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环保先驱---油电混合系统的演变

1901年,Porsche车厂创办人-Dr.FerdinandPorsche,以洋溢的机械工程才华设计出全球第一套车用Hybrid油电混合动力系统时,当时这只是一个不知何时才能真正实现的梦想。Dr.FerdinandPorsche应该没有想到,在几十年后,实现他梦想的,竟然是相隔千里之外、远在东方的日本车厂Toyota。

Hybrid车款中约350万辆掛著Toyota与Lexus厂徽,佔77.8%。

1997年,Toyota成功推出第1代Prius-全球首款搭载Hybrid油电混合动力系统的量产车,开启了量产化Hybrid车款的历史新页。而再经过多年的努力,今日Toyota集团已成为Hybrid油电混合动力汽车领域的领导者,不仅开发出最多Hybrid车型,同时也是Hybrid市场佔有率最高的车厂。至2011年底為止,全球销售约450万辆Hybrid车款,而其中约350万辆是由Toyota集团售出。

Toyota在欧洲地区的形象广告,以人和地球自然环境的和谐相处为诉求。在具体做法上,Toyota集团10余年来销售全球多达350万辆Hybrid混合动力车款,所减少的废气污染相当可观。在认识Toyota建立的Hybrid王国之前,我们要先带您追寻Hybrid汽车发展的历史足跡。

何谓Hybrid?Hybrid一词源自於希腊文的「hybrida」,代表交错与混合的意思。而所谓「Hybrid汽车」,则是一部车上搭载了两套动力来源系统及两套能源储存系统之车款。

ToyotaHybridSystem的中枢-PCU动力控制模组。这是协调汽油发动机与电动机两种动力系统和谐运作的关键。

以动力来源来说,现行Hybrid车款中最被广泛採用的是内燃机与电动机的组合,而这样的Hybrid汽车又被称為「Hybridelectricvehicle」,简称HEV,中文称為「油电混合动力车」。Toyota集团则不用「混合」二字,而以「复合」称之,词异但意同。

Hybrid并不是新鲜事

相信对于很多人来说,一辆汽车上搭载两种动力系统,感觉起来很新鲜。但是事实上,Hybrid概念具体运用于交通工具或机械上的历史非常悠久,而且「混合」的动力类型也很多,不仅是内燃机与电动机两种搭配而已。举例来说,柴电潜艇就是一个使用Hybrid概念的最佳例证。柴电潜艇搭载了柴油发动机与电动机,当在海面航行时,以柴油发动机驱动并为电池组充电;而当潜航在水中需要最高度的隐匿性时,就改以电动机驱动,一来柴油发动机运作的噪音会暴露潜艇行踪,二来柴油发动机运转会耗费舱内宝贵的氧气并引发一氧化氮中毒。

柴电潜艇即是使用Hybrid概念的例子:海面航行时以柴油发动机驱动并為电池组充电,

潜航时则改以电动机驱动。

另外,各位搭乘过非电气化的柴电火车吗?台湾铁道上还有很多这样的柴电火车在运转中。其运作原理正如其名,机车头上的柴油发动机其实是扮演发电机的角色,其所产生的电力交由电动机来驱动车轮、进而带动整列列车。

铁道车辆採用Hybrid也有悠久的历史,例如图中的台铁R50系列柴电机车头即属之:

由柴油发动机发电供应电力给电动机以带动车辆。

这两个都是Hybrid概念使用於交通工具的例子,不过,您是否发现,它们的「Hybrid」,其实仅是具备两种动力系统,但真正担任驱动工作的,似乎都只有其中一种动力系统?这种作法并不是那些研发Hybrid技术的汽车工程师们真正想要的。他们希望车上的不同动力系统可以视行车情况单独或共同运作,以发挥最大的效益:包括油耗、排污的减少,或者是性能的提升。

构想很好,不过,研发Hybrid混合动力车款的挑战,其实比您我想像的还大。

Hybrid系统概念虽然简单,但是实际运用在车辆上,想要让两种动力系统能够完美协调、发挥节能与提升性能等效益,其实比想像中的难很多。图为ToyotaHybridSystem(THS)各项零组件的示意图,具体显示出除了发动机与电动机之外,还需要其它周边系统来加以整合。

