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混动汽车百科 | 到底是不是『过度技术』?看完这篇就懂了!(汇总篇)

来源:电动邦 浏览次数:92 发布日期:2021-10-13

序言

当一位拥有35年车龄的老司机发动了一辆混动汽车,老司机略带惊慌地告诉副驾驶的我,他怀疑车已经坏了。因为即便他启动了汽车,却没有听到「发动机」怠速的运转声。我笑着让他松开刹车踏板,于是汽车便安静地开始缓缓前进,这让老司机感到了极度的惊恐……

图说:已经被我卖掉的普锐斯『遗照』(实拍)

以上是几年前我带老丈人体验第四代「普锐斯」时的情景。此后,虽然我给他介绍了很多混动汽车的基础知识,然而老人家对混动汽车仍然保持着『抵触』的态度,就算他也认可混动汽车的低油耗和起步平稳,但依然觉得『给发动机配一个(或多个)电机』属于多此一举……

在此后多年工作中,我愈加发现,大家好像对『混动汽车』充满着质疑、敌意或是不屑。或许就是我写这一系列混动科普文章的最大动机。

本文目录

本文篇幅约8300字,近50张图片,为方便阅读,可根据一下目录进行检索:

1.变革的时代

2.100多年前的混动汽车

3.省油并非混动汽车技术的全部

4.混动汽车技术省油的根本逻辑

5.混动汽车技术的基础知识

变革的时代

从2020年10月由国务院颁布的《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》中,我们会发现国家对混动汽车的基本态度:

强化整车集成技术创新。以纯电动汽车、插电式混合动力(含增程式)汽车、燃料电池汽车为『三纵』,布局整车技术创新链。

研发新一代模块化高性能整车平台,攻关纯电动汽车底盘一体化设计、多能源动力系统集成技术,突破整车智能能量管理控制、轻量化、低摩阻等共性节能技术,提升电池管理、充电连接、结构设计等安全技术水平,提高新能源汽车整车综合性能。

图说:增程式混动系统的底盘示意图

作为『三纵』 战略的重要组成部分,「插电式混合动力(含增程式)汽车」在接下来15年中仍将得到国家政策的青睐。此外,『研发新一代模块化高性能整车平台,攻关纯电动汽车底盘一体化设计、多能源动力系统集成技术』也指明了「多能源动力系统集成技术」也将是这15年的主流技术趋势,并非将混动技术看做一种『过渡技术』。

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图说:令人着迷的混动汽车技术(动图)

从一个从业人员的角度来看,我十分佩服国家制定这样战略的长远性和合理性:

1.产业转型必须慢慢来:缓解燃油汽车带来的能源存量问题和环境破坏问题,需要时间,不能一刀切,步子跨得太大容易扯到……所以,产业转型需要四平八稳地进行;

2.技术转型需要留后手:汽车的『新四化』不是简单的『用油驱动』转『用电驱动』,而是能源战略转型,其中有很多的技术分支,是一次从基础科学到应用科学的新尝试,若把鸡蛋放在一个篮子里,容易鸡飞蛋打,同时点上纯电与混动的技能点,不仅是留后手,更是能开拓多条弯道超车的赛道。

简单地总结以上的内容:国家在下一盘大棋,而且整体战略清晰、长远且合理。

图说:2021年6月私家车插混汽车销量TOP 20

而从实际市场来看,对于北京、上海等限行限牌的城市,能够吃到政策红利的「插电式混合动力」车型成为了运营车辆的不二选择。在乘用车端来看,也有越来越多私家车主开始选择「插混」车型。如上表所示,比亚迪、上汽、吉利、大众、宝马、奥迪、丰田和本田等纷纷上榜,「插混」车辆已有了取代纯燃油车的趋势。

图说:愈发精细的混动系统设计(手绘)

或许大家会认为混动汽车的销量上升,完全得益于政策的偏向,但这种看法已经慢慢地发生这变化,就我的从业经验让我更愿意这样去理解:随着混动技术的日渐成熟和可靠,才使得更多的理性消费者购买了混动汽车。


100多年前的混动汽车!

