纯电退热,插混上位,传统车企被新势力吊打蛰伏后都准备的怎么样了?

纯电退热,插混上位,传统车企被新势力吊打蛰伏后都准备的怎么样了?

文/LocaR


新能源的涟漪在几年之间,发展成为江河波涛,流入时代的大潮,滚滚前进的巨浪早已为我们的未来出行指明方向,它的主旋律,毋庸置疑,便是电机与电流的热情碰撞。

◎BEV架构方案


换在十年前还是新鲜玩意儿的“汽车电动化”,如今早已延伸出了各大门派,其中以BEV、HEV、PHEV、REEV、FCEV、MHEV这6大派系最为主流。

从趋势上来说,未来必然是BEV的天下,抑或在某个时间点,FCEV会异军突起。但是从现阶段来看,电池技术尚未取得实质性的突破,BEV的思路太过于激进,里程焦虑和充电焦虑依然是困扰BEV前进的两大绊脚石。而FCEV的理念同样超前,甚至零排放零污染比电动车来的更加纯粹,但是后期的配套设施建设在很长时间内都没法跟上,依然是FCEV不得不面对的现实问题。


◎FCEV燃料电池方案HEV早已被证明其是现阶段新能源的最优解,但本田、丰田和通用作为HEV的三巨头,但受制于国内政策,HEV车型并没有获得相应的政策倾斜;MHEV的微混思路同样优秀,但从长远看,其也仅仅只能作为近几年的过渡方案罢了。


◎本田HEV方案——i-MMD


如此看来,有着政策扶持的PHEV插电混动和插电式增程混动应当是当前中国国内新能源发展的最佳选择了,这也是本田、丰田、通用即便在HEV领域所向披靡,但依然还向插电领域坚定进军的重要原因了。

两田一通三巨头,HEV技术解析


升级插混,那就基于他们的当家技术改进而来即可。



◎采用i-MMD技术的雅阁锐混动车型我们来深度剖析一下丰田、通用和本田在HEV上的技术方案和实现手段。丰田THS:油电优先,创新的行星齿轮组丰田的混动技术被命名为THS(Toyota Hybrid System),THS的历史可以追溯到1997年,其成熟、稳定且可靠的表现,让丰田在HEV的领域内也是独树一帜。



THS混动系统的核心结构是让一组行星齿轮连接一台发动机与两台电机。靠近发动机一侧的电机较小为MG1;远离发动机的电机较大,叫MG2。MG1的作用主要是发电,MG2则主要参与驱动,且在特定工况如减速时,MG2也可以暂时性地作为发电机回收制动能量。简单来讲,一组行星齿轮配上两台电机,构成了THS的核心部件。



那么MG1和MG2如何协同发动机一起运作呢?丰田在THS技术上最引以为豪的,便是将发动机和这两台电机连接在一起的行星齿轮组结构了,也正是这套行星齿轮组,作为THS核心结构中的核心部件而存在。



发动机输出的扭矩会传输到行星齿轮托架上,丰田通过对太阳齿轮和外圈齿轮大小的精心设计,将大部分扭矩分配到外齿圈,小部分扭矩分配到太阳齿轮;MG1与行星齿轮中的太阳齿轮相连,发动机小部分的扭矩会传输至此;MG2与外齿环连接,发动机的大部分扭矩则会传输至此。外齿圈的外部连接驱动齿轮,最终实现车辆的驱动。即便丰田称这套结构为ECVT,但这组行星齿轮的设计和CVT绝无联系,其更像是是结构逻辑更为复杂的差速器。


在起步工况下,THS的逻辑自然是EV优先,发动机不启动,MG2带动外齿圈转动,MG1可以在MG2负载过高时介入,通过太阳轮传递至行星轮的补偿动力给外圈齿施加驱动力。当车速达到限定值或者加速踏板到kick down位置时,发动机才会启动。



在加速工况下,THS的逻辑便是发动机开始输出动力。随着MG2带动的外圈齿的正向转动速度的加快,四个行星齿轮反向自转的速度逐渐下降至相对停止,只剩公转。这便是这套行星齿轮组最为巧妙的地方,在发动机介入之时,动力传输至行星齿轮托架,通过已经不再自转的行星齿轮,同时推动外齿圈和太阳轮运转。