首先,Hybrid车款必须比传统汽车额外增加另一套动力系统(如电动机)、能源储存系统(如电池组)与相关设备(如电池控制模组、PCU动力控制模组),但整体车重却仍旧要保持在一个合理的范围内,所以Hybrid车款光是车重的控制,就是一个很大的挑战。再加上行车状况瞬息万变,负责协调这些动力输出的PCU动力控制模组必须具备极快的运算速度与智慧化程序,因为它犹如车辆的思考中枢,必须判断车辆行驶状况与驾驶者意图,做出最适合的动力输出,否则两种动力不是打架、就是白白的浪费了。这些问题都是Hybrid汽车在过去研发时遇到的瓶颈,不过,随著各种轻量化技术、汽车电子科技的进步,这些问题已找到相对应的解决办法,而Hybrid汽车也因此才能从理论、梦想,转为朝向量产化、普及化的阶段迈进。Hybrid严然成为当前车坛显学Hybrid混合动力车款的研发,是当前车坛的显学,全球大小车厂无一不竞相投入研发、争食此一新兴市场。其实Hybrid汽车仅是车坛因应石油枯竭问题,着手开发下一世代「新能源车辆」趋势中的一个派别,另有EV电动车、氢气动力车、燃料电池电动车等流派也都有车厂投入开发。而在使用新能源这个理念下的大前提下,Hybrid这种半油半电的动力组合,被许多大车厂视为仅是过渡期的产物,并没办法达到使用新能源替代石油燃料的目的,因此并不太受到重视。

开发出极度节能、甚至不使用石油做为燃料的未来车款,是各大车厂努力的目标。

而要达到此目标的路线也很多,但是Hybrid油电混合动力车款,是目前最具可行性的方法。

但是Toyota集团并不这么想,它们认为与其期待一步登天,不如很务实的从Hybrid车款开始,减少对石油燃料的消耗与依赖程度。Hybrid车款相较于其它想使用全新能源取代石油的车款来说,结合传统内燃机动力与电动驱动系统的Hybrid车款,是最具体可行、且不用推翻原有能源供应体系,即能对应能源短缺问题(减少油耗)与减少环境污染(降低排污)的有效方法之一。所以Hybrid车款就产生了足以吸引消费者的卖点:节能、环保、未来感:1.优异的油耗表现(例如国产CamryHybrid市区油耗32.28km/l)让车主的用车负担大幅减轻,无论是实质油费支出或是心理上能摆脱油费的沉重压力,尽情享受驾驶带来的乐趣皆然。2.电动机的加入,减少了废气的排放量,让每一个Hybrid车主都用实际行动为地球环保尽了一份心力。而在实际用车感受上,Hybrid也带来有别于以往的乐趣,包括纯电动模式行驶时的安静无声、电动机为瞬间加速时提供的额外动力,或是在电动机辅助下大幅提升的乘坐品质(特别是座舱宁静度)等。

3.Hybrid车款会配备监控Hybrid系统运作状态的信息画面,例如Toyota所称的「能源监视器」,能显示车辆动力模式、充电状态、输出状态等,有些还具备让驾驶者学习节能驾驶技巧的互动式设计,都提供车主一种很具有未来感、新鲜感的驾驶感受。

燃油经济性、低排污、驾驶乐趣与优异的静肃性,是Hybrid油电混合动力车款的几项卖点。

1901年首部Hybrid汽车出现

Porsche车厂创办人Dr.FerdinandPorsche,23岁时进入维也纳的JakobLohner车厂工作,开始挥洒他在机械工程方面的才华。Hybrid混合动力汽车看起来那么前卫、高科技,但事实上,它可不是最近才出现的玩意儿。如果要追溯它在最早在车坛出现的历史,至少也超过110年以上。而Hybrid汽车的发展历史回顾,要从一个当今家喻户晓的跑车品牌「Porsche」来谈起。今日大家说到「Porsche」,总是先联想到它们那款具有「蛙眼」头灯的911系列跑车。是的,那是它们最成功的作品之一。但是很少有人知道,其实Porsche车厂创办人Dr.FerdinandPorsche可说是Hybrid汽车发展史的先锋。1898年,当时受雇於奥地利JakobLohner车厂、年仅23岁的他,第一个设计作品是「SystemLohner-Porsche」,这是一辆利用两具配置在前轮轮轂上的电动机所驱动的纯电动车。