图说:「Lohner-Porsche」原型车

其实混动汽车的历史可能比你想象的要早,回顾汽车的历史,(内燃机)汽车诞生于1886年,有趣的是仅仅2年后,1898年,大名鼎鼎的「费迪南德·保时捷」便设计出了混动汽车。「Lohner-Porsche」原型车。

图说:「Lohner-Porsche」原型车设计图纸示意图(手绘)

「Lohner-Porsche」原型车将2台「DeDion Bouton水冷汽油发动机」(每台动力约为3.5 hp约2.6 kW)装在车身中间,用于驱动两台「发电机」,每台「发电机」能在90V电压下输出20A的电流(每台动力约为2.5 hp约1.84 kW),「发电机」输出的电能直接驱动「轮毂电机」(又称「轮边驱动电机」),而剩余的电能则流入车厢下方的「铅酸电池」储存起来。

此后,他进一步完善了原型车,最终在1900年打造出了我眼中第一辆真正意义上的混动汽车——「Lohner-Porsche Semper Vivus」(后简称「Semper Vivus」)。

图说:2007年保时捷博物馆重造了「Lohner-Porsche Semper Vivus」

不过通过原型车生产出来的「Semper Vivus」却出现了不少问题,比如:

1.车重过重:

超过1200kg的车重,当时的充气轮胎表示压力山大,因为当时的橡胶技术还不足以满足「Semper Vivus」对于路况的需求;

2.控制差:

由于是第一次混动技术的尝试,「发动机」与「发电机」,「发电机」与「蓄电池」,发电机与「轮毂电机」,蓄电池与「轮毂电机」之间的控制都面临巨大的考验,十分不稳定;

3.各种故障:

由于「Semper Vivus」不仅是世界上第一辆混动汽车,而且还可以算得上是世界上第一辆『油改电』,即有「发动机」(还是2台)、「发电机」(也是2台)、「轮毂电机」(2台)还有「蓄电池」(由于后期多代改进没有固定值,「蓄电池」大约有44-74单元),所以各种故障不断,比如行驶时扬起的灰尘会引起「蓄电池」故障等。

混动汽车的雏形

虽然「Semper Vivus」问题不断,但我们却能在它身上找到混动汽车的许多延用至今的组件:

1.「发动机」:动力的源头;

2.「发电机」:动力源转化的关键;

3.「轮毂电机」:动力输出的节点;

4.「蓄电池」:能源储存的介质。

而从「动力系统结构形式」来看,「发动机」连着「发电机」,「发电机」连着「轮毂电机」,三者像『一根线上的蚂蚱』被「串」在了一起,在初中物理的电学部分,我们知道这种连接方式有个学名叫做「串联」,对于混动汽车而言,我们称之为「串联式结构」。

图说:增程式混合动力汽车的基本原理

只是「Semper Vivus」也并非目前常见的「串联式结构」混动汽车,而是将「电机」(「轮毂电机」)作为唯一的驱动终点。不过,这足以让人轻松地联想到目前的「增程式」混动汽车。

图说:传统汽车的启动系统和充电系统

除了「Semper Vivus」独特的混动结构,它还给后人留下了一个特别有趣的设计细节——「发电机」通过逆向旋转可作为「发动机」的「起(启)动电机」。而这种思路几乎原封不动地保留到了现在,较之传统燃油汽车上的使用的小功率「起(启)动电机」(如上图所示),现在的混动汽车更喜欢在「发动机」前端的「传动(皮)带」上配置一个加强版的「起(启)动电机」——「BSG电机」。

图说:奔驰A级和B级上的P0电机

这里要多提一句,通常情况下「BSG电机」作为「P0电机」功率集中在8~15kw区间,而目前国内厂商将把「BSG电机」的最大功率提升到了25kW,使其能输出60N·m的最大扭矩,做到了在怠速启停的基础上,甚至可以介入到换挡、发电和助力加速的工作中,大有一番『大力出奇迹』的趋势。

图说:奔驰M254动力总成中的ISG电机,可驱动汽车

故此,随着「BSG电机」功率越做越『大』,原来发挥着低速驱动汽车的「P1电机」(又称「ISG电机」一般情况下功率在20~40kW之间),顿感背脊发凉……是否很有意思,我们后文会来详解

图说:百年前「Semper Vivus」上的「轮毂电机」

最后,「Semper Vivus」上使用的「轮毂电机」绝对是一种『超前』的设计。我们知道「轮毂电机」技术将集成了「差速器」的动力总成,将其直接布置在「轮毂」中,从而直接驱动「车轮」,相比传统汽车的布局,「轮毂电机」技术优点在于:

图说:对某些司机而言,这可能是轮毂电机最实用的功能

1.减少组件内耗,提升动能回收:减少了「差速器」、「半轴」和「二级变速器」等组件,减轻(簧下)重量,减少组件之间的磨损带来的能力损耗,提高了传动效率。同时在刹车时,动能回收效率更高;

