混合动力不是过渡技术 新能源只有弯道 没有超车

汽车动力总成之家2022-06-05 06:33:16

序  言

2017年插电混动车型在新能源乘用车中占比尚不足20%,但截至目前其今年1-11月累计销量在新能源乘用车中占比已经提升至26.3%。根据今年1-11月累计销量数据,纯电动车型销量完成了69.4%的同比增长,而插电混动车型则达到了147.7%,后者是前者2倍还多。

同样是新能源车,差别咋就这么大呢?


事实上新能源汽车市场内部其实也暗流涌动,看似火爆的纯电动车其实在并没有插电混动车的增长形势好。首先,在政策方面,补贴退坡与双积分政策相对来说是对纯电动车型更为不利的。其次在厂家方面,燃油车向插电混动车转型成本增加相对较少且节能效果明显,同时产业化条件要求相对较低,不需要另建基础设施,在转型中还可积累电池、电机、电控经验为纯电动车发展积累经验。最后在消费者方面,插电混动车型完全可以借助纯电模式满足日常短途行驶,且又能在长途驾驶中放心使用,作为国家推广的新能源车动力类型之一,在大部分地区都能享受免购置税、不限行、不限购等政策福利,因此综合当下各方方面因素,插电混动车型的强势表现也就不难理解了。


一  新能源汽车的四种技术路线


1
纯电技术路线

纯电动汽车BEV(Battery electrical vehicle)路线。

电动汽车100面前就已经诞生了,当时的内燃机技术相当落后,燃油汽车行驶里程短,故障多,维修困难等。而电动汽车不仅安静、无尾气、无需换挡、直接启动、维修方便……优点多多,直接甩燃油汽车N条街!所以,在1895-1905的十年间,电动汽车就抢占了30%-50%的汽车市场份额。

我国大力发展电动车还有一个考量:合资形式并没有让我们掌握汽车工业的核心技术,如果能在电动车领域发力,走出一条自己的发展道路,“弯道超车”就有可能让中国的汽车工业在未来占得先机。并且中国的水电和核电都技术先进,火力发电的燃料煤也多,因而为此出台了一批鼓励政策,力度很大。

丰厚的补贴、政府政策的鼓励和硬性引导,使得中国市场成为全球电动车的沃土,许多汽车初创公司也开始加入电动车大军,如车和家、威马、前途、蔚来、拜腾、云度等,出现了一批“造车新势力”。

2
内燃机增效技术路线

所谓热效率就是发动机中转变为机械功的热量与所消耗的热量的比值。1892年,鲁道夫·迪塞尔发明了压燃式四冲程内燃机,使用柴油作为燃料,当时直接将热效率提高了一倍。不过发动机的热量几乎有一半损失在发动机的冷却和排气上,内燃机发明100多年以来,汽油机的最大热效率曾经长期在30%左右徘徊。

提升汽油发动机的热效率主要从四个方面着手,一方面是提高压缩比,或是采用直喷技术,还可以提高废气再循环率(EGR),另外还可以考虑阿特金森(米勒)循环。

早在1993年,马自达公司重拾米勒循环技术,并将“米勒循环”注册成了商标,其他厂家在产品层面自然也都不能使用了,虽然大家用的都是米勒循环的原理,不过大体效果也都与阿特金森循环相近,所以大家就都使用阿特金森循环的命名方式了。

近年来,马自达和丰田相继在内燃机热效率上取得突破,马自达的创驰蓝天(SKYACTIV-X)汽油发动机最早将最大热效率推进到了38%。据丰田官方公布新开发的2.5L汽油车发动机及混合动力车(HEV)发动机的热效率分别达到了40%和41%。

马自达、丰田不约而同的把未来的目标设定到50%,单从碳排放来说,50%的热效率其实要比纯电动车更环保了。

3
混合动力技术路线

定义:混合动力技术包含HEV(混合动力)和PHEV(插电式混合动力),曾经被认为是一种过渡的汽车技术。但事实上,2016年上市的丰田四代普锐斯采用最大热效率40%的发动机后,油耗已经降低到百公里2.5L,排放已经远远低于纯电动车!

