混合動力車輛不是所有的都要依靠電動發(fā)動機、電池和電線。有些車輛是靠液壓泵電動機、鈴線和蓄電池的聯(lián)合作用來驅(qū)動的。
最近的汽油價格達到了創(chuàng)紀(jì)錄的歷史新高，讓站在加油泵面前的消費者膽顫心驚。但是，與重型卡車運輸車隊的經(jīng)營者相比，這些消費者的痛苦只能算是小痛小癢了。
從燃料經(jīng)濟性的角度來看，為我們配送包裹和運送垃圾的卡車需要承受幾方面的不利沖擊。重量就是其中一個重大因素。滿載重型運輸車輛一般在14000到33000磅的重量范圍之間。除重量因素外，很多這類的運輸工具還具有燃料燃燒的工作負載循環(huán)，它們需要不斷地啟動和停車。
所以，幾個最大的卡車車隊運營商已經(jīng)開始追逐混合動力運輸工具的潮流，這對任何人來說都不會感到奇怪。聯(lián)邦快遞（Federal Express） 公司和 UPS 公司的運輸車隊在過去兩年增加了幾十輛混合動力卡車，兩個公司采用的都是Eaton Corp公司提供的混合動力傳動系。據(jù)美國最大的垃圾運送公司Waste Management的發(fā)言人Lynn Brown說，該公司也在評估一系列的渣土運輸車的混合動力解決方案。
但是，可能讓人感到意外的是，FedEx公司、UPS公司和Waste Management公司正在考慮選用在一些最重型車輛上的混合動力系統(tǒng)的種類。這些混合動力系統(tǒng)不像豐田公司的Prius車型一樣，使用的是電動發(fā)動機、電池和電線，而是利用液壓泵發(fā)動機、高壓鈴線和蓄電池的聯(lián)合作用來驅(qū)動車輛。
這類液壓混合動力中最激進的型號完全擺脫了傳統(tǒng)的機械動力傳動系統(tǒng)。在這些車輛上，柴油引擎驅(qū)動液壓泵發(fā)動機，而液壓泵發(fā)動機再為高壓蓄電池充電。蓄電池驅(qū)動后輪上的斜軸式液壓泵發(fā)動機從而驅(qū)動車輛。一個低壓儲備器用于收集液體，然后把液體再送回到第一個液壓泵發(fā)動機中，這樣就形成了一個完整的液壓循環(huán)系統(tǒng)。
與電動混合動力發(fā)動機一樣，液壓混合動力發(fā)動機也有提供再生制動的能力。貨物運送車輛和渣土運輸車經(jīng)常要制動剎車，當(dāng)車輛制動時，液壓泵發(fā)動機會為高壓蓄電池充電。當(dāng)卡車再次啟動前行時，儲存在蓄電池中的能量可以用來減少柴油引擎的負載。這些能量也可以限制引擎關(guān)閉時推進力的迸發(fā)，比如說，在室內(nèi)操作車輛時。
對一般消費者或某些工程師來說，在這樣一個電氣化程度不斷提高的世界里，液壓發(fā)動機技術(shù)看上去有些落伍。但是，液壓泵發(fā)動機和蓄電池可以提供一種應(yīng)用扭矩和存儲能量可靠的、低成本途徑，這也正是混合動力車輛所需要的。并且液壓發(fā)動機與電動系統(tǒng)相比具有明顯的功率密度優(yōu)勢，至少現(xiàn)在是這樣?！耙簤喊l(fā)動機好像非常有效，至少對大多數(shù)重型卡車系列來說是這樣的，”環(huán)境保護基金會（Environmental Defense）高級汽車策略會成員、機械工程師John DeCicco博士這樣評價。
液壓驅(qū)動方式
當(dāng)今的液壓混合動力系統(tǒng)主要有三種方式，并且都處在發(fā)展之中。美國環(huán)境保護署（U.S. Environmental Protection Agency，英文縮寫EPA）交通與空氣質(zhì)量辦公室(Office of Transportation and Air Quality，英文縮寫OTAQ)的研究者們與Eaton Corp公司、美國西南研究院（Southwest Research Institute，英文縮寫SwRI）和其他合作伙伴聯(lián)合開發(fā)了一種混合動力系統(tǒng)。從2006年6月開始，這套系統(tǒng)開始由UPS公司的配送卡車在底特律市進行測試運行。美國環(huán)境保護署也與Parker Hannifin公司簽訂了一個單獨合作研發(fā)協(xié)議，著手液壓混合動力方面的設(shè)計。
