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新能源汽车的种类越来越多,哪种才是最能满足消费者需求的技术路线?

很多答主都科普了新能源汽车的分类,有几位提到了插电式混动PHEV和增程式混动EREV,大部分内容都很好,但有两个问题没有哪一位说得很清楚,而我想这是值得讨论的:那就是串联式混合动力…

很多答主都科普了新能源汽车的分类,有几位提到了插电式混动PHEV和增程式混动EREV,大部分内容都很好,但有两个问题没有哪一位说得很清楚,而我想这是值得讨论的:那就是串联式混合动力(Serial Hybrid)与增程式(Range Extended)的区别;以及PHEV和EREV两个概念的区别。这两点就是这篇回答的引子。我想尝试将新能源汽车——特别是混合动力汽车——的几个概念之间的关联用三张图画清楚,再聊一聊哪一种是消费者需求的路线。

站内大部分涉及“增程式”的回答(以及站外很多专业的评述乃至稍早的学术论文),基本认为增程式等于串联式混合动力,但是就目前的混合动力技术而言,这样的说法已不完全准确。前些日子汽车控制领域颇负盛名的Giorgio Rizzoni教授来访清华,我的朋友就与Rizzoni就聊起了这个有意思的问题,继而从控制逻辑的角度收获了一次富有启发的讨论。那么便从这个问题出发,说一说不同种类新能源汽车的技术路线和技术思想。

现如今越来越多的新能源汽车种类,一方面反映了品牌和技术方案的百家争鸣,同时亦是反应了油耗法规所推动的发展趋势——电能从辅助走向主导。对混合动力汽车有一定了解的知友们会知道,油电混合动力汽车有很多的类别,想要区分它们又有不同的分类方法。主要的区分方法有两种:一是按照混合动力系统构型进行分类,或者说是按发动机、电机两个动力源的耦合方式分类;二是按照电动化程度来分类,或者说按油电混合比例分类,从燃油汽车跨度到纯电动车。

混合动力构型进行分类,大致如图1所示。同时也代表了目前市场上最为主流的四种混合动力构型:串联,并联,功率分流,串并联。其中并联与两种混联构型,又可以按照部件的耦合位置分为多种模式,图中以并联构型中应用最广泛的P2,通用 Voltec与本田 iMMD分别作为代表。

简单来说,串联构型发动机不直接驱动车轮,而是通过发电机发电,再由电机驱动;并联构型发动机与发电机可以同时驱动车轮;功率分流构型使用了行星齿轮机构用于将发动机的输出功率“分流”到不同的机构,如同时进行驱动和发电;串并联则通过复杂的控制逻辑和精密的机械传动,绕开了功率分流器,实现了深度混联。(丰田THS功率分流和本田iMMD串并联的区别可参见:本田的混动和丰田比有什么优势和劣势? – 知乎;iMMD串并联和上汽EDU串并联的区别可参见:本田i-MMD混动系统与上汽荣威550 plug in的差异?。)

新能源汽车的种类越来越多,哪种才是最能满足消费者需求的技术路线?插图

(图1 不同混合动力构型示意图)

按油电混合比例进行分类,如图2所示。这一种分类方式,表明的是电动化程度,或者考虑到油耗法规的不断加严,亦可以说是动力系统的发展趋势。

图中从左往右,分别是内燃机(ICE);非插电式混合动力(HEV);插电式混合动力(PHEV),又分为混合策略PHEV(Blended PHEV),增程式/全电PHEV(EREV/All-electricity PHEV);纯电动(EV)。

HEV和PHEV的区别很好理解,因为它们在外观上有很明显的不同:插不插电。而Blended PHEV和EREV的差别则主要在于运行策略,判断根据是“是否能够在全工况都用纯电运行,而发动机不启动”(具体区别,下文再表)。可以说从ICE – HEV – Blended PHEV – EREV – EV一方面反映了油电能量比例,另一方面是不断加严的油耗要求下的动力发展趋势。

新能源汽车的种类越来越多,哪种才是最能满足消费者需求的技术路线?插图1

(图2 不同电动化程度的汽车动力系统分类)

这两种不同的分类维度,让我们实际上可以画出一个矩阵,如图3(为了让它看上去满一点,我将功率分流和串并联都归入了混联)。在图3中,从左往右,电动化越来越高;从上往下,“一定程度上”表明混动构型越来越复杂。

值得一提的是,并不是说图中的混动构型就恪守纵向对应的电动化程度:针对不同的需求,不同的构型可以匹配不同的控制逻辑和部件参数开发成不同的混动,例如Prius THS和Accord iMMD都分别有HEV和Blended PHEV版本,而Voltec系统则在HEV、Blended PHEV和EREV均开发了不同车型。

新能源汽车的种类越来越多,哪种才是最能满足消费者需求的技术路线?插图2

(图3 混合动力汽车分类“矩阵”)

画完了这三张图,我们可以回到文章开头的第一个问题:“增程式与串联式的区别在哪里”。

为什么之前大部分专业的说法都说“增程式等于串联式”呢?这是因为单独从构型上看,串联就是为电动车添加了一个发动机/APU作为“增程器”。在“增程”的概念出现的时候,大部分增程式混合动力汽车都是串联式混合动力。但是自从EREV的概念出现之后,“增程 = 串联”实际不再适用,由于一些EREV的发动机在某些工况同样直接参与驱动车辆,并不符合串联式的定义,实际是混联式混合动力。那么我们可以将原先的说法修正为:“串联式是增程式的一种吗?”

