汽油味最後的堅守?幾分鐘讀懂混合動力
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“開過的汽車越多,就越是感到乏味。”身為媒體從業者,筆者經常聽到同行們發出這般感慨。回顧車輪生涯,令我刻骨銘心的經歷只有兩次。一是初見嘉年華ST,它平凡而不凡,有着世上罕見的歡脱性情。後來,我買了一輛。二是初次駕駛普鋭斯,我不禁感慨“混動才是未來”,驚喜之情溢於言表。今天,我還沒擁有過混動,卻比以往任何時候都更渴望擁有。
顧名思義,混合動力(hybrid)將不同的動力源整合在一起,形成合力,共同驅動車輛。所謂不同動力源,是指熱動力源(內燃機)和電動力源(電動機)。其中,內燃機可以是汽油機或柴油機,電動機可以不止一台。內燃機和電動機發揮各自優勢,在整體上提升了燃油經濟性。劃重點:混動系統的“油”和“電”是互補關係,而不是加法關係。
在日常交通場景下,混合動力汽車(HEV,hybrid electric vehicle)的駕駛體驗幾乎無懈可擊。要平順?混動開起來如絲般順滑。要動力?電機響應如閃電般迅速。要油耗?汽油混動效率堪比頂尖柴油機。在上一期《顏必有物》中,我們對駕駛性(driveability)進行了簡單介紹,讀者朋友可點擊下圖查看原文。毫不誇張地説,優秀混動系統代表了駕駛性的頂尖水準。
混合動力的歷史可以追溯到汽車工業早期。1898年,23歲的費迪南德·波爾舍加入好友運營的維也納洛納車身工廠,着手打造雙座電動車Lohner-Porsche,並先後嘗試了雙電機和四電機(均為輪圈電機)方案。四電機版本的Lohner-Porsche不僅是全球首款四驅汽車,還一舉創下當時的汽車速度紀錄(35mph,約56km/h)。然而,該車的鉛蓄電池重達1.8噸,嚴重製約了續航里程。
續航問題如何解決?既然電池太重,不妨試試汽油。波爾舍為Lohner-Porsche增加了兩台DeDionBouton汽油發動機,由發動機驅動發電機,間接為電機提供能量。至此,世界上出現了首款油電混動車型——Lohner-Porsche Mixte Hybrid。從基本設計理念來看,100多年前的混動與今天的混動沒有本質區別。
從小眾走向主流,混合動力開始快速“裂變”,衍生出不同形式。今天,想要分清各類混動,着實需要花費一番功夫。一般來説,混動系統可根據混合程度或電機位置進行分類。混合程度指電機輸出在混動系統綜合輸出中所佔的比重,通常分為微混、輕混、中混和強混四種類型。至於電機位置,所説的不是電機安裝的物理位置,而是電機在動力系統中的位置,通常包括P0、P1、P2、P3、P4、P5六種方案。
電機參與程度越高,理論上節油潛力就越大。由於電機輸出功率與電氣系統電壓有着直接關係,因此混合程度高的混動系統,往往擁有較高的系統電壓。微混、輕混、中混、強混和插混的主要特徵如下:
四類混合動力系統(按混合度區分) | |||||
混動類型 | 微混 | 輕混 | 中混 | 強混 | 插混 |
Micro Hybrid | Mild Hybrid | Moderate Hybrid | Full Hybrid | Plug-in Hybrid | |
混合度 | 10%-20% | 20%左右 | >20% | - | |
驅動電機最大功率 | 10-20kW | 15kW-30kW | >30kW | >50kW | |
系統電壓 | 12-24V | 36V-48V | 110-160V | 200-280V | >320V |
電池容量 | 0.2-0.4kWh | 0.3-1.0kWh | 0.5-1.0kWh | 1.0-2.0kWh | >5.0kWh |
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隨着電氣化技術的發展,前四類混動的邊界正變得模糊。微混節油作用有限,主要用於成本控制嚴格的低級別車型,長期不被好看。輕混的上邊界不斷提高,蠶食着中混的地盤,典型案例為歐系品牌的48V系統。中混定位不上不下,油耗表現遠不如強混,成本特性則不及輕混。強混是油電混動(HEV)領域混合度最高的方案。在強混基礎上提高系統電壓和電機功率,並增加充電接口,便得到了插電式混合動力(PHEV)。
前些年,只有中混和強混支持純電行駛,微混和輕混無此能力。但在未來一段日子裏,邊界有望被打破。從2023年開始,採埃孚將推出混合度更高的第四代8AT MHEV變速箱(文章回顧)。用48V系統實現高功率或許不難,然而想要做到純電驅動,則需要混動架構(亦稱為構型)的支持。這引出了下一個話題:P0-P5究竟代表什麼?