在某些方面，液壓混合動力系統(tǒng)與其同伴電動混合動力系統(tǒng)相似。但是，液壓系
統(tǒng)是使用液壓泵發(fā)動機、鈴線和蓄電池產(chǎn)生扭矩并存儲能量，而不是使用電動發(fā)
動機、電線和電池。
Eaton Corp和Parker Hannifin兩家公司也都各自進行了自主知識產(chǎn)權(quán)的液壓混合動力系統(tǒng)的開發(fā)。Eaton公司開發(fā)的是一個液壓啟動輔助的并行系統(tǒng)，但是其主要的推進力仍然是來自于機械動力傳動系。Parker Hannifin公司在過去的一年半的時間里研發(fā)出一種新型的液壓混合動力設(shè)計，其中一些負載循環(huán)數(shù)據(jù)來自于Waste Management公司。Parker Hannifin公司負責(zé)液壓動力事業(yè)部創(chuàng)新設(shè)計的副總裁、機械工程師Joe Kovach博士報告說，他們公司將在今年晚些時候結(jié)合新型液壓混合動力系統(tǒng)建造一個渣土運送卡車模型。
這些不同系統(tǒng)的明顯優(yōu)勢是燃料經(jīng)濟性和減少排放。但是，全系混合動力系統(tǒng)或者說不依靠機械動力傳動的系統(tǒng)收益好像最大。據(jù)交通與空氣質(zhì)量辦公室技術(shù)轉(zhuǎn)讓部主任John Kargul說，美國環(huán)境保護暑估計，并行混合動力系統(tǒng)能提高20%到40%的燃料經(jīng)濟性。環(huán)境保護暑的全系混合動力系統(tǒng)模型將會有高達40%到80%的燃油經(jīng)濟性。
Kargul報告說，就UPS公司6類配送卡車來說，環(huán)境保護署系統(tǒng)模型和功率測試預(yù)計，每加侖燃料要比相同型號的傳統(tǒng)動力傳動系多跑60%到70%的路程。環(huán)境保護署已經(jīng)開始就UPS卡車在底特律街道上的實際表現(xiàn)進行燃料經(jīng)濟性資料分析。Kargul說，公開發(fā)布結(jié)果還為時過早，但他又補充說“UPS對早期的結(jié)果資料很滿意”。
與此同時，Parker公司得出的評估結(jié)果是，與液壓混合動力傳動系相關(guān)的燃油經(jīng)濟性可以提高效率30%到70%，比例的大小取決于車輛的工作負載循環(huán)、動力傳動系設(shè)計規(guī)格和引擎管理策略。
環(huán)境保護署的UPS卡車與Parker公司內(nèi)部混合動力設(shè)計的主要區(qū)別是，某些駕駛環(huán)境下后輪是否使用一個二級機械直接驅(qū)動系統(tǒng)。在環(huán)境保護署的全系混合動力系統(tǒng)中，只有液壓系統(tǒng)連接柴油引擎和后輪。但是Parker公司的設(shè)計與此不同，在公路駕駛時，也就是以時速50英里左右平穩(wěn)行駛狀態(tài)下，該設(shè)計利用了一個把引擎和后輪連接在一起的機械直接驅(qū)動系統(tǒng)來增強液壓傳動系。
“我們在以兩種方式建造混合動力系統(tǒng)，用傳動軸和不用傳動軸，” Kovach說。事實上，Parker公司這些年來一直致力于研發(fā)全系的液壓混合動力系統(tǒng)。該公司的一個歐洲分部已經(jīng)開發(fā)出并行混合動力系統(tǒng)，這個系統(tǒng)提供液壓啟動輔助，但是大部分的推進力還是來自于傳統(tǒng)的動力傳動系?！拔覀?nèi)匀挥写蠹s20輛公共汽車使用這一系統(tǒng)，”他說。并且在1991年，Parker公司協(xié)助開發(fā)了一種渣土運送卡車，使用的完全是液壓動力，沒有用到機械傳動系。
