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混動技術有幾種

生活 更新时间:2024-07-19 07:16:01

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豐田THS、本田i-MMD、通用VOLTEC、比亞迪DM-i、長城DHT、廣汽GMC、吉利雷神、理想的增程式混動等等,汽車混合動力技術誕生至今已有百年,技術路線發展百家争鳴,從早期的弱混到現在普遍采用的強混、插電式混動,“電驅化”參與度越來越高,能耗控制也越來越高效。

在持續居高不下的油價、優先上牌和稅費減免政策的推動下,混合動力車型在國内市場的接受度也越來越高。比亞迪的銷量因此一飛沖天,理想也憑借一款車的銷量跻身新勢力前三,并且敢于用一款增程式混動的L9向500萬以内的任何豪華SUV車型叫闆,長城、奇瑞、廣汽等自主品牌車企也加大了混合動力車型向市場的投放力度。

亂花漸欲迷人眼,種類繁多的混動系統對于普通消費者而言,很難去區分它們之間的差别以及技術本身的使用優劣。因此針對當前主流的混動系統,我們來從技術和使用環境上做一個解讀,看看混合動力技術到底是哪家強?

為了便于理解,筆者對當前混合動力技術做了一個分類。目前混合動力的分類有三四種方法,比如按電機的位置、構型、混合度等。我們選取兩種比較容易理解的方法進行區分。按傳動系構型可分為:串聯式混合動力、并聯式混合動力、混聯式混合動力三種。按可不可以外接充電可劃分為:一般混合動力HEV(Hybrid)、充電式混合動力PHEV(Plug-In)。

混合動力技術分類

串聯式混合動力是接近于純電驅動的模式,也叫增程式。配置的發動機僅用于推動發電機發電而不直接參與驅動汽車,系統輸出動力等于電動機輸出動力,換句話說就是通過發動機發電來驅動電機來帶動車輛行駛。代表車型有:雪佛蘭第一代沃藍達、理想one、L9、岚圖FREE等。

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串聯式混合動力示意

并聯式混合動力是以發動機為主,電動機為輔,電機和發動機均可單獨驅動車輛,也可以共同參與驅動,系統輸出動力等于發動機與電動機輸出動力之和,代表車型是奧迪A3 e-Tron,大衆高爾夫GTE等。

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并聯式混合動力示意

混聯式混合動力是指電動機和發動機都能單獨驅動汽車。由于系統中配置有獨立發電機,因而系統輸出動力等于發動機與電動機輸出動力之和,與并聯式最大的區别是它可以實現串聯式驅動,一般會比并聯式多一組電機。混聯式系統結構複雜,但是綜合動力性能和燃油經濟性是當前行業的最優解。代表車型有:豐田普銳斯、雷克薩斯CT200h、通用君越30H、雪佛蘭第二代Volt、雅閣Hybrid、比亞迪秦DM-I,長城檸檬DHT、廣汽皓影混動版等。

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混聯式混合動力示意

按照插不插電這個大家就比較好理解了,目前主要是HEV和PHEV車型的區别,HEV代表技術路線是豐田THS、通用VOLTEC、本田i-MMD、廣汽傳祺GMC2.0、吉利雷神等混聯式混動系統,當然搭載這些混動技術的車型也可以插電變為PHEV車型,但是其他混合動力技術的PHEV車型則未必适合HEV策略,比如串聯式(增程式),在沒有外部電力輔助的前提下模式綜合能耗的經濟性并不明顯。

不适用于全場景應用的串聯式混動

混合動力技術的本質就是通過電機、動力電池、變速器等輔助機構将發動機最大限度地維持在高效率區間運轉或者不運轉,從而最大效率節能能耗。當前所有的混合動力技術都是圍繞這個核心來進行開發。

串聯式(增程式)混動是最早誕生的混合動力技術,1900年世界上誕生的第一輛混合動力車“羅尼爾-保時捷”采用的就是串聯式,通過發動機來給電機供電驅動車輛行駛。串聯式混動的本質是将發動機控制在高效率區間運轉來發電通過電機驅動車輛,簡單理解就是讓一輛車的發動機隻有高速使用的工況,達到降低油耗的目的。

