電池研究院:增程式混動為何沒成主流?

2021-11-11 00:10:15 作者:黃恒樂

  【太平洋汽車網 技術頻道】最近有朋友問我理想ONE在這價位值不值得買,我沒法給出確切答復,因為這臺大電池混動車對于裝不了私樁的用戶而言并非最優選擇,而對于補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,但車子暫時不適合他的用車環境,我建議他去拍牌買汽油車了。朋友喜歡ONE的一個原因是用電環保,但我不想扯環保,平民百姓先解決出行再思考更高層次的問題吧。

  說到這里,又扯出一個事情:為什么增程式混動結構,至今沒能成為市場主流呢?

 
什么是增程式混動?

  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構。

  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,這么大臺汽油機擺在你面前,老大一個加油口,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,增程式電驅車型,能量從油箱到達ICE內燃機或FC燃料電池,燒出來之后轉成電能,給電池儲能或者給驅動電機使用。

  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),外插式補電能力不足的時候就用APU去輔助發電補電。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形式,也就是混聯式、并聯式、串聯式的第三種,結構相對簡單,理論效率不低,但實現起來并不簡單。

  我文章開頭罵了理想的腦殘粉,現在要給理想說句公道話:理想這套REEV系統算是比較成熟的結構。

  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有沒標定這種工況。因為電池不能同時充電和放電,所以在長時間下坡時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,鋰離子在電池內部左右橫跳。如果此時啟動內燃機,一方面可以在有動力需求的時候提供驅動力,一方面可以把多余能量轉給動力電池儲藏,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。

 
增程式混動的節能原理

  有網友說增程式是脫褲子放屁,我覺得這是九年義務教育的悲哀,起碼先了解原理再吐槽吧……

  增程式混動的直連線路是:ICE內燃機/FC燃料電池系統 → 發電機 → 動力電池 → 驅動電機。即使電動機與動力電池的能量轉換效率都在90%以上,這里也要收三次“過路費”,為什么還能節能呢?

  竅門在ICE/FC這里?,F在很多車企都在宣傳自己研發的內燃機能到達40%甚至更高的熱效率,這個指標其實沒有特別大的指導意義,因為這里的“熱效率”是“最高熱效率”,而內燃機維持在最高熱效率的轉速區間非常非常窄,日常行駛到達這個區間的時間連1%都不到。

  增程式要解決的就是這個問題:如果把ICE/FC一直維持在最高熱效率區間附近,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系統里面,就是一個調節能量儲備/釋放時間節點的儲能池,讓ICE/FC有條件一直都運轉在高效區間。

  如此一來,即使后面三個環節收點“過路費”,整個系統的Well-to-Wheel效率還是比純種ICE內燃機汽車要高的。

  在筆者看來,從自啟停系統到48V,從HEV到PHEV,這些都是給傳統內燃機加電氣化總成進而完成節能任務的,而REEV是另一種形式,它把內燃機變成了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能,但從不提它更加環保,因為它裝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“環保”一詞從何而來?

  如果一定要說環保,那么增程式混動系統相比BEV純電動系統,的確可以讓內燃機/燃料電池在“電池包虧電之前”及時介入,避免電池包進入壽命損耗特別強的虧電階段。延長了動力電池的壽命,也算是環保,沒毛病。

 
增程式混動的實踐案例

  世界上第一輛混合動力汽車名為“Lohner-Porsche Mixte Hybrid”,是費迪南德·保時捷博士在1900年的作品,采用串聯式混合動力(Series Hybrids)結構,采用四個輪轂電機進行四輪驅動。

  因為驅動電機的扭矩遠高于內燃機,所以這種結構可以減少一臺笨重的機械變速箱,在“出大力”的領域很好使,俄羅斯在1903年就造出了增程式混動結構的汪達爾號(Vandal)“柴油-電力動力”船舶,而1920年代的保時捷賽車作品也用了這種結構。

  保時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——電動保時捷虎式重型坦克。

  保時捷博士用了兩臺Porsche Type 101風冷V10 汽油引擎運轉給Siemens-Schuckert電機(對就是大名鼎鼎的西門子)發電,再傳輸給312PS/臺的西門子驅動電機×2,能推動這臺60噸的虎式行進105km,不過百公里油耗495L……

  保時捷博士耗費了德意志第三帝國大量戰時資源,研發出技術理念過于領先、實戰作用幾乎等于零的先進武器,既敷衍了希小胡子,又保證了自己研發的武器無法用來殺人。

  這簡直是天才的發明啊。

  無奈戰后保時捷博士被投進監獄,落得一身病,出來沒太久就仙逝了。對于老費迪南德保時捷這種狂耗費資源輸出技術但怎么都殺不了人的工程學奇才啊,我覺得世界欠他一個諾貝爾和平獎。

