35年老司機初碰混動,驚恐又抵觸,我斗膽寫了這篇diss岳父

當一位擁有35年車齡的老司機發動了一輛混動汽車,老司機略帶驚慌地告訴副駕駛的我,他懷疑車已經壞了。因為即便他啟動了汽車,卻沒有聽到「發動機」怠速的運轉聲。我笑著讓他鬆開刹車踏板,于是汽車便安靜地開始緩緩前進,這讓老司機感到了極度的驚恐……

已經被我賣掉的普銳斯『遺照』(實拍)

以上是幾年前我帶老丈人體驗第四代「普銳斯」時的情景。此後,雖然我給他介紹了很多混動汽車的基礎知識,然而老人家對混動汽車仍然保持著『抵觸』的態度,就算他也認可混動汽車的低油耗和起步平穩,但依然覺得『給發動機配一個(或多個)電機』屬于多此一舉……

在此後多年工作中,我愈加發現,大家好像對『混動汽車』充滿著質疑、敵意或是不屑。或許就是我寫這一系列混動科普文章的最大動機。

變革的時代

從2020年10月由國務院頒佈的《新能源汽車產業發展規劃(2021—2035年)》中,我們會發現國家對混動汽車的基本態度:

強化整車集成技術創新。以純電動汽車、插電式混合動力(含增程式)汽車、燃料電池汽車為『三縱』,佈局整車技術創新鏈。

研發新一代模組化高性能整車平臺,攻關純電動汽車底盤一體化設計、多能源動力系統集成技術,突破整車智慧能量管理控制、輕量化、低摩阻等共性節能技術,提升電池管理、充電連接、結構設計等安全技術水準,提高新能源汽車整車綜合性能。

增程式混動系統的底盤示意圖

作為『三縱』 戰略的重要組成部分,「插電式混合動力(含增程式)汽車」在接下來15年中仍將得到國家政策的青睞。此外,『研發新一代模組化高性能整車平臺,攻關純電動汽車底盤一體化設計、多能源動力系統集成技術』也指明了「多能源動力系統集成技術」也將是這15年的主流技術趨勢,並非將混動技術看做一種『過渡技術』。

令人著迷的混動汽車技術(動圖)

從一個從業人員的角度來看,我十分佩服國家制定這樣戰略的長遠性和合理性:

1.產業轉型必須慢慢來:緩解燃油汽車帶來的能源存量問題和環境破壞問題,需要時間,不能一刀切,步子跨得太大容易扯到……所以,產業轉型需要四平八穩地進行;

2.技術轉型需要留後手:汽車的『新四化』不是簡單的『用油驅動』轉『用電驅動』,而是能源戰略轉型,其中有很多的技術分支,是一次從基礎科學到應用科學的新嘗試,若把雞蛋放在一個籃子裡,容易雞飛蛋打,同時點上純電與混動的技能點,不僅是留後手,更是能開拓多條彎道超車的賽道。

簡單地總結以上的內容:國家在下一盤大棋,而且整體戰略清晰、長遠且合理。

2021年6月私家車插混汽車銷量TOP 20

而從實際市場來看,對于北京、上海等限行限牌的城市,能夠吃到政策紅利的「插電式混合動力」車型成為了運營車輛的不二選擇。在乘用車端來看,也有越來越多私家車主開始選擇「插混」車型。如上表所示,比亞迪、上汽、吉利、大眾、寶馬、奧迪、豐田和本田等紛紛上榜,「插混」車輛已有了取代純燃油車的趨勢。

愈發精細的混動系統設計(手繪)

或許大家會認為混動汽車的銷量上升,完全得益于政策的偏向,但這種看法已經慢慢地發生這變化,就我的從業經驗讓我更願意這樣去理解:隨著混動技術的日漸成熟和可靠,才使得更多的理性消費者購買了混動汽車。

 

100多年前的混動汽車!

