油電混動汽車技術路線到底孰優(yōu)孰劣?
每隔一段時間,市場就要為混動這個話題吵上一輪。
從混動本身的價值到不同技術路線的優(yōu)劣之分,在燃油車與純電動車之間,混動不僅在銷量上開始與純電動汽車分庭抗禮,在吸引輿論關注上,混動更是有著青出于藍勝于藍的潛力。
7月,馮思瀚在卸任大眾集團(中國)CEO前,時隔兩年再批增程式混動,稱增程式是過渡技術,大眾不會采用。
而不久前,李瑞峰也剛剛完成對余承東的隔空喊話,再次為增程式到底先進還是落后爭了個面紅耳赤。
由于近兩年各家車企扎堆推出混動車型,多種技術名詞和參數(shù)爭相亮相。從增程到插電混動,從發(fā)動機到變速器,從純電續(xù)航到擋位數(shù),不禁看得人眼花繚亂。
對普通用戶來說,這些到底意味著什么?混動值得買嗎?買什么技術路線的產(chǎn)品?購買時又要注意哪些問題?
而對關注行業(yè)的人來說,多位業(yè)內(nèi)大佬一次次為不同路線爭執(zhí)不下到底在爭什么?
在8月8日召開的第十四屆國際汽車變速器及驅(qū)動技術研討會(TMC2022)上,北京航空航天大學交通科學工程學院教授徐向陽教授與J.D. Power中國區(qū)汽車事業(yè)部總經(jīng)理楊濤分別從技術路線和用戶角度詳細解讀了混動這一動力形式。
這一篇,我們就借著兩位專家的演講來從頭扒一扒混動這件事兒。
01 在消費者眼中,混動車都有什么問題?
首先,我們來看用戶層面對混動的認識。
就市場反饋來看,2022年上半年,中國市場新能源汽車銷量達260萬輛,同比增長1.2倍,其中插電式混動銷量為53.6萬輛,同比增長1.7倍。雖然市場份額不及純電動車型,但混動車型的增速明顯,市場占比也在迅速擴大。
J.D. Power中國區(qū)汽車產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理楊濤認為,雖然新能源汽車未來發(fā)展的目標一定是純電或氫能源等清潔能源,但從目前的市場來看,要解決純電動車型面對的問題,實現(xiàn)其完全普及還需要一定的時間。因而,混動技術應該還有較長時間的生命力,而這個較長的時間,至少以十年計。
從用戶側體驗來看,根據(jù)J.D. Power的數(shù)據(jù),在對整車的質(zhì)量體驗上,無論油電混動(HEV)還是插電式混動(PHEV),其質(zhì)量體驗都和燃油車相仿。而在整車魅力上,近兩年的趨勢是PHEV的魅力值大于HEV大于燃油車。
J.D. Power數(shù)據(jù)顯示,今天新能源車的銷量46%由90后貢獻。而在車型外觀上,PHEV會更加大膽,因而也更受90后消費者的歡迎。
而至于技術路線之間的區(qū)別,對用戶來說,技術為產(chǎn)品服務,技術的發(fā)展最終也要落實在用戶體驗上。
據(jù)J.D. Power調(diào)研顯示,用戶對HEV車型動力質(zhì)量的抱怨主要還是在于油耗、動力不足、異響以及換擋平順性問題。而對PHEV的抱怨則主要是集中在電池上,包括充電慢、純電續(xù)航里程低于官方數(shù)據(jù)、剩余純電續(xù)航里程估值不準確等純電車型常見的問題。此外,動力不足、有異響、換擋不順也同樣是PHEV面臨的問題。
因而,整合到技術層面,混動系統(tǒng)的動力性、燃油經(jīng)濟性和換擋平順性都與用戶體驗息息相關。
那么,不同技術到底會如何影響用戶體驗?
