水木原帖:
浅谈国内混动技术(1):四大混动企业的技术路线,及新玩家长城 ☆ 一、谈谈国内混动四大企业 2020年底发布的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中规划,到2025年新能源汽车的销量占比要达到20%(BEV18%+PHEV2%),混动汽车的新车销量占传统汽车的比例要达到50%(HEV+MHEV共50%)。也就是说,2025年混动汽车(HEV+MHEV+PHEV)将占汽车销售总量的42%。 按照2020年的汽车销量2035万辆来推算,2025年预计汽车销量2500万辆,其中混动汽车(HEV+MHEV+PHEV)销量将有1050万辆。在这个目标值下,混动汽车的市场蛋糕变得比以往更明显,混动车型取代燃油车型的步伐会提速。 考虑到将于2025/2026年实施的欧Ⅶ排放标准更为严苛,可能会让MHEV无法满足排放标准;而中国国七排放标准的制定会紧跟欧Ⅶ标准。所以预估2025年之后,电机无法单独驱动车辆的MHEV弱混模式会逐渐被(HEV+PHEV)强混模式所替代。 在混动汽车这个领域中,国内深耕技术研发的车企数量比参与BEV电动车领域的车企数量更少。 国产混动四大企业,比亚迪、吉利、上汽、广汽,已经自主研发混动技术13~18年之久。 其中比亚迪、上汽、广汽这三家的插混技术是固定轴式机电耦合路线; 吉利的插混技术是固定轴式机电耦合路线+行星齿轮式机电耦合路线这两条路线都有。 第一类群体的发展过程: 1999年底,本田IMA混动平台(MHEV→HEV)的第一款车型量产上市。这是全球第一款固定轴式机电耦合混动系统的量产车型。 本田IMA混动平台第一代是弱混方式、单电机结构,其中的电机无法独立驱动车辆行驶。 至2011年,IMA混动平台进化至第四代,技术路线改换成了HEV模式。然后在2012年IMA混动平台被iMMD混动平台(HEV)所替代。 比亚迪从2003年开始研发DM混动平台(PHEV+专用发动机),2008年,DM混动平台第一款车型量产上市并出口至欧洲。这是全球第一款PHEV混动系统的量产车型。 DM混动平台是强混方式、双电机结构,DM混动系统中的电机可以独立驱动车辆行驶。 第一款DM混动车型采用固定轴式机电耦合系统及P1+P2的双电机结构。 2015年后,比亚迪学习广汽的专用发动机研发模式,开始与全球发动机技术寡头AVL、FEV、RICARDO合作研发采用高效燃烧技术的阿特金森发动机。随后在它第一款量产的阿特金森发动机上,做到了比广汽第四代阿特金森发动机更高的热效率。 2011年,国外车企第一款PHEV混动车型——雪佛兰Volt/欧宝Ampera量产上市。 2012年,本田i-MMD混动平台(HEV)第一款车型量产上市。第一款i-MMD车型采用固定轴式机电耦合系统及P1+P3的双电机结构。 2008年左右,上汽从比亚迪挖走了一批混动研发团队人员,于2009年开始研发EDU混动平台(PHEV)。2013年,EDU混动平台第一款车型量产上市,采用固定轴式机电耦合系统及P1+P2的双电机结构。 2008年,广汽开始研发混动技术,其中平台发动机部分是引进阿尔法罗密欧的发动机技术,然后进行阿特金森发动机技术的拓展开发。广汽也是国内第一家进行阿特金森发动机自主研发的企业。2011年后,广汽与全球发动机技术寡头AVL、FEV合作研发高效燃烧技术,从而成为国内第一家自研成功并量产超高热效率阿特金森发动机的企业。 2012年,广汽第一台混动样车采用的是与本田IMA混动平台第一代类似的弱混方式、单电机结构,电机无法独立驱动车辆行驶。 随后广汽改变了技术路线,并将其定名为GMC混动平台(HEV+PHEV+专用发动机)。 2015年,GMC混动平台第一款车型量产上市,采用固定轴式机电耦合系统及P1+P3的双电机结构。 所以,比亚迪、上汽、广汽这3家的混动平台第一代技术都是:固定轴式机电耦合系统、双电机结构。 但是P2电机构型的离合器、换挡拨叉的控制平顺性问题对国内企业来说是一个无法逾越的难题,这一项关键技术,目前只有舍弗勒、采埃孚、吉凯恩、博格华纳等国外企业才掌握成熟方案。 为了消除在不同机电耦合模式间切换时的顿挫闯动现象,比亚迪、上汽在第二代混动平台中都改变了混动拓扑结构,绕过了P2电机构型。 至2021年, 比亚迪DM混动平台进化到第四代DMi系统(已量产):采用的是P1+P3双电机结构; 上汽EDU混动平台进化到第二代(已量产),采用的是P2.5单电机结构; 广汽GMC混动平台进化到第二代(未量产),采用的可能仍是P1+P3双电机结构。 第二类群体的发展过程, 1997年,丰田THS混动平台(HEV)第一款车型量产上市,采用行星齿轮式机电耦合系统;这是全球第一款行星齿轮式机电耦合混动系统的量产车型。 随后,丰田将THS混动技术授权给通用汽车和福特汽车使用。 2005年,吉利开始研发混动技术,但这时它还没有确定混动平台的技术路线。 2005~2007年,吉利探索的混动技术方向是MHEV模式。 2007~2009年,吉利探索的混动技术方向是PHEV、固定轴式机电耦合系统、单电机结构。 