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混動技術亂戰:本土廠商首次站上舞臺中央?

2022-06-21
來源: 與非網eefocus

  在這場由混合動力邁向純電動汽車的競賽里,國產廠商第一次走上了舞臺中央,引領著世界前行的方向。

  混合動力是通向純電動的跳板,還是終極新能源汽車的中間過渡路線?生命周期還有多少年?隨著新能源汽車的火爆,大家一度對這個問題吵得熱火朝天。

  其實,關于這一點,在作為頂層設計的《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035)》和《節能與新能源汽車技術路線圖》2.0里,已經給出了明確答案。

  《發展規劃》明確提出:“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。。。深化三縱三橫研發布局”,《路線圖》建議:“汽車低碳化多技術路線并行發展,推動汽車企業基于自身積累發展相應的混合動力技術。”并樹立了節能與新能源汽車的主要里程碑。

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  綜合來看,最高智囊團給的標準答案是:到2035年,混合動力汽車還能占一半!

  

  混動節能的根源

  在混合動力這個領域,主要存在豐田THS為代表的油電混動(HEV)、比亞迪DMi為代表的插電混動(PHEV)和理想為代表的增程混動三種路線。

  豐田入局最早,靠著THS的精妙設計天外飛仙,一度占據了混動市場的半壁江山。后來者為了克服專利壁壘,硬生生地蹚出來多條技術路線。

  雖說大路朝天,各走一邊,可說到底,各種混動路線之所以比燃油車節能,實則有著同樣的根源:讓發動機不動則已,一動便盡量工作在高效區間;電機天然具備快速響應和高效的特點。

  內燃機發展過百年,熱效率還沒有突破50%的上限。由發動機的萬有特性曲線可知,運行在不同的工況(轉速和功率需求)下,發動機有著不同的熱效率表現。

  在傳統燃油車的框架下,只有發動機直驅這一種動力選項,需要應對起步、蠕行、爬坡、下坡、急加速、急減速、高速巡航、怠速行駛等多種工況,其直接結果便是發動機的工況點落點所在的常用區域遠離高效區域。據有關數據,燃油車發動機平均熱效率僅在25-35%之間。

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  對可串可并可混聯的混合動力汽車而言,通過比亞迪這張圖可以發現,其發動機的運行工況點可以由將燃油車場景下的“面”收縮成一條“線”。

  事實上,隨著電池、電機、電控技術的發展,未來的混動還會繼續由“線”到“點”,進一步把發動機自身的工況錨定在最高效的那個點。

  不過,車速有改變,檔位在切換,行駛在不同的坡道和路面,再加上深一腳淺一腳的油門和剎車踏板,外面的世界如此眼花繚亂,混動專用發動機何以以不變應萬變?

  因為,它有電機這個好伙伴!

  天之道,損不足而補有余。但在混動這個世界,在發動機啟動的情況下,電機的作用是補不足而耗有余,對發動機的扭矩“削峰填谷”。

  電機相對發動機好太多的轉矩響應特性,使其可以游刃有余地調節整車需求扭矩和發動機扭矩之間的落差。

  對節能更為關鍵的是,電機的熱效率遠高于發動機。本來,混動發動機的熱效率做到40%以上,已經比燃油車發動機的30%高不少了,但它到了電機跟前,也只能叫爸爸。

  電動汽車里兩大主力電機類型-交流感應電機和永磁同步電機,感應電機輕輕松松上85%,永磁同步電機努努力能上95%。所以,節能也是必然的了。

  

  日系混動,廉頗老矣?

  混動技術哪家強?在比亞迪DMi面前,豐田THS是廉頗老矣,還是老當益壯?據說,這是一個相當引戰的話題。

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  圖源 | Daily Car News

  其實,從上文電機和發動機的熱效率對比便可以看出,電機驅動為主、發動機驅動為輔的DMi混動的節能效果要優于發動機驅動為主、電機驅動為輔的日系混動。

  實車對比給出的也是類似的結論。比如比亞迪的秦plus,用戶實測百公里油耗3.9L,卡羅拉雙擎的數據則是5.2L。

  這倆車尺寸、重量、價格、配置都是半斤對八兩,在市場上也是針尖對麥芒。所以,這里一沒有民族大義,二沒有對日系車節能傳統的執迷,是兩者技術路線的差異,導致了不同的成績。

  豐田THS的出發點是通過電機調節扭矩,輔助發動機工作在高效區。其“行星齒輪組”構思精巧,盡顯機械之美秒,機械傳動,動力分流,堪稱一代“神器”。

  但從本質上,它走的是從燃油車到油電混動的改良主義。

  這倒不是因為豐田驚艷絕倫的工程師們智商有問題,而是因為,THS系統問世時,三電技術實在還很拉胯,電池和電機不具備單獨驅動汽車的實力,只能默默地站在發動機的陰影里。