首先我們來看不同技術路線的區(qū)別。
02 混動技術路線之分
從技術角度來看,混動技術路線主要分為串聯(lián)式、并聯(lián)式與混聯(lián)三種,其中混聯(lián)又可分為串并聯(lián)和功率分流兩種模式。
串聯(lián)模式即我們熟悉的增程式。其結構由分別用作發(fā)電機和驅(qū)動電機的兩臺電機與一臺用于發(fā)電的發(fā)動機組成。發(fā)動機只負責發(fā)電,帶動電機實現(xiàn)驅(qū)動,發(fā)動機不直接驅(qū)動車輛。代表車型如理想ONE,不過需要指出的是,理想ONE搭載有三臺電機,其中一臺用作發(fā)電機,另兩臺用作驅(qū)動電機。
并聯(lián)模式為單電機模式,通常有P2,P2.5和P3電機模式。P2模式下,電機安裝在變速箱的輸入端,即變速箱之前,在發(fā)動機與變速箱之間。P3電機安裝在變速箱的輸出端,即變速箱之后。P2.5顧名思義就是既不在變速箱之前,也不在變速箱之后,實際是耦合在雙離合變速器結構中。
P2模式示意圖
在并聯(lián)模式下發(fā)動機直接驅(qū)動車輛,不用于發(fā)電,通常有多個檔位。電機也可直接驅(qū)動車輛。代表技術如采用P2路線的長安藍鯨iDD。
混聯(lián)模式下的串并聯(lián)模式為雙電機模式,發(fā)動機與電機均可直接驅(qū)動車輛,同時發(fā)動機也能用作發(fā)電為電機供電。此外,發(fā)動機與電機均可以有多個擋位。代表技術如長城檸檬混動DHT。
而功率分流模式同樣為雙電機結構,指的是將發(fā)動機的功能分為兩個支流,分別以機械功率流和電功率流的形式驅(qū)動車輛。電機與發(fā)動機均可直接驅(qū)動車輛。功率分流模式也可分為單模功率分流與雙模功率分流等,代表車型為豐田普銳斯。
豐田普銳斯功率分流混動系統(tǒng)功率流
多種技術路線均同樣適用于HEV和PHEV。
03 各路線的優(yōu)缺點對比
那么,各個技術路線都有什么優(yōu)缺點?以及各家車企讓人眼花繚亂的宣傳語中都藏了什么玄機?
首先,從理論角度來看,串聯(lián)式由于只用電機驅(qū)動,可以獲得電動車的駕乘感受,在動力平順性和NVH方面表現(xiàn)良好。而且,由于驅(qū)動電機結構簡單,傳動效率高。發(fā)動機不直接參與驅(qū)動,因而其運行效率與車速無關,可以一直在高效區(qū)間運作。
但缺點同樣也是由于發(fā)動機不直接參與驅(qū)動,在高速工況下,由于電機本身的特性,能量消耗大。同時,發(fā)動機要先將機械能轉(zhuǎn)化為電能,再由電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能,能量流動路徑長,也導致油耗增高。而且,在B級以上的乘用車上,串聯(lián)式的油耗也會明顯增加。此外,在虧電狀態(tài)下,串聯(lián)式混動結構的動力性較差,高速工況下的NVH也較難控制。
并聯(lián)模式的優(yōu)點是發(fā)動機和電機都能對車輛直驅(qū),且可多檔調(diào)速,因而動力性好。低速工況下純電驅(qū)動,中高速工況下發(fā)動機直驅(qū),可保證電機和發(fā)動機都運行在最佳工作區(qū)間。
高速時發(fā)動機能隨時直驅(qū),能量路徑短,油耗低。而且,同樣由于發(fā)動機能隨時介入直驅(qū),車輛動力性受溫度影響小,因而適應性好。
其缺點則是變速結構復雜且擋位多。一般采用并聯(lián)模式的混動系統(tǒng)通常都有6-9擋變速,因而對于變速結構的要求較高,控制較為困難。如果是橫置發(fā)動機,并聯(lián)系統(tǒng)由于軸向尺寸較大,緊湊性設計難度大,也會占用較多空間,導致布局困難。此外,由于是單電機系統(tǒng),發(fā)電和驅(qū)動不能同時進行。
串并聯(lián)模式的優(yōu)點是減速結構簡單,傳動效率高。同時,發(fā)動機可用作發(fā)電,不參與直驅(qū),因而可保持在高效區(qū)間運作。在低速工況下可實現(xiàn)純電驅(qū)動,駕乘感受良好。
此外,對于單擋變速機構,由于結構簡單,平順性好易控制,而多擋變速機構雖然結構較為復雜,但燃油經(jīng)濟性高。
其缺點在于發(fā)動機需要達到一定車速才能并入驅(qū)動,導致動力性受限。同時,在高速工況下,發(fā)動機需要達到一定功率才能并聯(lián),而串聯(lián)模式下由于能量流動路徑長,加之電機本身的特性,會導致油耗較高。此外,多擋串并聯(lián)結構會增加系統(tǒng)的復雜性,其平順性和NVH控制就相對較難。
功率分流模式的優(yōu)點是,發(fā)動機也可不參與驅(qū)動而只用作發(fā)電,因而可以不受車速影響,保持在高效區(qū)間運作。此外,由于其采用無級變速,整體平順性和舒適性都較好。
缺點是減速機構復雜,控制難度大。而且,由于發(fā)動機、電機轉(zhuǎn)速高,NVH差。此外,采用功率分流模式的車型動力性相對較弱,不適合B級以上的車型。
從理論角度來看,各技術路線各有優(yōu)缺點。那么,在實際應用中,對于用戶最為關注的動力性和經(jīng)濟性表現(xiàn),各技術路線之間的區(qū)別到底如何?
