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混动火了,扒一扒混动发展史

混动火了,扒一扒混动发展史

先是通用和丰田先后推出2016款Volt和普锐斯,近期又是通用连续上市凯迪拉克CT6 PHEV插电混动版、别克君越和雪佛兰迈锐宝XL 全混动版等车型,一下子混动就成了一个热门话题。咱们就从通用和丰田两家老对手间的混动发展史来扒一扒混动经历的历史阶段和不同技术发展思路,以及背后的法规政策背景。说来话长,直接进入多图杀猫看图说话模式。

EV1


Y1996

1996年通用为了迎合消费者对环境保护的需求,推出了一款量产的纯电动车型EV1(如下图)。该车型使用了两门两座的轻量化设计,总重还不到一吨。


该车型使用了当时比较成熟的铅酸电池组成的电池组。该312V的电池组总容量达到了16.5kWh。为了进一步提高续航里程,后续的更新车型使用了能量密度更高的镍镉电池,电压提升至343V,总容量更是扩充到26.4kWh。可谓开创了大容量电动车的先河。

如下图所示,电池组成T型放置在座位下方以及后备箱的位置。这也可以看做是通用首次尝试电池组T型布置。后期雪佛兰Volt车型也采用了该种电池组放置方式。基于EV1的不同类型大容量电池的使用,通用建立起了相关动力电池组的测试以及评估体系。为后续的新能源车型的电池组设计奠定了基础。


与此同时,通用的工程师们还为EV1设计了大功率三相交流电机作为动力源驱动前轴(如下图)。优化了空气阻力,增加了刹车能量回收功能。在这些技术的帮助下该车型的百公里加速仅为7.9秒,续航里程则超过200公里。瞬间美国的消费者就爱上了这款电动车。


Y1999

由于该车型在美国取得了巨大的成功,通用汽车还围绕着EV1开发了相应的混动版车型。如下图为1999年北京车展展出的EV1 串联式混动车型。该车型的电池由铅酸电池改成了能量密度更大的镍铬电池。车尾配备了一款燃气轮机gas turbine engine APU与交流电机组成发电机组,当电池组的电量低于40%后即由发电机组进行充电。


对应的如下图所示,通用还开发了EV1的并联混动车型。一台位于后备箱的1.3L柴油涡轮增压发动机和一台4.8kW直流电机一同驱动后轴。同时一台大功率交流电机驱动前轴。整车的最大输出功率可达163kW,百公里加速仅需7秒。一箱柴油可使该车续航890公里。


但由于种种原因最终美国政府取消了加州的相关补贴政策。没有了政策的补贴,EV1车型相对较高的成本迫使通用最终放弃了该车型。在2003年进行召回并停止了相关销售。

丰田普锐斯第一代与第二代

Y1997

与此同时,丰田在EV1上市后的一年推出了第一代普锐斯(如下图)混合动力车型。


由于日本环境保护的需求并不强烈,但是需要更低的油耗来保证低能源消耗的可持续发展。因此丰田更倾向于混动车型的开发,并提出了由双电机、单行星齿轮排和一台1.5L自然吸气发动机组成的丰田混动系统THS(如下图)。


Y2003

在通用停产EV1的时候,丰田在2003年推出了第二代的普锐斯(如下图)。


其中第一代与第二代的主要区别为成本优化。第二代普锐斯所使用的THS混动系统成本降低超过70%。在通用停产EV1的背景下,丰田仍然以较小的销量控制亏损度维持混合动力车型。该动作最终换来了消费者对其“环保卫士”的评价。通用当然不服气,辛苦得来的革命果实最终莫名其妙的被竞争对手夺去了。


双模混动


Y2003

经历了以上的纷争和政策变动,通用的高层对此非常恼火。付出了巨大的努力和投资,得到的却是天壤之别的评价。因此决定必须拿出最先进的混合动力技术从新夺回消费者的认可。因此在2003年,也就是EV1停产的那年,通用宣布和奔驰以及宝马展开合作开发双模式Two Mode混动系统。如下为时任通用CEO的Rick Wagoner与现任奔驰CEO Dieter Zetsche也就是蔡辙博士宣布合作的合影。


该双模混动系统包含两个大功率电机和两组(甚至三组)行星排组成的混动变速箱(如下图)。可与大功率发动机配合使用,比如大排量V8发动机。


该双模式混动系统的理念主要将车辆的使用工况分成两个模式(如下图)。一种为低速模式,此时电机为主,发动机为辅。优化低速或者走走停停的城市工况下的油耗。另一种为高速模式,此时发动机为主,电机为辅。主要由发动机提供动力,电机在需要出力的时候进行辅助,比如拖挂拖车或者爬坡工况。