2009~2011年,吉利探索的混动技术方向是PHEV、行星齿轮式机电耦合系统。 2010年,吉利全资收购沃尔沃; 2011年,吉利开始与沃尔沃合作研发epro混动平台(HEV+MHEV+PHEV,固定轴式机电耦合系统),该平台基于沃尔沃的Drive-E 1.5T发动机技术与沃尔沃的MHEV技术进行拓展开发。 2013年,科力远与丰田公司合资生产THS混动系统电池,并由此获取丰田THS混动平台的相关技术资料。 2014年,吉利与科力远成立CHS合资公司(吉利控股),开始研发CHS混动平台(基于丰田THS混动平台进行复制开发,行星齿轮式机电耦合系统)。 2017年,吉利CHS混动平台第一款车型量产上市,采用行星齿轮式机电耦合系统。 2018年,吉利卖出在CHS合资公司中的全部股权,退出CHS合资公司,放弃CHS混动平台,放弃行星齿轮式机电耦合技术路线。 2018年,吉利epro混动平台第一款车型量产上市,采用固定轴式机电耦合系统及P2.5单电机结构。 由于行星齿轮式机电耦合系统的关键部件——行星减速齿轮对制造工艺及精度要求极高,而高精度行星减速齿轮的生产技术完全被日本企业所垄断,国内企业的产品工艺质量难以满足要求;因此吉利放弃了CHS混动平台,转而只研发固定轴式机电耦合系统的epro混动平台。 (关于吉利与沃尔沃的混动技术合作: 吉利并不是在2021年发布了合并沃尔沃的公告之后,才会开始与沃尔沃合作研发混动技术;而是早在10年前,吉利全资收购沃尔沃之后,它就开始了与沃尔沃的混动技术合作研发,并且这种基于沃尔沃发动机技术与沃尔沃MHEV技术的联合研发早已有了成果——吉利epro混动平台已经量产了10款以上(HEV+MHEV+PHEV)混动车型。) 基于某一条技术路线的一个代际的混动平台的研发费用在15亿元以上,混动平台的技术路线一旦确立,至少会延续5年以上。所以,国内四大混动企业的技术路线发展就是扬长避短的过程: 当发现无法解决行星减速齿轮难题时,就放弃了行星齿轮式机电耦合路线。 当发现无法解决P2电机控制难题时,就放弃了P2拓扑路线。 至2021年,各大混动企业在旗下混动平台中所运用的主要领先技术是: (注:以下提到的所有“阿特金森发动机”,其准确的技术定义名称为“进气门晚关的采用VVT可变气门正时技术的仿阿特金森循环效果的米勒循环超膨胀发动机”) 丰田: 阿特金森发动机(热效率41%)、 高精度行星减速齿轮、 扁线电机、 油冷技术、 全电无轮泵系; 本田: 阿特金森发动机(热效率40.6%)、 扁线电机、 高速电机(13000rpm)、 油冷技术、 超高放电倍率电池; 上汽: 扁线电机、 高速电机(15000rpm)、 油冷技术; 广汽: 阿特金森发动机(压缩比15.5:1、热效率42.1%的型号搭载于GMC第二代平台,可量产但车型尚未上市;已上市的GMC第一代平台车型搭载的发动机热效率为38.5%)、 扁线电机(搭载于GMC第二代平台,车型尚未上市)、 油冷技术(搭载于GMC第二代平台,车型尚未上市); 比亚迪: 阿特金森发动机(压缩比15.5:1、热效率43%)、 扁线电机、 高速电机(16000rpm)、 油冷技术、 全电无轮泵系、 高功率、低内阻电池; 吉利: 暂无;但是吉利正在与沃尔沃合作研发有效热效率41%左右的混动专用发动机(预估是阿特金森发动机),量产时间未知。 长城: 阿特金森发动机(热效率>40%的成品于2022年量产,2021年量产的为热效率<40%的半成品)、 扁线电机、 油冷技术; 如上所述,通过各自所采用的领先技术,各大混动企业旗下的混动平台所达到的主要领先性能分别为: 丰田: 发动机MAP图高效区占比高、 电机MAP图高效区占比高; 本田: 发动机MAP图高效区占比高、 电机MAP图高效区占比高; 上汽: 电机功率密度高(>5.8)、 电机效率高(97%)、 系统传动效率高(≥94%)、 电机MAP图高效区占比高(>90%以上高效区占比88%); 广汽: 系统传动效率高(>97%)、 系统综合效率高(>92%)、 发动机MAP图高效区占比高; 比亚迪: 电机功率密度高(5.8)、 电机效率高(97.5%)、 电控效率高(98.5%)、 电机MAP图高效区占比高(>90%以上高效区占比90.3%)、 电控高效区占比高(>90%以上高效区占比93%)、 发动机MAP图高效区占比高(70%); 长城: 电机功率密度高(5.6)、 电机效率高(96.6%)。 吉利: 暂无。 主要原因是吉利epro混动平台继承自欧洲车企混动系统的技术思想,以应付排放法规要求为主要任务,没有一种真正提高混动系统能量利用率的主观意愿,也就没有采用各种领先技术去主动超越法规要求的能动性。 (注:文中所有地方提到的“欧洲车企”,其指代的含义全称是“除了PSA和沃尔沃两家企业之外,欧洲绝大部分整车企业及混动技术供应商所形成的欧洲混动技术体系,包括大众、奥迪、宝马、奔驰、保时捷、博世、舍弗勒、吉凯恩、采埃孚、博格华纳、格特拉克等。”) ☆ 二、谈谈新入场玩家:长城 关于长城,它在混动领域的技术积累少于前面的这四家企业。 