鉅大LARGE | 點擊量:1159次 | 2019年08月06日
插電式混合動力技術(shù)詳解
隨著特斯拉Model S帶來的電動車熱潮,各個廠商都開了竅,紛紛拿出一些很有意思的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品不局限于電動車,插電混合動力也熱鬧了一把。
保時捷918在紐博格林跑進7分鐘,傲視各路超跑;寶馬i3、i8發(fā)布價格,帶來未來概念;比亞迪秦在北京密云布下戰(zhàn)場,挑戰(zhàn)各路英雄。相比前兩年沃蘭達的默默無聞,似乎插電混合動力的春天來了,那么應(yīng)該如何看待插電混合動力汽車?市面上的插電混合動力車都一樣嗎?未來又將開向何方呢?
所謂插電式混合動力
插電式混合動力汽車(Plug-in Hybrid Vehicle,簡稱PHV),簡單說就是介于電動車與燃油車兩者之間的一種車。他既有傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機、變速箱、傳動系統(tǒng)、油路、油箱,也有電動車的電池、電機、控制電路。而且電池容量比較大,有充電接口。
與雷克薩斯RX450h這種非插電的混合動力汽車相比,插電混合動力汽車電池容量更大,可以支持行駛的里程更長。如果每次都是短途行駛,有較好的充電條件,插電混合動力汽車電池可以不用加油,當(dāng)做純電動車使用,具有電動車的優(yōu)點。
與特斯拉Model S這種純電動車相比,插電混合動力汽車電池容量要小很多,但是帶有傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機,變速箱,傳動系統(tǒng),油路、油箱。在無法充電的時候,只要有加油站就可以一直行駛下去,行駛里程不受充電條件的制約,又具有燃油車的優(yōu)勢。
但是,因為一輛車內(nèi)要集成電動車、燃油車兩套完整的動力系統(tǒng),插電混合動力汽車的成本較高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜。重量也比較大,相對于單純的燃油車和電動車又有劣勢。不過,在充電站大面積普及,充電時間大幅提高之前,插電混合動力汽車作為燃油車與電動車之間的過渡產(chǎn)品將長期存在下去。
插電混合動力汽車的分類
雖然都叫插電混合動力汽車,但實際上根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,插電混合動力是可以分成幾類,各個廠商也都根據(jù)自己對插電混合動力的理解制造不同類型的插電混合動力汽車。簡單分一下,可以分成下面幾類:
一、增程型插電混合動力
這一類插電混合動力,嚴格來說仍然是電動車。車內(nèi)只有一套電力驅(qū)動系統(tǒng),包括電機、控制電路、電池。增程型插電混合動力車的電動機直接驅(qū)動車輪,發(fā)動機則用來于驅(qū)動發(fā)電機給電池進行充電。因為發(fā)動機并不直接驅(qū)動車輪,因此也不需要變速箱。這相當(dāng)于在普通的電動車上裝載了一臺汽油/柴油發(fā)電機。
增程式插電混合動力結(jié)構(gòu)
這種模式的優(yōu)點很明顯:
具有電動車的安靜、起步扭矩大的優(yōu)點,可以當(dāng)純電動車使用,在充電方便的條件下只充電、不加油,使用成本較低;
相比其他插電混合動力模式,增程型插電混合動力可以不用變速箱,成本略有降低。由于帶有發(fā)動機發(fā)電,只要有加油站就可以一直跑下去,在不方便充電的地方不會被迫拖車,解決基礎(chǔ)設(shè)施不足的問題;
