混动技术做到极致,揭秘通用与丰田异同

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目前,混合动力最高效的技术类型PS(功率分流)型,实现量产只有丰田和通用,丰田的THS以单行星排、双电机的电驱动系统被广为流传,通用汽车披露的信息相对较少,很多消费者还不甚了解。今天我们聊聊混合动力两大巅峰技术产品的差别。

混动技术做到极致,揭秘通用与丰田异同

武林顶尖高手过招,没有绝对的胜负比较,更多是相对的比较。丰田汽车与通用汽车也是这样。混合动力汽车核心部件常说的三电:电机、电池和电控,拓展一下包括:电驱动系统结构、系统集成、电机、电池、电控、发动机等几个方面,我们不妨从核心部件看看二者有什么差别。

第一、THSIII与VoltecII机电集成度区别是什么?

从代际上来讲,很多人把2015年发布的THS称为第三代产品,也有称之为第四代,通用的Voltec官方称之为第二代,事实上,在北美称之为第三代,主要取决于如何从产品的角度来理解。

丰田汽车第三代THS与通用汽车第二代Voltec都属于深度集成的机电一体化产品,从机电系统集成上来讲,二者都非常出色,电驱动系统与发动机集成在一起,是目前多数企业在混动技术方面无法比拟的。

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丰田普锐斯第三代动力总成

不过对比下来,二者有明显区别。通用君越全混动车型搭载的第二代动力总成,把电机控制器与电驱动单元深度集成在一起,目前能够做到这个技术的还有特斯拉的Model S,而丰田还是分离开的。

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通用混动版君越第二代动力总成

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Tesla Model S电驱动系统(电机控制器与电机集成在一起)

电驱动技术被Tesla宣传为其五大核心技术之一,深度集成可以取消电机控制器到电机的三项线束和接插头,提升高压系统安全性,降低成本。

但是,这部分需要在控制器的硬件上有着足够的KnowHow(可以理解为专门技术),避免动力总成的震动致使器件损坏,丰田可能因为技术较为陈旧,这方面集成不如通用。

第二、THSIII与VoltecⅡ结构区别是什么?

PS(功率分流)技术的本质内涵是实现了扭矩与转速的解耦,能够同时实现调速、调扭矩,而扭矩与转速的乘积便是功率,所以称之为功率分流。

而行星排与PS技术联姻又是天作之合,因为行星排本身具有三自由度,例如丰田THS,通过双电机与发动机进行解耦调控,实现功率分流。

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丰田电驱动系统结构简图

第一代的THS产品在1997年推出,很多车企都比较憎恨1997年的丰田,因为它针对单行星排、双电机电驱动系统申请了诸多专利,很多人还异想天开丰田的发明专利二十年到期,笔者查询下来,丰田二十年来每年都申请一系列的专利族群,根本无法避开细节专利。

目前来看,最好的防守属于进攻,二十年后单行星排,由于受限于效率优化的边界,并不能实现最优的效率、动力性,而随着控制器技术提升,双行星排和三行星排的PS技术已经成为另外一个巅峰,这些专利已经被通用汽车申请了相关专利。

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通用第二代Voltec

简单地来讲,双行星排、双电机的电驱动系统类似于两套THS电驱动系统,在一套THS系统达到优化边界的时候,切换成另外一套,从而实现更高的效率和动力优化。

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丰田汽车THS III双电机单行星排PS技术结构简图

当然,越多地应用行星排可以最大地提升传动效率,只不过这里面要综合考虑控制难度和成本,目前的控制技术支撑下,双行星排和三行星排属于最佳选项,或许有一天更智能的技术衍生,我们有着更多的自由度来优化效率。

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通用汽车第二代Voltec PS技术结构简图

第三、THSIII与VoltecⅡ电控集成区别是什么?