本来起步就晚,长城的第一个混动平台(Pi4混动)还学了吉利的模式,照搬了欧洲车企的混动技术思想,以敷衍应付排放法规作为混动平台架构的主要目标。这导致它的第一个混动平台在核心领先技术方面没有积累下经验。 长城的第二个混动平台(柠檬混动)才能算是一款正经的、以提高系统能量利用率为主要目标的混动平台。 但是由于起步太晚(3年前这个平台才立项),并且它的第一个混动平台没有留下多少有用经验,所以现在上市的柠檬混动平台,还难以取得突出的技术表现。 下面就谈谈长城的这两个混动平台: 第一个是用于WEY品牌的Pi4混动平台,第二个是用于哈弗品牌的柠檬混动平台。 Pi4混动平台(HEV+MHEV+PHEV)于2013年立项。可能是因为当时长城等不及要进场卖车(就像它现在等不及要推出柠檬平台卖车一样),所以在立项后,它并没有采取自主研发的路线,而是采取了购买拼凑的策略: 在德国挖了一群西门子法雷奥电机的人成立德国工作室,负责电驱动与控制器部分;在印度挖了一群捷豹汽车和博世的人成立印度工作室,负责混动系统策略与软件部分;由此,长城Pi4混动平台完全成了欧洲车企混动系统的复制翻版。 由于欧洲车企擅长于做MHEV轻混系统及P4电驱,于是,Pi4混动平台原封不动地采用了P0+P4分离式电机结构。——如假包换地原封不动:电机买的是德国西门子,电控器买的是德国西门子,减速器买的是德国舍弗勒,离合器买的是格特拉克,混动控制器买的是德国大陆,混动系统软件是捷豹和博世的框架。 与固定轴式机电耦合系统、行星齿轮式机电耦合系统相比,P0+P4分离式电机结构是技术含量较低的路线。这种路线照搬了欧洲车企的(弱混架构+硬塞P4电机)的混动模式,而这种模式体现的是敷衍应付排放法规、不以提高能量利用率为目标的思想。 混动系统的核心精髓,在于通过优化机电耦合的效率来最大程度地拓展发动机和电机在高效工作区内运行的时间比例,从而融合发动机与电机的驱动优势,尽可能地提高燃油与电池的能量利用率。 但P0+P4分离式电机结构失去了这种灵魂,缺乏发动机与电机之间运行策略与能耗的优化配合,剩下的只有简单粗暴的动力输出,也变相逃避了机电耦合系统设计与制造这一个混动领域中最关键的技术难题。 对于发动机高效区与电机高效区的优化控制是提高混动系统平顺性及能量利用率的核心。但是长城在Pi4混动平台中,却没有积累下这种对双重高效区进行融合的技术经验。 2018年底,Pi4混动平台第一款车型量产上市。 同年,长城的第二个混动平台——柠檬混动(HEV+PHEV)开始研发。这款平台才算是一款正经的混动平台,因为它采用了固定轴式机电耦合系统及P2+P3双电机、P2+P3+P4三电机结构。 但是柠檬混动平台的研发启动时间实在是太晚,在3年这么短的时间内,连一个完整的新产品验证周期都不够用,更不用提具备成熟上市的条件。 目前,柠檬混动系统的关键技术指标如:发动机热效率、发动机高效区占比、电机效率、电机高效区占比、电控效率、电控高效区占比、系统传动效率等都没有公布。 现在它已经公布的一项关键指标是:系统综合效率,这个指标它达到了50%,但是这个成绩实在是低得可怜。 要知道,在2021年国家重点研发专项里面,针对混动系统提出来的综合效率目标是要达到85%以上;而广汽GMC混动平台、上汽EDU混动平台的系统综合效率都已经>92%。 柠檬混动系统50%的综合效率,差不多连及格线都够不到。 既然关键指标数据这么低,那为什么长城还要把它公布出来呢? ——因为长城在宣传柠檬混动平台时,还想不到国家会在2021年公开发布行业的技术指标要求。 此外,柠檬混动平台还有两个明显的短板: ①低效率发动机+混动系统高效区调控经验的缺失,导致系统能量利用率低。 柠檬平台中的发动机热效率<39%,低于丰田THS、本田iMMD、比亚迪DMi、广汽GMC平台中的阿特金森发动机的热效率;
柠檬平台发动机的MAP图高效区未公布,从原理上来说,只会比丰田THS、本田iMMD、比亚迪DMi、广汽GMC平台中的阿特金森发动机的高效区范围更狭窄。
混动系统控制策略中,最关键的是对发动机与电机的双重高效区进行有效融合以扩大发动机和电机高效区的覆盖范围,而长城的第一个混动平台(Pi4)没有给它留下对发动机与电机的双重高效区进行融合的经验。所以在柠檬平台中,它的这块短板难以弥补,体现出来的结果就是发动机高效区与电机高效区的运行覆盖范围会比较小,系统的能量利用率也会比较低。
②隐患:P2拓扑结构。
长城柠檬平台的拓扑结构中带有P2电机构型。如同前面所指出的,P2电机的平顺性控制是国内企业无法解决的一道难题。比亚迪、吉利、上汽、广汽都因为无法解决这个难题而改变技术路线,没有再使用P2拓扑结构。长城如果不是天赋异禀或者整套外包购买了舍弗勒的技术,那么柠檬平台中P2电机所带来的顿挫闯动问题是不可避免的。
所以,长城第一个混动平台照搬欧洲车企思想,乏善可陈;第二个混动平台在立项3年后就匆匆上市,这样仓促的赶工期并不利于提高新车型的技术水平。
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
浅谈国内混动技术(2):各家车企混动技术路线优劣对比
☆
一、各家车企的混动技术路线是什么?