广义上说,混合动力汽车(Hybrid Vehicle)是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆,车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系统单独或共同提供。

通常所说的混合动力汽车,一般是指油电混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV),即采用传统的内燃机(柴油机或汽油机)和电动机作为动力源,也有的发动机经过改造使用其他替代燃料,例如压缩天然气、丙烷和乙醇燃料等。

混合动力技术是一个汽车动力控制系统的变革而不仅仅是它是哪几种能源形式的混合,油电混合是混合动力,氢动力和电力混合也是混合动力,这些能源随着人类的不断探索会有变化,但在动力的控制系统上,我们需要掌握一套成熟的可以大批量、低成本销售的混合动力控制系统而不再是单一的动力控制系统。

混合动力汽车的分类

根据混合动力驱动的联结方式,一般把混合动力汽车分为三类

  • 串联式混合动力汽车Series Hybrid Electric Vehicle (SHEV)

SHEV是由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成,发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成SHEV的驱动系统。SHEV用发动机-发电机组均衡地发电,电能供应驱动电动机或动力电池组,使SHEV的行驶里程得到延长。实际上SHEV的发动机-发电机组只能看作一种电能供应系统,发动机并不直接参与SHEV的驱动、

  • 并联式混合动力电动汽车 Parallel Hybrid Electric Vehicle (PHEV)

PHEV是由发动机、电动/发电机或驱动电动机两大动力总成组成,发动机、电动/发电机或驱动电动机采用“并联”的方式组成PHEV的驱动系统。从PHEV的动力系统组成,可大致分为发动机-驱动系统(变速器和驱动桥)-驱动轮等,电动机的动力要与车辆驱动系统相组合。

  • 混联式(串、并联式)混合动力电动汽车Split Hybrid Electric Vehicle (PSHEV)

混联式混合动力电动汽车(PSHEV)是综合SHEV和PHEV结构特点组成的PSHEV,由发动机、电动/发电机和驱动电动机三大动力总成组成。由于电动/发电机必然是装在发动机的输出轴上,才能起发动机飞轮和起动机的作用,也才能保持发动机稳定运转并进行发电。

根据在混合动力系统中混合度的不同,混合动力系统还可以分为以下四类

①微混合动力系统

代表的车型是PSA的混合动力版C3和丰田的混合动力版Vitz。从严格意义上来讲,这种微混合动力系统的汽车不属于真正的混合动力汽车,因为它的电机并没有为汽车行驶提供持续的动力。

②轻混合动力系统

代表车型是通用的混合动力皮卡车。轻混合动力系统除了能够实现用发电机控制发动机的启动和停止,还能够实现:

  1. 在减速和制动工况下,对部分能量进行吸收;

  2. 在行驶过程中,发动机等速运转,发动机产生的能量可以在车轮的驱动需求和发电机的充电需求之间进行调节。轻混合动力系统的混合度一般在20%以下。


③中混合动力系统

本田旗下混合动力的Insight, Accord 和Civic都属于这种系统。中混合动力系统采用的是高压电机。另外,中混合动力系统还增加了一个功能:在汽车处于加速或者大负荷工况时,电动机能够辅助驱动车轮,从而补充发动机本身动力输出的不足,从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高,可以达到30%左右,目前技术已经成熟,应用广泛。

④完全混合动力系统(重混)

丰田的Prius 和未来的Estima属于完全混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机,混合程度更高。与中混合动力系统相比,完全混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。技术的发展将使得完全混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。

混合动力汽车的优点

  1. 与传统汽车相比,由于内燃机总是工作在最佳工况,油耗非常低。

  2. 内燃机主要工作在最佳工况点附近,燃烧充分,排放气体较干净;起步无怠速(怠速停机)。

  3. 不需要外部充电系统,一次充电续驶里程、基础设施等问题得到解决。

  4. 电池组的小型化使成本和重量低于电动汽车。

  5. 发动机和电机动力可互补;低速时可用电机驱动行驶。

在目前的技术水平和应用条件下,混合动力汽车是电动汽车中最具有产业化和市场化前景的车型。混合动力汽车采用内燃机和电动机作为混合动力源,它既有燃料发动机动力性好、反应快和工作时间长的优点,又有电动机无污染和低噪声的好处,达到了发动机和电动机的最佳匹配。

混合动力车型是电动车的基础。混合动力有五个关键技术,分别是:电池、电机、制动回收系统、发动机、变速箱,而前三项恰恰正是电动车的三个关键技术,混动技术研究好了,就能水到渠成的发展到电动车。以第四代插电版普锐斯为例,电动模式下EPA循环电耗为120MPGe,比目前最省电的电动车电耗还低。可见丰田通过混合动力积累了先进的电动车技术。