「Lohner-Porsche」原型車

其實混動汽車的歷史可能比你想象的要早,回顧汽車的歷史,(內燃機)汽車誕生于1886年,有趣的是僅僅2年後,1898年,大名鼎鼎的「斐迪南·保時捷」便設計出了混動汽車。「Lohner-Porsche」原型車。

「Lohner-Porsche」原型車設計圖紙示意圖(手繪)

「Lohner-Porsche」原型車將2台「DeDion Bouton水冷汽油發動機」(每台動力約為3.5 hp約2.6 kW)裝在車身中間,用于驅動兩台「發電機」,每台「發電機」能在90V電壓下輸出20A的電流(每台動力約為2.5 hp約1.84 kW),「發電機」輸出的電能直接驅動「輪轂電機」(又稱「輪邊驅動電機」),而剩餘的電能則流入車廂下方的「鉛酸電池」儲存起來。

此後,他進一步完善了原型車,最終在1900年打造出了我眼中第一輛真正意義上的混動汽車——「Lohner-Porsche Semper Vivus」(後簡稱「Semper Vivus」)。

圖說:2007年保時捷博物館重造了「Lohner-Porsche Semper Vivus」

不過通過原型車生產出來的「Semper Vivus」卻出現了不少問題,比如:

1.車重過重:

超過1200kg的車重,當時的充氣輪胎表示壓力山大,因為當時的橡膠技術還不足以滿足「Semper Vivus」對于路況的需求;

2.控制差:

由于是第一次混動技術的嘗試,「發動機」與「發電機」,「發電機」與「蓄電池」,發電機與「輪轂電機」,蓄電池與「輪轂電機」之間的控制都面臨巨大的考驗,十分不穩定;

3.各種故障:

由于「Semper Vivus」不僅是世界上第一輛混動汽車,而且還可以算得上是世界上第一輛『油改電』,即有「發動機」(還是2台)、「發電機」(也是2台)、「輪轂電機」(2台)還有「蓄電池」(由于後期多代改進沒有固定值,「蓄電池」大約有44-74單元),所以各種故障不斷,比如行駛時揚起的灰塵會引起「蓄電池」故障等。

 

混動汽車的雛形

雖然「Semper Vivus」問題不斷,但我們卻能在它身上找到混動汽車的許多延用至今的元件:

1.「發動機」:動力的源頭;

2.「發電機」:動力源轉化的關鍵;

3.「輪轂電機」:動力輸出的節點;

4.「蓄電池」:能源儲存的介質。

而從「動力系統結構形式」來看, 「發動機」連著「發電機」「發電機」連著「輪轂電機」,三者像『一根線上的螞蚱』被「串」在了一起,在國中物理的電學部分,我們知道這種連接方式有個學名叫做 「串聯」,對于混動汽車而言,我們稱之為「串聯式結構」。

增程式混合動力汽車的基本原理

只是「Semper Vivus」也並非目前常見的「串聯式結構」混動汽車,而是將「電機」(「輪轂電機」)作為唯一的驅動終點。不過,這足以讓人輕鬆地聯想到目前的「增程式」混動汽車。

傳統汽車的啟動系統和充電系統

除了「Semper Vivus」獨特的混動結構,它還給後人留下了一個特別有趣的設計細節——「發電機」通過逆向旋轉可作為「發動機」的「起(啟)動電機」。而這種思路幾乎原封不動地保留到了現在,較之傳統燃油汽車上的使用的小功率「起(啟)動電機」(如上圖所示),現在的混動汽車更喜歡在「發動機」前端的「傳動(皮)帶」上配置一個加強版的「起(啟)動電機」—— 「BSG電機」

賓士A級和B級上的P0電機

這裡要多提一句,通常情況下「BSG電機」作為「P0電機」功率集中在8~15kw區間,而目前國內廠商將把「BSG電機」的最大功率提升到了25kW,使其能輸出60N·m的最大扭矩,做到了在怠速啟停的基礎上,甚至可以介入到換擋、發電和助力加速的工作中,大有一番『大力出奇跡』的趨勢。

賓士M254動力總成中的ISG電機,可驅動汽車

故此,隨著「BSG電機」功率越做越『大』,原來發揮著低速驅動汽車的「P1電機」(又稱 「ISG電機」一般情況下功率在20~40kW之間),頓感背脊發涼……是否很有意思,我們後文會來詳解。

百年前「Semper Vivus」上的「輪轂電機」

最後,「Semper Vivus」上使用的「輪轂電機」絕對是一種『超前』的設計。我們知道「輪轂電機」技術將集成了「差速器」的動力總成,將其直接佈置在「輪轂」中,從而直接驅動「車輪」,相比傳統汽車的佈局,「輪轂電機」技術優點在于:

對某些司機而言,這可能是輪轂電機最實用的功能

1.減少組件內耗,提升動能回收:減少了「差速器」、「半軸」和「二級變速器」等組件,減輕(簧下)重量,減少元件之間的磨損帶來的能力損耗,提高了傳動效率。同時在刹車時,動能回收效率更高;

