電池研究院:增程式混動為何沒成主流?
【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】最近有朋友問我理想ONE在這價(jià)位值不值得買,我沒法給出確切答復(fù),因?yàn)檫@臺大電池混動車對于裝不了私樁的用戶而言并非最優(yōu)選擇,而對于補(bǔ)能門檻很低的充電便利用戶而言卻是限行城市的好選擇之一。
他喜歡,但車子暫時(shí)不適合他的用車環(huán)境,我建議他去拍牌買汽油車了。朋友喜歡ONE的一個(gè)原因是用電環(huán)保,但我不想扯環(huán)保,平民百姓先解決出行再思考更高層次的問題吧。
說到這里,又扯出一個(gè)事情:為什么增程式混動結(jié)構(gòu),至今沒能成為市場主流呢?
增程式混動是一種大家比較陌生、但誕生得很早的油電混合動力結(jié)構(gòu)。
凡是單方面把它歸類為“純電動”還嘴硬的,請先咨詢北京車管所讓不讓你這臺“純電車”上綠牌再來找我杠,這么大臺汽油機(jī)擺在你面前,老大一個(gè)加油口,掩耳盜鈴就沒意思了吧。
——1min解讀版——
增程式混動的英文簡稱是REEV,Range-Extended Electric Vehicles,增程式電驅(qū)車型,能量從油箱到達(dá)ICE內(nèi)燃機(jī)或FC燃料電池,燒出來之后轉(zhuǎn)成電能,給電池儲能或者給驅(qū)動電機(jī)使用。
核心的ICE或FC,我們可以稱之為增程器,也就是APU(Auxiliary Power Unit,動力輔助裝置),外插式補(bǔ)電能力不足的時(shí)候就用APU去輔助發(fā)電補(bǔ)電。解讀完畢。
——5min解讀版——
REEV增程式混動,是PHEV插電式混動的其中一種表現(xiàn)形式,也就是混聯(lián)式、并聯(lián)式、串聯(lián)式的第三種,結(jié)構(gòu)相對簡單,理論效率不低,但實(shí)現(xiàn)起來并不簡單。
我文章開頭罵了理想的腦殘粉,現(xiàn)在要給理想說句公道話:理想這套REEV系統(tǒng)算是比較成熟的結(jié)構(gòu)。
我畫了8張能量走向圖,替換掉1200字的文字,這樣子大家更容易理解:
最后一張圖,我自己也沒搞清楚理想ONE有沒標(biāo)定這種工況。因?yàn)殡姵夭荒芡瑫r(shí)充電和放電,所以在長時(shí)間下坡時(shí)使用純電動模式不一定能更好充電,動力電池會不斷在充/放之間切換,鋰離子在電池內(nèi)部左右橫跳。如果此時(shí)啟動內(nèi)燃機(jī),一方面可以在有動力需求的時(shí)候提供驅(qū)動力,一方面可以把多余能量轉(zhuǎn)給動力電池儲藏,也是一種有效的方案。至于有還是沒有,有工程師朋友見到此劣文可以告知我一聲,多謝。
有網(wǎng)友說增程式是脫褲子放屁,我覺得這是九年義務(wù)教育的悲哀,起碼先了解原理再吐槽吧……
增程式混動的直連線路是:ICE內(nèi)燃機(jī)/FC燃料電池系統(tǒng) → 發(fā)電機(jī) → 動力電池 → 驅(qū)動電機(jī)。即使電動機(jī)與動力電池的能量轉(zhuǎn)換效率都在90%以上,這里也要收三次“過路費(fèi)”,為什么還能節(jié)能呢?
竅門在ICE/FC這里?,F(xiàn)在很多車企都在宣傳自己研發(fā)的內(nèi)燃機(jī)能到達(dá)40%甚至更高的熱效率,這個(gè)指標(biāo)其實(shí)沒有特別大的指導(dǎo)意義,因?yàn)檫@里的“熱效率”是“最高熱效率”,而內(nèi)燃機(jī)維持在最高熱效率的轉(zhuǎn)速區(qū)間非常非常窄,日常行駛到達(dá)這個(gè)區(qū)間的時(shí)間連1%都不到。
增程式要解決的就是這個(gè)問題:如果把ICE/FC一直維持在最高熱效率區(qū)間附近,我們就可以用等量燃料燒出/交換出1.5倍甚至2.0倍以上的能量!