因為發(fā)動機不直接驅(qū)動車輪,發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速、汽車速度沒有直接關(guān)系,通過控制系統(tǒng)優(yōu)化,可以讓發(fā)動機一直工作在最佳轉(zhuǎn)速,即使在充電不便時,市內(nèi)堵車路況下油耗也比較低,發(fā)動機噪音也可以控制的非常小。
當(dāng)然,這種模式也有缺點:
由于發(fā)動機和發(fā)電機并不直接驅(qū)動車輪,造成了這部分功率的浪費,而發(fā)動機和發(fā)電機帶來的重量并不減少。譬如:一輛增程式插電混合動力汽車發(fā)動機功率50KW,發(fā)電機功率50KW,電動機功率100KW,整車攜帶了總功率200KW發(fā)動機和電機,但是能驅(qū)動車輪的功率只有100KW。
在高速路況下,油耗反而偏高。這是因為高速路況下,如果發(fā)動機直接驅(qū)動車輪,可以一直工作在最佳工作模式,而增程式插電混合動力多了一個轉(zhuǎn)換過程,轉(zhuǎn)換本身要消耗能量,造成油耗反而偏高。
這一類的代表車型有寶馬i3(可選裝增程模塊),雪佛蘭沃藍達(有隱藏的直接驅(qū)動模式),F(xiàn)isker卡瑪和奧迪A1 e-tron。
二、并聯(lián)式插電混合動力汽車
這一類插電混合動力車內(nèi)有兩套驅(qū)動系統(tǒng),大多是在傳統(tǒng)燃油車的基礎(chǔ)上增加電動機、電池、電控而成,電動機與發(fā)動機共同驅(qū)動車輪。車內(nèi)只有一臺電機,驅(qū)動車輪的時候充當(dāng)電動機,不驅(qū)動車輪給電池充電的時候充當(dāng)發(fā)電機。
并聯(lián)式插電混合動力結(jié)構(gòu)
并聯(lián)式插電混合動力的優(yōu)勢在于:
電動機、發(fā)動機共同驅(qū)動車輪,沒有功率浪費的問題,譬如電動機50KW,發(fā)動機100KW,只要傳動系統(tǒng)能承受,整車功率就是150KW;
在純電模式下,同樣有電動車安靜、使用成本低的優(yōu)點。而在混合動力模式下,有非常好的起步扭矩,加速性能出色;
因為只是在變速箱上(分變速箱輸入端和輸出端兩種增加方法)增加了一臺電動機,在傳統(tǒng)燃油車基礎(chǔ)上改動較小,成本也比較低。
這種模式的缺點是:
在混合動力模式下,發(fā)動機不能保證一直在最佳轉(zhuǎn)速下工作,油耗比較高。只有在堵車時因為可以自帶發(fā)動機啟停功能油耗才會低;
因為只有一臺電機,不能同時發(fā)電和驅(qū)動車輪,所以發(fā)動機與電動機共同驅(qū)動車輪的工況不能持久。持續(xù)加速時,電池的能量會很快耗盡,轉(zhuǎn)成發(fā)動機單獨驅(qū)動模式。
這一類的代表車型包括:奔馳S500插電版、比亞迪秦。
三、混聯(lián)式插電混合動力
與并聯(lián)式插電混合動力一樣,這種模式也有兩套驅(qū)動系統(tǒng),但不同的是,混聯(lián)式有兩個電機。一個電動機僅用于直接驅(qū)動車輪,還有一個電機具有雙重角色:當(dāng)需要極限性能的時候,充當(dāng)電動機直接驅(qū)動車輪,整車功率就是發(fā)動機、兩個電機的功率之和;當(dāng)電力不足的時候,就充當(dāng)發(fā)電機,給電池充電。
因此,混聯(lián)式同時具有增程式和并聯(lián)式的優(yōu)點:在純電模式下具有電動車安靜、使用成本低的優(yōu)點;在增程模式下,沒有里程焦慮,而且發(fā)動機可以一直控制在最佳轉(zhuǎn)速,油耗低,噪音小,振動小;在并聯(lián)模式下,兩臺電機,一臺發(fā)動機可以一起工作,三者功率加起來具有非常好的起步和加速性能,是一種比較完美的組合。