2.實現扭矩向量控制:解釋起來比較複雜,舉個直觀的例子,「輪轂電機」技術可讓汽車更容易實現原地側向移動,從此科二考試不再有『側方停車』這個項目(如上圖)。

ProteanDrive的輪轂電機機構示意圖

可惜,「輪轂電機」有著明顯的『硬傷』——穩定性堪憂,壽命短。由于「輪轂電機」直接暴露在車輛底盤中,極為惡劣的工況,對其的密封防水性、抗腐蝕性、冷卻散熱性都有更高的要求,故此,至今「輪轂電機」還未普及,不過我相信總有一天會有其大放異彩的時刻。

 

被埋沒了幾十年的技術

聊完了「Semper Vivus」的技術,我們回到1900年這個時間點,探尋混動汽車的歷史。說句實話,我覺得那個年代的科學家們玩得『挺野』。

TESLA‘S TOWER

因為同一年「尼古拉斯·特斯拉」正將交流電技術運用在製造「球狀閃電」上,並在1899年成功地造成了科羅拉多斯普林斯大規模停電,可把當時的吃瓜群眾們嚇得不輕,對「電」(準確地說是「交流電」)多了幾分畏懼。

網友為《海底兩萬里》中鸚鵡螺號所繪製的設計圖

再來看看1900年的「電池技術」:彼時,距離「元素週期表」發佈僅31年,科學家們才熟悉了各元素的屬性,什麼「磷酸鐵鋰」、「三元鋰電池」應該還只存在于「儒勒·凡爾納」的科幻小說中,距離商業化、批量產品化還有大幾十年。所以,時速僅有14km/h的「Semper Vivus」最終沒能在『第二次工業革命』中,引領汽車全面跨入電氣時代。

福特T型車(手繪)

不過,彼時壓倒混動汽車的『最後一根稻草』卻是「亨利·福特」,1908年他帶給全世界一個驚喜——「福特T型車」。這款車的偉大之處不在于高端的造型、功率爆炸的「發動機」抑或是用這輛車蟬聯了多少界賽車比賽的冠軍,而是「福特T型車」徹底指明了汽車製造業的方向——流水線組裝!不得不說,100多年後的今天,我們仍然享受著「福特」帶來的紅利,包括現在主機廠最愛的「模組化」設計,仍然沒有脫離「福特」的造車理念——低成本、高效率、可複製和高質量等。

福特T型汽車流水線

「福特T型汽車」成功地將燃油汽車帶入了尋常百姓家,可對混動汽車而言卻是『降維打擊』,可以說直接壓制了汽車全面電氣化近90年。所以,我常會開玩笑說『成也福特敗也福特』。

推薦大家一部歷史紀錄片《美國商業大亨傳奇》

好在,80多年後,經歷兩次世界大戰、石油危機和多次金融危機後,這些老牌的小子日過得不錯的國家才發現,已經無法回到那個大排量的『黃金時代』。此外,大部分人也發現,若再破壞地球的環境,浪費地球的資源,那就都要完犢子了。

印在普銳斯上的HYBRID、EV MODE等字樣,預示著風雨欲來(實拍)

同時,在這80年中,人類在「電池」、「電機」、「半導體」等關鍵技術上已經有了很大突破,以「電」為核心能源的混動汽車和純電汽車時代已經慢慢走到了台前,成為下一個風口。

豐田THS混動系統中的核心元件

1997年「普銳斯」它來了!作為豐田汽車推出的世界上第一款大規模量產的混動汽車,「普銳斯」標誌著混動汽車正式回歸汽車行業。或許「普銳斯」這個車型,很多人都沒聽過,但對于混動汽車技術從業者而言,卻擁有不低于「Semper Vivus」的地位。至于「豐田THS混動系統」我們會在後文中陸續展開。

 

省油並非混動汽車技術的全部

可能是早期的「豐田THS混動系統」走的是『經濟省油』的技術路線,導致許多朋友對混動技術有一些錯誤的理解,比如混動汽車技術就是為了省油?