動力電池在REEV系統(tǒng)里面,就是一個(gè)調(diào)節(jié)能量儲備/釋放時(shí)間節(jié)點(diǎn)的儲能池,讓ICE/FC有條件一直都運(yùn)轉(zhuǎn)在高效區(qū)間。
如此一來,即使后面三個(gè)環(huán)節(jié)收點(diǎn)“過路費(fèi)”,整個(gè)系統(tǒng)的Well-to-Wheel效率還是比純種ICE內(nèi)燃機(jī)汽車要高的。
在筆者看來,從自啟停系統(tǒng)到48V,從HEV到PHEV,這些都是給傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)加電氣化總成進(jìn)而完成節(jié)能任務(wù)的,而REEV是另一種形式,它把內(nèi)燃機(jī)變成了APU動力輔助裝置,主賓更替了。
大家注意到了嗎?我一直在說增程式更加節(jié)能,但從不提它更加環(huán)保,因?yàn)樗b載了中等容量的動力電池包,里面有這么多的重金屬污染物,請問“環(huán)保”一詞從何而來?
如果一定要說環(huán)保,那么增程式混動系統(tǒng)相比BEV純電動系統(tǒng),的確可以讓內(nèi)燃機(jī)/燃料電池在“電池包虧電之前”及時(shí)介入,避免電池包進(jìn)入壽命損耗特別強(qiáng)的虧電階段。延長了動力電池的壽命,也算是環(huán)保,沒毛病。
世界上第一輛混合動力汽車名為“Lohner-Porsche Mixte Hybrid”,是費(fèi)迪南德·保時(shí)捷博士在1900年的作品,采用串聯(lián)式混合動力(Series Hybrids)結(jié)構(gòu),采用四個(gè)輪轂電機(jī)進(jìn)行四輪驅(qū)動。
因?yàn)轵?qū)動電機(jī)的扭矩遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī),所以這種結(jié)構(gòu)可以減少一臺笨重的機(jī)械變速箱,在“出大力”的領(lǐng)域很好使,俄羅斯在1903年就造出了增程式混動結(jié)構(gòu)的汪達(dá)爾號(Vandal)“柴油-電力動力”船舶,而1920年代的保時(shí)捷賽車作品也用了這種結(jié)構(gòu)。
保時(shí)捷博士第三款著名的增程混動作品是VK 45.01 (P),翻譯成人話就是——電動保時(shí)捷虎式重型坦克。
保時(shí)捷博士用了兩臺Porsche Type 101風(fēng)冷V10 汽油引擎運(yùn)轉(zhuǎn)給Siemens-Schuckert電機(jī)(對就是大名鼎鼎的西門子)發(fā)電,再傳輸給312PS/臺的西門子驅(qū)動電機(jī)×2,能推動這臺60噸的虎式行進(jìn)105km,不過百公里油耗495L……
保時(shí)捷博士耗費(fèi)了德意志第三帝國大量戰(zhàn)時(shí)資源,研發(fā)出技術(shù)理念過于領(lǐng)先、實(shí)戰(zhàn)作用幾乎等于零的先進(jìn)武器,既敷衍了希小胡子,又保證了自己研發(fā)的武器無法用來殺人。
這簡直是天才的發(fā)明啊。
無奈戰(zhàn)后保時(shí)捷博士被投進(jìn)監(jiān)獄,落得一身病,出來沒太久就仙逝了。對于老費(fèi)迪南德保時(shí)捷這種狂耗費(fèi)資源輸出技術(shù)但怎么都?xì)⒉涣巳说墓こ虒W(xué)奇才啊,我覺得世界欠他一個(gè)諾貝爾和平獎。
如今,這種串聯(lián)式混合動力/增程式混合動力結(jié)構(gòu)廣泛運(yùn)用于“出大力”的領(lǐng)域,比如“燃料-電力”潛艇/貨輪/驅(qū)逐艦/列車/坦克等等,APU動力輔助裝置(增程器)可以是汽柴油機(jī),也可以是燃?xì)廨啓C(jī),亦或是燃料電池。