配掛在车上的标誌非常有趣,除了「SystemLohner-Porsche」字样外,还有三条腿。

而在两年后的1901年,JakobLohner车厂发表了FerdinandPorsche更进一步的改良设计「Lohner-PorscheMixteHybrid」,这是汽车史上第一辆Hybrid油电混合动力车款,由汽油发动机负责发电,供电给装在轮轂上的电动机驱动车辆(有前驱与四驱两种配置),车重虽重达1800公斤,但它的极速仍创下当时奥地利国内的速度纪录:60km/h。(编按:PorscheMuseum已将一辆Lohner-Porsche修复至能正常行驶,并成為镇馆之宝。)此外,文献指出,从1901年发表至1906年为止,Lohner-Porsche约售出300辆,以当时的市场规模来看,它可以算是量产化的Hybrid车款了。

1901年,由FerdinandPorsche设计的「Lohner-PorscheMixteHybrid」发表,

这是汽车史上第一辆Hybrid油电混合动力车款。汽油引擎负责发电,供电给装

在轮轂上的电动机驱动车辆,极速可达60km/h。胖胖的轮轂是它的最大特征。

因客製化要求不尽相同,因此造型上也有所差异。当时甚至有买家驾驶此车型参与赛车。

就如今日Hybrid车款百花齐放一样,FerdinandPorsche的时代,研究Hybrid技术的也不只有他一人。也有研究者指出,其实另一位比利时籍的工程师HenriPieper,比FerdinandPorsche早了一年,在1900年就在德国发表了他设计的Hybrid油电混合动力车款,不过,这时间点也有不同的说法,另一说是1905年HenriPieper才发表Hybrid车款并进行销售。无论哪个时间点,HenriPieper的Hybrid车款都该享有更重要的历史地位,因為其Hybrid车款在技术上看起来更接近今日的Hybrid车款,平常巡航时由汽油发动机来驱动车辆,而电动机则转为发电机为电池组充电;而在遇到上坡或是需要加速时,这个电动机就会加入,提供额外动力与发动机一同驱动车辆,达到真正以混合动力驱动车辆,而不是只有单一动力驱动车辆。只不过HenriPieper所创建的Pieper车厂结束得早,没有留下太多的史料可供研究,后人所知有限。无论「Hybrid汽车之父」应该是FerdinandPorsche或是HenriPieper?这都说明了Hybrid汽车的首次出现,至今都已有超过110年的悠久历史了。

并成为镇馆之宝。该车还曾出席过重要的车厂宣传活动与古董车盛会。

虽然Hybrid的概念几乎与汽车发展历史一样长寿,不过,在接下来100年间,Hybrid技术的发展虽然未曾中断过,但是在主流的汽车市场中,这项技术却一直有著一些技术门槛无法跨越,例如电池重量问题、协调动力的电子系统运算速度不足,以及最直接的生产成本增加等问题,加上早期人们对於石油枯竭的危机感觉并没有那么急迫,使得结构与Hybrid相比相对简单许多的内燃机汽车强势发展,Hybrid技术因此难以而冒出头来。

不过,随著石油能源的枯竭,以及因严重空气污染带来地球气候的急速改变,车厂又开始打开尘封的档案柜,寻求能解决这些问题的新型车款,而这就是让Hybrid技术重新受到重视的新契机。而Toyota集团,就是让Hybrid汽车从理论与梦想阶段走入现实生活,并且得以大规模普及化的最大功臣。