為什么要在最新型的混合動力系統(tǒng)中增加一個二級機械驅(qū)動系呢？Kovach承認(rèn)，從機械零部件和控制器的角度來看，直接驅(qū)動部件增加了一些復(fù)雜度，純系混合動力設(shè)計可以避免這種復(fù)雜度。但是，他認(rèn)為直接驅(qū)動系統(tǒng)可以在公路駕駛狀態(tài)下提供更高的效率，這足可以抵消設(shè)計復(fù)雜性帶來的不利因素。
“我們充分利用了這兩種不同設(shè)計，”他說。Parker公司的方法可以看作是一種改良的全系混合動力設(shè)計。液壓驅(qū)動過程中，引擎和后輪是完全分離的，液壓驅(qū)動發(fā)生在提速和剎車狀態(tài)下，這些是車輛工作負載循環(huán)的主體過程。他說：“差不多所有的時間中配送車輛或渣土卡車都是作為全系液壓混合動力系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的”。他隨后補充道，但在公路行駛狀態(tài)下液壓系統(tǒng)就失去了一些有效性，因為從再生制動中獲得的能量少了，還因為勻速行駛狀態(tài)下液壓泵發(fā)動機效率降低了，這是由液壓位移中的興渦損失和縮減造成的。
美國西南研究院協(xié)助開發(fā)了環(huán)境保護署系統(tǒng)的一些部件，據(jù)其主管工程師Glenn Wendel估計，一些液壓混合動力系統(tǒng)在公路行駛的功效只有75%，遠遠低于城市道路上高于90%的功效。傳統(tǒng)的傳動系統(tǒng)和動力傳動系在公路上也有90%以上的功效。Wendel說：“這就是為什么大家在公路上看不到液壓混合動力客車或者18輪卡車的原因?！?/SPAN>
在公路行駛中環(huán)境保護署選擇的彌補效率損失的方法與Parker公司不同。“為了用現(xiàn)有型號獲得更高效率，我們重新設(shè)計了液壓泵發(fā)動機，” Kargul說。比如，環(huán)境保護署的研究者們就創(chuàng)新設(shè)計了一款液壓泵發(fā)動機，其位移角比大多數(shù)現(xiàn)有型號、用來驅(qū)動后輪的斜軸式液壓泵發(fā)動機要高?！拔覀円簤罕玫奈灰平窃?/SPAN>45%到50%之間，而同類型號現(xiàn)有液壓泵的位移角在20%到25%的范圍之間，”Kargul的意思是說，更高位移角的斜軸式液壓泵發(fā)動機運轉(zhuǎn)效率更高。
那么，兩種混合動力策略中的哪一個將會勝出呢？Wendel說：“現(xiàn)在下結(jié)論的確太早?！?/SPAN>
為什么液壓設(shè)計更有效
如果出現(xiàn)過液壓混合動力時代的話，那就是現(xiàn)在了。“終于繁星漫天了”，Kovach說。一個原因是較高的燃油成本。根據(jù)Parker公司對液壓混合動力系統(tǒng)的成本分析，當(dāng)油價超過每加侖兩美元時，兩到三年的時間就可以收回投資成本。并且因為他們采用的是被證實的低成本技術(shù)，一些觀察家相信，對重型卡車來說液壓混合動力系統(tǒng)與電動混合動力系統(tǒng)相比成本較低。Kargul引證說，如果批量生產(chǎn)，他們的混合動力傳動系統(tǒng)的成本可以控制在7000美元以內(nèi)。
液壓混合動力的賣點之一是其在獲取制動能量方面的高效率
近些年來液壓部件的性能有所提高，液壓系統(tǒng)中使用的斜軸式液壓泵發(fā)動機也變得更小更有效率。Kargul說，他用一只手就可以拿起UPS公司展示的液壓泵發(fā)動機膛，可如此小的發(fā)動機在蓄電池充滿電時能產(chǎn)生300馬力的功率，蓄電池沒電時也能產(chǎn)生150馬力的功率。
為什么要選用液壓混合動力系統(tǒng)呢？不時要走走停停的大型車輛需要具有很高功率密度的
能量存儲系統(tǒng)。在這一方面，液壓系統(tǒng)更有效。FedEx公司的OptiFleet E700 型電動混合
動力卡車可以減少96% 的微粒排放，減少75% 的煙霧排放，并且每加侖燃料可以多運行
57% 的路程，從而節(jié)省三分之一以上的燃料成本。該公司也在關(guān)注液壓混合動力系統(tǒng)。