根据国家要求2020年车企平均油耗降至5.0L/100km,2025年4.0L/100km的要求,研发高效率机电混合的系统必然是未来的方向之一。

4
燃料电池技术路线

燃料电池汽车(FCV:Fuel cell vehicles)

定义:燃料电池汽车是一种用车载燃料电池堆装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较, 其动力方面的不同在于FCV 用的电力来自车载燃料电池装置 。

这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的, 只要阳极不断输入氢气, 阴极不断输入氧气, 电化学反应就会连续不断地进行下去, e-就会不断通过外部电路流动形成电流, 从而连续不断地向汽车提供电力。

与传统的导电体切割磁力线的回转机械发电原理也完全不同, 这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。因而, 燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点, 这确保了FCV 成为真正意义上的高效、清洁汽车。

简单表述一下:燃料电池汽车也可以算作电动汽车,但你可以在五分钟内给电池灌满燃料,而不是等上几个小时来充满电。

燃料电池汽车也是电动汽车,只不过“电池”是氢氧混合燃料电池。和普通化学电池相比,燃料电池可以补充燃料,通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料,但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。

燃料电池的工作原理:燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。

发电的基本原理是:电池的阳极( 燃料极) 输入氢气( 燃料) , 氢分子( H2) 在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子( H+ ) 和电子( e-) , H+ 穿过燃料电池的电解质层向阴极( 氧化极) 方向运动, e-因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极。

在电池阴极输入氧气( O2) , 氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子( O) , 与通过外部电路流向阴极的e-和燃料穿过电解质的H+ 结合生成稳定结构的水( H2O) , 完成电化学反应放出热量。

燃料电池特点

与传统汽车相比,燃料电池汽车与传统的内燃机驱动汽车在构造及动力传输等方面的不同, 为汽车的整体设计提出了新的要求。

传统内燃机汽车的发动机----变速器动力总成在燃料电池汽车中不复存在, 取而代之的是燃料电池反应堆、蓄电池、氢气罐、电动机、DC /DC 转化器等设备。而制动系统和悬架也相应变化。因此, 根据燃料电池汽车自身特点,在设计时, 应作相应的变化和改进。

燃料电池汽车具有以下优点:

1、零排放或近似零排放。

2、减少了机油泄漏带来的水污染。

3、降低了温室气体的排放。

4、提高了燃油经济性。

5、提高了发动机燃烧效率。

6、运行平稳、无噪声。

日系车企在燃料电池路线拥有比较优势

因此, FCV 的关键是燃料电池堆。在这个方面,丰田走在世界前列,早在2014年底,丰田首款氢燃料电池车Mirai已经率先在日本进行销售。

补贴后的价格只相当于低配的皇冠。现代也不甘落后,2013年就推出了ix35 FCV车型。现代汽车新一代氢气燃料电池SUV FE已经上市,续航里程800公里,功率120千瓦。

除了电池堆和储氢罐,燃料电池系统还包括很多其他的关键部分,比如动力控制单元、2次驱动电池、驱动电机等等,这些在丰田混动车型上都有,Mirai所采用的2次驱动电池,就与新款普锐斯的完全一样。没有在混合动力领域的长期技术积累,就不可能有Mirai。

Mirai在日语里意为“未来”,丰田希望在新能源领域开拓新蓝海。在其它厂家纷纷专注于电动车的时候,Mirai可以看做是丰田对未来的押宝。

值得一提的是,在Mirai投产的同时,丰田宣布将开放氢燃料电池技术专利的使用权,未来全球范围内的汽车制造商是和零部件供应商将可以免费使用丰田的氢燃料技术专利。其中,包括Mirai的1970项关键技术。

燃料电池汽车整车技术特点

底盘布置

燃料电池动力总成包括: 氢气罐总成、蓄电池总成、燃料电池堆总成、动力输出系统总成等。其中, 储氢罐一般放置于底盘的中部, 或后排座椅的下方空间(传统内燃机轿车的油箱位置) , 将氢气罐分散存储。


除了燃料电池动力总成外, 对汽车制动总成、前后悬架总成及轮胎等方面也应作相应的调整和测试。特别是随着轮毂电机技术的发展, 使燃料电池汽车在电动机的放置有了新的选择, 增大了汽车内部空间。

而各电动轮的驱动力也可直接控制, 提高恶劣路面条件下汽车的行使性能。底盘布置应把绝大多数的负载均匀分配在底盘的前后端, 降低车辆的总体重心, 使轿车具有良好的操控性能, 并改善车辆的整体安全性。

