混動五講之一：混動為什麼能省油

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寫在前面：

隨著各國政府對於汽車油耗和排放的要求日趨嚴格，混動化幾乎是給內燃機「續命」的唯一方法；而另一方面，如果電動車最終真的將取代燃油車，在電池能量密度、價格，充電技術，充電設施建設尚未成熟之前，發展插電混合動力也是很有必要的過渡手段。因此，有越來越多的廠商都投入了更多的資源研發混合動力技術，很有可能在十年以內就有一半的新售乘用車是某種形式的混動汽車。跟今天的車迷熱衷於討論發動機缸數和形式，變速箱類型，以及整車發動機和驅動布置方式一樣，未來的車迷很可能也需要對混動的各種技術形式耳熟能詳。

作為一名政策研究人員，汽車工程本不是我的強項。但出於研究新能源汽車的需要，我也曾專門學習過混動技術的原理和分類。這個系列一共5篇文章，包括混動為什麼省油，混動的基本構型，行星齒輪混動技術，電機的位置和組合，以及混合程度分級等內容。寫作的目的，是希望讓廣大車迷和消費者對混合動力有一個基本的概念，同時也是我自己的一份學習筆記。如有不準確之處，還希望各位朋友不吝指教。另外，推薦對混合動力技術感興趣的朋友，多閱讀站上 @Brandon Lu@Kevin Chow@姚昌晟等人的文章，也可以關注我的收藏夾混合動力。

提到混合動力，可能絕大部分人的第一印象，是省油。這個說法不太準確，以比亞迪秦、唐和三大混動超跑法拉利LaFerrari，保時捷918 Spyder和邁凱輪P1為代表的車型恰恰是以動力性能而非油耗取勝的，在這些例子中，增加電機、電池的目的是突破內燃機技術的限制，省油並不是重點。所以，混動實際上提升的是「效率」，而不是燃油經濟性。

那麼，為什麼混合動力的效率更高呢？

一個流行的說法是，因為混動增加的電機在低速的效率更高。這個說法似是而非。

電機在絕大多數轉速和負荷區間效率都在85%以上，而內燃機目前的最高記錄是豐田最新的2.5L直列四缸直噴發動機，也只有41%。所以其實如果只是比兩個動力機構的效率，電機無論在低速還是高速都是比內燃機更高的。

但另一方面，混合動力汽車上的電力並非憑空而來。大多數的混合動力汽車其實並沒有「混合能量」，而只是混合了「驅動系統」（drivetrain），驅動電機的電力仍然來自於內燃機，但內燃機輸出的能量經過了發電機和電動機的兩步額外損耗，總效率其實是低於內燃機直接驅動車輛的。

這套機構沒有電池的話，其實就是火車上用來替代機械變速箱的「電傳動」機構。應用在柴油火車特別是柴油動力分散式的火車（即柴油動車組）上，具有結構簡單、可靠性高和方便分散布置的優勢。但對於汽車則效益有限，二戰時期斐迪南保時捷研發的虎P坦克就是一個反面例子。

如果電力來自於外接充電，火電廠的發電效率一般也只是比50%略多，經過電力輸送、充電及電機驅動過程中的損耗，再考慮到電池增加的車重，最終驅動效率比運行在最佳狀態下的純內燃機汽車也只不過是略高。而且它省油也並不是因為電傳動效率高，而是通過轉化化學能的低點從車載熱機轉移到了規模更大更高效的電廠熱機。

當然了，整合兩種動力驅動系統在某些情況下也可以提高效率。目前世界上先進的軍用艦船，普遍裝備了將柴油推進、柴電推進、燃氣推進、蒸汽推進、核動力推進中的某兩種或某一種的兩型混合在一起的聯合推進系統，從而兼顧日常巡航的經濟性和戰鬥時的高動力輸出。

