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混动市场技术百家争鸣,谁是演技派,谁是实力派?

2016-8-24 10:50FCeditor 来自: 飞灵汽车
查看: 3439  评论: 0 |原作者: Kimi
作者:Kimi 来自:飞灵汽车

根据乘用车燃料消耗量第四阶段标准,汽车企业平均燃料消耗量到2020年要实现5.0L/100km的平均油耗目标。这对于五座及以上的常规动力车型来说,几乎是不可能达到的目标。平均油耗标准就像是高悬于汽车企业头顶的达摩克利斯之剑,催促着汽车企业加大在新能源汽车领域的投入。

然而由于电动车的续航里程偏短、充电难、电池成本高等原因,让纯电动车型并不适合目前的汽车市场。目前行业普遍认为混合动力是当下乃至未来十年最重要的发展趋势,主流的混合动力车型目前的油耗表现基本都在5.0L/100km以下,这也是在纯电来临之前满足法规与市场需求的最佳解决方案。


主流混动的类型以及各自的发展因素

目前各大厂家都开始推出混动车型,一时间混动技术进入了百家争鸣的状态,主流的混动类型主要有三类:
  • 一类是以丰田和通用为代表的PS(Power Split)构型,这类混动构型可以在串并联之间根据行驶工况随机切换;
  • 一类是以欧系和韩系为代表的P2构型,这类混动构型的电机布置于发动机和变速器之间,且一般集成在变速器壳体内,主要为插电式并联;
  • 还有一种是以本田i-MMD为代表的串联式变种(在串联的基础上增加了发动机直驱模式)。

这三种混动类型在技术上各有优劣,发展轨迹也各有千秋。

其主要原因来源于三个方面:
  • 一是企业自身的技术积累过程;
  • 二是受到各种专利壁垒的限制;
  • 三是各国家和地区在新能源汽车上的推广政策所影响。

混合动力和纯电动车型技术的推出,共同的根源还是来自于全球的能源与环境的危机,丰田在上个世纪九十年代的两伊战争中深刻意识到了能源危机的问题,开始加速了新能源汽车的研发。考虑到充电难会是一个短期内难以克服的问题,丰田选择发展的两条新能源汽车路线都刻意绕开了这个现实问题,一方面致力于氢燃料电池汽车的研发,一方面不遗余力的发展不充电的混合动力车型,而且在这两个领域都取得了非常不错的成绩,搭载氢燃料电池Mirai和混动的普锐斯成为了丰田在这两个领域最为骄傲的产品。丰田的混合动力系统叫Toyota Hybrid System简称THS,属于PS构型,这套系统也是丰田混动的根基,不同功能和类型的混动车型都是基于此系统的基础上衍变。THS经历了三代的技术发展,搭载的产品已经开始覆盖各个级别,目前也占有着全球80%的混动市场份额。


从上个世纪70年代末期的能源危机开始,美国政府意识到了发展新能源汽车的必要性,之后一系列的政策法令支持,让各企业的新能源技术研发迎来了春天。尤其是1993年,克林顿总统发布了著名的“未来汽车合办计划(PNGV)”(广泛应用的仿真软件Advisor2002来源于此计划),从此新能源汽车开启国家战略层面的联合作战。在二十世纪末期,通用和丰田在北美都是受益于PNGV计划,也是在这一时期都开始采用同一种技术路线:功率分流式电驱动技术(即Power Split)。

在通用的整个新能源的发展轨迹里,在经历过上个世纪九十年代的纯电动车型EV-1,二十世纪初的氢燃料电池车型Equinox、双模式完全混合驱动系统车型凯迪拉克ESCALADE、纯电动的EN-V、EV和SPARK、第一款增程式混动车型沃蓝达等车型的技术积累后,通用在2015年开始摘取在新能源领域积累的果实。先后推出技术较为成熟、领先的纯电动车型Bolt EV、以及基于GEN2 Voltec电驱技术打造的混动车型沃蓝达二代、迈锐宝XL混动、新一代君越混动,CT6 PHEV等。

双模式完全混合驱动系统为后续通用的混合动力研发奠定了深厚基础,双排行星轮与多组离合器的构型是通用目前GEN2 Voltec电驱技术的雏形。双模混动的双排行星轮结构拉开了与丰田THS的差异,但在结构紧凑性、电池管理、成本以及集成度上决定当时技术只能运用在凯雷德这种大尺寸车型上,但第二代VOLTEC在电控技术、结构紧凑性与布置空间上的优势使其在现今产品上逐步超越丰田。通用目前基于核心技术Gen2 Voltec电驱技术打造了最新的混合动力系统平台,包括前驱与后驱两个平台,涵盖HEV\PHEV\EREV等车型。

通用的这一代混动车型主要以采用不插电的PS构型为主,也就是混联式HEV,只是在性能车CT6上采用了PHEV的形式,但是混动系统的构型还是基于GEN2 Voltec打造,只是多加了一组行星齿轮来用于调速和放大扭矩。三排行星轮与多组离合器的组合让CT6的能效管理更精细化、综合性能做到了这种构型的极致。通用大面积推广PS构型也是源于对于自身混动技术的自信,这一点可以通过这几款车型的油耗表现窥见一二。