宽泛而论,这样是可以的,原因已经提到了:串联式从构型上看,可以认为是使用了发动机作为车辆的增程器。然而,严格而论,这样的说法也是不够准确的,原因是:一、串联和增程分别处于两种不同的分类维度(如图3);二、串联和增程所反映的控制思路是不一样的:

串联式混动,本质上是混合动力车。强调的是混合动力运行的能力。发动机在串联式中的工作方式是功率跟随,即发动机功率输出跟随整车功率需求。增程式混动EREV,本质上则是纯电动车。只是它可以让电池的行驶里程实现延长。发动机作为增程器,基本只工作在固定工况点,整车功率需求和发动机输出功率是不相关的。

VELITE 5 和 宝马i3 就是典型的增程式混动了,在最终的产品上,这一思路的表述仍是非常清晰,从官网上我们可以分别看到:别克将VELITE 5称为“电驱技术”,以电机和系统的性能介绍为主;而宝马则是说可以为i3“选配一个增程器”。

至此,串联式和增程式的区别差不多就讨论毕了。接下来,另一个有趣的问题是,Blended PHEV和EREV的区别又在哪里呢?

两者之间的差别,是运行策略的不同。上文已经说到EREV的特征是在全工况可以使用纯电运行。换言之:

Blended PHEV在部分工况是需要开启发动机的,例如在电量消耗阶段(CD阶段)的高速工况或高加速度工况时,发动机会开启输出功率;EREV则可以与EV一样在全部工况使用纯电驱动运行。

以两款PHEV为例:Accord PHEV在高速工况采用了发动机与电机并联驱动的运行策略;而Buick VELITE 5则可以采用全工况纯电的运行策略,与此同时发动机不开机。要实现全工况纯电运行的目标,就对电机、电池都提出了更高的参数要求。

最后一点,再来说说Blended PHEV、EREV与EV的差别。如图4,是三种新能源汽车代表车型的燃油经济性对比,结果都非常出色——EPA测试得到的混合工况“油耗”分别为:48MPG;106MPGe/42MPG;103MPGe。Blended PHEV的油耗是混动运行下得到的结果,EV则是纯电行驶下的电耗换算成油耗的结果(33.7 kWh电耗等于1加仑汽油)。而EREV呢,可以看到分别有MPGe的结果与MPG的结果,这分别对应了它在纯电行驶下的经济性和混动行驶下的经济性表现。

新能源汽车的种类越来越多,哪种才是最能满足消费者需求的技术路线?插图3

(图4 三款不具名的Blended PHEV/EREV/EV的经济性对比,数据来源:FuelEconomy.gov – The official U.S. government source for fuel economy information.

EPA的油耗测试数据,为上文略显复杂的概念提供了形象的解释:EREV既有电耗也有油耗,直接反映了EREV介于EV与Blended PHEV之间,它有着纯电动车的行驶特征,却又有混动车无“里程焦虑”的优势。

这篇回答说到的“增程与串联的区别”“Blended PHEV和EREV的区别”“EREV和EV的区别”这三个问题,是着眼于学术上对“EREV”这一逐渐兴起的概念的讨论,也是想藉此机会将越来越多的混动汽车梳理清楚。

写完了这三个问题,最后还是要扣个题,说一说“哪种是最能满足消费者需求的技术路线”。让我们来定义一下消费者的需求,如果是用电动自行车一样的用途,那么微型电动车是值得拥有的,即便它在逐渐被淘汰;如果是说选择一辆“传统意义的家用车”,一辆EREV是经济性和适用性俱佳的选择。EREV,或者叫All-electricity PHEV。它更像是一个“Hybrid” Hybrid EV,在油电混合的基础上,进一步结合了混动车和电动车的优势,节能又无里程焦虑,且避开了纯电动车大量电池带来的高成本。可以说在目前的基础设施条件下,用成熟的技术提供了适合于消费者的解决方案。

但一辆EV不会是现在消费者的首选。由于基础设施的推进和消费观念的转换都需要时间,消费者的反应滞后于汽车技术的迭代。在现有的基础设施前提下,想让更多的人接受纯电动车需要时间。与之类似的是:去年以来丰田氢燃料电池汽车Mirai在加州上市,全加州有29座加氢站,氢能的续驶里程比纯电动车高,但仍需要更充沛的加氢网络来为消费者提供便利,更何况加州之外就再没有加氢站,这让Mirai成为了“州内通勤车”。纯电动车发展的这些年也是如此,无论是特斯拉Model S还是日产leaf,即便是油耗法规最严格的(也是最常见到电动车的)加州,仍然是少数派的选择,不外乎是因为“时候未到”。但与此同时随着油耗法规不断加严(尤其是中国),提高新能源汽车的电动化程度势在必行,在压力和需求之下、基础设施的现实面前,这一个时间窗口给了All-electricity PHEV或EREV足够的时间来划分新能源汽车的格局,越来越多的EREV也定将出现在我们的视野之中。

如果一定要说一说我个人的喜好,其实我已经画在图2第一行的五辆车里了。作为混合动力相关的研究者,我向来不讳言对丰田普锐斯和本田iMMD的推崇,但在电动化程度更高的EREV领域,丰田和本田还少有涉足,而Voltec 2技术无疑是通用混动技术集大成者。从EV1到Voltec 1,通用摸着石头过河,试过错也犯过错,之后在十年前定位明白了EREV,进而藉此概念,一方面找准了混动技术的定位,另一方面找准了政策和市场的时间窗口。再后来的这十年,随着Voltec 2和GRE两套混动系统的推出,这位大玩家在群雄并起的前夜,终究触摸到了领跑者的序列。

(往事请见:如何看待丰田计划对外销售普锐斯动力系统?这将对混合动力汽车市场有怎样的影响? – 知乎

图都是自己画的,请勿随意引用。

本文来自网络,不代表太原新能源汽车服务立场,转载请注明出处:https://www.sxiev.cn/zixun/news/382.html

作者: 龙城信创

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