在减速工况下,不必多说,MG1和MG2都会变成发电机,以储存电能;这还不止,为了保证时刻都有足够的电量以让MG1给行星齿轮施加反向力矩(没电的时候MG1无法启动,发动机便会因为没有行星齿轮的反向力矩来推动外圈齿轮),THS还有一套匀速的逻辑,在匀速状态下,ECU便会给MG2指令,使其成为发电机,给MG1供电,以形成MG1和发动机共同驱动车辆的状态。

在每一个车速,行车电脑都会求出外齿圈的转速并根据车辆的动力需求,确定发动机需要达到的转速,这只是其一,此外行车电脑还会计算出MG1的对应转速,通过电流控制,相应使发动机加速或减速。



THS通过对行星齿轮组特性和对齿轮齿数的巧妙设计,以及通过各种工况的判定,经由行车电脑计算,从而确定发动机在任何速度任何工况下的最佳转速,丰田THS省油的秘诀,就在于此。


◎配备THS的丰田RAV4混动车型不过,从宏观上来说,THS是还是内燃机动力总成为主,电气化动力总成为辅。正是这个理念,导致了THS依然存在劣势。在EV工况下,此时发动机虽不点火工作,但在电机的反拖下活塞是保持在往复运动的,如此便会造成动力的损耗,导致在EV模式下的性能受限。同时,因为发动机、电动机和行星齿轮从始至终都连在一起,多组齿轮结构传动,导致动力的损耗也在所难免,因此,THS车型,在性能上还是不占优势。这些种种,也为让THS的插电之路,并不顺畅。通用Voltec:一组行星齿轮不行,那就再来一组!

看起来粗糙的美国人,其实也有一颗细腻的心,通用的Voltec便是美国人对HEV的独特理解。


丰田用一套行星齿轮组完成了对HEV的解读,并且设置了专利壁垒,但通用也发现了其存在的问题,那么如何优化THS?Voltec的答案是用上了两套离合器和两组行星齿轮来连接发动机和电机!多了一倍的行星齿轮组,且用上了两套离合器,如此大胆的创新,怕是也只有美国人才敢这么做了吧。


◎Voltec简略结构和原理图Voltec采用的双行星齿轮组、双离合器、双电机的电驱动系统类似于两套THS电驱动系统的整合,在一套THS系统达到优化边界的时候,可以切换成另外一套,从而实现更高的效率和动力优化。双行星齿轮组的连接和运转逻辑,是Voltec最大的技术亮点所在。


在通用Voltec系统中,1号行星齿轮组的外齿圈与发动机相连,1号行星齿轮组一端可以直接将动力输出至车轮,另一端经由1号离合器连接至功率相对较低的MG1。MG1和MG2分别连接在1号和2号行星齿轮的太阳轮上,动力的输出端均安置在行星齿轮托架上。2号离合器一端固定,一端与2号行星齿轮组连接,当两个离合器均锁止,则可以实现固定齿比的行驶模式。


相比THS,Voltec因两组行星齿轮和离合器的设置,让其拥有更为宽泛的传动比调节范围,自然而然地,Voltec使得发动机能够在更广的速度区间内都更为经济的工作状态;通过离合器的锁止,更为多样的传动模式可以覆盖更多的驾驶工况,最终还是达到节能的目的。



在中低负荷工况下,发动机并不启动,通过1号离合器切断1号行星齿轮组的连接,MG1不启动,仅由MG2为车辆提供动力。

当车辆匀速行驶,Voltec便进入固定齿比模式,1号离合器将1号行星齿轮组的太阳轮锁止,且MG1不介入,2号离合器则将2号行星齿轮组的外圈齿锁止,发动机和MG2的动力经由两个行星齿轮组的行星架进行输出。


当车速进一步增加,车辆对动力的诉求进一步提升,发动机的动力会经由两组行星齿轮进行分流,一部分动力用于驱动车轮,另一部分动力则来到MG2,由MG2作为发电机去唤醒MG1,而MG1的动力在部分通过1号行星齿轮的行星架输出,另一部分扭矩经由2号行星齿轮的外齿圈进行放大后又来到MG2,进一步放大电流回到MG1,由此成为一个循环。提升动力的效果显而易见。