Toyota长达40年的投入研发Toyota集团开发Hybrid技术的历史长达40年,早在1977年,Toyota就已经提出它们的Hybrid概念提案。该年的东京车展发表了一款以旗下小跑车Sports800为基础开发的Hybrid车型-Sports800GasTurbineHybrid,用以向世人宣告,Hybrid技术可能是一个能改善地球暖化危机的可行方法。Sports800GasTurbineHybrid同时搭载了燃气涡轮机(gasturbine)与电动机,可说是Toyota投入GreenCar研发领域的最初代表作。而在80年代,除了Hybrid技术的开发,Toyota也同时著手电动汽车(EV)的技术开发,这些都为日后Hybrid量产化累积了所需的经验与技术。

不过,Toyota在90年代体认到电动汽车的发展,面临到的关键技术问题并不在汽车厂本身,而是电池技术。因為电池技术方面一直没有重大突破,电池重量与续航力都牵制了电动车发展的可能性。于是Toyota认清现实,改以Hybrid油电混合动力车型作为研发重心,因为这是在现有汽车架构下,更动最少、最具体可行却又能快速看到成效的做法。Prius的前身-G21计划近代席卷全球的Hybrid风潮的发起点,要从1992年1月16日说起。就在那一天,Toyota集团发表了「地球宪章」(EarthCharter),宣布他们将致力於发展低污染车辆。这并不是个口号而已,而是正式起跑的枪声。1993年9月,Toyota的研发部门就拟定了「G21」计划(G21Project),「G21」象征这是针对21世纪提出的开发计划。此计划领导人為Toyota研发部门执行副总裁TakehisaYaegashi,日后被车坛暱称为「Mr.Hybrid」,他决定开发一款能同时具备电动车与汽油引擎车款优点的全新车型。

打造採用Hybrid油电混合动力系统的概念车,并在1995年东京车展以「PriusConcept」之名发表。

1994年,Toyota研发部门总工程师内山田武(TakeshiUchiyamada)带领G21计划的团队,开始著手打造採用Hybrid油电混合动力系统的原型概念车,并且在1995年东京车展以「PriusConcept」之名发表。1996年起,Prius的原型车开始进行各项测试,为投入量产化进行最后准备。据说,该团队测试过超过100种的Hybrid混合动力组合才找到最佳的搭配。1997年,人类该好好记住这个时间,因为这是改变地球命运的关键点。

1997年12月11日,全球各国代表聚集在日本东京召开「京都会议」,通过「京都议定书」(KyotoProtocol),与会各国达成一致共识:致力减少温室气体的排放以避免地球气候产生剧烈变化。而后陆续共有全球183个国家签约遵守此协议,可说是人类有史以来最大的共识。

Toyota集团在欧洲市场的销售的Hybrid车款,於2012年1月26日达到40万辆,而这第40万辆Hybrid车型则Toyota於2010年首款导入欧洲生产的Hybrid油电混合动力车AurisHybrid,其生产基地位於英国的Burnaston工厂,一同与Prius车系开拓欧洲Hybrid油电混合动力车市场。

身为地主国的日本,则在「京都会议」前一天,用实际行动展现它们的决心与解决此一问题的技术力。12月10日,Toyota於日本正式发表史上第一款量产化的Hybrid车款:第一代Prius。而它也掀起了近代Hybrid汽车风潮。接下来各篇,我们将继续深入介绍Toyota集团的Hybrid家族代表车系-Prius的历史、现在与未来,并且深度剖析当今国内车坛最热门的话题车款-CamryHybrid。 Toyota集团Hybrid车款年谱 发表时间 品牌 车名 备注 1997 Toyota Prius 第一代车型 2003 Toyota PriusII 第二代车型 2004 Lexus RX400h 全球第一款HybridLSUV 2005 Lexus GS450h 中型后驱Hybrid房车 2006 Toyota CamryHybrid 于美国生产销售的中型Hybrid房车 2007 Lexus LS600h Lexus入门级前驱Hybrid房车 2009 Toyota PriusIII Prius第三代车型 2009 Lexus HS250h Lexus入门级前驱Hybrid房车 2009 Lexus RX450h 2011 Lexus CT200h 第一款掀背Hybrid 2011 Lexus GS450hII 圆石滩经典车会发表 2012 Toyota PriusC 都市型Hybrid迷你车 2012 Toyota PriusV Prius衍生RV车款 2013 Toyota CorollaHybrid 预计2013年推出

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2012-08-01

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