阿卓梳理混合動力系統知識 一次回答你N個問題

2020-12-16 新車評

為了日益收窄的碳排放法規(包括燃油消耗標準),各家都或主動或被動地上馬混合動力系統。雖然很多家都各司各法,有自己的混合動力系統方案,但其實這些混合動力系統,是可以用三個種維度來區分的。

第一,按照動力來源區分,單一依靠化石燃料,不需要充電,電能來自於內燃機做功及動能回收的叫混合動力(Hybrid Eletric Vehicle,簡稱HEV);需要添加汽油,內燃機可直接驅動車輪,電驅動所需要的電能主要從外部電源獲得,內燃機做功及動能回收穫得電能有限的,叫插電式混合動力(Plug-in Hybrid Eletric Vehicle);以電驅動為主,內燃機只作為一個發電機使用,叫增程式混合動力(Range-extended Hybrid Vehicle)。第二,按照電動機所在的位置來分,有P0、P1、P2、P3、P4共五種電機布置方式,多電機的系統,可以同時擁有兩種或三種電機布置方式。第三,在HEV中,也分為微混動(無純電行駛模式,電機只輸出動力,無動能回收,內燃機可直接驅動車輛前進)、弱混動(比弱混動多了動能回收,內燃機可直接驅動車輛前進)、全混動(電動機輸出功率較高,甚至可高於內燃機,內燃機不可單獨驅動車輛前進,例如豐田和通用)。

這三種區分的方式有不同的維度,第一種區分方式比較直觀,而且已經有大量的文章介紹,就跳過不說了,第三種分類方式也幾乎沒有展開的價值,所以直接開講何謂P0~P4吧。

P0:從圖片上看,好像裝在了發動機的前部,其實這是很多種「動力輔助設備」的統合,除了電動機之外,還有電動渦輪、一體式發電機/起動機、高壓發電機,都可以看做動力輔助設備,都屬於這一個分類。

在這裡要引入「48V系統」。目前我們通用的車載電壓是12V,這對於車上功率不高的用電器來說當然沒問題,而且12V對於人來說也是安全電壓。但是低電壓意味著一旦負載變高,電流也會增大,那麼在電路上的熱損耗就增加了(熱損耗正比於電流平方)。所以目前各個廠商(包括主機廠以及零部件廠商)都在積極開發48V系統,來應對電驅動設備在汽車上日益普及的狀況。工作電壓提升,就可以使用更高功率的電器了,例如電動渦輪(其實形式上更像是機械增壓)、電動的空調壓縮泵(從皮帶帶動改為電力驅動)、高壓起動機、高壓電動轉向助力等。

與之相適應的,就是發電電壓也隨之調升到48V,這時候就連發電機的發電功率都可以有可觀的提高,目前有數據是可以產生10kW甚至最高可達14kW的發電功率。發電機發電功率提升,那麼在汽車滑行或者需要減速時,就可以從發電機處回收更多的動能,並將這些電能儲存起來,供給車上的48V用電器。而在車輛勻速行駛時,更大的發電功率極限,也可以有更大的彈性調製發電機的負荷,令發動機處於熱效率較高的負載率。

動能回收加上高效發電,配合啟停系統,基於48V系統的P0類混合動力,理論上可以為汽車帶來10~15%的省油效果。目前48V系統並沒有普及,但預計到2025年,搭載48V系統的車輛數目會達到1300萬左右。

 

代表車型:奧迪SQ7 TDI(48V系統的電動渦輪)

P1&P2:P1和P2的區別主要在於電動機和發動機之間有沒有離合器,是不是可以切斷電動機的輔助驅動。P1的結構更加簡單,在發動機缸體裝上定子,在飛輪裝上轉子,只要發動機在運轉,轉子就跟著旋轉,給定子加一個交流電壓(以本田IMA為例,峰值電壓為140V),轉子就會輸出動力。由於P1系統基本上是基於原生的發動機、傳動系統的構造,改造量較少,也沒有改變發動機的工作方式,研發成本較低周期較短,但是節油效果也比較有限(IMA系統節油率差不多在15%左右),而且由於轉子是跟隨飛輪一起旋轉的,只有發動機運轉,電動機才會輸出動力,可想而知P1系統並沒有純電行駛模式。