首先,列出在上个帖子中提到的各大车企混动技术路线的内容:
(尚处于PPT阶段、或者已停产的技术不会列入)
丰田THS:混动专用发动机技术(>40%超高热效率+全电无轮泵系),行星齿轮式机电耦合结构,高效率电驱动技术(扁线电机、油冷技术),高倍率小容量电池;
通用、福特:混动专用发动机技术(<40%较高热效率),行星齿轮式机电耦合结构,高效率电驱动技术;
本田iMMD:混动专用发动机技术(>40%超高热效率),P1+P3拓扑结构,高效率电驱动技术(扁线电机、油冷技术),高倍率小容量电池;
比亚迪DMi:混动专用发动机技术(>40%超高热效率+全电无轮泵系),P1+P3拓扑结构,高效率电驱动技术(扁线电机、高速电机、油冷技术);
比亚迪DMp:P0+P3 / P0+P4拓扑结构(低配车型),P0+P3+P4拓扑结构(高配车型);
吉利epro(用于吉利、领克车型):P2.5单电机结构;
上汽EDU(用于荣威、名爵、大通iHUD车型):P2.5单电机结构,高效率电驱动技术(扁线电机、高速电机、油冷技术);
广汽GMC(用于广汽传祺、广汽三菱车型):混动专用发动机技术(<40%较高热效率),P1+P3拓扑结构;
长城柠檬(用于哈弗、坦克车型):混动专用发动机技术(<40%较高热效率),P2+P3拓扑结构(A级、B级车型),P2+P3+P4拓扑结构(C级车型),高效率电驱动技术(扁线电机、高速电机、油冷技术);
长城Pi4(用于WEY车型):P0+P4拓扑结构(原封购买欧洲技术);
理想ONE:单增程模式拓扑结构;
东风岚图:混动专用发动机技术(>40%超高热效率),单增程模式拓扑结构;
日产e-power(用于A0级车型):高效发动机技术(<40%较高热效率+全电无轮泵系),单增程模式拓扑结构;
日产(用于B级车型):高效发动机技术(<40%较高热效率+全电无轮泵系),P2单电机结构;
起亚:高效发动机技术(高热效率+广覆盖率),P2单电机结构;
现代:高效发动机技术(高热效率+广覆盖率),P2单电机结构;
沃尔沃:P2+P4拓扑结构(DCT,第三代车型);P1+P4拓扑结构(AT,第二代车型);
大众(用于一汽大众、上汽大众、奥迪车型):P2单电机结构;
奔驰:高效发动机技术(<40%较高热效率+全电无轮泵系),P2单电机结构;
宝马:P2单电机结构 / P0+P4拓扑结构;
保时捷:P2单电机结构 / P0+P4拓扑结构;
长安:P2单电机结构(原封购买欧洲技术); P1+P3+P4拓扑结构 (CS75 PHEV);
奇瑞:P2单电机结构(原封购买欧洲技术);
标致雪铁龙PSA HYbrid2:P0+P2拓扑结构(低端车型如308PHEV普通版、508PHEV); 高效率电驱动技术(扁线电机、油冷技术)。
标致雪铁龙PSA HYbrid4:P0+P2+P4拓扑结构(中高端车型如天逸C5 PHEV,4008PHEV,308PHEV性能版); 高效率电驱动技术(扁线电机、油冷技术)。
二、为什么混动与纯电动会取代燃油车型?
从政策层面来说,是为了满足全球各国共同制定的碳排放目标,燃油车已无法满足各国法规中的排放要求,只有被碳排放更低的混动车型及纯电动车型取代;
从科学依据层面来说,混动车型及纯电动车型的全周期能量足迹转化效率分别能达到33%和34%,远高于燃油车的19%,这不但意味着节能效果更好,同时也意味着全周期的排放总量更少。因此在乘用车这个领域,混动车型及纯电动车型会逐渐取代燃油车。
作为燃油车的替代品,混动车与纯电车将是长期共存的状态。
三、什么样的混动车型有替代燃油车的优势?
由于燃油车将与混动车至少共存15年,满足以下条件的混动车才会具备对燃油车的替代优势:
①比同级别的燃油车的能耗更低。
②比同级别的燃油车动力性能更强。
③与同级别的燃油车平价甚至低价。
只有具备这3个条件的混动车,才能在汽车市场上被消费者主动选择——尤其是在市场容量最大、用户对成本敏感度最高的A级车市场中,这样的混动车型相对于燃油车的替代优势就更大。即使没有限牌限号这类行政措施的强制干预,消费者也会自发地选择有这3点特性的混动车,从而自然地完成燃油车的淘汰过程。
(注1:在与燃油车做比较时,混动车型的能耗特指:HEV车型的全工况能耗;PHEV车型的馈电能耗。——如果PHEV的馈电能耗都能优于同级别燃油车的能耗,那它在插电情况下的能耗当然会更低。
注2:能耗测试标准是以全球统一的WLTP标准为准,而不以“个人驾驶经验”为转移。从2018年起,作为联合国统一排放法规体系的一部分,WLTP已陆续在欧盟、印度、韩国、美国、日本等国家取代现有的各类能耗测试标准;中国则在2020~2025年间使用WLTP作为燃油车与混动车的能耗测试标准,2025年后将使用比WLTP更严格的CATC标准;WLTP标准包括碳排放测试、台架测试、RED实际道路测试等多个部分。)
四、什么样的混动技术路线才是好的路线?
基于第二点、第三点所述,评价混动技术路线优劣的基本原则就是:
1、这样的技术路线应该让混动乘用车的碳排放总量趋近于最小——也就是说,在混动乘用车中,汽油和电力这两种能量的综合利用率应该趋近于最优的状态;
2、在满足上一点的前提下,混动乘用车的价格应该不高于相同级别、相同动力性能的燃油车。
五、评价混动技术路线优劣有哪些维度?
