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6个问答告诉你:何谓串联式插混车?为何说,增程车一定会消亡?

——本文属《电车百事通》第3期

纯电动汽车的口碑还在“鸡肋”和“真香”之间摇摆不定之时,插电式混合动力汽车PHEV这种既能拿补贴和牌照,又告别了里程焦虑的车型,怎么看都是当代的“车界赢家”。

但可能大多数人还不知道的是,都顶着PHEV的名头,不同插电混动车型内部所搭载的并不是同一种核心,就好比西红柿和千禧都是番茄属,但一个是蔬菜,一个是水果。

其中区别是什么?

各种优势又几何?

今天,我们便来聚焦串联式混合动力汽车,看看这一车型背后有什么道道?又将有着怎样的发展前景?

什么是串联式插电混合动力汽车?

串联式插电混合动力汽车SHEV是Series Hybrid Electric Vehicle的简写,之中“串”字可以简单理解为发动机和电动机是“串”起来驱动汽车的。它有一个喜闻乐见的别名:增程式混合动力汽车,原理如下图。

这种驱动形式最大的特点是:发动机并不直接介入驱动,而是在电池电量不足或功率不足时带动发电机发电并将电能输入至电机驱动车辆,多余电能会输入至电池包存储起来,如下图所示,便是串联式混合动力汽车代表车型宝马i3

关于串联式混合动力汽车,可以这么去类比:一男一女两个人骑单人自行车,男方(电动机)负责踩踏板,女方(发动机)坐在后座无法踩踏板,但是可以在男方累的时候给男方喂口水喝(给电动机输入电能),如此继续驱动自行车前行。

串联式插电混合动力汽车有什么优缺点?

先说优点。

首先,串联式插电混合动力汽车是电机直驱,减少了离合器、变速器等部件,结构更加简单,易于维修保养。

其次,相比于纯电动汽车型,串联式插电混合动力汽车没有充电焦虑,只要有加油站就可以一直行驶下去,而相比于油电混合动力车型而言,插电混合动力车型在市区充电条件较好时,甚至都无需加油,足以满足短途纯电力行驶的需求。

第三,由于发动机不直接驱动车轮,因此工况会简单很多,系统架构也会简单很多,结构设计和控制算法都呈几何倍数地缩减,见下图,便是雪佛兰Volt实车和其串联式插电混合动力系统架构。

不过,串联式插电混合动力汽车也有其自身的缺点。

比如,由于发动机不直接驱动车轮,难免会造成了一部分功率的浪费,尤其是当我们长途行驶时,主要由发动机产生电力,电力再去驱动电机,因而所需油耗也较高。

什么是增程器?

增程器指的是电动汽车上能够提供额外的电能从而增加续航里程的电动汽车零部件,传统意义上的增程器指的是发动机和发电机的组合,如下图所示。

一般而言,增程器是在电池电量不足的情况下,使用其它能源(如汽油)进行电能补给,从而驱动车辆行驶。对于搭载增程器的电动汽车而言,大部分情况下依然工作在纯电动模式,在电池包电量不足的情况下才会工作在增程模式。

增程式插电混合动力汽车是串联式插电混合动力汽车吗?

增程式混合动力汽车REEV全称是Range Extended Electric Vehicle,这是当前车市中另一个热度较高的类型,其本质上也是一种串联式混合动力汽车,它的增程器其实也是一个发动机,不会直接驱动车轮,而是将发动机的动力转换为电能,最后由电动机来驱动。

增程式混合动力汽车典型的代表就是理想ONE,见下图所示。这辆车搭载了前后双电机+1.2T 三缸增程器(发动机),配备 40.5kW·h电池包,纯电续航达188km,油电综合续航1080km。

增程式混合动力汽车典型的另一个代表车型就是岚图FREE,见下图所示。这辆车搭载了前后双电机+1.5L 四缸增程器(发动机),配备 33kW·h电池包,纯电续航达140km,油电综合续航860km。

增程式插电混合动力汽车的发动机和电动机有哪些工作模式?

虽然增程式插电混合动力汽车只用电机驱动,不使用内燃发动机进行驱动,也属于串联式插电混合动力汽车的一种,但是,对于某些较为先进的增程式插电混合动力汽车而言,在不同的工作模式之下,内部各个模块之间充当的角色并不一样。以雪佛兰Volt为例,其主要有以下几种工作模式。

(1)EV低速模式

处于EV低速模式时,C1吸合,此时C2、C3松开,增程器停转。行星齿轮组机构内的齿圈被固定,电动机推动太阳轮转动,行星架因太阳轮的转动而转动,把动力传输到动力分配机构并推动车轮转动。其实,这个模式就是现在的单电机纯电动汽车的驱动相似,如下图。

(2)EV高速模式

处于EV高速模式时,离合器C2吸合,离合器C1、C3松开,增程器停转。发电机此时充当电动机工作,推动行星齿轮组机构内的齿圈转动。同时,功率较大的另一个电动机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传输到动力分配机构并推动车轮转动。 这个模式就好像是混双一个,男运动员和女运动员都可以协同发力以达目标,如下图。

(3)EREV混合低速模式

处于EREV低速模式时,离合器C1、C3吸合,离合器C2松开,增程器运转。此时,发电机被用作是电动机,增程器推动发电机发电,并为电池充电;同时,电池为电动机供电并推动行星齿轮组机构内的太阳轮转动,由于齿圈固定,行星架跟随太阳轮转动,从而把动力传输到动力分配机构并推动车轮转动,如下图。