04 到底哪種技術更優(yōu)?
徐向陽和北航智能傳動研究中心團隊利用動態(tài)規(guī)劃和仿真對不同路線在確定參數(shù)下的動力性和經(jīng)濟性進行了比較。
團隊選擇分別可代表城市工況、標準工況和高速工況的三種典型工況,分別以A級車、B級車、C級車三種車型進行對比。結論基于在動態(tài)規(guī)劃的仿真平臺上進行的仿真分析,采用全局最優(yōu)的能量管理策略,動態(tài)規(guī)劃算法,以消除由于能量管理策略不同對構型產(chǎn)生的油耗的影響。
從結論來看,在動力性和經(jīng)濟性表現(xiàn)上,多擋位串并聯(lián)最優(yōu),其次是雙模功率分流,再次是P2并聯(lián),然后是單擋串并聯(lián)、單模功率分流,串聯(lián)構型表現(xiàn)最差。
從具體分析來看,首先是串并聯(lián)結構與串聯(lián)結構之間的對比分析。
通過對三種車型在三種駕駛工況下的綜合對比發(fā)現(xiàn),串并聯(lián)混動的燃油經(jīng)濟性要明顯優(yōu)于串聯(lián)混動系統(tǒng);其次,在功率需求較大的高速公路上行駛時,串并聯(lián)混動系統(tǒng)的節(jié)油潛力要比串聯(lián)顯著;串并聯(lián)混動和串聯(lián)混動系統(tǒng)的燃油消耗差異在A級車城市工況下是最小的,而B級以上的車型在高速工況下,其燃油消耗性差異明顯增大。
單純從技術角度來看,增程式確實不如目前國內(nèi)主流的插電混動。
目前,國外的串聯(lián)混動主要用在A級或A0級車上,沒有用在中大型的SUV上,因為其能耗確實較大。
其次,串并聯(lián)有不同的擋位,按照發(fā)動機三個擋位,電機三個擋位來進行仿真對比,可以看出,在綜合動力性和燃油經(jīng)濟性上,串并聯(lián)的3擋DHT優(yōu)于2擋DHT優(yōu)于1擋DHT。
目前國內(nèi)串并聯(lián)混動產(chǎn)品中,擋位主要分為1擋,2擋和3擋。團隊也研究了增加擋位對燃油經(jīng)濟性的影響。結果發(fā)現(xiàn),增加發(fā)動機的驅(qū)動擋位對燃油經(jīng)濟性的改善,要比增加驅(qū)動電機的擋位數(shù)量更有優(yōu)勢。
但徐向陽表示,擋位數(shù)并不是越多越好,增加到4個,5個,6個擋位后,雖然仍會改善,但邊際效應會降低,還會導致系統(tǒng)復雜度增加,因而3擋是一個比較理想的方案。
在動力性方面,團隊得出的結論是,增加電機的擋位數(shù)量比增加發(fā)動機的擋位數(shù)量效果會更好。
而在并聯(lián)結構下,團隊主要以P2電機路線為代表進行了研究分析。
P2路線在全球范圍內(nèi)主要以德系為代表,國內(nèi)則主要是長安一家采用。其擋位通常分為6-9擋。
徐向陽團隊得出的結論是,隨著擋位增加,不管P2電機參數(shù)如何,其對燃油經(jīng)濟性的改善并不明顯。因而,徐向陽認為,采用P2路線的話,基于6擋的變速箱即可,并不需要做到更多的7擋8擋,增加額外的成本和復雜度。