說缺點的話,就是兩臺電機、發(fā)動機、變速箱一個都不能少,配套的控制電路、電池、傳動系統(tǒng)、油路也不能少,總體成本要高于其他類型的插電混合動力,車的總重量也會大一些。而因為要控制兩個電機和一臺發(fā)動機,還有不同的工作模式,控制系統(tǒng)也要相對復(fù)雜,這也會提高成本。
混聯(lián)式插電混合動力,其實往下細分還可以再分兩類。
一類是前置,代表車型是豐田全系插電和比亞迪F3DM。
豐田普銳斯插電版
這類車的兩臺電機和一臺發(fā)動機都在汽車前部,通過動力分配,離合器,控制不同的工作狀態(tài)。豐田采用的是ECVT行星齒輪做動力分配,很好的兼顧了性能與節(jié)能。
比亞迪F3DM采用了簡單的共軸離合模式,沒有變速箱,通過離合器控制不同工作狀態(tài),也可以達到不同狀態(tài)切換的目的,但是共軸模式?jīng)Q定了比亞迪F3DM的發(fā)動機轉(zhuǎn)速與車輛行駛速度直接相關(guān),并聯(lián)模式下,發(fā)動機噪音比較大,只是一種當(dāng)時技術(shù)條件下的過渡,很快就被比亞迪自己淘汰。
混聯(lián)式插電混合動力還有一種模式是前后置,簡單說,就是把兼職的電機與發(fā)動機放到一起,另外的純電動機單獨放置。這種模式的代表是保時捷918,寶馬i8,規(guī)劃中的比亞迪唐也是這種模式。
保時捷918 Spyder
這種模式的優(yōu)點除了混聯(lián)式插電混合動力都有的幾個優(yōu)點以外,還有一個好處是可以在前輪驅(qū)動,后輪驅(qū)動,四輪驅(qū)動三種模式下切換。
追求極限性能的時候,四輪驅(qū)動,可以有極限的加速性能。高速行駛時,車輛重心后移,后輪驅(qū)動可以有更高的效率,達到省電(省油)的目的。在低速行駛時,前輪驅(qū)動有更高的效率,就可以切換前輪驅(qū)動。
這種模式的純電動機甚至可以是兩個,分別驅(qū)動左右車輪,達到左右扭矩分配的目的,在過彎道時可以有更出色的性能。
保時捷918能在紐柏林跑進7分鐘,傲視各路超跑,靠的就是這種前后置混聯(lián)式插電混合動力帶來的高性能。
插電混合動力的未來
通過上面的分析,我們可以看出,插電混合動力汽車在加速性,降噪,使用成本上都有很多優(yōu)點。但影響其普及的原因主要在于成本。
以比亞迪秦為例,本來原型車速銳只要7-8萬,只加了一個電機,加上動力電池,增加各種配套。價格就要到20萬左右,其中僅僅是13度動力電池,就要4萬左右的成本。整車成本則要增加10萬左右,再加上各種稅費利潤,20萬的價格就出來了。這還是成本控制能力最強,勞動力最廉價的中國企業(yè)。而國外勞動力更貴,研發(fā)成本攤上,插電混合動力汽車的價格比原型車貴幾十萬也就理所當(dāng)然了。
其實,長期來看,動力電池、電機、電控的價格一直是在下降的。電控產(chǎn)品符合摩爾定律,下降的速度比較快。而電機和動力電池受到材料的限制,下降的速度比較慢,動力電池大約每年降價5%左右。未來,隨著動力電池,電機,電控價格進一步下降,插電混合動力汽車會越來越接近傳統(tǒng)燃油車。當(dāng)兩者價格差距不大的時候,插電混合動力汽車的優(yōu)勢就會顯現(xiàn)出來。
這一過程會自上而下的進行。首先是保時捷918這樣的超跑,然后是奔馳S,寶馬i8這樣的高檔豪車,然后是中級車,最后到普及車型。當(dāng)插電混合動力汽車在多個領(lǐng)域淘汰純?nèi)加蛙囍?,就會帶動充電設(shè)施的普及,也會帶動電池技術(shù)的進一步發(fā)展,而充電基礎(chǔ)設(shè)施和電池問題解決以后插電混合動力汽車歷史使命就完成了,人類將迎來電動車時代。