基于第四点中的基本原则,评价混动技术路线优劣有以下3个具体维度:
1、能效(汽油和电力两个能量源的综合利用率);
2、动力性能;
3、成本/价格。
每个维度再往下细分,详细的评价指标为:
1、能效(汽油和电力两个能量源的综合利用率):
(1)汽油 能量源的高效利用率技术;
①高效率发动机技术:
阿特金森发动机/米勒循环高热效率发动机;
②发动机附属泵系全电无轮化;
(2)电力 能量源的高效利用率技术:
高效率电驱动技术——高效率电机(扁线电机、高速电机、油冷技术)及电控器;
(3)对汽油 与 电力 两个能量源的高效区(发动机高效区与电机高效区)进行优化融合的技术:
①系统中各动力源耦合模式的高效性——发动机与电机双重高效区交叉覆盖的完备性:
②系统中是否存在多档变速箱及其形式(AT变速箱/DCT变速箱/两档齿轮变速结构/单档减速齿轮直连);
③混合动力流的动态控制优化算法与技术。
2、动力性能:
(1)WLTP工况各区间的轮端功率需求与动力源功率输出之间的匹配度;
(2)高效能量缓冲区技术;
(3)在整车动力流控制过程中,系统动力切换与耦合的稳定性与抗扰性(平顺性):
①系统中离合器组件的数量;
②动力耦合过程对整车驱动方式的影响:
3、成本/价格:
(1)车企的成本控制能力(内化指标,只对厂商有意义);
(2)终端价格。(外化指标,只有终端价格才对消费市场有意义。)
以上一共12个小项,其中第3点中的(1)(2)两个小点在评价时只有一项生效——对于车企厂家而言是3.(1)生效,对于消费市场而言是3.(2)生效。
所以在单独从车企厂家角度或者单独从消费市场角度进行评价时,总共有11个子项同时生效。下一节就从这11个方面对各车企的混动技术路线进行对比与评价。
(注:文中提到的所有“阿特金森发动机”,其准确的技术定义名称为“进气门晚关的采用VVT可变气门正时技术的仿阿特金森循环效果的米勒循环超膨胀发动机”;
文中提到的所有“米勒循环发动机”,其准确的技术定义名称为“进气门早关的采用VVT可变气门正时技术的仿阿特金森循环效果的米勒循环超膨胀发动机”;)
六、各家车企的混动技术路线详细评价
以下就按照第五点中的11个子项,逐一对各家车企的混动技术路线进行详细评价:
1、高效率发动机技术:
(阿特金森发动机/米勒循环高热效率发动机)
比起燃油车平台所使用的奥托循环发动机,阿特金森/米勒循环发动机的有效热效率高了一个等级,BSFC燃料消耗值低了一个等级,MAP图高效区更宽广(高效率等功率曲线所包围的面积更广)。所以针对高热效率目标进行燃烧系统、进气系统、排气系统、冷却系统、喷油系统的专项设计与改型后,阿特金森/米勒循环发动机是适用于混动系统的专用发动机,热效率极高。
但是阿特金森/米勒循环发动机在低速区的动力输出没有奥托循环发动机强,所以阿特金森/米勒循环发动机在低速区必须要有电机协同驱动,以确保发动机的工作落点位于其高效区间内。
其中阿特金森发动机可以做到比米勒循环发动机的热效率更高,米勒循环发动机由于进气门早关的原理,一般同时配合涡轮增压技术使用以确保做功充分。
(辨析:阿特金森/米勒循环发动机与混动专用发动机的关系
①混动专用发动机一定是阿特金森/米勒循环发动机;
②米勒循环发动机不一定是混动专用发动机。
因为普通的米勒循环发动机配合涡轮增压技术常被用于高动力燃油车平台中,但是用于燃油车平台的米勒循环发动机的热效率不高。如果要将米勒循环发动机用于混动平台,需要重新进行结构设计与改型,使它的热效率升高。
混动专用发动机的热效率一般在39%以上,而燃油车平台的普通发动机热效率一般在37%以下;混动发动机的MAP图高效区可以比燃油平台发动机的MAP图高效区多覆盖10%以上的范围。)
丰田、本田、通用、日产、奔驰的专用发动机都在国内车企之前早已投入量产;
国内几大车企的阿特金森/米勒循环发动机技术,全部来自于发动机技术寡头AVL、FEV。
通俗地说,AVL、FEV给国内车企提供一套高效率发动机的公模设计方案,再根据各车企的个别特定要求进行细微增改,然后全程协助国内车企完成发动机的实物制造并通过中汽中心认证。广汽、比亚迪、东风岚图、长城的阿特金森/米勒循环发动机都是来自于同一套公模设计,所以它们的关键技术如EGR、高精度可变气门正时、350bar高压直喷、电子水泵、高滚流比气道、高压缩比参数等都是一样的,且都是使用92号汽油(燃油平台的发动机,在提升热效率的同时有一部分也需要95号汽油)。
那么各家国内车企的混动专用发动机的区别在哪里呢?在于以下两点:
①对于热效率设计目标值的要求高低:
这直接关系到发动机设计方案的整体难度,及发动机制造的整体经费;
所以,广汽的发动机成型后热效率是42%,比亚迪的发动机成型后热效率是43%,东风的发动机成型后是41%,长城的发动机成型后是不到39%(半成品,因为长城柠檬平台的研发时间太短,它的>40%热效率的完全态阿特金森发动机最快要在2022年才能量产,今年只能量产39%的半成品)。
而吉利的混动专用发动机还处于PPT的5年计划中,长安的混动专用发动机还处于实验室中。
②发动机的量产情况:
这一点与两个因素直接相关:发动机研发的时间早晚与发动机制造的经费投入。
所以,广汽的最早量产,比亚迪其次,长城再次,东风最后。
吉利、长安和上汽还在梦游。
那么理想汽车为什么没采用混动专用发动机呢?