在混動系統中,電機位置與混合程度密切相關,對節油表現、駕駛感受有着直接影響。需要再次強調的是,電機位置以動力系統(傳動鏈)為參考系,與電機的物理位置沒有必然關係。具體來看,發動機、離合器、變速箱、主減速器是區分電機位置的關鍵節點。
P0電機佈置在發動機前端,也就是傳統啓動機的位置。P0電機通過皮帶與發動機曲軸相連,通常被稱作BSG(皮帶式啓動/發電一體機)。P0構型混動成本較低,但節油效果有限,多用於微混和輕混。隨着系統電壓的增加,P0電機的性能也相應提升。48V BSG最大功率可達10kW左右,啓機速度和平順性遠優於傳統的12V啓動機。
P1和P2均位於發動機和變速箱之間,但驅動功能存在本質差異。P1電機連接曲軸輸出端,替代了傳統飛輪,通常被稱作ISG(集成式啓動/發電一體機)。ISG與曲軸等速旋轉,具備輔助驅動的功能。相比於P1,P2架構在電機和發動機之間增加了離合器(通常命名為C0或K0)。這樣一來,P2電機可以獨立於發動機工作,從而實現純電驅動。受限於發動機/變速箱結構,P1和P2需要適配尺寸緊湊的電機,對零部件集成度提出了較高要求。
P3電機位於變速箱輸出端,即變速箱輸出軸後、主減速器前。P3電機更靠近輪端,因此電驅更直接、更高效,但電機輸出無法利用變速箱實現傳動比變化。P3電機多采用分體式設計,電機尺寸偏大,侵佔了更多空間。此外,P3電機與驅動軸連接,無法實現發動機啓停。因此,P3架構需額外配備P0或P1電機,才能實現啓停功能。
P4電機用來驅動另一個車橋,從而實現電四驅。所謂“另一個車橋”,是指發動機驅動橋之外的驅動橋。假如發動機(以及與之匹配P0-P3電機)負責驅動前橋,那麼P4電機便用來驅動後橋,典型案例為豐田E-FOUR、沃爾沃T8家族。假如發動機負責驅動後橋,那麼P4電機便用來驅動前橋。對於後驅或四驅車型,P3有時會被混淆為P4。例如,即將上市的全新AMG C 63搭載AMG E PERFORMANCE插混系統,在後橋減速器前配備了P3電機。此時,不能因為電機物理位置在後軸,就説它是P4電機。
P5(輪圈電機)跳過了主減速器,直接驅動車輪,在此不做詳陳。相對特殊的是PS功率分流架構,代表作為豐田THS。基於行星齒輪組,PS架構將油電兩種動力整合起來,發動機、電機都是混動變速箱的組成部分。PS架構是混合動力領域的重要發明,後文中將進行詳細介紹。
從P0到P5,再加上PS,電機位置集齊了七色彩虹糖,看起來眼花繚亂。別急,這些只是開始。混合動力的妙處在於,系統中可以容納一台或(位於不同位置的)多台電機,從而實現複雜多變的驅動功能。單電機做不成的事情,可以靠雙電機巧妙達成。接下來,就讓我們介紹幾種主流的混動架構,看看工程師是如何玩轉電機的。
混合動力≠油+電
發動機、電動機、離合器……當這幾樣零部件擺在一起,混動系統便有了無限可能。“油”和“電”如何混合起來?技術路線多到數不清,卻存在諸多共性。按結構定義,混合動力分為串聯(series)、並聯(parallel)、混聯(series-parallel)三種類型。至於混動系統採用怎樣的電機佈置,則是更具體、更細化的問題。
按照常規理解,單電機結構簡單,雙(多)電機結構複雜。但你可能沒想到,100多年前的Lohner-Porsche Mixte Hybrid採用多電機串聯式架構。假如把幾台P5輪圈電機簡化為一台P3驅動電機,那麼Lohner-Porsche Mixte Hybrid就相當於當今的雙電機串聯式混動。串聯式混動的原理非常容易理解:1號電機(發電機)與發動機連接,只負責發電,維持電池SOC的動態平衡;電池給2號電機(驅動電機)供電,帶動車輪旋轉,實現驅動功能。
在串聯架構中,雙電機各司其職,一台只負責發電,另一台負責驅動(正驅)和能量回收(反拖)。比起傳統燃油車,串聯式混動增加了一次能量轉換,為何油耗更低?在串聯架構中,發動機與驅動電機解耦,二者轉速沒有直接關聯。因此,發動機長時間鎖定在高效區間運轉,在整體上提升了熱能利用率(熱效率)。而在燃油車上,發動機工況時刻變化,實際熱效率遠低於廠商公佈的最高熱效率。話至此處,順便做個小科普:最高熱效率不應被過度解讀,實際能夠用到的效率才是真效率。
在串聯架構中,發動機的任務是協助發電,職責非常單一。工程師只需保證特定工況點的效率,而不需要面面俱到。因此,串聯式混動對內燃機要求較低,降低了開發難度和開發成本。結構層面,串聯架構的發動機不具備直驅功能,簡化了混動變速箱。事實上,串聯架構通常採用固定齒比減速器,不需要複雜的換擋機構。換個角度看,串聯式混動就像是配備燃油發電系統的電動車,難怪有車企稱之為“汽油電驅”。