电控是混合动力汽车三大核心技术之一,刚我们谈到了二者的硬件集成,我们看一下二者的软件集成。

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丰田汽车THS3电机控制器(含Boost Converter)

丰田的电控比较巧妙,它有一个升压电路(Boost Converter),这里面主要的原因是之前动力电池比较贵,通过这个器件可以实现更大电池带来的性能,现在来看,电池产量增大、成本降低,这项技术的优势也在丧失。

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丰田汽车THS3控制架构

丰田电气架构来讲,HCU(整车控制器)控制MCU(两电机控制器)、ECM(发动机控制器)等,几个控制之间通过CAN总线通信,这个最高速率大概1M/s。

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通用汽车第二代Voltec控制器

通用汽车HCU(整车控制器)与MCU集成在一个控制器上,它上面有四只32 bit飞思卡尔微控制器,同时控制两个电机、一个电子油泵、离合器以及整车控制,这种控制器内部控制通讯有着更高的传输速度、安全性,同时降低了成本。

有些时候,时代的发展让我们感慨,四个32位单片机集成在一个控制器上,这个一个超级计算机竟然用在了混合动力的控制上,这种智能化,让电驱控制系统越来越趋向于IT产品。

第四、THSIII与VoltecⅡ搭载电池如何区别?

动力电池是混合动力汽车三大电之一,这些年一直困扰着新能源车企,能量密度、循环寿命和成本成为挥之不去的难点。

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丰田汽车镍氢电池

1997年丰田普锐斯上市的时候,镍氢电池还属于比较潮流的产品,大概在2005年的时候,在中国才开始流行,不过,20年之后,镍氢电池一定程度上被时代淘汰了。

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通用汽车三元锂电池

电池分为两种,一种是功率型电池,一种是能量型电池,混合动力汽车多选用功率型电池,所以镍氢电池与锂电池对比属于粉色与蓝色之间的对比(见下图),比功率和比能量,锂电池都远远占优。

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镍氢电池与锂电池对比

锂离子电池体积能量密度约为350-400wh/l,镍氢电池为320-350wh/l;锂离子电池重量能量密度180-200wh/kg,镍氢电池为60-65wh/kg;锂离子电池功率密度>2200 W/kg,镍氢电池为550~1350W/kg;锂离子电池循环寿命(次) >3000,镍氢电池为1000次以上。

不知道丰田在镍氢电池还能够坚持多久,一定程度来看,转型锂离子电池也是早晚的事,不过,目前丰田在中国的车型上采用的都是镍氢电池。

第五、THSIII与VoltecⅡ搭载电池与发动机有何区别?

很多人谈混合动力汽车,都避开发动机,事实上,发动机也是混合动力汽车关键技术之一,混合动力汽车一个典型的能力是“削峰填谷”,通过不同的动力源互相优化实现动力最大化、效率最大化。

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米勒循环发动机高效原理

丰田采用的阿特金森循环发动机非常著名,事实上,更准确一点,丰田采用的是“米勒循环”,阿特金森循环需要变更曲轴的结构,丰田和通用仅仅变更了进排气气门的相位,实质都是米勒循环。

米勒循环通过改变进排气气门相位,提升膨胀比,回收尾气的热能,提升效率,米勒循环效率远远高于普通发动机,在动力输出方面却要弱于传统发动机,PS技术则是通过两款驱动电机一起来驱动整车,提升动力的同时提升燃油经济性。

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米勒循环发动机

所以,目前我们看到的几款混合动力车型的油耗都不错,迈锐宝XL全混动是目前B级混合动力汽车最优的4.3L/100km,君越全混动4.7L/100km,凯美瑞HEV是5.3L/100km。

混动技术做到极致,揭秘通用与丰田异同

整体来看,PS(功率分流)技术是目前最优秀的混合动力技术,丰田PS技术相对旧一些,通用PS技术则利用双行星齿轮或三行星齿轮以及最新的控制和材料,显得更为高效、智能、集成度高,我们找机会进行深度发掘两者的技术细节。

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