◎别克君越30H就采用了Voltec技术方案


Voltec技术方案是典型的美式思维。用更复杂的逻辑和技术结构去优化原有技术上的问题,从结果导向来看,Voltec比THS更接近EV优先的理念,且实际执行效果也比THS更好。但Voltec过于复杂的结构让成本控制成为难题,并且每多一组行星齿轮组合离合器,便意味着每多一份传动损耗和故障率。传动损耗暂且不提,若是Voltec内部出现了某些故障,维修师傅的脸色,一定不会好看。本田i-MMD:用最简单的EV优先结构,完成最复杂的事

相比较通用的Voltec,本田i-MMD主要结构就是一台发动机、一个E-CVT和两台电机组成,相对简单的结构,却在技术宅本田的部署下,展现出别样的精彩。



本田i-MMD的思路十分易于理解,i-MMD采用双电机非直连式混动结构。理论上,由发动机产生的机械能驱动MG1进行发电,再由MG1产生的电动带动MG2的运转,MG2与驱动桥相连,最终传递至驱动轮。


从机械结构上看,i-MMD当属这HEV三大巨头中最为简单的结构了,但用最简单的方式去完成最复杂的工作,机械工业的魅力,往往就在于此。因为没有行星齿轮组那样的机械耦合模式,i-MMD的发动机与双电机之间的工作状态,更需要控制系统来进行协调,这对于控制系统的要求很高,但是由此减少发动机与两台电机之间的无效负载,实际上更利于能量的有效利用。

从宏观的角度理解,i-MMD更像是一套带有发动机直驱功能的增程式电驱系统。本田的i-MMD系统将让车辆拥有3种不同的驱动模式:纯电模式、混动模式、发动机直驱模式。


纯电模式顾名思义,MG2作为唯一的驱动源(同时也负责动能回收),向驱动轴传递动力,并且离合器在此刻将发动机与驱动端断开,这样一来,便可以避免THS结构中反拖发电机(MG1)和发动机和造成的能量损失。



混动模式便是发动机和电机共同作用,适合高负载急加速的工况,此刻离合器依然将发动机和驱动端断开,发动机带动MG1发电,发动机在此刻的角色就是增程器。以十代雅阁混动版为例,2.0L自吸发动机有可以采用阿特金森循环,也能驾驭奥托循环,热效率高达40.6%!以这台发动机作为增程器,燃油经济性自然无需多言。同时混动雅阁上MG2电机有着135 kW的最大功率和315 N·m的最大扭矩,强劲的动力参数保证了车辆的性能实力。

发动机驱动模式适用于高速巡航的相对低负载工况,此刻MG1、MG2均不工作。而保证发动机驱动时能耗最优的,则是i-MMD中的最大亮点部件——E-CVT。和丰田的ECVT一样,E-CVT并不是一套传统意义上的变速箱,而是以电控湿式多片式离合器为主要构成部分的动力分离装置。

E-CVT在电机驱动的时候,采用的是一个齿比,在发动机驱动的时候,采用的是另一个齿比。中低速工况,电机可以采用一个齿比应对,在高速发动机直驱的状态下,它采用的是高速小齿比以应对高速驾驶工况。而一旦速度下降导致扭矩不足,车载电脑会在适时让电机重新介入驱动。理论上来讲,适用于高速工况发动机直驱的情况,相对比较狭窄,本田i-MMD系统,基本就是一套以EV优先的小电池REEV结构。


◎本田皓影混动版也采用了i-MMD对比丰田的THS和通用的Voltec,i-MMD用相对最简单的结构完成了复杂的HEV模式。即便不得不佩服通用在HEV领域另辟蹊径的强大技术研发实力,但是汽车领域,过于复杂的结构并不是一件值得夸耀的事。就是相对Voltec结构简单的THS,也在机械传动效率上,被i-MMD所超越。

在三者油耗表现层面,丰田THS的代表车型凯美瑞混动、通用Voltec代表车型君越30H和本田i-MMD代表车型雅阁混动均有着相当不错的低油耗表现(三方车型实测综合油耗均在6L左右)。

◎十代雅阁混动极限挑战一箱油(60L)跑2143.8km


不过在加速性能上,三者开始体现出了差距。雅阁混动车型的实测百公里加速成绩基本可以达到7.5秒以下,而凯美瑞混动的百公里加速都在8.5秒左右,君越30H的实测加速则基本在8.5秒开外了。在油耗表现相近的情况下,本田i-MMD再一次发挥了特长,兼顾性能与油耗,实在是让人惊喜。



三巨头全面触电,丰田、通用、本田谁能玩转未来混动市场?