代表車型:本田CR-Z、Insight

P2是目前應用範圍非常廣泛的一種形式,我們可以把P2系統看作是在原生的動力系統裡,將發動機與變速箱分開,然後在兩者之間插入一套電動機。和P1不同的是,P2系統在電動機與發動機之間有一套用於斷開或結合發動機的離合器,這樣在斷開發動機之後,電動機就可以實現純電驅動了。這種方式應用廣泛的原因也很簡單,因為它和P1類似,並不需要改變原生發動機以及變速箱的結構,只需要在兩者之間「插入」一個電動機,對主機廠而言,開發難度較小,對於第三方供應商來說,也容易做系統集成,形成模塊化,一套系統可以同時供應給不同的主機廠使用。

例如ZF,就將自己的縱置8AT變速箱進行改造,用博世提供的電動機替換掉液力變矩器,這樣在保持整個變速箱體總尺寸不變的基礎上,整合進了一套電驅動模塊。這套系統就可以迅速推廣給所有使用ZF縱置變速箱的主機廠,例如寶馬、奧迪、保時捷、捷豹等數個使用了ZF 8AT變速箱的品牌,旗下的插電式混合動力車型系列,均是採用這樣的方案。

車型代表:寶馬X5、7系PHEV,捷豹XJ PHEV,奧迪Q7、A3 e-Tron、本田i-MMD

P3:P3和P2相比,電動機挪到了變速箱的末端。本田i-DCD就是這一結構的特徵非常明顯的一套混合動力系統。比亞迪的秦也可以看作是從變速箱末端提供電動機驅動力的。比亞迪為了提供高功率的電動力,並沒有把電動機整合在變速箱殼體裡,而是直接像蝸牛背殼一樣掛在變速箱的外面。

代表車型:本田飛度(第三代)、比亞迪秦

P4:P4是直接把電動機放在了驅動橋,直接驅動車輪。這種驅動方式,目前見得比較多的是在混合動力跑車還有SUV上。例如保時捷918 Spyder、謳歌NSX、寶馬i8等跑車,它們的前輪就是由電動機直接驅動的。當然它們的後輪也是發動機加電動機的混合驅動方式。另外在SUV裡,比亞迪唐、沃爾沃XC90 T8 Hybrid、寶馬X1 eDrive等,前輪由發動機或發動機加電動機驅動,後輪由電動機驅動。這種布局方式的好處很明顯,就是在節省了中央傳動軸的同時,實現了四輪驅動。

但是要調好一套混動四驅系統也不容易。因為混合四驅不像單一動力源,以分動器加傳動軸分配動力,前軸驅動與後軸驅動是彼此獨立的部分,扭矩曲線彼此不同步。那麼問題就來了。電動機原地起步即為最大扭矩,汽油機則是在2000rpm左右才輸出最大扭矩,而且內燃機的屁股還跟了個變速箱,而電動機則是直接驅動另一端驅動橋的。所以怎麼讓內燃機與電動機協調工作,是個影響到整套系統運行質量甚至安全性的。想想看溼滑路面,如果前後輪輸出扭矩不同,從而轉速不同,反而容易失控。

由於P4的電動機完全獨立於內燃機動力系統之外,所以P4是可以和其他形式的混合動力系統搭配使用的。例如比亞迪唐,「雙模三電機」,就是P3+P4的形式,例如XC90 T8,就是P2+P4的形式。

代表車型:保時捷918Spyder、謳歌NSX、寶馬i8、比亞迪唐、沃爾沃XC90 T8 Hybrid、寶馬X1 eDrive

咦,為什麼P0到P4逐個說了個遍都沒見到豐田呢?有一個說法,「世界上只有兩種混合動力系統,豐田的和別家的」,在這套分類方式中就體現出來了。在以上的分類方式裡,有一個默認的前提,電動機首先要被視作一個獨立體,也就是說,拿掉電動機,車子還可以正常行駛。與之對應的,變速箱是另一個獨立體,和電動機是相互獨立開來的。

