化蛹成蝶只在今朝?混合动力技术进入新阶段

闻岩

【第一电动网】(特约作者 闻岩)2015年9月,丰田汽车公司(以下简称为“丰田公司”)在美国的拉斯维加斯正式发布了全新的第四代普锐斯车型,引发消费者和业界的极大关注。随着时间的推移,市场对新型普锐斯的期待逐渐升温,作为丰田公司代表性的环保车辆,普锐斯再一次夺走了消费者的眼球。

新型普锐斯不仅外观和内饰,车辆的动力系统也进行了升级,不出意料地再次引发购买热潮。至同年12月9日丰田公司在日本市场正式上市为止,日本市场上普锐斯的预订数量高达6万台。

值此机会,本文将以普锐斯为主线,对混合动力车(以下简称为“混动车”)这种环保车作一概述。

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1. 混动车原理

混动车,是一种同时装备了化石燃料(包括汽油、柴油和液化石油气)发动机(为避免混淆,以下简称为“内燃机”)和电动机的车辆。混动车之所以节省能源,主要原因之一就在于车载电动机在车辆刹车和下坡需减速时,发挥发电机的功能,将车辆的动能(在某些特定场合如下坡,则包括势能)转换成电能(实际上是化学能)存储起来,并作为车辆行驶时的动力来使用。通过这种手段保存能量、减少化石燃料的使用,来达到节能的目的。

从结构看,混动车中内燃机和电动机的相互关系可以分成串联式、并联式和混联式三种。

1.1 串联式混动车设计起来相对简单,内燃机运转发电,存储到蓄电池中,并驱动电动机运转。车辆的行驶是用电动机来驱动的。

串联式混动车结构简单,控制系统也比较简单。因内燃机转速和车辆速度无关,可以将内燃机转速保持在最佳燃烧效率的状态下进行发电。同时,在刹车时车载电动机可以吸收车辆行驶时的动能,达到节能的目的。

但是,串联式混动车也有很严重的不足:

首先是在同一辆车上必须同时装载接近非混动车同等马力的内燃机、全功率电动机以及一组充电电池。这样会加大整车重量。

另外,用化学能驱动内燃机发电,然后电能以化学能形式保存到蓄电池中;车辆行驶时,再将蓄电池中的化学能转换成电能驱动电动机。整个过程经过多次能量转换,不可避免地会产生损耗。

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图1 串联式混动车的能量传递模式

1.2 并联式混动车用内燃机和电动机同时驱动汽车,根据行驶状况的不同,区别使用内燃机或电动机。

如前所述,内燃机在某一特定的转速范围内,能够保持最有效的功率输出的状态。可是,如果在类似于城市的交通环境中经常需要停车和反复启动的状态时,内燃机是无法保持最佳的转速的。内燃机受结构的影响需要一定的响应时间:由于内燃机中气缸活塞、曲轴等为金属制成,重量较大,所以当驾驶员踩下油门,到内燃机转数上升车辆加速会有一定的时间差。而电动机在增加电量的同时,就可以做出转速增加的反应。另一方面,电动机在转速为零时,其转动力矩最大,随着转速的增高,其动力输出将会下降。

并联式混动车将内燃机和电动机的长处有机地结合,同时尽量避开双方的短处。在低速和启动时,采用电机驱动,而当速度达到一定的程度,则切换为内燃机驱动。其效率要高于串联式混动车。

本田公司的i-MMD系统(使用车种:Insight等)就是一款典型的并联式混合动力系统(以下简称为“混动系统”)。

但是,并联式混动车也是有其不足的。由于并联式混动车的结构相对简单,所以油耗相对较高。同时,并联式从结构上看,必须在传动系中加入离合器以接通或断开内燃机的动力输出。这样在行驶过程中,离合器的动作会产生冲击,影响到行驶的平稳性和舒适程度。另一方面,即使设置离合器,在某些行驶状况下,也存在着有电动机拖带内燃机的现象,从而造成能量的损耗。

并联式混动车在驱动时主要是以内燃机为主,电动机为辅,似乎应该称之为“电动助力汽车”。同时,由于并联式混动车在启动时需要单独使用电机驱动,所以,并联式混动车需要配置一个较大的电动机。