单纯做好HEV可不行,面对不断扩张且有着丰厚政策扶持的插电混动市场,丰田、通用和本田也分别拿出了自家的插混方案,当然,在插混阶段,三家的方案依然是基于他们已经十分成熟的HEV改变而来。在HEV领域,在我看来,i-MMD是最优解。那么在插混领域,谁又能笑到最后?


◎采用插电THS的卡罗拉双擎E+


丰田的PHEV插混系统没有改动THS电池组以外的结构,它仅把原来的镍氢电池组从改为了锂电池组,其电池组的容量也从1.3kWh提高到了10.5kWh,从而实现55km的纯电续航里程。


◎采用插电THSd 雷凌双擎E+


其实从丰田在HEV阶段的THS结构可以看出,丰田的THS混动系统是一套更偏向于一种“油为主,电为辅”的结构,这套系统的研发初衷其实就不是为插混设计而来的,很多PHEV车型拥有的优秀加速性能也没有在插电的THS上体现;THS在HEV阶段可以做到的十分省油,它更适合配合小电池组,但如果将其从HEV改为PHEV,纯电模式下的反而效率会受到影响。就像即便雷凌PHEV在采用了10.5kW·h的电池,其55km纯电续航的成绩,并不算优秀,甚至不如一些国产品牌的PHEV车型。


◎采用插电Voltec的VELITE 5


通用在插电阶段,代表性的车型是别克VELITE 5。在油电阶段的Voltec系统,虽说基于THS的思路优化而来,但是从Voltec最终的运作结果导向看,它其实更像一套增程式结构。因此,在配上了18kW·h的三元锂离子电池组之后,别克VELITE 5就正式被定义为插电式增程混动汽车了。但同样困扰VELITE 5的便是Voltec先天性的复杂结构问题。在匹配上更大更重的电池组之后,Voltec的结构更为复杂,而将其复杂化的最大诱因,却还是政策上的各种倾斜罢了。

那么i-MMD触电后,又会如何呢?前文已经提到,本田的i-MMD混动系统和丰田THS正好相反,它更偏向于一种“电为主,油为辅”的结构,EV优先从来都是i-MMD的主旋律。也正是基于此,i-MMD有着极高程度的延展性。


将雅阁混动i-MMD的小电池组换成大电池组,再加上充电口,插混的结构就出现了;进一步将电池组换的更大,去掉燃油机和发电机,纯电雅阁就出现了;将雅阁混动的发动机换成燃料电池,再去掉发电机MG1,雅阁混动就可以变成燃料电池车……


自始至终EV优先的理念加上超高度的延展性再换上插电结构后的i-MMD Plug-in(也叫SPORT HYBRID e+)表现出的实力自然是不言而喻。同样是基于HEV阶段的结构,本田为其换上了一块17kW·h的大容量电池,更多的电量为其提供相比i-MMD数十倍的车辆纯电行驶里程。

同时,驱动电机中的绕组方式变为方形线圈绕组,由此电机总体积中线圈的占比上升到了60%。相比雅阁混的,其功率密度比提高到了1.4倍,扭矩密度提高到了1.3倍。功率的提升必然需要散热的提升,风冷变水冷自不必多说,水冷系统中三通阀的加入让过热永远存在于传说中。

◎采用插混i-MMD的本田Clarity

相比较i-MMD的“EV主导,油辅佐”,i-MMD Plug-in真正做到了无限接近EV的PHEV技术,只要在电池组电量充足的情况下,i-MMD Plug-in完全依靠行驶用电机驱动车辆前进。

同时,得益于i-MMD先天性优秀的油电技术,即便在馈电状态,i-MMD Plug-in同样可以做到极低的油耗表现。


明年进入国内,本田大法恐怕又是买发动机送车



在本田的规划中,搭载i-MMD Plug-in系统的新车型将于2020年正式与中国消费者见面。之前受制于中国市场HEV无补贴政策的本田混动,终于还是在PHEV领域亮出了利剑。


燃油机时代,本田留给我们太多惊艳和惊喜。21世纪的电气化之战里,本田似乎也不打算落在人后。

发布于 2019-11-13

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