  反觀比亞迪,DMi是從純電動革命而發起,針對充電軟肋和電池現狀,因勢利導,遵循的是從純電動到插電混動的邏輯。

  也許在發動機這個單項上,比亞迪還暫不能跟底蘊深厚的豐田比,但大容量功率型刀片電池充放電特性的優異,再加上響應迅速、可瞬間爆發的大功率電機,助力DMi登上了比THS更高的階梯。

  綜上,豐田混動廉頗老矣。

  不過,雖然無法匹敵比亞迪,但憑借著對燃油車的節能優勢,豐田依然烈士暮年,壯心不已,保持了不錯的銷售成績。

  

  插電混動,風頭正盛

  在插電混動這個領域,中國廠商是真真正正實現了對歐美日韓的彎道超車,對此最有發言權的便是船夫哥。

  船夫哥掌舵的比亞迪左手刀片電池,右手八合一電驅,再加上不俗的電控實力,大鵬一日同風起,飛搖直上九萬里,其DMi迅速成了插混界的當紅炸子雞。

  前文說過,DMi走的是從純電動到插電混動的降級路線,以大功率電機、大容量電池配插混專用發動機,通過各種工作模式的無縫切換,最終實現了少用油、多用電,讓發動機成了動力的輔助部件。

  在這里講一講工作模式的切換,也正好給增程式電動來個鋪墊。

  DMi混合動力系統設計了純電模式、串聯模式、并聯模式、發動機直驅模式和動能回收模式,何時切換,向哪個模式切換,主要取決于整車行車功率需求、電機功率、車速、電池SoC四大條件。

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  具體而言,當整車行車功率需求小于電機功率時:

  電池SoC較高時,發動機不起動,電池供電,電機驅動,此為純電模式,一般用在起步或低速行駛;

  電池SoC較低時,發動機帶動發電機發電,直接驅動電機,同時,富余的功率給電池充電,此為串聯模式,一般用于中低速行駛;

  電池SoC較高時,發動機和電池供電的電機共同驅動前軸,此為并聯模式,一般用于高速超車或超高速行駛;

  看到有的朋友說,并聯模式是發動機驅動前軸,電機驅動后軸,前后共同發力,其實這是一個誤解,因為比亞迪DMi的車型沒有后電機;

  電池SoC較低時,電池停止放電,發動機直接驅動(不是發動機帶動發電機,再由電機驅動),同時,多出的功率給電池充電,此為發動機直驅模式,一般用于高速巡航。

  從這里也可以看出,比亞迪DMi的背后是沉淀多年的電池、電機和電控技術,通過電子電氣的方式實現動力分流,電機是主角,發動機是配角。相比之下,豐田THS主要通過機械方式實現動力分流,發動機是主角,電機是配角。

  電池、電機攪動了時代的風云,歷史見證著豐田和比亞迪的王者交替,傳來一聲長長的嘆息。

  

  增程混動,別有洞天

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  圖源 | Audi

  在油電混動、插電混動和純電動的混戰里,還存在第四條技術路線-增程式混動。

  這種混動方案的突出特點是發動機和傳動軸完全解耦,只用來發電,由發電機和/或電池組給電機供電,完成對車輪的驅動。

  由于發動機和傳動軸不存在物理性的連接,所以,在上節講過的插電混動的四種動力模式中,增程式混動不支持發動機直驅模式,在并聯模式上也存在一定的差別:增程發動機帶著發電機給電機供電,同時電池組給電機供電,使得電機可以以較大的功率輸出,以滿足當下的功率需求。

  這種動力構型和工作模式,使得增程式混動的優點很明顯。

  能量流的傳遞路徑單一,動力系統的變速箱和傳動機構設計比較簡單,發動機大部分時間不啟動,啟動后可以始終工作在高速區間,跟發動機密切相關的NVH控制也變得很容易實現。

  和純電動汽車相比,增程混動可以讓動力電池組處于淺充淺放的工作區間,從而提高電池壽命,在這個動力電池價格飆漲的特殊歷史時期,這個優勢突然變得非常明顯。

  它的缺點同樣顯而易見。

  因為只有電機驅動,所以,為了滿足各種工況下的動力需求,必須采用大功率電機,同時,為了盡量工作在最為省電的純電模式,電池包比較大。

  在電池電量不足的情況下,汽車動力性完全受制于發電機的功率,在高速巡航、爬長坡、急加速等場景下,增程式動力不足的劣勢暴露無遺。

  不過,雖然有著這樣那樣的缺點,增程式的車型代表-理想One、問界M5-依然取得了不錯的市場表現,強勁的銷量足以證明:增程式混動這條技術路線,同樣有著相當大的生存空間。

  寫在最后

  在這場由混合動力邁向純電動汽車的競賽里,國產廠商第一次走上了舞臺中央,引領著世界前行的方向。

  在這場電動汽車的亂戰、混合動力的春秋戰國里,油電混動、插電混動和增程混動的表現可圈可點,憑著品牌的宣傳、過硬的節能表現,均打下了自己的一方洞天。

  



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