再看看民用車/乘用車領(lǐng)域,增程式混動一直未能成為主流,原因在于增程式混動結(jié)構(gòu)并非天生最適合在這個(gè)領(lǐng)域混。
雪佛蘭Volt沃藍(lán)達(dá)在2010-2015和2015-2019分別生產(chǎn)過一代。通用汽車是美國電動化的先鋒企業(yè),但盤起來全是黑歷史(第一個(gè)吃螃蟹都這鳥樣)。沃藍(lán)達(dá)本是致敬通用集團(tuán)百年誕辰用的,風(fēng)阻極低,理念極先進(jìn),但又貴又慢,燃油經(jīng)濟(jì)性也不見得很高,平均下來6.4L/100km,二代沃藍(lán)達(dá)技術(shù)得到了一定改善。
感謝我們讀者 @6823968239 的體型,特此在文內(nèi)錄入這位微藍(lán)6 PHEV車主的用車經(jīng)驗(yàn):
微藍(lán)6運(yùn)用的是二代沃藍(lán)達(dá)混動系統(tǒng),內(nèi)置8kWh電池包,百公里加速時(shí)間8s左右,車重1.6噸,輪胎是18英寸,胎寬225mm。純電工況平均行駛里程60公里左右(高速50多,市區(qū)60多,最多跑到68公里多);虧電狀態(tài),市區(qū)油耗在4.5L/100km以下,高速在5-5.5L/100km(110-120km/h時(shí)速)。
沃藍(lán)達(dá)兩代產(chǎn)品其實(shí)差異很大,第一代是輸出型功率分流混動架構(gòu),第二代產(chǎn)品是輸入輸出復(fù)合型功率分流混動架構(gòu),第一代產(chǎn)品不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)(效率不高的原因之一,另外就是因?yàn)槭禽敵鲂凸β史至鳎退俟r效率也偏低),第二代產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)直驅(qū),實(shí)際第二代產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)單、雙電機(jī)驅(qū)動,低速混動模式(這個(gè)時(shí)候和豐田的THS一樣,工作在輸入型功率分流狀態(tài)),內(nèi)燃機(jī)直驅(qū)模式(這個(gè)時(shí)候和本田i-MMD一樣,內(nèi)燃機(jī)動力直接到輪端,同時(shí)驅(qū)動電機(jī)可以并聯(lián)驅(qū)動),高速混動模式(這個(gè)時(shí)候工作在復(fù)合功率分流模式),也就是說,這套混動把豐田和本田所有最優(yōu)的工作模式都實(shí)現(xiàn)了,同時(shí)還解決了豐田輸入型功率分流,高速工況效率偏低的問題(取決于功率分流工況下電機(jī)分流功率和內(nèi)燃機(jī)總輸出功率的比例關(guān)系)。
二代沃藍(lán)達(dá)用的并非傳統(tǒng)增程式混動結(jié)構(gòu),內(nèi)燃機(jī)居然可以通過行星齒輪直連驅(qū)動輪。上汽通用Velite 5使用了同款動力總成,這玩意有兩臺電機(jī)、兩套行星齒輪、三套離合器,復(fù)雜到爆表,我是肯定不愿意去畫它的能量走向圖了。
筆者此前寫了一篇長文介紹寶馬半個(gè)世紀(jì)的新能源車研發(fā)歷史,大家可以點(diǎn)開看看《寶馬i系列簡史》。文章太長,所以沒提到寶馬i3純電版在右后方留了這么一塊位置放汽油機(jī),隨便改造一下就是增程式車型??梢?,從純電動改增程式,理論上也不太難。
同理,嵐圖Free同時(shí)提供純電版與增程版,結(jié)構(gòu)圖我都不用放出來了,就是串聯(lián)多一組內(nèi)燃機(jī)而已。