2015款BMW i8的底盤結構

其實不然!比如早期的「寶馬i8」就是非常有趣的一輛追求性能的混動汽車。作為寶馬集團第一款「插電式混合動力系統」的車型,堪稱寶馬的『天之驕子』,集寶馬三缸「發動機」精髓于一身的1.5L渦輪增壓「發動機」,配上其多年電機技術精髓的「驅動電機」,整套動力總成(2020款)理論最大功率達275kW (發動機170kW+105kW),理論最大扭矩為550 N·m(發動機320N·m+電機250 N·m),官方0-100km/h加速參數為4.6s,妥妥的跑車資料。

2015款BMW i8,在《諜中諜4》中大放異彩

只可惜,從2014年驚豔登場到2020年受到疫情影響最終停產,讓我想到一句歌詞『愛情來的太快,就像煙花颱風』。

2021款 科尼賽克Gemera

不過不要以為「寶馬i8」之後就沒有高性能的混動汽車了,2020年年底「科尼賽克」帶給我們一輛充滿驚喜的「插電式混合動力系統」超跑——「科尼賽克 Gemera」,其恐怖之處在于:

可能是最豪橫的三缸發動機

1.三缸發動機,最大近600Ps的馬力:「科尼賽克」研發的雙渦輪增壓 「TFG發動機」雖然排量只有2.0 L,還是三缸,卻能爆發出最大598Ps的馬力,最大600N·m的扭矩。當然啦,喝的燃料也是價格不菲——98#汽油起,還可用「E100純乙醇燃料」、「甲醇燃料」以及「太陽可再生燃料」等;

2021款科尼賽克Gemera動力總成結構示意圖

2.前一後二,三電機,最大2500 N·m的扭矩:「科尼賽克 Gemera」配備有三個「電機」,後輪軸上的每個「電機」能產生最大500 Ps的馬力、最大1000 N·m的扭矩;「前橋」同軸共用一個「電機」,產生 最大400 Ps的馬力以及最大 500 N·m的扭矩, 官方0-100km/h加速1.9s!!!

簡化傳動結構,只為速度而生

3.直接驅動技術:除了「電機」和「發動機」帶來超強的動力參數資料,「科尼塞克」在動力總成的結構上也做出了調整,優化了傳統的「變速器」,通常情況下,「發動機」可以通過「單齒輪」直接驅動車輪。每個「輸出軸」都有一個「濕式離合器」元件,可實現扭矩向量控制。兩個後輪具有獨立「電機」,集成獨立「變速器」,具有扭矩向量和倒擋功能。

看到這裡,或許你又會得出一個結論:以上車型皆是百萬、千萬級別的車型,與我們沒有關係!

比亞迪DM-p混動系統示意圖

其實在民用汽車領域也有類似的混合動力系統,比如「比亞迪DM-p混動系統」在『三擎四驅』模式下,最高可配備一枚雙渦道渦輪增壓的「發動機」(排量2.0L,最高功率135kW,最大扭矩290N·m)。而在「電機」方面,「P0電機」峰值功率為25kW (峰值扭矩60N·m),「P3電機」峰值功率為110kW(峰值扭矩250N·m),「P4電機」為峰值功率180kW(峰值扭矩330N·m)。當「發動機」與「電機」協作發力時,其動力不輸V8引擎。官方0-100km/h加速4.7s,幾乎逼平了「寶馬i8」的4.6s

混動汽車技術省油的根本邏輯

不過為了完成「碳達峰」「碳中和」兩大人類環保夙願,無論是哪個國家都將當下的混動汽車技術定義在省油的國家戰略中。所以,我們暫時按下混動汽車技術可能帶來的『玩命關頭』不表,先來研究一下,如何利用混動汽車技術來省油。而我的想法很簡單,就2點:

1.多用電,少用油;

2.榨幹每一滴油的價值。

是不是十分的簡單?但是為了做到看似簡單的2點,各大主機廠可沒少花功夫,並開創了各種玩法,比如以「豐田THS混動系統」為首的『雙電機動力分流派』以及以大眾為首的『單電機雙離合派』等。所以,如何解決這兩個問題將貫穿我們整個系列。

豐田THS混動系統基本工作原理(動圖)

首先,為了達到『多用電,少用油』的目的,實現途徑會有很多,比如:

1.將混動的份額向純電傾斜;

2.增加「電池」的容量;

3.增強「電機」的作用等。

顯然奧托迴圈並不適合混動車型

其次而為了達到『榨幹每一滴油的價值』這一目標,實現途徑會有也有不少,比如:

1.提升「發動機」(內燃機)的工作效率;

2.減少混動部件之間的內耗;

3.對每個混動部件進行不斷的優化等。

有了基本的框架思路,我們不妨展開細聊幾句

多用電,少用油

按油電混合度劃分(以上資料僅供參考)

我們先從 『將混動的份額向著純電傾斜』談起,從上面的表格中可以看出,不同的油電混合架構所能實現的功能不同,依靠電實現的功能越多,燃油消耗就會越低,比如搭載「強混核動力系統」的車型版本相比純燃油版,油耗降低25~35%(數據僅供參考)。