2.实现扭矩矢量控制:解释起来比较复杂,举个直观的例子,「轮毂电机」技术可让汽车更容易实现原地侧向移动,从此科二考试不再有『侧方停车』这个项目(如上图)。

图说:ProteanDrive的轮毂电机机构示意图

可惜,「轮毂电机」有着明显的『硬伤』——稳定性堪忧,寿命短。由于「轮毂电机」直接暴露在车辆底盘中,极为恶劣的工况,对其的密封防水性、抗腐蚀性、冷却散热性都有更高的要求,故此,至今「轮毂电机」还未普及,不过我相信总有一天会有其大放异彩的时刻。

被埋没了几十年的技术

聊完了「Semper Vivus」的技术,我们回到1900年这个时间点,探寻混动汽车的历史。说句实话,我觉得那个年代的科学家们玩得『挺野』。

图说:TESLA'S TOWER

因为同一年「尼古拉斯·特斯拉」正将交流电技术运用在制造「球状闪电」上,并在1899年成功地造成了科罗拉多斯普林斯大规模停电,可把当时的吃瓜群众们吓得不轻,对「电」(准确地说是「交流电」)多了几分畏惧。

图说:网友为《海底两万里》中鹦鹉螺号所绘制的设计图

再来看看1900年的「电池技术」:彼时,距离「元素周期表」发布仅31年,科学家们才熟悉了各元素的属性,什么「磷酸铁锂」、「三元锂电池」应该还只存在于「儒勒·凡尔纳」的科幻小说中,距离商业化、批量产品化还有大几十年。所以,时速仅有14km/h的「Semper Vivus」最终没能在『第二次工业革命』中,引领汽车全面跨入电气时代。

图说:福特T型车(手绘)

不过,彼时压倒混动汽车的『最后一根稻草』却是「亨利·福特」,1908年他带给全世界一个惊喜——「福特T型车」。这款车的伟大之处不在于高端的造型、功率爆炸的「发动机」抑或是用这辆车蝉联了多少界赛车比赛的冠军,而是「福特T型车」彻底指明了汽车制造业的方向——流水线组装!不得不说,100多年后的今天,我们仍然享受着「福特」带来的红利,包括现在主机厂最爱的「模块化」设计,仍然没有脱离「福特」的造车理念——低成本、高效率、可复制和高质量等。

图说:福特T型汽车流水线

「福特T型汽车」成功地将燃油汽车带入了寻常百姓家,可对混动汽车而言却是『降维打击』,可以说直接压制了汽车全面电气化近90年。所以,我常会开玩笑说『成也福特败也福特』。

图说:推荐大家一部历史纪录片《美国商业大亨传奇》

好在,80多年后,经历两次世界大战、石油危机和多次金融危机后,这些老牌的小子日过得不错的国家才发现,已经无法回到那个大排量的『黄金时代』。此外,大部分人也发现,若再破坏地球的环境,浪费地球的资源,那就都要完犊子了。

图说:印在普锐斯上的HYBRID、EV MODE等字样,预示着风雨欲来(实拍)

同时,在这80年中,人类在「电池」、「电机」、「半导体」等关键技术上已经有了很大突破,以「电」为核心能源的混动汽车和纯电汽车时代已经慢慢走到了台前,成为下一个风口。

图说:丰田THS混动系统中的核心组件

1997年「普锐斯」它来了!作为丰田汽车推出的世界上第一款大规模量产的混动汽车,「普锐斯」标志着混动汽车正式回归汽车行业。或许「普锐斯」这个车型,很多人都没听过,但对于混动汽车技术从业者而言,却拥有不低于「Semper Vivus」的地位。至于「丰田THS混动系统」我们会在后文中陆续展开。

省油并非混动汽车技术的全部

可能是早期的「丰田THS混动系统」走的是『经济省油』的技术路线,导致许多朋友对混动技术有一些错误的理解,比如混动汽车技术就是为了省油?

