混合动力汽车的发展

混合动力电动汽车的概念几乎与汽车概念一样年代悠久,其原始目的并非是有效地降低燃油的消耗量,而是辅助内燃机汽车以保证其合格的性能水平。

最早的混合动力电动汽车出现在1899年巴黎美术展览馆,它们是由比利时Liege的Pieper研究院和法国的Vendovelli与Priestly电动车公司分别制造的。Pieper电动车是一辆并联式的混合动力电动汽车,它装有一台由电动机和铅酸蓄电池组辅助的小型空冷汽油发动机。记录表明,当该混合动力电动汽车滑行或停车时,蓄电池组即由发动机予以充电;当所需驱动功率大于发动机额定值时,电动机即时提供辅助的功率。Pieper电动车除了是最初两辆混合动力电动汽车中的一辆之外,又因其是第一辆并联式混合动力电动汽车,故无疑成为混合动力电动汽车的开端。

在1899年巴黎美术展览馆上展出的另一类型的混合动力电动汽车,是由法国Vendovelli与Priestly公司制造的第一辆串联式混合动力电动汽车,它由纯商品化的电动汽车衍生而来。该车是一辆三轮车,在其两个后轮上分别装有独立的电动机。与1.1 k W发电机相组合的一台3/4 hp的汽油发动机安装在拖车上,并被拖带在该车后面,以通过对蓄电池组的再充电扩展其续驶里程。在法国,这一混合设计被用于扩展电动汽车的续驶里程,而不是对小功率内燃机补充所需的额外功率。

法国人Camille Jenatzy在1903年巴黎美术展览馆上展示了并联式混合动力电动汽车,该车将6 hp的汽油发动机和14 hp的电动机相组合,使之或由汽油发动机给蓄电池组充电,或由蓄电池组辅助驱动。1902年,另一位法国人H.Kneger制造了第二辆串联式混合动力电动汽车,该设计采用两个独立的直流电动机驱动前轮。电动机由44个铅酸蓄电池供给能量,而蓄电池则由一个与并励直流发电机组合的4.5 hp的乙醇火花点火发动机予以充电。

1899－1914年期间,制造了兼有并联和串联模式的其他形式混合动力电动汽车。虽然电气制动已应用于这些早期设计之中,但并无再生制动的记载。很可能其中大多数,也许甚至是全部设计都采用了发电制动,即在牵引电动机切断电流后,利用电枢短路或在电枢中串入电阻的方法。1903年Lohner.Porsche的电动汽车是应用这一方法的典型实例。应注意,也经常采用磁离合器和磁万向节的方法。

早期混合动力电动汽车的制造是为了辅助那时功率偏小的内燃机汽车,或是为了增进电动汽车的续驶里程。混合动力电动汽车利用了基本的电动汽车应用技术,且使之实用化。尽管在其设计中体现了很多的创造性,然而在第一次世界大战后,早期的混合动力电动汽车不可能与汽油发动机已获重大改进的内燃机汽车相竞争。就功率密度而言,汽油发动机取得了惊人的进步,发动机变得更小、更有效,并且不再需要电动机予以辅助。使用电动机的附加成本以及与酸性蓄电池组相伴随的公害性,是第一次世界大战后混合动力电动汽车从市场中消失的关键因素。

然而,这些早期设计必须解决的最大问题是电动机控制的难点。而在20世纪60年代中期以前,电力电子技术尚未达到适合应用的水平,且早期的电动机是利用机械开关和电阻器控制的,它们都受制于有限的运行范围,与汽车有效的运行要求是不相容的。因此,采用混合动力电动汽车的运行方式是在很多困难情况下实现上述相容性的唯一方法。

Victor Wouk博士被公认为推进混合动力电动汽车的近代研究者。1975年,他与同事一起制造了一辆Buick Skylark型并联式混合动力电动汽车。该车发动机是马自达旋转式发动机,它与手动变速箱配合,并由一台固定于传动装置前端的15 hp的他励直流电动机予以辅助。8个12 V的汽车蓄电池组用于能量的储存。最高速度可达80 mile/h(129 km/h),在16 s内可从零速度加速至60 mile/h。

1967年,为Linear Alpha公司工作的Ernest H.Wakefield博士更新了串联式混合动力电动汽车的设计。其中,输出功率为3 k W的一个小型发动机－交流发电机组用于保持蓄电池组的充电状态。然而,由于技术上的原因,这一实验很快终止。在20世纪70～80年代,采用概念上与1899年法国的Vendovelli与Priestly设计相类似的行程扩展器,研究了其他的方法。这些行程扩展器意图在于增进电动汽车的续驶里程,以影响市场的需求。其他的混合动力电动汽车原型分别由Electric Auto和Briggs&－Stratton两公司在1982年和1980年制成,它们都是并联式混合动力电动汽车。

尽管存在1973年和1977年两次石油危机以及不断增加的环境忧虑,但并没有促使混合动力电动汽车成功地进入市场。研究者们的工作聚焦于电动汽车,许多电动汽车的原型在20世纪80年代制成。在该期间,对混合动力电动汽车兴趣的不足可归因于实用的电力电子技术、现代电动机和蓄电池应用技术的欠缺。事实上,20世纪80年代见证了传统内燃机汽车体积减小、催化排气净化器引入以及燃料喷射普及化等技术的进展。

在20世纪90年代,当电动汽车难以达到节能目标的事实变得很明朗时,人们对混合动力电动汽车的概念产生了很大的兴趣。

全世界汽车制造业生产的混合动力电动汽车原型取得了巨大的进步,它们在燃油经济性方面超过了对应的内燃机汽车。在美国,道奇汽车公司制造了Intrepid(无畏)ESX－1,ESX－2和ESX－3型混合动力电动汽车。ESX－1型混合动力电动汽车是串联式的混合动力电动汽车,它装备有一个小型涡轮增压的三气缸柴油机和一个蓄电池组;在后轮上安置有两个100 hp的电动机。当时,美国政府提出“新一代汽车合作伙伴计划(PNGV)”,它包含燃油经济性可达80 mile/gal的中型轿车的目标。福特公司的Prodigy(奇迹)和通用公司的Precept(方案)均是起因于该计划的成果。Prodigy和Precept两车都是并联式混合动力电动汽车,装备有与无润滑油离合器的手动变速箱相配合的小型涡轮增压的柴油机。它们达到了计划的目标,但并没有随之生产。

欧洲方面的成果由法国的Renault Next显示,该车是一辆小型的并联式混合动力电动汽车,它采用了一个750 cm3的火花点火发动机和两个电动机。这一原型车的燃油经济性达到29.4 km/L,其最高速度和加速性能已可与传统内燃机汽车相比拟。大众汽车公司也制造了原型车Chico,其基础是一辆装备有镍氢蓄电池组和一台三相异步电动机的小型电动汽车,由此安装了一台小型的双缸汽油发动机,用以给蓄电池组再充电,并为高速巡航提供附加的动力。

混合动力电动汽车的发展和商品化,其最有影响的成果来自日本制造厂。1997年丰田公司在日本推出了Prius混合动力电动轿车,本田公司也推出了Insight和Civic混合动力电动轿车。这些混合动力电动汽车目前在全世界得到了有效的应用,实现了燃油消耗量的优化。丰田公司的Prius和本田公司的Insight混合动力电动汽车具有历史性的价值,它们是回应私家车燃油消耗难题的当代首批商品化的混合动力电动汽车。