為實現自動啟停,必須使用增強型的起動機

再以被大部分人視為『雞肋』的「自動啟停」功能為例,雖然升級了一下普通汽車搭載的「鉛酸蓄電池」(更換隔板材質,比如AGM使用「超細玻璃纖維隔板」)以「起(啟)動電機」,但卻達到了省油的目的。

溯源P0電機的作用便是自動啟停

比如德國BOSCH的實驗的結論是:平均節油率為8%~15%左右,越擁堵、排量越大效果越明顯。而中國汽車技術研究中心也做過類似的測試,結論更是誇張:節油率甚至達到7%~27%。看到這裡,相信你慢慢開始理解『為什麼啟動電機的功率越做越大』的原因了。

顯然鉛酸蓄電池無法滿足混動汽車

隨著『混動的份額向著純電傾斜』的發展,「電機」的功率越來越大,故此,『增加「電池」的容量』就成為了下個要解決的問題,從「儲能密度」較低的「鉛酸電池」到日企引以為傲的「鎳氫電池」到為了滿足長距離純電行駛的「鋰離子電池」,「電池」模組越來越大,功率更高,容量更大。關于混動汽車的「電池」,我們會在後文中陸續詳解。

途觀L PHEV動力系統示意圖

接著便是 『增強「電機」的作用』,要麼增加「電機」數量,要麼就是提高單個「電機」的質量,此前我們也提到了以大眾為首的『單電機雙離合派』,即是將混動系統中的「驅動電機」集成在了「雙離合變速箱」中,配合上「高壓電池」模組,增強了「電機」在整個混動系統的作用。至于為什麼大眾會成為『單電機雙離合派』,又是一個long story。

 

榨幹每一滴油的價值

E-CVT基本結構(手繪)

與燃油汽車一樣,『榨幹每一滴油的價值』一直是發動機工程師所追求的『人生目標』,同時也是體現人生價值的關鍵。故此, 『提升「發動機」(內燃機)的工作效率』這一點,不在本篇文章中展開,在後面的文章中,我們會詳細討論 「阿特金森內燃機」的章節展開。這裡只提一句:混動汽車的「發動機」,總體朝著高效率的方向發展。

飛輪動能回收系統

『減少混動元件之間的內耗』則是一個系統性的工程,比如使用「E-CVT變速器」進行變速與使用「混動雙離合變速器」進行變速,而且這兩種不同的「混動變速器架構」,在考慮部件降耗的邏輯大相徑庭,還是要到後續的文章中具體問題具體分析。

混動系統的優化是一項整體的優化工程

看似與第二點雷同的第三點『對每個混動元件進行不斷的優化』,指的是對動力總成之外的部件優化,比如「電池」的優化只是表像,更重要的是對整個「電能系統」的優化,包括提升整個「動能回收」系統等。當然啦,以上提到的這些點並非實現省油的全部解決途徑,容我娓娓道來。

 

混動汽車技術的基礎知識

本章節的最後,我為大家匯總了一些最基礎的混動技術的專用詞彙,在後文中會經常出現,所以,希望大家動動手指,將圖表保存下來,首先便是「混動汽車的分類」的名詞:

混動汽車的分類

在以上三種分類中,第三種分類『按照外接充電能力劃分』比較好理解,一句話:能不能外接電源來充電。而『按動力系統結構形式劃分』則需要通過另一張表來解釋:

按動力系統結構形式劃分

這是一種根據「發動機」與「電機」連接形式去劃分。上表格只是描述了一個大概,三種模式單拿「串聯式」就會延伸出好幾條技術樹,比如我們此前解釋過的保時捷「Lohner-Porsche Semper Vivus」,即是將「發動機」-「發電機」-「輪轂(驅動)電機」動力總成『串』在一起。發展至今現其中一條技術樹發展成了「增程式」汽車,比如「寶馬i3」,「奧迪A1 e-tron」,以及國產的「理想ONE」和「嵐圖FREE增程版」等。

混聯技術衍生出新的技術樹

「混聯式」就更為複雜一些,比如「雪佛蘭Voltec1」,看似是一套「串聯式」的解決方案,然則,卻『暗地裡』偷偷地進行了功率的分流,也就是讓「發動機」參與到動力輸出上,而不是像常規的「串聯」結構,只能通過「電機」輸出動力,此後的章節會詳解。

常見混動汽車安裝電機的位置(手繪)


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