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图2 并联式混动车的能量传递模式

1.3 混联式混动车兼具串联式的不使用离合器、并联式避开内燃机低转速高油耗域的优点,是一种较为成熟的动力系统。本文所讨论的主题——丰田普锐斯就是采用了混联式混合动力内燃机(THS-II)。

混联式混动车在构造上,因具串联式和并联式两种驱动系统的特点,所以,在其结构复杂的同时,在动力分配控制系统方面非常复杂。

在丰田的混动系统中,还采用了两台电动机:一台是纯驱动用电机,另一台驱动和发电兼顾。这样一来,在配置较小的车载电动机的同时,可以获得较大的驱动动力。

如果做个比方(并不严密,仅用于比较说明),在维持同等性能的前提下,

串联式混动车需装载:0.8份的内燃机+1.0份的电动机

并联式混动车需装载:0.8份的内燃机+0.8份的电动机

混联式混动车需装载:0.6份的内燃机+0.6份的电动机

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图3 混联式混动车的能量传递模式

2. 普锐斯家族系谱

2.1 第一代普锐斯坎坷的登场

普锐斯首次登场,是在1997年12月。当时的笔者,并没有意识到这种车型所应用技术的与众不同。相反,之所以对其注目,是因为完全不同的两个原因:

首先中控的速度表为数字式的,在20世纪末这简直是属于“黑科技”那一层次的。以至于刚刚接触普锐斯时,曾担心过不停变化的数字显示,会不会导致开车时分心;

而更重要的一点是,该车是第一款将导航仪列为标配的大众车。当时,虽然车载导航仪早已推出,但仅限于汽车用户自行安装。即使少数车型列为标配,也仅仅限于丰田的CELSIOR(后来发展成雷克萨斯LS系列)这样的高档大型车辆。普锐斯通过标准配备,第一次将导航仪变成了平民化的设备。从那以后,包括笔者在内的驾驶员们,不必在中控台的储物箱中特意放一本地图。一只眼睛看路,另一只眼睛看地图的驾驶方式成为了历史。

现在市场销售汽车中,将液晶显示屏放在中控台中间的这种设计,其源流就是来源于第一代普锐斯。

当然,第一代普锐斯作为世界第一款量产型混合动力汽车,是有着很多独到的技术的。比如,通过采用阿特金森循环(Atkinson cycle)发动机和电动机的混联方式,创造性地解决了阿特金森型发动机在低转速域功率低下,扭矩小的缺点,使油耗达到当时革命性的31.0公里/升(即3.22升/百公里)。

在外观设计方面,因发动机所需进气量较少,发动机舱盖采用了当时很少见的从前方进气口圆滑地过渡到风挡的独特设计(其结果,第一代普锐斯的前大灯成为引人注目的大三角形状)。同时,为减轻重量,轮毂采用铝合金锻造;而为减轻空气阻力,轮毂盖采用了塑料铸造(这一点成为第二代、第三代普瑞斯的传统)。

不过,虽然第一代普锐斯采用了很多革命性的设计,其销售量却不尽人意。尽管丰田公司将其价格设定为“仅能买一只车载电池(源自普锐斯宣传广告)”的215万日元,年间的销售台数也没能超过2万台(后期年间销售量不到1万台)。

但是,不管怎么说,第一代普锐斯作为开创混合动力环保车先河的车型,多多少少取得了市场的认可,为其后续车型的成长打下了坚实的基础。

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图4 第一代普锐斯。现在只能在博物馆见到其身影了。

照片来源:wikipedia

2.2 第二代普锐斯崭露头角

2003年9月,经过几年的酝酿和总结,第二代普瑞斯终于登场。

一般来讲,为了维持用户的认知度,新型车辆的外形和旧型车辆相比不会变化太多。可是,第二代普锐斯采用了与初代完全不同的外形,彰显着丰田公司一改故辙,不惜对原有车型动大手术的决心。