(4)EREV混合高速模式

处于EREV高速模式时,离合器C2、C3吸合,离合器C1松开,增程器运转。此时,增程器与发电机转子连接后推动行星齿轮组机构内的齿圈转动同时发电,电动机推动太阳轮转动。齿圈和太阳轮同时转动,带动行星架转动,从而把动力传输到动力分配机构并推动车轮转动,如下图。

(5)能量回收模式

处于能量回收模式时,离合器C1吸合,离合器C2、C3松开,增程器停转,发电机不工作。车轮带动行星齿轮组机构内的行星架和行星轮转动,由于齿圈固定,因而太阳轮随着行星架转动。此时,功率较大的电动机作为发电机对电池充电,如下图。

值得一说的是,并非每一款增程式混合动力汽车都会和上述的五种模式一模一样,但是原理上都大差不差,比如理想ONE,除了新能源汽车大都具备的能量回收模式之外,设置有“纯电优先”、“燃油优先”和“油电混合”三种模式,具体如下。

(1)纯电优先

在“纯电优先”模式下,理想ONE确实会优先使用动力电池里的余电,但不会一直用到电量干涸,当电量下降到20%(2020款理想ONE是17%)后,理想ONE的增程器便会启动,以保持电量不再降低。

此时如果继续行驶,虽然是“纯电优先”模式,但增程器会持续工作,直到油箱里的汽油烧完才会允许电量继续降低。

之所以为纯电优先模式设置“电量下限”,一方面是在低电量状态下电池放电功率有衰减,会导致车辆的动力性能降低。

另一方面,过低的电量会对电池寿命产生影响,尽可能避免超低电量状态有助于延长动力电池的使用寿命。所以家里、单位有充电条件,日常通勤使用纯电优先模式是最经济的选择。

(2)燃油优先

和纯电模式不会一直用电一样,在燃油优先的模式下,增程器也不是随时处于启动状态的,而是在电量处于70%或以下时才会启动。之所以有这条“启动线”,是因为动力电池在电量较高时无法大功率充电(处于涓流充电状态),增程器的补能、动能回收的效率都会有所下降。

在燃油优先的模式下,满电状态的理想ONE都会先跑40-50公里才会启动增程器。(3)油电混合

油电混合模式和燃油优先模式相对而言差异主要体现在如下几点:在油电混合模式下,增程器只会在电量处于80%或以下时才会启动;在油电混合模式下,增程器在油电混合模式下会比燃油优先模式更“懒”一些,低速时不启动,在中高速工况下才会启动(这也是发电效率相对更高的工况)。

综合来看,对于理想ONE而言,纯电优先模式不会一直傻乎乎地把电用干,燃油优先和油电混合模式也会“视情况”用油,从而在保障驾驶体验、优化能耗的同时,保护电池。

增程式插电混合动力汽车为何没有成为主流?

增程式插电混合动力汽车实现节能的途径,运用的原理其实是“效率差”。

众所周知,在燃油车运转过程中,发动机并非一直工作在高效区间,这应该是共识,实际上,效率从5%到40%都是燃油车发动机的工作区间,换句话说,燃油燃烧产生的能量,只有5%到40%(取决于内燃机的工况)会用在驱动车辆上,其余的能量都被消耗掉了。尤其是发动机在较低转速的时候,工作效率并不高,经济性自然也就不好了。

而电动机则刚好相反,低转速时效率最高,这便是增程式解决方案的根本思路:发动机与车辆的行驶驱动并不直接相连接,所以发动机可以始终处在高转速高效率区间并发电驱动电机,如果发动机有多余的能量输出,还可以用来给电池包充电,通过这样的方式,让发动机和电动机都可以在自己最经济的工况区间运行。

以AITO问界M5为例,其配备有一个56升油箱,但在热效率达到41%的1.5T四缸增程器的加持之下,问界M5可实现一升油发3.2度电,跑一百公里也只需要6.7L油。AITO问界M5的电池电量低于约20%之后,才会启动增程系统。实测数据显示,在纯电优先和燃油优先两种模式共行驶250.8公里后,WLTC剩余续航还有767公里,油耗为4.8升/百公里。

综合来看,增程式的热效率可以保持在25%-40%之间,即便是在去掉发电机损失的一部分效率之后,增程式纯电动汽车也要比传统燃油节省不少燃油,这还没算上动能回收系统对经济性的补充。

用一个公式来对比的话,便是:增程专用发动机效率×发电机效率×电动机效率>燃油车发动机效率×变速器效率。

结束语:简单粗暴来理解的话,串联式插电混合动力汽车就是在一台纯电动汽车上增加了一台汽油机和发电机,比较出名的车型有理想ONE、岚图FREE以及日产e-Power。

在当下,串联式插电混合动力汽车依然有着不小的市场影响力,这正应了那句话:“存在即合理”!

不过,即便其相比于传统燃油车优点多多,但还是改变不了这只是个受制于电池能量密度的过渡性方案,如果未来动力电池密度获得阶梯型提升之后,串联式插电混合动力汽车可能会是最先被淘汰的那个。

来源:第一电动网

作者:二师兄玩车

本文地址:https://www.d1ev.com/kol/178683

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