除此之外,比較有名的是日產(chǎn)e-power增程式混動技術(shù),在日本賣得最火的是日產(chǎn)NOTE,進(jìn)入國內(nèi)就成了軒逸e-power增程混動。日產(chǎn)e-power的優(yōu)勢在于,內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)、電機(jī)都做得很小,車子也很小,因而可以省油。
不過由于動力電池實(shí)在太小了,跟豐田THS差不多,所以e-power是不可以/不需要插電補(bǔ)能的。
理想ONE是目前國內(nèi)賣得最好的增程式混動,但虧電油耗8.8L/100km,正常油耗也要7.2 L/100km,著實(shí)不少。
所以REEV理論上這是一個(gè)很不錯(cuò)的結(jié)構(gòu),但若車子重得可怕,太多的電能用于運(yùn)輸電池本身,而且沒有ICE直連車輪的模式——驅(qū)動電機(jī)在市區(qū)行駛需要不斷出大力把它蹦出去,動能回收系統(tǒng)的效率是有極限的,且極限不高;高速行駛時(shí)不用怎么制動和回收,但純電機(jī)驅(qū)動效率又不高。
REEV理論效率很高,但技術(shù)落地之后很容易發(fā)現(xiàn)它不怎么省油也不怎么省電,通用大呼內(nèi)行。
比如凱迪拉克ELR,這玩意就是雪佛蘭Volt沃藍(lán)達(dá)豪華版,屬于底特律敗家型土特產(chǎn),技術(shù)很先進(jìn),油什么都省不下來,性能又不見上去,7.8秒破百的凱迪拉克跑車根本沒啥吸引力。
對了,ELR比Volt還重了140kg,你說要命不要命。
整個(gè)生命周期,ELR賣掉了3000臺不夠。
已經(jīng)掛掉的美國造車新勢力Fisker也造過一臺叫Karma的增程式混動車,在虧電模式下官方油耗可以達(dá)到12L/100km,也算是“節(jié)能環(huán)保”到一定程度了……
有一說一,F(xiàn)isker Karma還是挺好看的(下圖的2009款已經(jīng)帥炸天),不過公司太早倒閉了,他們家的插混技術(shù)以及位于特拉華州的制造廠賣給了中國萬向集團(tuán)。
另一家倒閉的是泰格魯斯·騰風(fēng),純玩票的新勢力企業(yè),他家畫餅畫出來的AT96宣稱可以增程到2000km續(xù)航,不過需要用到90L大油箱。
本來,將“Techrules”翻譯成“泰格魯斯·騰風(fēng)”已經(jīng)有點(diǎn)后現(xiàn)代朦朧派都市愛情修仙小說的意味,他家還說APU選用了一臺燃?xì)廨啓C(jī),而且全車上下武裝了整整6臺電機(jī)(每臺電機(jī)13kg) —— 前輪各分得1臺,后方則是1輪配2臺,共計(jì)768kW(1044PS)/8600Nm,對應(yīng)2.5秒內(nèi)完成百公里加速,極速直指305km/h。
好家伙,我直接一句好家伙!這么強(qiáng)的PPT怎么還不倒閉。噢噢,已經(jīng)倒了。
另一個(gè)例子就不是騙局了,而是吉利旗下的倫敦出租車公司造的LEVC TX增程混動出租車,主要原因還是倫敦政府不讓老的柴油出租車上路了,所以整了這種增程結(jié)構(gòu)的新出租車,續(xù)航607km,內(nèi)燃機(jī)是1.5T三缸的,快充只有50kW功率。
此外,本田i-MMD混動系統(tǒng)也有點(diǎn)類似增程式,原理跟雪佛蘭Volt沃藍(lán)達(dá)二代非常像,都是有增程式的底子又有內(nèi)燃機(jī)直連車輪模式。不過因?yàn)閷@膯栴},兩套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的機(jī)械/電氣原理差非常遠(yuǎn)。最牛的是,本田i-MMD省油得可怕……