但是串聯式混動有着天生的弊端,當車輛在中低速行駛時,發動機功率尚有一定的富餘,可以滿足這種發電再驅動的邏輯,而一旦車輛在高速行駛時,發動機功率的負荷随着速度的提升不斷增加,導緻發動機無法維持在高效率區間運轉,此時的能耗甚至超過了采用發動機直驅的模式。這就是為什麼那些采用串聯式混動的車型在長距離綜合油耗的測試中油耗都較高的原因,比如理想L9的長距離綜合油耗都在10L/100km左右。

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另外,串聯式混動的最大功率取決于電機的輸出功率,最小功率取決于發動機的發電量,所以當沒有外部補電(動力電池沒電)的情況下,車輛的動力性也會較差。所以串聯式混動都會外接電源(PHEV),車輛使用環境更适合短距離代步通行用。目前很多車企的策略都是把電驅作為“主驅動”(搭載大容量電池),發動機作為輔助發電驅動。綜合來說,串聯式混動因為不能适用于全環境的應用,所以被行業内稱為“落後”的技術。

差強人意的并聯式混合動力

并聯式混動其實也叫P2構型。一般隻有一組電機,并且與變速箱常齧合置于變速箱殼體内。它能實現發動機帶動電機直接驅動車輛、電機直接驅動、發動機和電機同軸驅動、發動機驅動 帶動電機給電池充電、制動和減速的能量回收這五種工作模式。

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通過工作模式其實我們就能發現這種混動構型的弊端:1、在中低速能耗最高的階段,隻要電池沒電,發動機就必須啟動來直接驅動變速箱,不能完全規避這種發動機低效率運轉的工況。2、發動機驅動時電機也會伴随跟轉,它們之間并不能脫離,也就是說電機會成為一種負載增加發動機的負荷,增加能耗,在高速階段反而不如直驅更節省能耗。所以并聯式混合動力也非常依賴外接電源,需要借助電池和電機來調整發動機負載,并聯式混動也都以PHEV存在。

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目前串聯式混動技術主要是歐洲車企和韓系車企比較多在采用,比如大衆、奧迪、奔馳等。它一方面對現有的動力架構改動較少,另一方面能覆蓋比串聯式混動更多的應用場景。另外歐洲車企對于混合動力的普遍認知都是混動是過渡階段的技術,并未對混聯式混合動力投入過多的研究。

混聯就是最優嗎?

混聯式混合動力,顧名思義就是既能實現串聯式驅動也能實現并聯式驅動,這類型混動彌補了串聯和并聯各自在使用場景和工作模式上的缺陷,真正實現了能耗控制的最優解。所以目前搭載混聯式混動的車型在不依賴外接電源的情況下,也能大幅降低搭載車型的能耗,綜合油耗可以普遍實現低于5L/100km。所以混聯式混動既可以适用于HEV策略,也可以外接電源變為PHEV,從能耗控制技術和使用環境的角度來說,混聯式混動堪稱最全面。

但是受限于專利壁壘,目前各大主機廠采用了不同的構型來實現了混聯式混動。比如豐田THS是采用的是單排行星輪結構,這種系統既簡單又高效,最早搭載于第一代豐田普銳斯,開創了行業強混HEV的先河。THS可以實現六種工作模式,覆蓋了各種車輛行駛工況。

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THS構型簡圖

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但是THS這套單排行星輪的構型并不完美,比如因為行星輪和發動機之間不能解耦,在車速超過60km/h左右,發動機就必須啟動,而此時發動機不一定就在高效率運轉區間,而且此時發動機也不是完全直驅模式。

通用為了繞開豐田單排行星輪的專利,采用了雙排行星輪結構,開發了GEN2 VOLTEC系統,這套系統主要部件是由一台直噴高效發動機、兩組永磁交流同步電機、兩排行星輪、兩組離合器加一組锂離子電池組等組成。結構比較複雜,可以根據車速、負載和電池電量将工作模式做精細化拆分,實現了多達12種工作模式。