为面向海外市场,第二代普锐斯采取了大型化战略:轴距增加到2,700mm,宽度也增加到1,725mm。因此在日本市场上进入了大型车这一层次。

第二代普锐斯采用了经过改进的发动机组件THS-II(Toyota Hybrid System II)。虽然汽油内燃机仍旧使用了原来的金属模具压铸铝水冷直排4缸汽油内燃机,但最高转速增加到5,000rpm。配套电动机的输出功率也从33kW增加到50kW。由此,油耗达到35.5公里/升(2.82升/百公里),创造了定员4人型号的汽车油耗的世界纪录。

同时,第二代普锐斯采用了一系列世界上首次使用的新技术:世界上首款自动泊车系统、综合横向滑移和转向助力功能的S-VSC系统、在无怠速状态下,仍能使用电池电源进行空调的变频空调系统(该系统后来成为丰田混动车的标配)、智能汽车防盗装置等等。

最为特别的是,第二代普锐斯采用了感应钥匙这一新技术,驾驶员可将钥匙装在口袋里,只要手搭车门把手就可自动解锁,脚踩刹车同时按下电源开关,就可启动车辆。就是从第二代普锐斯开始,电源开关刻意地做成和电脑的电源开关相同的形状(连开关上的图标都和电脑相同),而达到淡化普锐斯汽油机车辆印象,突显出其电子产品一面的目的。

由于第二代普锐斯充分汲取了初代普锐斯的经验教训,同时大量采用了当时领先的新技术,因此在销售方面取得了很大的成功。据统计,在2003年9月至2009年5月为止的销售期间内,第二代普锐斯共销售130万台,销售台数为初代普锐斯的10倍以上。

同时,第二代普锐斯在海外市场也受到很高的评价:曾获得过英国汽车杂志的大奖、2005年欧洲及北美地区的世界年度风云车等称号。2004年度奥斯卡颁奖礼上,热心于环保的明星们乘坐普锐斯登场,一时传为美谈。

在2009年第三代普锐斯开始销售后,第二代普锐斯竟然在日本市场也同时销售!这种罕见的现象也充分证明了第二代普锐斯的魅力。

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图5 第二代普锐斯 照片来源:xn--2015-4k4cke6irf5128att3a.com

2.3 第三代普锐斯的展翅腾飞

2009年5月,第三代普锐斯上市。

新一代普锐斯的发动机组件采用了附带减速机构的THS-II。同时为改善高速领域的油耗状况,采用了新型内燃机和电动机。在丰田汽车中首次废除冷却泵皮带而改用电动泵,减少了摩擦引起的能量损耗。在车体上引进了废热回收系统,减少了车辆暖风空调的能耗。在发动机组件中,用斜齿轮转动,代替了原来的链条转动,增加了传动效率。

2011年12月19日开始,在四川一汽丰田(SFTM)长春丰越公司开始生产第三代普锐斯。

2012年1月底,第三代普锐斯推出了可用外接电源充电的插电式混动车(PHV)。同时,在这款车上,采用了可以通过智能手机进行充电管理和空调(冷风)操作、检索充电桩位置、报告当前电池状态等功能。丰田公司开发的免费App“TOYOTA friend”,对应了iOS和Android两种平台。

与插电式普锐斯相呼应的,是丰田公司将其纳入了该公司开发的综合管理电动车与住宅能量使用效率的系统——“丰田智能中心(Toyota Smart Center)”。通过这个系统,普锐斯用户可以结合家庭用电状况及电网供电状况等外部因素,灵活掌握其充电时间表,以调整包括家庭用电在内的整个电网的供需平衡。(详情请参见拙文《丰田公司的电动车入网技术应用案例分析》中的相关内容)

总体上看,第三代普锐斯在各方面都是一款相当不错的混动车。其性能达到了这样的程度:2014年2月,本田公司停止生产该公司混动车Insight。

本田混动车Insight的初代车型在1999年因普锐斯受好评而上市,却因性能原因而于2006年下马。看到普锐斯的畅销而在2009年推出改进的第二代,但在2014年复又因销售台数无法与普锐斯竞争而停产。

虽然Insight上上下下的命运,缘于性能的不尽人意,但反过来也可以认为是由于普锐斯的性能过于优异,两公司的混动系统性能差距较大。

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图6 第三代普锐斯 照片来源:xn--2015-4k4cke6irf5128att3a.com

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