管理系统

燃料电池汽车的动力系统一般由质子交换膜燃料电池、蓄电池、电机和系统控制设备组成。燃料电池所生成的电能经过DC /DC 转换器、DC /AC逆变器等的变换, 带动电机的运转, 将电能转变为机械能, 为汽车提供动力。

在一些关键部件, 如质子交换膜燃料电池和蓄电池等, 其热特性及传热性质与传统汽车有着很大的不同, 为燃料电池汽车的水、热管理提出了新的目标和要求。

电子控制

与传统汽车相同, 电子控制在燃料电池汽车的发展中也将起着越来越重要的作用。汽车的各种操纵系统都会向着电子化和电动化的方向发展, 实现“线操控”, 即用导线代替机械传动机构,如“导线制动”、“导线转向”等.

现有的12V 动力电源已满足不了汽车上所有电气系统的需要, 42V汽车电气系统新标准的实施, 将会使汽车电器零部件的设计和结构发生重大的变革, 机械式继电器、熔丝式保护电路也将随之淘汰。

同时, 燃料电池的特性有其自身的特点:

  1. 电压低, 电流大;

  2. 输出电流会随温度的升高而升高, 输出电压会随输出电流的增大而下降;

  3. 从开始输出电压、电流到逐渐进入稳定状态, 停留在过渡带范围内的动态反应时间较长。

正是由于以上特点, 大多数电器和电机难以适应其电压特性, 所以必须和DC /DC 变换器和DC /AC 逆变器配合使用, 需要对燃料电池系统进行大量的功率调节以保证电压的稳定。

所以, 车辆可采用42V 的辅助电源独立地为各种电子、电气设备提供电能。由于燃料电池汽车较之传统内燃机汽车在驱动方式上有着本质的区别, 所以在底盘布置、水热管理、电子控制等诸多方面的设计也有着很大的不同。


二    新能源汽车只有弯道 没有超车

“弯道超车”的说法,前提是当年不管是国际品牌还是自主品牌均在量产电动车这一领域没有太多经验,认为在那个时间节点下,自主品牌和国际品牌是站在同一起跑线上的,不像传统燃油车,比人家起步晚几十年。不过细细想来,这个假设并不成立。

丰田在1997年推出第一代Prius普锐斯,已经开始和电机电池打交道,全球超过1000万辆的累计销量基础,积累了成熟的电池控制技术和大量的专利保护,丰田想进入电动车领域,基础可以说是雄厚的。

日产是在1992年左右开始锂电池技术的研究,经过10多年的积累,在2003推出第一代聆风,在2013-2016年该车成为全球最畅销EV车型,累计销售超过20万辆。别人的起步还是比我们早很多。

自主品牌在电动车领域与国际品牌差距并不大,电动车赖以发展的关键技术是电池,与日韩锂电池巨头相比,比亚迪在动力电池专利储备绝对数量、技术分布以及市场占有率等方面还存在一定的差距。

回归到电动车本身,其驱动由汽油发动机转换为电机,但本质上作为一辆车,人们对它的设计、制造工艺、品质管控和驾驶体验提出的要求,与燃油车是不会有太大的变化的。自主品牌目前推出的新能源车,在以上提到的几个方面的表现仍是差强人意。这也是自主品牌在新能源领域,想要超过国际品牌最大的挑战。

“弯道超车”究竟效果如何,尚待观察。不过电动车也是车,除了动力系统外,底盘、车身、电气都是四大组成部分,任何一部分都需要长期的技术积累。上述国外汽车巨头都在电池和电机的研发上投入巨资。弯道是肯定有的,是否能超车还比较悬。

过去20年,丰田是唯一新能源路线没有动摇过的汽车巨头。一直在按内燃机提效—混动—插电混动—FCV的路线在稳步前进。并在这个过程中不断积累技术,从而可以造出各种技术领先的新能源车辆。哪怕是沉迷于内燃机增效的马自达,也想通过与丰田的合作,最终搞出氢转子发动机。

所以不管是采取什么新能源路线,都不能顾此失彼,政府可以大力引导发展新能源,但具体走那条路,还是应该把决定权还给市场。市场在资源配置中起决定性作用,因为完全竞争市场的资源配置效率是最高的。

作者:驱动视界  来源:呆萌汽车girl(ID:BoWanLab)