混合动力汽车「自充自用」的省油原理为转化率差值

• 内容概述：混合动力技术平台的三大类型，内燃机与电动机的运行原理，各类平台的节油与性能的标准。（内容约3400字，阅读需要15分钟）

混合动力汽车的主流类型分为三类，分别为：油电混合（HEV），增程式电驱（REEV），插电式混动（PHEV）。其中插电混动系统又可以按照技术特点的区别分为多个等级，理论上集成BSG发电启动一体电机的PHEV是目前最高技术标准的混动平台；本篇将分为三节解析各类平台的特点，首先需要了解为什么“混动”能节油。

转化效率·差异

在燃油动力汽车领域总会讨论这样一个话题：发动机的热效率是多少？【热效率】是衡量一台发动机是否具备高性能与低油耗的重要因素之一，其概念是指燃烧产生的热能假设为100%，其中有多大比例的热能可以转化为机械能（动力）。

活塞往复循环式·内燃式热机是燃油汽车几乎唯一的发动机选项，这种机器的运行原理非常简单但结构却非常复杂。原理为气缸内部燃烧燃油产生热能，以热能推动活塞往复运动并推动曲轴转动。

（曲轴可理解为发动机的动力输出轴·带动飞轮说变矩器泵轮即可将动力输出到变速箱并直到车轮）

图1：内燃机的运动状态演示

图2：内燃机的结构剖面图

内燃机的结构真的很复杂，想要平稳的交替做功需要的是正时系统为各个气缸准确无误的控制气门，以实现活塞、连杆、曲轴、轴瓦等等结构的稳定运转。同时还需要利用曲轴输出的动力带动发电机、压缩机、水泵、助力泵等等系统运转，缺少一样都无法运行。

问题来了：燃烧产生的所有热能首先要被复杂的机械结构的运动（摩擦）损耗掉很大一部分，其次通过曲轴带动运转的各个系统也要损耗很大的曲轴转矩（扭矩·功率）；再次冷却循环系统也是要损耗掉很多热能的，但不进行冷却又会因高温损伤机体，那么到底会浪费多少呢？

重要参数对比：

• 活塞往复式·内燃机热效率约为35%（平均值）
• 交流异步电机能量转化率约为85%
• 永磁同步电机能量转化率约为95%

这组数据说明的是三类型发动机消耗100%的能量，能够有效转化成驱动力的比例。内燃机由于机体系统自身需要消耗掉（浪费）太多热能，结果只有平均35%的热能才能被有效利用，然而电动机为什么会这么高呢？

原理：电机并不通过燃烧的方式转化机械能，而是通过电流输入到电动机的电磁线圈产生电磁场，以【磁极互斥】的原理驱动转子运转。由于转化过程中不会产生很多热能，而且能量转化本就不需要热能，所以机器的结构会非常的简单；同时转子与定子是没有物理接触的，转子悬浮的固定进行动力输出也几乎不需要考虑损耗，电机自身并不会像内燃机一样产生巨大的浪费。

番外知识：交流异步电机是两组线圈的相互作用，在运行过程中定子与转子并不完能同步动作。所以即使有高效率的转化基础，但由于运行过程中存在一定程度的损耗，于是这种机器几乎被汽车行业淘汰了。

永磁同步电机是利用「永磁体」作为基础，电磁线圈的产生的刺激与其作用可以做到同步运转。这种结构不会有很大程度的浪费，而且可以高效的反向运转成为“充电电机”，于是这种电机成为了主流选项，不过这与混合动力汽车节油有什么关系呢？

三类系统「节油原理」

思考一个问题：汽车在城市道路通勤的油耗，为什么会比高速公路巡航驾驶更高？

这个问题的答案能解释混合动力汽车为什么能节油！城市道路油耗高主要是因为频繁的起起停停与加速，汽车行驶阻力最大的是这两种状态，因为此时缺少滑行惯性作用力的帮助；车辆的加速完全依靠内燃机输出高功率实现，而提升功率的方式只能是“拉高转速”。

任何发动机都会是转速越高能耗越高，转速的概念是一分钟内做功的次数，每次做功都要消耗燃油或电能，做功的频率高（频繁拉高转）必然费油。但是在高速公路巡航时却只需要将转速稳定在平均2500rpm左右，这要比城市道路忽高忽低、平均可能达到3500rpm的转速更低，油耗自然也就更低喽。

重点：HEV油电混合汽车主要以日系汽车的「ECVT平台」为主，其中本田汽车的ECVT是模拟“增程式电动汽车”。运行原理为内燃机串联发电电机主要用于行驶中发电，产生的电流输入到动力电池组进行充电，汽车由ECVT的驱动电机带动运转。

