)对于并联式混合动力，采用锂离子电池和低滚动阻力轮胎，可分别降低油耗4.9%和6.1%，每公里油耗(L/km)相当于基准柴油客车的45.60%。

　　(3)对于混联式混合动力，采用锂离子电池、轮毂电机驱动、低滚动阻力轮胎，可分别降低油耗5.6%、2.7%和5.8%，每公里油耗(L/km)相当于基准柴油客车的44.8%。

图10 大型城市客车M15试验模式的节油效果

　　该项试验表明，由于JE05试验模式平均车速较高，所以混合动力的节油效果要相对小些。如果采用日本M15试验模式，混合动力汽车的油耗可以比基准柴油车节约30%以上;如果进一步采用ACE技术优化设计，则每公里油耗可比基准型柴油车下降1/2以上。

　　结论

　　通过对小型载货汽车和大型城市客车混合动力的模拟实验，串联、并联、混联三种混合动力形式的油耗的评价结论是：

　　(1)三种混合动力方式对整车质量、滚动阻力系数、工作效率以及能量回收等因素比较敏感，这些技术因素对燃油经济性的影响比较明显。

　　(2)根据串联、混联、并联对电力依赖程度的不同，通过电池、电机的能量及其工作效率也成为影响油耗的主要因素。

　　(3)测试车辆采用的是基准混合动力汽车常用的镍氢电池和普通电机。若采用专门开发的锂离子电池和轮毂驱动电机，则仅此一项就可以使每公里油耗减少10%~20%，从而使油耗降低到传统内燃机汽车油耗的1/2左右。

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　　( 编辑/李艳娇 )