理論上，汽車也可以在日常行駛時使用小型高效發動機降低油耗，激烈駕駛再加入大排量高性能發動機增加輸出。但輕型汽車的體積有限，需要克服的阻力對重量也十分敏感，如果僅僅是搞出兩套動力系統，往往得不償失。所以只有像渦輪增壓、歇缸、可變氣門正時、可變氣門升程等讓發動機特性可以改變的技術。額外增加一套動力系統的不是沒有，但多半是為了四驅和高性能，油耗則一點都不低。

實際上，混動高效的關鍵，並不在於電機，而在於電池。或者更準確的來說，在於擁有一個峰值動力存儲裝置PPS（peaking power source）。跟油箱、天然氣罐這些儲能裝置不同，PPS即使在車輛行駛的過程中也可以填充能量，而不只是釋放能量。這個裝置在混動系統中通過三個方面來提升效率：

首先，如下面這張BSFC圖所示，內燃機的高效工作區間非常狹窄，往往只局限在中低轉速、中高負荷的狹小範圍。汽車日常行駛的功率需求遠比最佳區間低，而激烈駕駛或爬坡時轉速和負荷又都比這個區間高，效率就低了很多。而PPS則起到了「削峰填谷」的作用，發動機最優工作功率高於路況需求功率時，多餘功率通過電機轉化為電能儲存在電池中；低於路況需求功率時則電池儲存的電能驅動電機與發動機共同驅動車輛。這樣一來，內燃機就可以永遠（或在更多情況下）工作在最優或接近最優的區間。

下圖中橫軸為轉速，縱軸為扭矩，藍線為功率，也即動力需求，百分比曲線為節氣門開度，等高線色塊為單位做功的燃油消耗量，即燃油效率，可以看出，內燃機的低轉速低負荷時的效率可能只有最優區間的60%或更低。

而更進一步的，因為電機可以對內燃機形成補充，削峰填谷，所以內燃機的設計可以更為極端，只考慮在最優工況工作時的熱效率和NVH（振動、噪音和平順性），而不需要像傳統發動機一樣兼顧其他工況。目前豐田、本田等車廠生產的混合動力普遍採用的阿特金森循環發動機，在低轉速時低節氣門開度時扭矩很差，如果沒有電機的低轉速高扭矩做補充的話，是不適合使用在家用汽車上的。

最後，PPS的存在也使得動能回收成為可能。傳統汽車在下坡或減速、制動時動能轉化為剎車片的熱能，白白浪費掉還增加剎車片磨損，但混合動力汽車因為有一個相對大的儲能機構，就可以將這些動能回收，之後再用於驅動車輛。

雖然大部分混合動力汽車都用電池作為PPS，但其實PPS還可以採用其他的裝置。

馬自達在創馳藍天動力系統中使用的i-Eloop微混系統就採用充放電更快、也更耐久的電容作為PPS。不過超級電容的單位能量所需的體積太大，因此極少在電動化程度更高的弱混和強混系統上採用。

F1賽車的動能回收系統，即所謂的KERS（Kinetic energy recovery system），則往往採用飛輪作為儲能機構。飛輪雖然有能量隨時間損耗較快的缺點，但充能功率更高，而且單位重量能儲存的能量也更高，F1賽車的版本可以提供120kw的加力，很適合短時間高頻率充放能的賽車。沃爾沃也曾經發布過民用飛輪混合動力系統的概念。

液壓裝置也可以作為PPS。與飛輪一樣，相同重量的液體比電池儲存的能量更多，雖然充放能的功率和工作效率沒有飛輪高，但損耗較小，多在中大型車輛上採用。美國的UPS曾經使用過一批液壓混合動力車輛，也有公司研發過液壓混合動力的城市公車和工程車。

與液壓很相似的還有壓縮空氣，重量更低，但體積則更大。法國的PSA在壓縮空氣混合動力方面研究多年，已經推出過樣車。

飛輪、液壓和壓縮空氣都並非用來存儲動力，自然這幾種混合動力也就並不使用電機了。