双模混动系统的布置如下,可认为是目前通用双电机动力分流Power Split混动系统的雏形。该系统包含双电机多行星排组成的变速箱,功率驱动模块和电池组。


双模混动系统随着整车厂间合作的展开,逐渐在通用集团内得到推广。如下图时间跨度从2001年到2009,车型包括大巴,前驱轿车,后驱SUV、皮卡等等广泛的车型。


如下为双模混动系统在前驱车型中的应用。早期的系统率先应用在一款土星Saturn品牌的前驱轿车中。


后期该系统也被应用在2008款的雪佛兰迈锐宝车型中。


由于该混动系统体积较大,又在和大排量的发动机配合时能够显现比较明显的燃油经济性,因此更多的应用在后驱大排量的SUV和皮卡上。如下为凯迪拉克凯雷德双模混动版。配备6.2L V8大排量发动机。


如下为同平台的GMC Yukon双模混动车型,同样为大排量的全尺寸SUV。


大排量的皮卡上也得到了应用,如下为GMC Sierra双模混动车型。


最终通用的工程团队将这套双模混动系统塞进了一台紧凑型SUV的车型中,那就是土星Saturn VUE。配备前驱的双模混动变速箱和3.6L V6发动机。可惜该车型随着土星品牌的消亡而没有得到延续。不过相关技术保留了下来。


其实不仅通用使用了相关的双模混动技术。奔驰和宝马作为合作方在他们的主力车型上也得到了应用。如下为2008款奔驰S400 BlueHybrid车型,配备双模混动后驱变速箱。


如下为2009款宝马X6车型,配备双模混动后驱变速箱。


E-Flex


Y2007

当然双模混动系统也不是没有缺点。它的主要限制是双模混动变速箱的体积较大。并且和大排量的发动机配合才能体现其燃油经济性。为了进一步的优化该系统。通用在2007年提出了全新的E-F l e x新能源系统概念。E-Flex系统可作为一个平台,通过变形设计应用于纯电动、燃料电池、油电混合混合、替代能源(汽油、柴油、乙醇E100、E85等多种燃料)的各种新能源车型上。

如下为E-Flex的燃料电池平台


而对应的油电混合动力平台则对应如下图。


通用还推出了E-Flex油电混合平台的概念车,也就是2007年发布的雪佛兰Volt概念车(如下图)。


CAFE的2025计划

Y2009


时至2009年美国政府终于意识到了环境以及燃油经济性的重要性。随着奥巴马政府的上台,提出了CAFE公司平均燃油经济性(Corporate Average Fuel Economy)2025计划。要求在美国销售的汽车公司平均油耗在2025年必须低于54.5mpg的水平(如下图),也就是4.3L/100km。这样激进的政策迫使在美销售的车企采取相应降低油耗的措施。


Voltec第一代


Y2007

通用的副总裁Robert Lutz 在2007年决定将前文提到的基于E-F l e x油电混合平台雪佛兰Volt概念车(如下图)推向量产。但不久后恰逢经济危机,通用可谓正在经历历史上最大的财务挑战。不过也因为具有Volt这样的新能源车型,通用给美国政府以一个支持可持续能源发展的形象,最终得到了财政扶持渡过难关。同时通用用很长的一段时间,基于EV1车型的开发经验和实验设备,对动力电池的性能进行了长期的比较和测试。这些测试数据最终被应用在Volt的量产车型上。


经过调研后通用认为市场更需要一款符合传统驾驶习惯,既能够纯电行驶,又能够在电量不足时使用发动机驱动的车型。因此量产版的Volt采用了增程式混合动力的形式。动力系统引用E-F l e x平台,并正式从新定名为Voltec。2010年通用第一代Volt增程式混合动力车型正式上市(如下图)。


车型平台选用基于Delta II(与科鲁兹同平台)打造,使用1.5L发动机加双电机单行星排的前驱混动变速箱(如下图)。该混合动力系统包含四种模式:单电机纯电行驶、双电机纯电行驶、串联混动模式和动力分流模式。这套Voltec混动系统和丰田的THS混动系统同样采用了双电机加单行星排的组合。不同之处是Voltec混动系统使用了更多的离合器Clutch,使得电机和发动机可以按需要脱开和结合到系统中。因此支持更丰富的纯电驾驶模式。纯电驾驶的最高车速也更高。这和Volt增程式混合动力车型所需要的纯电行驶性能相吻合。


Y2013

2013年基于第一代Volt混动系统,通用进行了小幅升级打造了凯迪拉克ELR车型(如下图)。


它的混合动力系统如下图所示


丰田第三代和第四代普锐斯

Y2009

虽然第一代和第二代普锐斯得到了消费者的好评,由于混动车型较高的成本,这两款车型更像一种环境友好的标杆。为了真正走量并开始盈利,丰田在2009年推出了第三代普锐斯(如下图)。


