百变星君——混合动力技术的多样性

汽车有友论 2024-08-29 15:02:34

混合动力技术拥有庞大的技术分支与车辆构型。在实现节能减排的目标路上,工程师将混合动力技术打造成“百变星君”,衍生出了各式各样技术手段和实现路径。其实沉心细品各种技术分的差异,能体味到一种神奇的异曲同工之妙。

主流混合动力车型参数对比(信息源:网络公告)

汽车领域 “弃油从电”是大势所趋,但从油到电断然无法一蹴而就。从油与电两种技术中提取各自优势,加以耦合利用的混合动力技术(下简称:混动技术),出现的时间很早,但真正发展时间却很短。曾一度被认为属于高不成低不就的“过渡技术”,只能“艰难”地生存在倔强的内燃机技术和疯狂的纯电技术夹缝之中。知识没想过在内燃机技术节节败退的当口,不争气的纯电动技术却因基础设施以及成熟度,无法乘胜追击。这让原本的夹缝变得异常宽敞。比内燃机更节能减排,比纯电更加安心,让不少企业重新把目光投向了混合动力,自然而然也就创造出了一系列的混动技术。

主流混合动力系统及功能对比(图源:网络)

混动技术如何分类

Px结构的电机可存在于系统不同位置

混动技术的核心任务,是处理好内燃机与电动机,两套不同动力源之间协同工作的关系。经过不断尝试调整一步一步摸索出来的各类构型以及彼此协调比例,衍生为如今各具代表的系统方案。由于对技术关注的着眼点不同,如今对混动技术存在多种分类方法。最简单的就是按照是否具备外接充电功能区分。拥有称为插电式混动PHEV,反之则是油电混动HEV,这种分类因无法具体体现技术结构,更多为被商业销售采用;其次是按照油电混合程度划分,也就是所谓的微混、轻混、中混、重混、全混等区分,然而这种划分方式较为笼统,也没有太过具体的划分比例标准。

混合动力就是一位“百变星君”

如今广泛采用的分类方式,是通过对动力系统结构形式进行划分,简单来说就是根据内燃机与电机的连接形式,把系统结构划分成串联式、并联式以及串并联式(混联式)。相比于前面两种分类方式,这种划分有着较强的结构区分,基础理论也更为严谨。其实业内还有一种更加直观的“Px电机架构”分类方式,即按照系统内电机所处位置(Position)来区分。只不过混动技术之中或许只有一台内燃机,但很有可能拥有不止一台电机。这要是排列组合下来,会衍生出更多的分支类型。比如著名的比亚迪DM-p混动系统,在三擎四驱架构模式下,搭载了三电机与一个内燃机,每个电机都在不同的位置表演着如何把能量、动力左右腾挪的绝活。可以说Px电机结构分类方式,虽然是工程师让专业开出“极致的小花”。但对消费者来说完全弄懂意义不大,为此不在本篇赘述,有兴趣以后咱们单独再说。

以电为主的比亚迪DM-p混动架构

串联式混合动力系统(Series Hybrid System)

雪佛兰Volt的混合动力结构

串联式混动技术是历史上出现得最早的一种混动技术,其结构特别简单,系统中的内燃机并不是为直接驱动车轮准备,而是保障发电机发电,提供给电动机所用驱动车轮。形象一点就是内燃机和发电机组成 “充电宝”,为驱动电机提供源源不断动力来源。简单记忆法:“内燃机只发电不驱车”。常说的增程式其实就是串联式混动技术的特殊形式,与普通串联式区别在于原始开发平台,增程式以纯电平台为基础增加发电系统并可外接充电,普通串联则多以燃油平台为基础,增加电驱动系统。有意思的是如今许多企业会为自己产品冠以 “增程式电动汽车”的叫法,所以对于这种技术到底属于混合动力还是纯电动,后面另有文章。

第二代雪佛兰Volt已经具备插电能力

串联式简单的构型,令内燃机排量更小,并且不参与驱动的内燃机仅需单一顾及带动发电机充电,能始终在最佳工作区间运行,低速或者拥堵路段则使用更环保的纯电驱动,这些都让燃油经济性得到有效提高。而劣势也十分直观,机械能到电能再到机械能,每次转换都会有所损耗,为此能量利用率偏低,大功率电机外加内燃机以及容量较大的电池也会令成本更高。幸好随着电动机技术与电池技术的发展,这些劣势正在逐步减少。

雪佛兰Volt 的电池组

并联式混合动力系统(Parallel Hybrid System)

奔驰的柴油混合动力系统

并联式混动技术就是系统内同时具有发动机+变速器,以及电动机+电池包两套动力总成,两套系统可以同时或单独驱动车辆。两套动力并联连接至传动系统,根据行驶条件和需求进行动力分配。典型的并联式技术通常包括一个较小的电动机和一个传统的内燃机(如今已经有越来越多优秀的混合动力专用发动机),而电动机通常会位于变速箱和内燃机之间。整个系统之中极为关键的一点就是动力耦合部分,对于变化万千的不同工况环境,发动机和电动机该在何时独力,又该在何时协同联手为车辆提供动力,极其考验主机厂的技术实力。

奔驰的轻度混合动力发动机

并联式系统有着不少出色的产品,比如基于本田IMA(Integrated Motor Assist)系统的本田Insight和雅阁混合动力就是典型代表。

现代Ioniq HEV的动力总成系统配置

复合式混合动力系统(Series-Parallel Hybrid System)

eHEV 本田原创混合动力系统

复合式混动技术也被称为“串并联混动技术”,或者更为学术以及直观的叫法“功率分流混动技术”。顾名思义这是一种结合了串联式和并联式混动技术,双方优点的复合构型。内燃机和电动机既可以独立工作,也可以协同工作。车辆在不同的工况环境下灵活切换驱动模式,以达到最佳的燃油经济性和动力性能。由于可以单独或共同使用电动机和内燃机,系统能够在不同驾驶条件下保持高效能,比如在低速时使用电动机,在高速时使用内燃机。续航里程相比纯电动汽车更长。减少对充电基础设施依赖。这一点直击如今纯电动车市场的主要痛点。

本田 Insight-IMA发动机剖面图

与单纯串联式或者并联式混动技术相比,复合式系统复杂程度最高,涉及零部件数量也最多。工程师必须对多个动力源在体积、重量、集成度以及成本上做出综合考量,为此有很高的技术门槛,特别是负责功率分流部分的系统以及软件研发方面能力,直接影响到整套系统在具体工况下的性能表现。大量的零部件有时候让设计人员不得不在整体重量上做出妥协,为此复合式混动系统的电池容量通常不大,纯电续航能力较短。

上汽EDU混动系统

复合式混动技术可能是如今涵盖品牌车型最多的分类。比如最早成功打开商业市场的丰田普锐斯,其所依托的丰田的THS-II(Toyota Hybrid System II)就是复合式混动技术的经典代表,通过智能控制系统在并联和串联模式之间切换,不但高效节能,还适应多种驾驶条件。

结语:

主要国家与地区未来车辆销售占比(来源:波士顿咨询集团)

混合动力技术从早期不被看好,到如今多种异曲同工的路线遍地开花,被社会所广泛接受。其深层次的意义在于,这一过程不仅体现了技术创新和进步的力量,还反映了社会对环保和可持续发展的追求,同时通过提供多样化的能源利用方式和驾驶体验,推动了汽车工业的转型与升级,也促进了全球能源结构的优化和环境保护目标的实现。

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