豐田說過,不要小看混合動力技術的門檻,以上的從P0~P4,從原理和結構上都沒有打破傳統能源車的固有模式,也就是在內燃機參與驅動時,發動機轉速和車輪轉速之間總是某幾個固定的傳動比,而非根據當前負載靈活調配發動機轉速與負載,省油效果主要靠電驅動部分讓發動機先歇歇。

而豐田和通用的混合動力系統裡,雖然兩者工作模式有很大區別,但是從運作原理看,電動機與行星齒輪組是一組相互協同工作的機構,通過行星齒輪組中太陽輪、行星架、外圈的不同鎖定方式,改變動力流模式。發動機、電動機、行星齒輪組高度互聯,協同運作,因此相互之間不可分割,甚至連內燃機,都不是一個獨立體。目前行業內偏向於把豐田和通用的混合動力系統,單獨歸類為DHT,Dedicated Hybrid Transmission,中文翻譯作混合動力專用傳動機構(注意準確的翻譯不是變速箱,兩者之間是有區別的)。是的,現在通用的這套混合動力系統(君越、邁銳寶XL以及凱迪拉克CT6 PHEV),從原理上已經可以和豐田歸在一檔了。

在聊到混合動力系統時有一個誤區,很多人喜歡用純電續航裡程的多寡來判斷一套混合動力系統的性能。純電續航裡程只在談論需要外接電源充電的電動車和插電式混合動力車型時才有意義。電動車的純電續航裡程不僅可以看出一臺電動車的使用便利性(續航肯定越長越好),續航裡程越長,意味著整個生命周期充放電總次數越少,電池衰減越不明顯。而PHEV的純電續航裡程,以這類車型定位來看,只要純電續航裡程過了50km,進入國家節能與新能源車目錄,可以獲得節能補貼以及限牌城市的優先上牌權(北京只允許電動車上新能源牌照,上海規定油箱容積低於37L)就足夠了。當然,純電裡程高一點,對於每天充電的用戶來說,每天純電行駛的活動半徑就可以增加一點,也是有好處的。(順帶還能刷低工信部的百公裡油耗計算值呢,嗯)

而對於HEV來說,電的來源主要有兩種:1,發動機運轉在高熱效率區間,除了驅動車輛外,多餘的動力用以發電;2,車輛滑行或減速時,通過發電機將動能進行回收。所以,HEV車型的電池,是一個將已經產生了,但是暫時用不了的電儲存起來的容器。電池本身的電量是隨時充隨時放的。全混動車型的電池容積大小,和混動系統的工作邏輯相關,是工程師經過不同工況的模擬、以及實際測試,再優化而得出的。純電行駛模式只是HEV的一個結果而非目的,把純電行駛裡程做長,對於混動系統的能量管理,以及車重、車內空間利用來說反而是個累贅。打個不太準確的比喻,全混動車的電池,其概念有點像內存,它是一個臨時數據的快速存取區。如果我們用內存大小來衡量電腦的儲存空間,那就是緣木求魚了。

對於HEV,我們需要關心的不是電池容量多大,而是這套混合動力系統工作起來是不是真的能夠讓內燃機、電驅動系統,能夠永遠在高效率區間運行,能量管理系統、AC-DC-AC元器件的設計是否合理,有多高效,能做到多省油就足夠了。

好,最後順帶說一下,一般我們看工信部公布的油耗,都比我們日常使用要低一些,為什麼對於全混動車型來說,就和我們日常用車差不多呢?對於非混合動力車來說,工信部測定油耗的工作循環負載是非常低的(跟歐洲學回來的那一套,對小排量增壓車型相對有利),遠低於我們日常用車的實際情況,所以測試出來的油耗數字就比真實油耗低不少。

但全混動系統的一個特點就是,即使外部負載改變量很大,內燃機都是在某個相對穩定的區間內運行的。所以我們都會有這樣的體會,不同的駕駛風格,路況千差萬別,反映在混合動力車的油耗上,波動不是十分明顯。於是,在工信部的油耗測定循環裡,全混動車型雖然在輕負載下運作,但是和日常駕駛的負載率相比,油耗的波動沒有傳統動力汽車那麼明顯。

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