最近很火的比亞迪DM-i也是類似的結(jié)構(gòu),運(yùn)行時(shí)主要以串聯(lián)模式為主,但也有并聯(lián)模式,所以不是嚴(yán)格意義上的增程式混動結(jié)構(gòu)。其實(shí)比亞迪造DM插混結(jié)構(gòu)比本田還早,當(dāng)年DM1的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)在DM-i的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)在本田i-MMD的結(jié)構(gòu),三者其實(shí)沒有本質(zhì)的區(qū)別,而比亞迪時(shí)隔十年內(nèi)重回P1+P3結(jié)構(gòu)也是因?yàn)槿姾蛢?nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)步提供了技術(shù)可行性。
一句話結(jié)論:因?yàn)镽EEV增程混動結(jié)構(gòu)在乘用車領(lǐng)域的節(jié)能優(yōu)勢并不大,所以沒廣泛普及是符合市場規(guī)律的。
我們不能想出一個(gè)很久之前有人做過但放棄了、現(xiàn)在絕大多數(shù)人都沒在做的機(jī)械電子結(jié)構(gòu),審問這個(gè)市場為什么對這個(gè)天才般的想法不感冒,大家都錯(cuò)了,是我對了。這不可能的好不好。
資本都是逐利的,如果增程式真的如此完美,怎么可能現(xiàn)在中美兩大新能源汽車制造國都不感冒這個(gè)結(jié)構(gòu),你看通用都推了好幾代REEV出來了,有任何一款賣得好的嗎?中國新勢力也整了好幾款,目前就一款有點(diǎn)銷量的。相比之下,常規(guī)PHEV插電式混合動力結(jié)構(gòu)的車,不僅品牌多、車型多,而且賣得也歡。
我們回到REEV增程混動的初衷上面來:在1900年誕生的年代,內(nèi)燃機(jī)遠(yuǎn)不如電動機(jī)強(qiáng)勁,保時(shí)捷博士希望用內(nèi)燃機(jī)長時(shí)間工作積累能量,供電動機(jī)爆發(fā);在2000年往后,電動機(jī)的效率和性價(jià)比遠(yuǎn)勝于內(nèi)燃機(jī),我們希望內(nèi)燃機(jī)持續(xù)工作在高熱效率區(qū)間,為電動機(jī)供能,節(jié)省更多燃料。
增程混動的初衷在一個(gè)世紀(jì)間徹底變了,我們現(xiàn)在不缺動力,我們?nèi)钡氖侨剂?,而?dāng)前市售的增程混動車型并不全都很省油,頂多就是送你一套綠牌。在電池能量密度仍未被突破的今天,增程混動的綜合優(yōu)勢并不能得到很好的施展,而等能量密度上去之后,純電動或許是更節(jié)能的選擇。
在當(dāng)前,增程混動是優(yōu)劣勢都不太明顯的方案:比ICE內(nèi)燃機(jī)汽車更安靜舒適,但也沒BEV純電動那么安靜舒適;不用像BEV那樣有續(xù)航焦慮,但燃耗成本卻沒見多低;結(jié)構(gòu)比PHEV插電混動更加簡單和便宜,但加速能力又不如PHEV。
有解決方案嗎?如果內(nèi)燃機(jī)與車輪加上機(jī)械直連,而不是只有電氣連接,高速工況會有一定優(yōu)化。實(shí)際上,雪佛蘭Volt沃藍(lán)達(dá)從一代進(jìn)化到二代之后結(jié)構(gòu)完全變了,主要就是為了加入這種機(jī)械直連工況,避免高轉(zhuǎn)速下單擋位電動機(jī)的耗電量激增。
REEV增程混動未來會如何進(jìn)化呢?筆者認(rèn)為除了高速巡航機(jī)械直連之外,動力源也會有很大的革新空間,汽柴油機(jī)可能逐漸成為歷史,燃料電池堆棧與微型燃?xì)廨啓C(jī)或是潛力股。
(圖/文/攝:太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂)
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