因为他们买不到:在理想准备制造汽车的那个时间段,国内车企都还没有已量产的高热效率混动专用发动机。而丰田、本田、通用、日产,它们不会提供外售。
最后由于种种原因,理想只从东安动力那里买了一款BSFC特性不佳的发动机——理想汽车也是这款发动机的第一个客户;这款1.2T燃油平台发动机的热效率是36.3%;(理想ONE的整备质量是2.3吨)
对比一下同类型的单增程混动车,
日产e-power平台的NOTE车型的整备质量1.1吨,采用的是1.2L混动专用阿特金森发动机;
东风岚图Free车型的整备质量是2.2吨左右,采用的是1.5T混动专用阿特金森发动机,热效率41%。
从发动机MAP图来看,东安的这款燃油平台发动机的燃料消耗值的最低点是240g/kWh,且只对应于唯一的一个转速扭矩交叉点;其它所有的功率点都大于240g/kWh;——更重要的是,发动机正常运行时的落点不可能精准位于唯一的最低交叉点,而是位于比最低点的热效率少2~5个百分点的范围内(这也就是国标中所定义的高效区范围的理论来源);
而混动专用阿特金森发动机在1500rpm~5000rpm的转速范围、25%~100%的扭矩范围所围成的大面积区域内,燃料消耗值都能低于240g/kWh,最低点能达到200g/kWh以下——这样宽广的高效区特性是任何燃油平台发动机也做不到的。
这就意味着,理想ONE发动机在所有工作区间的BSFC燃料消耗值,都比阿特金森发动机在大部分区间的BSFC燃料消耗值要更高。——这就是燃油平台发动机和混动平台发动机之间的差异。
所以,理想的下一款混动车型,首要任务是去找广汽、比亚迪、东风等购买混动专用的阿特金森发动机,而不能再继续使用燃油平台发动机,这将是对理想汽车的能量利用率提升最大的地方。
至于大众、宝马、奥迪、沃尔沃等欧洲车企,由于它们的行动只是为了勉强应付排放法规,所以不愿意放弃既有的燃油车平台发动机,也就没有研发高热效率的混动平台专用发动机。
该项满分10分,
使用混动专用发动机的,按照热效率高低分别为7~10分;
使用燃油平台发动机的,欧美车企的燃油发动机为3分,国内车企的燃油发动机为2分。
2、发动机附属泵系全电无轮化:
这一点是为了避免发动机在未驱动车轮或者发电机时,因为附属轮带泵系的功率需求而产生不必要的低效区运行情况,从而使发动机的工作落点尽量落入高效区范围内。
丰田THS、日产、奔驰、比亚迪DMi使用了该项技术。
该项满分1分,使用的为1分,未使用的为0分。
3、高效率电驱动技术:
(扁线电机、高速电机、油冷技术、高效率电控器)
高效率电驱动技术能够提升电驱系统的效率及MAP图高效区覆盖范围,从而让电机在绝大部分转速、扭矩区间都能有极高的输出效率。
电驱动系统的最高效率由电机的最高效率与电控器的最高效率所决定;
电驱动系统的综合高效区由电机的高效区范围及电控器的高效区范围所决定。
如同发动机的评价方式,电驱动系统的最重要参数就是MAP图高效区的覆盖范围。
普通圆线电机的高效区很狭窄,效率>90%的高效区间覆盖范围一般低于75%;而采用扁线电机、高速电机、油冷技术的电机,效率>90%的高效区间覆盖范围一般高于85%,上汽EDU的达到88%,比亚迪DMi的达到90.3%;
电控器的技术已经成熟,差别只体现在IGBT芯片与SiC芯片的效率。目前所有的混动车型都是使用IGBT芯片,电控器的效率也基本一致,效率>90%的高效区间覆盖范围在88%~93%之间。
所以,重要的一点就来了:
电驱动(分体或者三合一)系统的综合高效区由电机高效区与电控器高效区复合而成。
由此,采用扁线电机、高速电机、油冷技术的电驱动系统,其MAP图高效区为:效率>81%的区间覆盖范围在85%左右。(同理,采用圆线电机的电驱动系统的高效区覆盖范围则更低。)
再回顾一下第1个评价点中的内容,就能明白,这就是(为什么在某些速度区间,单增程式混动的能量利用率低于混驱式混动?)这样一个在非专业人群中争论不休的话题,却在行业内基本没有争议的原因。
理论来源如下:
①(采用领先技术如扁线电机、高速电机、油冷技术的)电驱动系统,效率>81%的高效区覆盖范围为85%左右;(实际的低效工况下,电驱系统的工作落点还会落入70%、60%附近);
②在双电机混驱混动系统(如本田iMMD、广汽GMC、比亚迪DMi、长城柠檬)以及单增程式混动系统(如理想one、东风岚图)中,以上MAP特性对于两个电机同样适用(发电机、驱动电机);
③电驱动系统的低效区为低转速高扭矩区以及高转速低扭矩区,由于电机通过减速齿轮直连轮端差速器或者发动机,因此车企会通过特定的齿比设计将某一些最佳的功率区间放入电驱动系统的高效区之内:
③a. 对于驱动电机而言,这个被特意放入高效区的功率区间对应的就是车辆行驶的某些速度区间;
③b. 对于发电机而言,这个被特意放入高效区的功率区间对应的就是发动机发电的某些发电功率区间;
④源头问题来了,这个被特意放入发电机高效区的最佳发电功率区间是什么?