另外一個更重要的變化與高壓液壓系統(tǒng)中使用的蓄電池有關(guān)。Kovach回憶說，1991年當(dāng)Parker公司開始著手液壓混合動力系統(tǒng)設(shè)計時，渣土運輸卡車的金屬蓄電池重達3000磅。“現(xiàn)在我們用的是飛機上使用的太空時代復(fù)合材料，蓄電池只有300到400磅重，”他說。
美國西南研究院也一直把重點放在碳纖維增強復(fù)合材料蓄電池上，他們的工程師還設(shè)計出了用于環(huán)境保護署車輛的蓄電池。Wendel報告說，“一般來說，一個復(fù)合材料蓄電池的重量要比鋼體囊式蓄電池輕2.5倍，比活塞式蓄電池輕大約10倍。”
但是，除了系統(tǒng)本身的成本和重量以外，液壓系統(tǒng)還有一個優(yōu)勢，那就是功率密度。Kovach說：“說到功率密度，沒有什么可以超越液壓系統(tǒng)?！彼忉屨f，高壓蓄電池和液壓泵發(fā)動機的功率密度至少是電池和電動發(fā)動機的10倍。從理論上來說，超級電容器可以接近達到這樣的功率密度?！暗且獞?yīng)用在這些系統(tǒng)中成本過于昂貴，”Kovach說，據(jù)他估計，那些重型車輛所需要的一只超級電容器的成本差不多是同樣功用或更好功用蓄電池的50倍。（參見功率密度圖和成本資料。）
液壓動力系統(tǒng)供應(yīng)商通過增加系統(tǒng)壓力輕而易舉就能夠提高功率密度。環(huán)境保護署為UPS公司設(shè)計的演示模型可以以5000磅/平方英寸（psi）的壓力運行，主要是因為建造它的工程師在當(dāng)時找不到承受更高壓力的鈴線連接器。Kargul說：“我們后來找到了更高壓力的連接器，設(shè)計的液壓泵發(fā)動機壓力可以達到7000磅/平方英寸?！币虼耍h(huán)境保護署的下一代都市廂式貨車可能會以更高的壓力運轉(zhuǎn)。并且由于這些液壓系統(tǒng)中的功率密度要與運行壓力協(xié)調(diào)一致，Kargul拿在手里的同樣液壓泵發(fā)動機的功率可以從330馬力提高到510馬力。
因為全系液壓混合動力系統(tǒng)沒有機械動力傳動系，所以引擎可以更經(jīng)常地以接
近最佳的效率運行。
Kovach發(fā)表了同樣的觀點，他說Parker公司利用已有的液壓技術(shù)可以提高系統(tǒng)壓力并隨之提高功率密度兩倍甚至三倍?！拔覀兊南到y(tǒng)已經(jīng)用在參加美洲杯比賽（America's Cup）的船只上了，系統(tǒng)的壓力可以達到12000磅/平方英寸，”他說。
這樣的功率密度在推進大型卡車克服高度慣性載荷時需要快速產(chǎn)生扭矩的場合就能發(fā)揮作用了。Kovach說：“電池具有更好的能量密度，但電池不能在時停時走的應(yīng)用中快速地收發(fā)能量，而液壓混合動力系統(tǒng)就可以。”
液壓混合動力的應(yīng)用
要驗證液壓混合動力的應(yīng)用仍然有些棘手。但是，總體來說，推廣液壓技術(shù)就是推進該技術(shù)在大型和時走時停卡車上的應(yīng)用。
從車輛重量等級的角度來說，根據(jù)從試行車輛上所獲得燃油經(jīng)濟增益和成本數(shù)據(jù)，環(huán)境保護署認(rèn)為，液壓混合動力系統(tǒng)適用的卡車可以從3類到最重型的8類卡車。Parker公司的Kovach則相信，液壓系統(tǒng)在5類及以上類別的卡車上才能顯現(xiàn)其作用。他說：“3類和4類卡車使用電動混合動力可能更好。5類卡車可以用電動系統(tǒng)，也可以用液壓系統(tǒng)。但是在時走時停的6、7、8類卡車上，在很長一段時期內(nèi)，沒有什么技術(shù)能趕得上液壓技術(shù)。”