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VOLTCE構型簡圖

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GEN2 VOLTEC系統規避了豐田THS單排行星輪結構上的缺陷,因為工作模式更豐富,能更全面覆蓋各種使用工況,精準控制發動機負載和電機的輸出,綜合能耗比THS更勝一籌。這套系統搭載了通用旗下多款車型,比如君越30H,凱迪拉克CT6等。從能耗控制的角度來說,這系統已經足夠完美,唯一的缺點可能就是制造成本太高,導緻搭載車型整體售價都較高。

在行星輪之外,以本田為代表的車企采用了一種串聯混動的變種構型,在串聯的基礎上通過一組離合器實現了發動機直驅模式,讓車輛既可以是增程模式驅動,也可以是發動機和電機一起并聯式驅動。構型簡單實用,美中不足是覆蓋的實用工況不夠多,在能耗的控制上不如豐田的THS和通用VOLTEC那般精準。

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本田i-MMD構型簡圖

國内車企的混合動力相比豐田、本田、通用等發展較晚,所以為了繞開以上三種典型構型,都開發了自己專屬的混合動力系統,比如比亞迪的DM-i,奇瑞的鲲鵬動力DHT、長城的檸檬DHT、廣汽GMC 2.0等。

目前市場占有份額最多的是比亞迪的DM-i,比亞迪在混合動力市場浸淫多年,技術也在不斷進步,從早期的并聯式混動到如今的混聯式DM-i,赢得了消費市場的認可,唯一不變的是比亞迪堅持的是以電為主的策略,始終隻推出搭載大電量的PHEV。DM-i的構型其實也相對簡單,一台發動機,一個發電機P1,一個驅動電機P3,還有一個離合器。整體構型和工作模式與本田的i-MMD邏輯極為相似,區别是它隻有一個檔位,而i-MMD是兩檔,且它的P1電機在直驅模式下可以選擇性不工作。

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比亞迪DM-i構型簡圖

吉利雷神混動就像是通用的VOLTEC,由一台發動機,兩組電機、兩個離合器、兩個制動器,兩組行星輪組成,結構也非常複雜。與VOLTEC不同的是他的2個行星排,第一行星排(左)行星架和第二行星(右)排齒圈連,第一行星排的齒圈和第二行星排的行星架連。在三個檔位下實現了四種不同的驅動模式:純電、串聯、并聯和直驅。

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吉利雷神混動簡圖

長城檸檬混動DHT和奇瑞鲲鵬混動比以上幾種混合動力技術推出得更晚,那麼構型上要規避以上所有專利,結果就是越做越複雜。比如檬混動DHT由雙電機控制器、多模混動變速箱、一台混動專用發動機、GM/TM雙電機、集成DC/DC組成,可實現純電、并聯驅動、串聯驅動、能量回收等多種工作模式。

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檸檬DHT混動簡圖

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奇瑞鲲鵬混動是由一台發動機、2 個電機、2 套電機控制器、3 組離合器、3 組齒輪變速器等組成。通過這套複雜的結構可以實現單電機純電驅動、雙電機純電驅動、串聯驅動、并聯驅動等11種工作模式。

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奇瑞鲲鵬混動簡圖

綜合來看,以比亞迪、吉利、長城、廣汽、奇瑞為代表的自主品牌傳統車企在混合動力的開發上,展現出了作為傳統車企在硬件開發上的實力,都開發出了能覆蓋全場景應用的混聯式混合動力系統,可以在HEV和PHEV之間自由切換,區别隻是在于能耗控制的精準性和結構運行穩定性上,而以理想、問界為代表的新勢力隻能借助應用場景有限的“增程式”入局。

當然,在搭載大電量的插混大行其道的當下,搭載不同混合動力技術的車型在短距離出行的體驗差别并不大,畢竟都是在以用電為主,隻有在長距離上才能體現出差距。而回歸到混合動力的本質,能實現混聯驅動的HEV則有着更低的搭載成本,更好的能耗控制水平,是當下更值得被當前推廣的技術。

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