功率分流模式可分為單模功率分流和雙模功率分流。對比結果顯示,雙模功率分流在動力性和燃油經(jīng)濟性上都要優(yōu)于單模功率分流。
另一方面,據(jù)徐向陽表示,不管采用何種混動路線,提高發(fā)動機的熱效率依然是降低能耗最有效的方法。
研究對比發(fā)現(xiàn),發(fā)動機熱效率每提升5個百分點,整體混動系統(tǒng)的能耗就可以降低超過10個百分點。
因而,雖然純電是未來發(fā)展的趨勢,但只要混動存在,發(fā)動機的創(chuàng)新發(fā)展就依然有意義。
徐向陽認為,在混動技術上,未來發(fā)展的趨勢會是以多擋化的DHT和單電機P2模式為主。
從分析結果來看,多擋化的DHT和單電機P2模式在動力性和燃油經(jīng)濟性上都有不錯的表現(xiàn)。
當然,由于多擋化的DHT在變擋平順性和NVH方面會有較大的挑戰(zhàn),而單電機P2路線同樣對變速器有較高的要求。所以,就混動技術的發(fā)展而言,對變速箱與發(fā)動機的優(yōu)化依然是技術改良的重點。
05 不同技術路線都有哪些代表產(chǎn)品?
捋清了技術路線,那么,如今市面上這么多混動產(chǎn)品,到底誰家用的什么技術?我們也來大致梳理一下。
目前國內(nèi)自主品牌中采用串并聯(lián)技術的最多。由于各家技術又經(jīng)歷過不同的發(fā)展,期間也有過不同技術的交叉換代,此處我們不多加贅述,只簡單介紹當前最新的技術模式。
目前,國內(nèi)車企中采用串并聯(lián)DHT技術的包括比亞迪DM混動,長城檸檬混動DHT,吉利雷神混動Hi·X,東風馬赫MHD,北汽魔方DHT,奇瑞鯤鵬DHT和廣汽GMC 2代等。
其中,比亞迪DM混動為1擋串并聯(lián)結構,長城檸檬混動DHT、北汽魔方DHT、廣汽GMC 2代均為2擋混動,吉利雷神混動Hi·X、奇瑞鯤鵬DHT則為3擋,
長安藍鯨iDD為P2單電機模式,上汽EDU則為P2.5單電機模式。
多擋位DHT技術與單電機模式均可以實現(xiàn)較好的動力性與燃油經(jīng)濟性的平衡,前者更傾向于燃油經(jīng)濟性。而后者則有著更好的動力性表現(xiàn)。
而新勢力品牌如理想、嵐圖、哪吒、問界等則多采用了串聯(lián)式,也即增程式。
在國外品牌中,日系混動路線包括以豐田為代表的THS功率分流模式,本田的串并聯(lián)模式i-MMD,以及日產(chǎn)的串聯(lián)混動技術路線。其中,豐田采用的是單模式功率分流模式。
美系品牌中,通用采用的也是功率分流模式,不過不同于豐田的單模式功率分流,通用采用的是雙模式功率分流。
而以奔馳、寶馬、大眾、奧迪為代表的德系,則主要走的是單電機并聯(lián)路線。
以現(xiàn)代起亞為代表的韓國走的也是與歐洲類似的P2并聯(lián)混動技術。
從以上分析中可以看出,不同的技術有著不同的優(yōu)缺點。在特定的方面,不同技術可以分出優(yōu)缺點,但最終產(chǎn)品適合什么路線,依然是由公司定位決定。
本文來自微信公眾號“AutoR智駕”(ID:zhinengqiche),作者:黃華丹