混合动力起源于欧洲。 1900年,世界第一辆混合动力车“罗尼尔-保时捷”诞生,它所采用的串联式混动原理至今依然被用在各混动车型上。但是欧洲却没有成为混动乃至纯电动车型发展的沃土。在之后的数年,欧系在弱混、弱电的泥泞中挣扎数年而未取得多大突破,当然很大一部分因素还是在于缺乏资本的投入和欧洲各国政府政策的有效支持。

一直到二十世纪初,欧洲厂商在纯电动和混动上的尝试依然谈不上成功。插电式的P2这种混动构型在欧洲的推广和技术演变也是开始于近十年,韩系也是在这一时期开始发展P2技术的混动。当然欧系采用P2的混动构型原因也是多方面的,首先是为了规避丰田、通用PS构型和其他混动构型的专利,其次是因为这个构型相对来说比较简单,是对传统动力改动较小即可实现的一种混动构型。其次是因为欧洲各国家和地区对于充电型新能源汽车的补贴性政策支持。P2的代表性企业是大众,目前有高尔夫GTE、奥迪A3 e-Tron等产品。


本田与丰田在新能源汽车技术发展的初衷很相似,但是发展轨迹差异很大。最早开发过一款被称为IMA(Integrated Motor Assist, 整体式电动机辅助)系统的并联式混合动力系统(也就是俗称的“弱混动”),并且先后推出过包括前后两代车型的Insight,以及思域hybrid、雅阁hybrid、CR-Z、飞度hybrid等数款混合动力量产车型。但是受限于IMA系统本身的结构和设计,在节能效果上并不太理想,与竞争对手丰田的THS相比完全处于劣势。

于是乎本田憋了一个大招,一口气推出了三种混动系统。
  • 用于低端车型,使用单电机的i-DCD(Intelligent Dual Clutch Drive,智能双离合驱动)系统。
  • 用于中端车型的,使用双电机的i-MMD(Intelligent Multi Mode Drive,智能化多模式驱动)系统。
  • 用于高端车型的,使用三电机的Sports Hybrid SH-AWD(Sports Hybrid-Super Handling-All Wheel Drive),运动化混合动力强调操控的全轮驱动系统。

第一种是P2构型;
第二种是串联式基础上增加发动机直驱的变种;
第三种就是完全的性能取向的P4+P2构型。

但是从能耗的角度来说,P2因为不够精细化的能耗控制以及偏性能取向的特性,使得i-MMD成为了本田家用车混动最佳的选择。


三类混动
谁是演技派、谁是实力派?

从节省能源的角度来说,混合动力的本质都是通过各种电控策略让发动机更长时间处于高能效的区间下运行,同时结合高效的能量回收系统,将减速以及制动的能量进行高效的回收用于纯电模式的行驶,来替代发动机在效率不高的一些工况下的行驶,达到降低油耗的目的。想要实现理论上的完美状态,各大厂商使尽浑身解数展现的就是谁有更好的电机转化效率,更实时、高效的能量回收系统,以及更长时间的将发动机维持在高效区间的控制策略。

从这个角度我们来看看这三类混动系统,谁更接近于混合动力的本质,换句话说,谁才是混动的演技派,谁才是实力派?

丰田的THS---
技术成熟,却不是最优的策略

 
丰田THS系统主要部件由一台阿特金森循环的高效发动机、永磁交流同步电机、发电机、镍氢电池组以及功率控制单元。两台永磁同步电机及行星齿轮组成了动力分配系统,简称E-CVT,E-CVT也是这套系统的核心技术。它可以根据车辆在起步、倒车、缓慢加速、急加速、中低速巡航、高速续航的各种行驶需求采用不同的电机+发动机的工作模式,而这种工作模式多达六种。


这六种模式的精准控制,让丰田这套系统的发动机更长时间的维持在高效率区间运转,同时能量回收也非常实时和高效。全球800万辆搭载车型的验证,就是它混动实力派的最佳证明。

但是这套系统想要进一步提升效率却很难,因为受到行星轮齿比的限制,发动机转速和电机之间存在耦合问题。直白一点说就是THS这套系统在车速高于64km/h左右时,此时不论发动机处于哪种负荷工况以及电池的电量是否充足,发动机都必须介入驱动,车辆才能继续提速。而且在中高速阶段,发动机已经处于高效率区间,由于电动机与发动机之间不能实现脱离,两组电机就增加了发动机的负载,会降低发动机的效率。这两点是目前限制这套系统提升的瓶颈,而双排或多排行星轮可以很好的解决这个问题,但是双排和三排行星轮的专利属于通用,而多排又占用太大空间,丰田想要继续完善这套系统只能另辟蹊径。所以说丰田这套系统可靠却不是最优策略。