在油電混動(HEV)領域,串聯架構通常被認為是混動構型的一種,沒有特殊分類。而在插電混動(PHEV)領域,串聯式車型有時被稱作增程式電動車(EREV)。簡單理解,增程是一種支持外接充電的串聯式混動,支持長距離純電行駛。從混動構型來看,串聯式HEV和增程式電動車沒有區別,核心差異在於電池。串聯式HEV的動力電池容量較小,需要頻繁充放電,對電池技術提出了更高要求。增程車型的電池容量更大,但充放電率偏低,技術難度反而有所降低。
並聯式混動高度高度依賴內燃機系統,電機起輔助功能,而不是驅動車輛的主力。由於這種特性,並聯架構通常用於混合度較低的微混、輕混和中混。由於並聯無需大幅調整變速箱設計,因此許多PHEV車型選擇了該方案。近年來,大部分歐系PHEV採用P2並聯架構,從而兼顧動力和成本。而在輕混(MHEV)領域,P0架構憑藉低廉的成本、簡單的結構,成為了業界主流方案。隨着油耗法規趨嚴,MHEV逐漸從P0架構向P1架構過渡,甚至有供應商即將推出P2架構。
按功能區分,並聯式混動可分為兩類。其中,P2架構、P3架構支持純電行駛,P0架構、P1架構不支持純電行駛。P2和P3之所以提供EV模式,是因為傳動鏈上裝有離合器,使發動機和驅動電機脱離。P0電機和P1電機位置不同,但都沒有純電驅動功能。此外,P1電機整合在發動機殼體內,體積受到嚴格控制,涉及重新開發的零件較多。
實踐證明,P2構型是最全面的並聯方案。近年來,歐洲品牌正快速轉向P2路線,輕混和插混皆如此。在輕混領域,P2方案突破了低速無法電驅的瓶頸,缺點則主要體現在成本方面。在插混領域,P2方案可以提供強勁動力,符合歐洲用户的用車需求。然而,P2構型無法提供最優的燃油經濟性,更像是應付油耗法規(工況測試)的產物。想要極致省油?混聯才是出路。
串聯/並聯是什麼?
在真實用車場景中,工況多到難以計數,串聯或並聯很難面面俱到。串聯架構採用單級減速器,高速能耗不佔優勢。並聯架構側重內燃機,城市油耗相對偏高。於是,人們創造了兼顧兩端的混聯架構。顧名思義,混聯兼顧了串聯和並聯兩種形式,有時也被稱作串並聯。
混聯具備串聯能力,需要配備雙電機。混聯又具備並聯能力,應提供發動機直驅功能。粗略理解,混聯相當於串聯和並聯的集合體。想要實現混聯,可以依託於內燃機系統進行大幅改造,例如比亞迪DM-p的P0+P3+P4架構、上汽EDU的P1+P2架構。然而,改良很難實現質變,極致效率需要混動專屬架構(DHT)的支持。DHT有多種解決方案,其中最著名的無疑是豐田THS和本田i-MMD。
與串聯架構相比,本田i-MMD看似只是增加了幾組齒輪和離合器,但事情並不像看上去那樣簡單。為了滿足發動機直驅需求,內燃機需重新設計,既要滿足高效發電,又要支持高效驅動。本田i-MMD沒有傳統變速箱,不能像比亞迪DM-p或採埃孚混動8AT那樣換擋。不過,i-MMD的發動機直驅齒比和驅動電機齒比完全不同,滿足了不同工況的需要。嚴格來説,i-MMD傳動系統是一台特殊的電氣化2擋變速箱。它有2種齒比,但不支持真正意義上的換擋。
多擋位DHT固然可以解決效率問題,卻也帶來了更復雜的機械結構,得與舍的平衡很難掌握。更多情況下,多擋DHT方案只是為了規避專利限制或發動機瓶頸。是否存在一種混聯架構,既擁有多種傳動比,又可提供優秀的燃油經濟性?答案是肯定的:功率分流(power-split)架構。PS架構的代表作是豐田THS,通用、福特也提供該類混動方案。
藉助行星系統,PS架構將發動機、MG1電機和MG2電機解耦,三者轉速只需滿足一個線性關係,而不用像並聯架構那樣等比例變化。換言之,PS架構利用電機調節發動機轉速,實現了速比連續可變。從這個意義上講,PS架構的功率分流裝置是真正的E-CVT電子無級變速箱。PS架構幾乎全能,但也存在缺點。由於發動機與行星排剛性連接,一旦啓機,振動和噪音就隨之而來。在部分工況下,PS架構不如P1+P3混聯高效,但二者差距並不明顯。
編輯點評:電氣化愈演愈烈,留給汽油味的時間不多了。多年以後,混動或許已經走進陳列室,被證明是特定時代背景下的過渡品。一百年太久,只爭朝夕。當下,混動無疑是兼顧平順性、響應性和經濟性的最優解。比燃油車順心,比電動車省心,讓錢袋子安心,混動有許多理由成為未來10年的主角。在轉型期,您願意選擇燃油車、混動車還是電動車?歡迎在評論區暢所欲言。
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