没错,它就是发动机MAP图中的最佳输出功率区间——也就是在MAP图中,发动机热效率高效区与发动机NVH静谧区交叉围合而成的一小块区域。
而这一小块区域的输出功率一般是在1/3峰值功率左右。以理想one为例,也就是25~30kW左右。
接下来的逆向推导就顺理成章了,
⑤当这个特定发电功率不能满足车辆的轮端功率需求时,发动机的工作落点就会偏离这个最佳围合区域,结果就是两种:要么NVH恶化,发动机噪音及抖动明显;要么发动机进入低效区。
⑥这个特定的发电功率所对应的轮端功率,将其翻译成车辆行驶速度就是在60~90km之间。(由于整车结构的区别,不同车型的对应速度也有所区别)
⑦综上,当车辆速度跨过这个最佳临界点时,意味着发动机→发电机→驱动电机这个系统将整体进入NVH劣化区/低效工作区。
⑧然后就该比较,在进入NVH劣化区/低效工作区之后,发电单增程、发动机直驱轮端这两种方式的能量转换效率:
⑧a. 发电单增程方式:(发动机→发电机→驱动电机→车轮)
驱动电机、发电机两个电驱动系统的高效区边界都为81%;
该路径的能量利用率最高为:
81%×81%=65.6%。
⑧b. 发动机直驱轮端方式:(发动机→离合器→减速齿轮→车轮)
离合器+减速齿轮的传动效率>97%;
该路径的能量利用率最低为:
97%。
⑨所以,这就是(中高时速区间发动机介入直驱或混驱车轮,效率更高)的理论依据。
各家车企对本项技术的采用情况,见第一节。
该项满分6分, 采用扁线电机得3分、采用高速电机得2分、采用油冷技术得1分,未采用的得0分,3种技术的得分可累加。
4、系统中各动力源耦合模式的完备性:
(发动机、电机MAP图高效工作区的交叉覆盖完备度)
各动力源的耦合模式需要使发动机高效区特性和电机高效区特性能够互补与融合,从而避免发动机或电机的工作点落入低效区。
(注:P0单电机(MHEV)、P1单电机构型都不具备电机独立驱动车辆的能力,只是在纯燃油系统中增加的一个小补丁,没有讨论价值。)
①无法避免发动机工作点落入低效区的拓扑结构:
P2单电机结构; (宝马绝大部分车型,保时捷绝大部分车型,大众,奥迪,奔驰;日产B级车型,起亚,现代)
P2.5单电机结构; (吉利epro,上汽EDU)
②无法避免电机工作点落入低效区的拓扑结构:
单增程式(单电机或双电机)结构;
(日产e-power,理想ONE,东风岚图)。
③无法使发动机与电机完全解耦,降低能量利用率的拓扑结构:
丰田THS单组行星齿轮结构;
该项满分8分,第①种拓扑结构3分,第②种拓扑结构5分,第③种拓扑结构6分,其它结构8分。
5、系统中是否存在多档变速箱及其形式(AT/CVT变速箱/DCT变速箱/两档齿轮变速结构/单档减速齿轮直连)
在混动系统中,多档变速箱存在的本质原因就是因为没有使用混动专用发动机、没有使用可以融合双重高效区的拓扑结构。燃油平台发动机的MAP图高效区范围太窄、没有合理的拓扑结构进行有效互补,就只有依靠多档变速箱来扩大工况适应能力,但是多档变速箱的存在会降低系统的能量利用率与能量回收效率。
①单档减速齿轮/行星齿轮连接,没有机械换挡式变速器:
丰田THS、本田iMMD、通用、福特、日产e-power、理想、东风岚图、广汽GMC、比亚迪DMi;
②两档变速器:
长城柠檬;
③AT/CVT变速箱:
宝马、奔驰、日产、沃尔沃(第二代)、起亚、现代、PSA HYbrid2、PSA HYbrid4;
④DCT变速箱:
比亚迪DMp、长城Pi4、吉利epro、上汽EDU、大众汽车、沃尔沃(第三代);
该项满分4分,第①类得4分,第②类得3分,第③类得2分,第④类得1分。
6、混合动力流的动态控制优化算法与技术:
混动系统的核心,就在于通过优化机电耦合的效率来最大程度地拓展发动机和电机在高效工作区内运行的比例,从而融合发动机与电机的驱动优势,最大化地提高燃油与电力这两种动力来源的能量利用率。
混动系统的动力耦合动态过程控制,比燃油车要复杂一个等级,比纯电动车要复杂三个等级,这种动态过程的仿真与控制技术需要在机电耦合系统方面有长期积累与丰富经验。
该项满分5分,
丰田、本田、日产得5分,
PSA、通用、比亚迪得4分,
广汽、上汽、吉利、大众、奥迪、宝马、奔驰、福特、沃尔沃、保时捷、起亚、现代得3分,
长城、长安、奇瑞得2分,
理想、东风得1分。
7、WLTP工况各区间的轮端功率需求与动力源功率输出之间的匹配度;
①加速功率输出过小,导致轮端有提速需求时响应延迟:
丰田THS、日产e-power;
②发动机功率过小,导致某些低电量情况下对轮端的高功率需求无法响应:
理想。
③发电机功率过小,导致某些低电量情况下对轮端的高功率需求无法响应:
P0+P4拓扑结构;
(长城Pi4,比亚迪DMp-低配车型,保时捷-部分车型,宝马-部分车型)
P0+P3拓扑结构;
(比亚迪DMp-低配车型)
④在馈电时,失去电机动力源,仅剩余发动机动力源:
P2单电机结构, (宝马绝大部分车型,保时捷绝大部分车型,大众,奥迪,奔驰;日产B级车型,起亚,现代)
P2.5单电机结构。 (吉利epro,上汽EDU)
该项满分5分,第①类得2分,第②类得3分,第③类得3分,第④类得1分,其它得5分。
8、高效能量缓冲区技术(大容量储能电池):
为了给发动机功率匹配、轮端高功率需求、能量回收提供足够的缓冲池,并使电机在高效区可响应的功率需求范围更广,需要有高倍率、大容量、长寿命、低内阻的能量缓冲区,既为电机提供足够的功率冗余,又能提高系统的能量循环回收效率。