通用GEN2 Voltec---
精细化电控策略凭实力说话

 
通用这套GEN2 Voltec电驱系统,主要部件是由一台直喷发动机、两组驱动电机、两排行星轮、两组离合器加一组锂离子电池组组成。两组电机、两排行星轮加两组离合器组成了这个系统的核心结构--动力分配系统,通用叫它电控智能无级变速箱。通用这套系统与丰田有诸多相似之处,但是却解决了丰田目前发动机与单排行星轮齿比耦合和高速时电机负载拖累发动机效率这两个最大的问题。主要是因为双排行星轮相比单排行星轮齿比的控制更为灵活,同时通用将动力的输出轴与两组行星轮相连,两组与太阳轮相连的电机与发动机之前可以通过两组离合器来实现脱离关联,让高速时发动机可以实现直驱的模式。

 
但是上述并不是通用这套系统最值得说道的地方,这套系统最大的亮点是通过比丰田THS足足多了一倍的高效工作模式来精准的控制车辆的缓慢启动、急启动、倒车、中低速巡航、高速巡航、急加速、缓慢加速、减速和制动的能量回收等各种工况,使发动机更长时间维持在高效率的工作区间,更实时、有效的进行能量回收。而实际呈现出来的就是启动时采用纯电模式,中低速巡航采用的是纯电、混动、增程模式,高速是发动机直驱和增程模式。

这一切都是基于电为逻辑的控制策略让通用这套系统相比丰田THS展现出了更佳的能耗节省特性,同时动力性能也保证了足够优秀。迈锐宝XL混动在北美已经上市,通用在一台B级车型上搭载了一台1.8L的自吸发动机的混动系统,最终性能和油耗都比重量更轻、发动机排量2.5L的凯美瑞混动更好,这就是最好的例证。所以通用GEN2 Voltec电驱系统毫无疑问是比THS更有实力的实力派。

欧系/韩系---
能耗前的演技派

 
P2构型是一种并联式混动,一般只有一组电机,并且与变速箱常啮合置于变速箱壳体内。所以P2能实现的只有发动机带动电机直接驱动、电池电机直接驱动、发动机和电机同轴驱动、发动机驱动+带动电机给电池充电、制动和减速的能量回收五种模式,对能耗并不能做到精准的控制。

并且存在两个大的弊端:

1、在中低速能耗最高的阶段,只要电池没电,发动机就必须启动来直接驱动变速箱,并不像其他几种混动那样将发动机维持在高效率区间采取增程的模式。

2、发动机驱动后电机也会伴随跟转,之间并不能脱离,电池也只能在此工况下充电,此时无论发动机处于哪种工况,电机被动充电只会加大电机负载,让发动机效能更低下。

所以P2从节省能耗的角度来说,与PS比要差的多,而且更依赖电池的特性,让它多以插电式存在,并且由于政府在插电型新能源车政策上的支持,才让它得到推广。使用上并不方便而且能耗节省上的差强人意,让P2在众多混动中更像是“演技派”。

本田i-MMD---
另辟蹊径
 
i-MMD可以说是本田的独辟蹊径,本质是在串联式的基础上增加了高速阶段的发动机直驱模式,同时在离合器吸合时进行并联驱动的模式。

它可以实现四种驱动模式,电机单独驱动车轮、发动机带动发动机发电,所发的电带动电动机驱动车辆、发动机直接驱动车轮、电机与发动机共同驱动。也就是纯电、增程、混动、发动机直驱四种驱动模式再加一种能量回收模式。其实从严格意义上来说,他也算是一种PS,毕竟它既可以并联又可以实现串联。只是它主要的工况是以串联和发动机直驱为主,这让它给人一种串联混动的假象。搭载i-MMD的混动雅阁在油耗和性能上的实际表现也证明着它有混动实力派的实力。

本田i-MMD利用串联这种增程和高速发动机直驱的形式,让发动机也可以保持较长时间维持在高效率区间运转,

但是它也存在两个弊端:

1、串联时发动机的能量需要经过发动机转化、电池储存的过程,这就存在能量损耗的问题。

2、这套系统的驱动变速比只有两种,一种适应高速时候的速比,一种适应电驱动的速比,让i-MMD的传递效率受到一定的影响。

同时两组速比间的切换会让动力的输出也存在一个衔接顺畅的问题。这两方面成为i-MMD继续提升效率的制约因素。

综  述:

这四种混动模式,本质上来说实际是三种PS,一种P2。从节省能耗的本质上来说,PS无疑要比P2更加值得推广。

所以混动的演技派无疑是P2构型的混动,实力派无疑就是PS构型的混动。通用基于GEN2 Voltec电驱系统在电控上更精细化的策略,让它在节省能耗上更值得推广。

而且因为GEN2  Voltec电驱系统的模块优势与拓展性,通用在这一PS技术逐步诞生了多种衍生车型,在技术成本上的分摊将为后续车型普及提供更多主推力,让其在中低端车型上进行搭载,使技术得到更广泛的普及。

在刚过去的七月,第二代Volt的销量在北美这块新能源市场沃土的表现已经超过了普锐斯等车型,是通用开始在混合动力市场斩获果实的开端,也期待通用将更多的新能源产品带到国内,来共同推动国内新能源汽车市场的发展。


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