图说:2015款BMW i8的底盘结构

其实不然!比如早期的「宝马i8」就是非常有趣的一辆追求性能的混动汽车。作为宝马集团第一款「插电式混合动力系统」的车型,堪称宝马的『天之骄子』,集宝马三缸「发动机」精髓于一身的1.5L涡轮增压「发动机」,配上其多年电机技术精髓的「驱动电机」,整套动力总成(2020款)理论最大功率达275kW (发动机170kW+105kW),理论最大扭矩为550 N·m(发动机320N·m+电机250 N·m),官方0-100km/h加速参数为4.6s,妥妥的跑车数据。

图说:2015款BMW i8,在《谍中谍4》中大放异彩

只可惜,从2014年惊艳登场到2020年受到疫情影响最终停产,让我想到一句歌词『爱情来的太快,就像烟花台风』。

图说:2021款 科尼赛克Gemera

不过不要以为「宝马i8」之后就没有高性能的混动汽车了,2020年年底「科尼赛克」带给我们一辆充满惊喜的「插电式混合动力系统」超跑——「科尼赛克 Gemera」,其恐怖之处在于:

图说:可能是最豪横的三缸发动机

1.三缸发动机,最大近600Ps的马力:「科尼赛克」研发的双涡轮增压 「TFG发动机」虽然排量只有2.0 L,还是三缸,却能爆发出最大598Ps的马力,最大600N·m的扭矩。当然啦,喝的燃料也是价格不菲——98#汽油起,还可用「E100纯乙醇燃料」、「甲醇燃料」以及「太阳可再生燃料」等;

图说:2021款科尼赛克Gemera动力总成结构示意图

2.前一后二,三电机,最大2500 N·m的扭矩:「科尼赛克 Gemera」配备有三个「电机」,后轮轴上的每个「电机」能产生最大500 Ps的马力、最大1000 N·m的扭矩;「前桥」同轴共用一个「电机」,产生 最大400 Ps的马力以及最大 500 N·m的扭矩,官方0-100km/h加速1.9s!!!

图说:简化传动结构,只为速度而生

3.直接驱动技术:除了「电机」和「发动机」带来超强的动力参数数据,「科尼塞克」在动力总成的结构上也做出了调整,优化了传统的「变速器」,通常情况下,「发动机」可以通过「单齿轮」直接驱动车轮。每个「输出轴」都有一个「湿式离合器」组件,可实现扭矩矢量控制。两个后轮具有独立「电机」,集成独立「变速器」,具有扭矩矢量和倒挡功能。

看到这里,或许你又会得出一个结论:以上车型皆是百万、千万级别的车型,与我们没有关系!

图说:比亚迪DM-p混动系统示意图

其实在民用汽车领域也有类似的混合动力系统,比如「比亚迪DM-p混动系统」在『三擎四驱』模式下,最高可配备一枚双涡道涡轮增压的「发动机」(排量2.0L,最高功率135kW,最大扭矩290N·m)。而在「电机」方面,「P0电机」峰值功率为25kW (峰值扭矩60N·m),「P3电机」峰值功率为110kW(峰值扭矩250N·m),「P4电机」为峰值功率180kW(峰值扭矩330N·m)。当「发动机」与「电机」协作发力时,其动力不输V8引擎。官方0-100km/h加速4.7s,几乎逼平了「宝马i8」的4.6s!

混动汽车技术省油的根本逻辑

不过为了完成「碳达峰」「碳中和」两大人类环保夙愿,无论是哪个国家都将当下的混动汽车技术定义在省油的国家战略中。所以,我们暂时按下混动汽车技术可能带来的『速度与激情』不表,先来研究一下,如何利用混动汽车技术来省油。而我的想法很简单,就2点:

1.多用电,少用油;

2.榨干每一滴油的价值。

是不是十分的简单?但是为了做到看似简单的2点,各大主机厂可没少花功夫,并开创了各种玩法,比如以「丰田THS混动系统」为首的『双电机动力分流派』以及以大众为首的『单电机双离合派』等。所以,如何解决这两个问题将贯穿我们整个系列。

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图说:丰田THS混动系统基本工作原理(动图)

首先,为了达到『多用电,少用油』的目的,实现途径会有很多,比如:

  1. 将混动的份额向着纯电倾斜;

  2. 增加「电池」的容量;

  3. 增强「电机」的作用等。

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图说:显然奥托循环并不适合混动车型

其次而为了达到『榨干每一滴油的价值』这一目标,实现途径会有也有不少,比如:

1.提升「发动机」(内燃机)的工作效率;

2.减少混动部件之间的内耗;

3.对每个混动部件进行不断的优化等。

有了基本的框架思路,我们不妨展开细聊几句。

多用电,少用油

图说:按油电混合度划分(以上数据仅供参考)

我们先从『将混动的份额向着纯电倾斜』谈起,从上面的表格中可以看出,不同的油电混合架构所能实现的功能不同,依靠电实现的功能越多,燃油消耗就会越低,比如搭载「强混核动力系统」的车型版本相比纯燃油版,油耗降低25~35%(数据仅供参考)。