①电池容量<2kWh:
丰田THS、本田iMMD、日产e-power;
②电池容量<100km等效能量:
丰田THS PHEV、本田iMMD PHEV、宝马、奔驰、奥迪、保时捷、日产、沃尔沃、PSA、广汽GMC、上汽EDU、吉利epro、通用、福特、起亚、现代、长安、奇瑞;
③电池容量>100km等效能量:
理想、东风岚图、长城柠檬(C级车型)、比亚迪DMi(高配车型)、比亚迪DMp(高配车型)。
该项满分5分,第①类得0分,第②类得3分,第③类得5分。
9、系统中离合器组件的数量:
系统中的离合器组件数量越多,对系统中动力耦合与切换过程的瞬态扰动就越大,平顺性控制就越难。当转速匹配与扭矩匹配期间的瞬态波动无法被控制算法有效抑制时,顿挫发生的频率与幅度就会越明显。
①单档减速齿轮直连/单组行星齿轮连接,没有机械换挡式变速器:1套离合器组件
丰田THS、本田iMMD、日产e-power、理想、东风岚图、广汽GMC、比亚迪DMi;
②两组行星齿轮连接:2套离合器组件
通用;
③两档变速器:2套离合器组件
长城柠檬;
④P2.5单电机结构:3套离合器组件
吉利epro、上汽EDU;
⑤(P2电机+AT/CVT结构): >3套离合器组件
宝马、奔驰、日产、起亚、现代、沃尔沃(第二代)、PSA;
⑥DCT变速箱:≥3套离合器组件
比亚迪DMp、长城Pi4、大众汽车、沃尔沃(第三代)、长安、奇瑞;
该项满分5分,第①类得5分,第②类得4分,第③类得3分,第④类得2分,第⑤类得1分,第⑥类得0分。
10、动力耦合过程对整车驱动方式的影响:
①当发动机与电机两个动力源切换时,会改变整车的驱动方式(前驱/后驱)的情况:
P0+P4拓扑结构;
(长城Pi4,保时捷 部分车型,宝马 部分车型)
P1+P4拓扑结构;
沃尔沃(第二代);
②在发动机与电机的动力耦合过程中,可以全程保持整车四驱方式的情况:
P0+P2+P4结构,(PSA HYbrid4:天逸、4008)
P0+P3+P4结构,(比亚迪DMp 高配车型)
P2+P3+P4结构,(长城柠檬 C级车型)
P1+P3+P4结构。(长安CS75 PHEV)
③在发动机与电机的动力耦合过程中,可以全程保持整车前驱/后驱方式的情况:
其它拓扑结构。
该项满分5分,第①类0分,第②类5分,第③类2分。
11、终端价格:
①比同级别燃油车(动力性能不可低于同级别燃油车)低价;
②与同级别燃油车平价;
③比同级别燃油车贵。
该项满分10分,第①类得9~10分,第②类得8分,第③类为0~7分区间,由于不同用户对溢价金额的理解程度有区别,该项的得分请根据市面价格自行比较打分。
以上11个子项的得分总和,就是对车企混动技术路线的总体评分。
汇总评分表见附件图片。
图1:各家车企混动技术路线评分对比表及结果:
图2:各能源路线能效转化对比(此处的ev能效算法是以石油发电为计算锚点,忽略了低排放的新能源发电方式):
七、为什么欧洲车企(除了PSA、沃尔沃以外)绝大多数使用祖传的P2单电机模式? 1、 因为这些欧洲车企(大众、奥迪、宝马、奔驰、保时捷)的指导思想是:在满足排放法规最低门槛的条件下,使用最小的改造成本。 所以,对于这些车企而言,传统的燃油车平台发动机必须保留,传统的机械多档变速箱必须保留,一切改动都是围绕着以既有的燃油车平台为中心而开展,一切新技术的选择都以成本最小化为目的,——而不是以系统能耗最小化为目的。 所以,这些车企所选择的混动模式,只是对车企省钱最有利的模式,但却不是对碳排放和消费者最有利的模式。 2、 PSA、沃尔沃是欧洲车企中的例外,他们是向新方向做出有益探索的代表: PSA于2011年开始启动PSA HYbrid2混动平台的研发,沃尔沃于2013年开始启动基于EUCD平台的混动技术研发;PSA和沃尔沃是欧洲车企中第一批开展混动技术研发的企业。 至2021年,PSA同时使用PSA HYbrid2(低端车型)与PSA HYbrid4(中高端车型)两个混动平台技术;沃尔沃同时使用基于SPA平台的混动技术框架(第二代)与基于CMA平台的混动技术框架(第三代)。 它们都是在P2单电机构型的基础上,开始往多电机的混动框架延伸,并且采用高效率电机技术,能够比P2单电机的混动模式取得更良好的能耗降低效果。 但是PSA、沃尔沃在这种新方向的探索中,仍然还留存有一些以燃油车平台为中心的发展痕迹: 如仍然使用燃油平台发动机而非混动专用发动机、 仍然保留多档变速箱(DCT、AT)等。 在这11个子项中,如果PSA、沃尔沃能够在更多方面向混动平台专用技术的方向发展,那对于乘用车碳排放降低的效果会更明显。 八、国内车企的混动技术路线的有利方向在哪里? 1、首先,不利的方向是,吉利深受欧洲车企的混动技术思想所影响,一直使用祖传P2.5单电机结构,且在其它的评价子项上都没有进展。 上汽也受到大众汽车的影响,以成本作为其最重要的选择标准,转向使用P2.5单电机结构。 2、有利的方向同样与成本有关, 国内车企对于关键零部件供应链的自产能力逐渐提高,广汽、长城、上汽、比亚迪都开始逐渐掌握各项关键零部件的研发与制造环节,有利于在混动平台中采用各项领先技术。 而对于理想、东风岚图这样的新生势力,也可以从广汽、比亚迪等车企采购关键零部件,从而推进国内混动技术的整体发展。 当国内车企能够建立起多个在能耗、动力性能、成本3方面都占优势的混动平台时,就有希望在替代燃油车的市场发展进程中拥有更大的竞争力。