• 增程发电可让内燃机以相对恒定的中低转速运转，状态等于高速巡航。
• 低效率的内燃机以中低转速发出的电能虽然不多，但足以满足高效率电机的功耗。

懂了吧，说白了本田的HEV就是以“稳定并降低内燃机转速”实现节油，利用高效率的电动机实现转化后能量的充分有效利用。所以即使内燃机的效率很差且转化电能的过程还有损耗，但电机的“需求并不高”。至于丰田的ECVT则是普通油电混合为主，其节油原理是在车辆功耗最大的起步和加速阶段，以电动机作为主要驱动力、从而降低内燃机的消耗。

必须说明：两田ECVT系统实现节油是有先决条件的，那就是驾驶风格要相当保守。原因在于ECVT是一种集成两台电动机的横置变速箱，这种结构会严重限制电机功率；而且双电机中还有一台是发电电机，去掉其功率后的驱动电机性能会很弱。

低功率电机以高速行驶或高转速运行很容易达到“恒功率”扭矩快速下滑的范围，此时电耗会比较高。而内燃机优势动力相当弱的自然吸气·米勒循环或阿特金森循环，这种两种机器的低转爆发力很弱，峰值扭矩其实也很弱。所以想要感受到相对合理的性能，唯一的方式就是同时拉升电机和内燃机的转速，结果必然是“双料高能耗”，这就是ECVT系统的缺点——节油就不宜考虑驾驶乐趣。

「REEV&PHEV」技术特点解析

本田的“REEV·ECVT”实际就是简配的增程式电动汽车，说白了就是电池组容量小一些，不增加插电充电模块以降低制造成本。反之给这台车加入大容量电池组和充电系统，那么这台车就会是日常通勤代步完全不需要用油，通过电网充电即可纯电驾驶的混动汽车；只有在偶尔的长途通勤时才需要增程驾驶，这是不是会更节能呢？

标准答案：插电增程汽车肯定要更加节能一些，因为利用燃油在汽车上发电还是会有较大的损耗和排放。而电网充电最起码有超过30%的电能来自清洁能源，全数电动汽车加在一起又只能消耗掉几十分之一；所以主要在夜间充电的REEV汽车会通过峰谷电耗的调控，加速节油减排的进程。

然而这个话题似乎显得有些“不接地气”，那就聊一些接地气的！专用充电桩夜间充电的费用仅为0.3￥/1kwh，说白了就是三毛钱一度；电动汽车的平均能耗约为15kwh/100km，也就是说主要在夜间充电则可达到行驶一百公里只需要支出【4.5元】，平均每公里开支不足五分钱……

这就是ECVT增程系统几乎没有意义的原因了，随着动力电池的类型多样化，成本很高的NCM（镍钴锰）未来将不再是主流；制造成本可以下降⅓~¾且安全性与体积能量密度更高的LFP磷酸铁锂电池，决定了插电式增程汽车将会未来主力快销车（普通代步汽车）的理想选项。曾经价格高昂的宝马i系列、别克沃蓝达以及理想ONE都会逐渐拉低产品定位，增程汽车会是取代普通燃油代步车的“潜力股”。

• 【PHEV·并联式插电混动】将会是主攻性能汽车的选项。

REEV增程式系统之所以可以降低产品定位，原因是制造成本会很低：不需要传统变速箱，内燃机不需要高标准多缸中大排量选项，动力电池成本已经下降，这种汽车难道不应该便宜一些吗？至于ECVT平台的混动汽车则应该定位更低才科学，毕竟这些车辆的性能表现是会弱一些的。

然而PHEV则能够实现“1＋1＞2”的性能标准，因为这种系统的两台发动机都能实现驱动。电机转化效率是内燃机的几乎三倍，那么两台机器同时输出动力等于装备多少内燃机呢？

重点：并联式插电混动系统的性能表现总会非常强劲，可以参考比亚迪王朝系列混合动力汽车，其整备质量2.4吨的SUV都能够以4.3秒的跑车标准破百。很显然这是中高端汽车的标准了，所以此类车辆的价格定位也会高一些，不过并不是单纯因为高性能。

并联系统＝（内燃机＋变速箱）＋（电动机＋动力电池＋电动系统），说白了就是把一台燃油车与电动汽车融合到一起。制造成本会相当高，研发投入也是相当夸张，所以此类汽车很难做到价格很低。但参考秦宋Pro等车，轿车以不足14万的价格起步其实也很有诚意了。

毕竟这些车还是加入了BSG电机系统，25kw的额定发电功率还能满足中低速的增程式驾驶，也就是说融合了“ECVT＋REEV/高性能模式切换”。

总结：PHEV系统是目前综合实力最强的混动系统，REEV将会是主流代步汽车的节能选项，但前提是两类车辆都得保留插电充电模块。否则也就成为ECVT的低标准选项了，技术层面的排名大致如此，就聊这么多了。