图说:为实现自动启停,必须使用增强型的起动机

再以被大部分人视为『鸡肋』的「自动启停」功能为例,虽然升级了一下普通汽车搭载的「铅酸蓄电池」(更换隔板材质,比如AGM使用「超细玻璃纤维隔板」)以「起(启)动电机」,但却达到了省油的目的。

图说:溯源P0电机的作用便是自动启停

比如德国BOSCH的实验的结论是:平均节油率为8%~15%左右,越拥堵、排量越大效果越明显。而中国汽车技术研究中心也做过类似的测试,结论更是夸张:节油率甚至达到7%~27%。看到这里,相信你慢慢开始理解『为什么启动电机的功率越做越大』的原因了。

图说:显然铅酸蓄电池无法满足混动汽车

随着『混动的份额向着纯电倾斜』的发展,「电机」的功率越来越大,故此,『增加「电池」的容量』就成为了下个要解决的问题,从「储能密度」较低的「铅酸电池」到日企引以为傲的「镍氢电池」到为了满足长距离纯电行驶的「锂离子电池」,「电池」模组越来越大,功率更高,容量更大。关于混动汽车的「电池」,我们会在后文中陆续详解。

图说:途观L PHEV动力系统示意图

接着便是『增强「电机」的作用』,要么增加「电机」数量,要么就是提高单个「电机」的质量,此前我们也提到了以大众为首的『单电机双离合派』,即是将混动系统中的「驱动电机」集成在了「双离合变速箱」中,配合上「高压电池」模组,增强了「电机」在整个混动系统的作用。至于为什么大众会成为『单电机双离合派』,又是一个long story。

榨干每一滴油的价值

图说:E-CVT基本结构(手绘)

与燃油汽车一样,『榨干每一滴油的价值』一直是发动机工程师所追求的『人生目标』,同时也是体现人生价值的关键。故此,『提升「发动机」(内燃机)的工作效率』这一点,不在本篇文章中展开,在后面的文章中,我们会详细讨论「阿特金森内燃机」的章节展开。这里只提一句:混动汽车的「发动机」,总体朝着高效率的方向发展。

图说:飞轮动能回收系统

而『减少混动组件之间的内耗』则是一个系统性的工程,比如使用「E-CVT变速器」进行变速与使用「混动双离合变速器」进行变速,而且这两种不同的「混动变速器架构」,在考虑部件降耗的逻辑大相径庭,还是要到后续的文章中具体问题具体分析。

图说:混动系统的优化是一项整体的优化工程

看似与第二点雷同的第三点『对每个混动组件进行不断的优化』,指的是对动力总成之外的部件优化,比如「电池」的优化只是表象,更重要的是对整个「电能系统」的优化,包括提升整个「动能回收」系统等。当然啦,以上提到的这些点并非实现省油的全部解决途径,容我娓娓道来。

混动汽车技术的基础知识

本章节的最后,我为大家汇总了一些最基础的混动技术的专用词汇,在后文中会经常出现,所以,希望大家动动手指,将图表保存下来,首先便是「混动汽车的分类」的名词:

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图说:混动汽车的分类

在以上三种分类中,第三种分类『按照外接充电能力划分』比较好理解,一句话:能不能外接电源来充电。而『按动力系统结构形式划分』则需要通过另一张表来解释:

图说:按动力系统结构形式划分

这是一种根据「发动机」与「电机」连接形式去划分。上表格只是描述了一个大概,三种模式单拿「串联式」就会延伸出好几条技术树,比如我们此前解释过的保时捷「Lohner-Porsche Semper Vivus」,即是将「发动机」-「发电机」-「轮毂(驱动)电机」动力总成『串』在一起。发展至今现其中一条技术树发展成了「增程式」汽车,比如「宝马i3」,「奥迪A1 e-tron」,以及国产的「理想ONE」和「岚图FREE增程版」等。

图说:混联技术衍生出新的技术树

「混联式」就更为复杂一些,比如「雪佛兰Voltec1」,看似是一套「串联式」的解决方案,然则,却『暗地里』偷偷地进行了功率的分流,也就是让「发动机」参与到动力输出上,而不是像常规的「串联」结构,只能通过「电机」输出动力,此后的章节会详解。

图说:常见混动汽车安装电机的位置(手绘)

图说:不同位置电机的简介

作为《混动汽车百科》专栏的第一篇汇总长文,我们并没有过多地谈及技术的本身和原理,扯着大家讲了一些故事,看了几辆有意思的车,不知道大家是否已经迫不及待地想要开始了解技术了呢?那就期待《混动汽车百科》专栏的第二篇汇总长文吧~~


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