但是，工作負載循環(huán)比停車頻率更值得關(guān)注。Eaton公司混合動力系統(tǒng)研發(fā)小組的總工程師Jeff Carpenter指出，停車之間的距離是另外一個負載循環(huán)因素，這個因素可以影響對混合動力系統(tǒng)類型的選擇?！皟纱瓮＼囍g的距離是多少？如果距離短并且車輛很重，液壓系統(tǒng)可能更有效。如果距離比如說是1000碼或更長，那么電動儲存系統(tǒng)可能更有效，”Carpenter說。換句話說，他認(rèn)為，一些卡車會從液壓系統(tǒng)提供的功率密度優(yōu)勢上獲取最大效益，而其他的車輛會從電池提供的高級能量儲存中獲取更多效益。他說：“液壓系統(tǒng)和電動系統(tǒng)都有各自的優(yōu)勢和缺陷，這要看客戶怎樣使用車輛?！?/SPAN>
要確定哪種混合動力方式更有效率優(yōu)勢好像很難。Carpenter指出，以合適的負載循環(huán)使用時，電動混合動力和液壓混合動力都可以達到90%的總體功效。他說：“差別可能只有一兩個百分點，一點都不明顯。”
但它們產(chǎn)生這種效率的方式可以幫助我們確定每種技術(shù)的最佳適配。Kargul堅持認(rèn)為，液壓混合動力在獲取制動能量方面更有效率。他說，具有適當(dāng)型號蓄電池的液壓混合動力系統(tǒng)可以把70%的制動能量返回到車輪上，而一般電動混合動力系統(tǒng)返回車輪的能量只有大約21%。他說，其原因與當(dāng)今電池充電時間的長短有關(guān)。Kargul說，來自卡車制動時的能量甚至可以超過一個現(xiàn)代鋰離子電池的充電限量，所以電池只能收取它們所能容納的量。如果有更多的電池，混合電力系統(tǒng)可以與液壓系統(tǒng)接收一樣多的能量。他說：“但接下來還有重量、成本和包裝的問題?；旌蟿恿ο到y(tǒng)的設(shè)計需要你在想獲取再生能量的多少和其他一些因素之間取得平衡。”
還有一個事實，使我們沒法在電動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)之間做出明確果斷的選擇，那就是兩種系統(tǒng)已經(jīng)同時出現(xiàn)在某種特定的負載循環(huán)和重量類別上了。Eaton公司自己開發(fā)的混合電動傳動系統(tǒng)和該公司與環(huán)境保護署合作投入使用在UPS公司車輛上的液壓演示系統(tǒng)就是這樣。但是，Carpenter指出，電動系統(tǒng)已經(jīng)完全商業(yè)化并且已經(jīng)到第二代了。UPS公司就有50輛這樣的車輛，重量在16000磅和24000磅之間。但是液壓系統(tǒng)仍然處在演示階段，雖然這種系統(tǒng)比較有前途。
在一段時期內(nèi)可能都不會有明確的選擇?！澳壳斑€沒有定論，”Kargul說。只有150輛6類電動混合動力卡車和一輛同樣型號的液壓混合動力卡車在路上運行，Kargul認(rèn)為，要想知道哪種技術(shù)更有成效，資料還不充足。“最起碼的是，大型車隊的老板們會不斷地關(guān)注任何可以明顯降低他們成本的混合動力技術(shù)，”Kargul說，“從UPS公司和FedEx公司你就可以看到這一點?！?/SPAN>
但是，長遠來看，即使是液壓混合動力的倡導(dǎo)者也相信，電動系統(tǒng)將會占據(jù)上風(fēng)。環(huán)境保護基金會的DeCicco認(rèn)為，電動驅(qū)動系統(tǒng)會在某一時間開始變得非常普遍，由于商業(yè)原因而非技術(shù)原因這種系統(tǒng)的采用會變得勢不可擋。他說：“從某些方面來看，液壓混合動力系統(tǒng)與電動混合動力系統(tǒng)之間的競爭看上就去像格式盒式錄像機系統(tǒng)（BetaMax）和家用錄像系統(tǒng)（VHS）之間的競爭了。”
靠液壓技術(shù)開發(fā)為生的Kovach也不認(rèn)為液壓混合動力系統(tǒng)會永遠是重型卡車最好的選擇。他說：“超級電容會更好。在某個時間，它們能提供比液壓系統(tǒng)更好的性價比。但這不會持續(xù)太久，主要是因為我們能夠持續(xù)提高壓力和功率密度。在今天，液壓系統(tǒng)不需要任何新技術(shù)就可以幫我們節(jié)省大量的燃料。”
（轉(zhuǎn)載）