第三代的混动系统仍然沿用双电机加单行星排的结构,但是通过优化大幅降低了成本。同时为了优化动力,发动机从1.5L排量更新成了1.8L的发动机(如下图)。第三代的普锐斯最终达到了超过160万的销量,成为一款上量的混合动力车型。


Y2016

基于第三代普锐斯的销售情况,为了进一步提高驾驶性能以及可拓展性,丰田基于全新的TNGA全球平台开发了第四代普锐斯(如下图),并于2016年上市。该车型仍沿用第三代的混合动力系统并进行了小幅优化。


Voltec第二代


Y2015

相对于第三代普锐斯,第一代的Volt是一个上量的增程式混动车型。在全美新能源汽车销量榜上名列前茅。同时消费者对于Volt的评价也很高。认为其富有驾驶乐趣,同时又有很好的纯电续航里程。通用也收集到了丰富的市场反馈,以此作为设计需求加入了第二代的雪佛兰Volt车型中,并于2015年发布上市(如下图)。


如下的第二代Volt基于第二代的Voltec混合动力系统。整个系统基于第一代Voltec,但是在细节上进行了大幅的修改和优化。使得第二代的Volt相比第一代续航里程提升了40%,加速性能提升了20%。具有更多的动力,更好的效率和更长的行驶里程。


第二代的Voltec基于第一代技术,加入了前文提到的双模混动技术,组成了全新的多模混动架构。该系统从原来的双电机单行星排更新成了双电机双行星排。使得第二代Volt具有更多的驾驶模式,更强的加速能力,以及更优化的油耗表现。


如下Voltec混动系统第一代与第二代的对比所示。相比第一代Voltec的四种工作模式(两种纯电动,两种混动),第二代的Voltec混动系统增加至五种工作模式(两种纯电动,三种混动)。其中混动模式具体为:高续航里程模式High Range,固定齿轮比模式Fixed Ratio,低续航里程模式Low Range。双电机经过优化降低了稀土磁体材料用量(其中电机A完全不用稀土),大大降低了成本。电机功率驱动模块采用集成式布置,不再需要高压三相交流电缆,大幅提高了集成度。


GFE/GRE混动系统及其DHT混动变速箱

Y2016

随着第二代Voltec混动系统的推出,其最主要的战略性变化是整个混动系统可以拓展至多种混动类型的车型。这是业界首款模块化设计的混合动力系统,可以应用于Volt这样的增程式混合动力车型,也可用于全混混合动力车型或者插电式混合动力车型。并且基于此混合动力技术,通用提出了前驱GFE混合动力系统,以及后驱GRE混合动力系统。以及与相应混合动力系统对应的模块化DHT混合动力变速箱(Modular Dedicated Hybrid
Transmission)的理念。通用表示其对待CAFE 2025计划油耗要求是认真的。

应用DHT混动变速箱的相应前驱GFE全混混动车型别克君越30H(如下图)


以及基于同平台打造的前驱GFE全混混动车型雪佛兰迈锐宝XL(如下图)。该混动系统基于全混混动车型的需求将发动机更换成了动力更强的1.8L发动机。电池使用容量更小功率密度更大的功率电池方形电芯,并采用了风冷的冷却方式。达到了4.3L/100km的综合油耗。


应用DHT混动变速箱的相应后驱GRE插电式混动车型凯迪拉克CT6(如下图)


该车型的混动系统基于后驱平台以及插电式混动的特性优化了其驾驶乐趣和纯电续航里程。相比第二代雪佛兰Volt采用的双电机双行星排,凯迪拉克CT6采用了双电机加三行星排的组合(如下图)。与2.0T的大功率发动机配合,这套混合动力能够提供更多的驾驶模式和强劲而线性的加速表现,更加注重性能和驾驶乐趣。


从通用和丰田两家老对手间的混动发展史不难发现,丰田着重坚持双电机单行星排的混动系统车型(如普锐斯)的开发。重点在降低混动系统的成本。随着相应丰田混动系统的国产化,雷凌和卡罗拉双擎车型的售价已经基本与传统车型持平。但是该系统也有其局限性。它无法提供足够的驾驶乐趣以及无法适应插电式混动车型成为最大的发展瓶颈。而相应的,通用的混动系统发展虽可谓一波三折,但通过多种尝试以及历史积累,逐渐形成了一种横跨前后驱以及多种混动类型的双电机多行星排模块化平台化系统,这套电驱系统拓展性更强不仅适应HEV而且可以扩展为PHEV和EREV等新能源类型。随着别克君越以及雪佛兰迈锐宝XL全混混动车型的发布,以及低油耗和良好的驾驶乐趣,通用的混动之路则日渐明朗。

发布于 2016-12-13

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    微信号辣笔小星,本人作为汽车电子系统应用工程师,服务国际国内各大汽车电子零部件供应商及整车厂提供系统解决方案。设立此专栏专注汽车及相关电子技术研究与探讨论