  如今,這種串聯式混合動力/增程式混合動力結構廣泛運用于“出大力”的領域,比如“燃料-電力”潛艇/貨輪/驅逐艦/列車/坦克等等,APU動力輔助裝置(增程器)可以是汽柴油機,也可以是燃氣輪機,亦或是燃料電池。

  再看看民用車/乘用車領域,增程式混動一直未能成為主流,原因在于增程式混動結構并非天生最適合在這個領域混。

  雪佛蘭Volt沃藍達在2010-2015和2015-2019分別生產過一代。通用汽車是美國電動化的先鋒企業,但盤起來全是黑歷史(第一個吃螃蟹都這鳥樣)。沃藍達本是致敬通用集團百年誕辰用的,風阻極低,理念極先進,但又貴又慢,燃油經濟性也不見得很高,平均下來6.4L/100km,二代沃藍達技術得到了一定改善。

  感謝我們讀者 @6823968239 的體型,特此在文內錄入這位微藍6 PHEV車主的用車經驗:

  微藍6運用的是二代沃藍達混動系統,內置8kWh電池包,百公里加速時間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60多,最多跑到68公里多);虧電狀態,市區油耗在4.5L/100km以下,高速在5-5.5L/100km(110-120km/h時速)。

  沃藍達兩代產品其實差異很大,第一代是輸出型功率分流混動架構,第二代產品是輸入輸出復合型功率分流混動架構,第一代產品不能實現內燃機直驅(效率不高的原因之一,另外就是因為是輸出型功率分流,低速工況效率也偏低),第二代產品可以實現內燃機直驅,實際第二代產品可以實現單、雙電機驅動,低速混動模式(這個時候和豐田的THS一樣,工作在輸入型功率分流狀態),內燃機直驅模式(這個時候和本田i-MMD一樣,內燃機動力直接到輪端,同時驅動電機可以并聯驅動),高速混動模式(這個時候工作在復合功率分流模式),也就是說,這套混動把豐田和本田所有最優的工作模式都實現了,同時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分流功率和內燃機總輸出功率的比例關系)。

  二代沃藍達用的并非傳統增程式混動結構,內燃機居然可以通過行星齒輪直連驅動輪。上汽通用Velite 5使用了同款動力總成,這玩意有兩臺電機、兩套行星齒輪、三套離合器,復雜到爆表,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世紀的新能源車研發歷史,大家可以點開看看《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,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同時提供純電版與增程版,結構圖我都不用放出來了,就是串聯多一組內燃機而已。

  除此之外,比較有名的是日產e-power增程式混動技術,在日本賣得最火的是日產NOTE,進入國內就成了軒逸e-power增程混動。日產e-power的優勢在于,內燃機、電動機、電機都做得很小,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/不需要插電補能的。

  理想ONE是目前國內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,著實不少。

  所以REEV理論上這是一個很不錯的結構,但若車子重得可怕,太多的電能用于運輸電池本身,而且沒有ICE直連車輪的模式——驅動電機在市區行駛需要不斷出大力把它蹦出去,動能回收系統的效率是有極限的,且極限不高;高速行駛時不用怎么制動和回收,但純電機驅動效率又不高。

  REEV理論效率很高,但技術落地之后很容易發現它不怎么省油也不怎么省電,通用大呼內行。

  比如凱迪拉克ELR,這玩意就是雪佛蘭Volt沃藍達豪華版,屬于底特律敗家型土特產,技術很先進,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。

  整個生命周期,ELR賣掉了3000臺不夠。

  已經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到12L/100km,也算是“節能環保”到一定程度了……

  有一說一,Fisker Karma還是挺好看的(下圖的2009款已經帥炸天),不過公司太早倒閉了,他們家的插混技術以及位于特拉華州的制造廠賣給了中國萬向集團。

  另一家倒閉的是泰格魯斯·騰風,純玩票的新勢力企業,他家畫餅畫出來的AT96宣稱可以增程到2000km續航,不過需要用到90L大油箱。

  本來,將“Techrules”翻譯成“泰格魯斯·騰風”已經有點后現代朦朧派都市愛情修仙小說的意味,他家還說APU選用了一臺燃氣輪機,而且全車上下武裝了整整6臺電機(每臺電機13kg) —— 前輪各分得1臺,后方則是1輪配2臺,共計768kW(1044PS)/8600Nm,對應2.5秒內完成百公里加速,極速直指305km/h。

  好家伙,我直接一句好家伙!這么強的PPT怎么還不倒閉。噢噢,已經倒了。

  另一個例子就不是騙局了,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構的新出租車,續航607km,內燃機是1.5T三缸的,快充只有50kW功率。

  此外,本田i-MMD混動系統也有點類似增程式,原理跟雪佛蘭Volt沃藍達二代非常像,都是有增程式的底子又有內燃機直連車輪模式。不過因為專利的問題,兩套系統實現的機械/電氣原理差非常遠。最牛的是,本田i-MMD省油得可怕……

  最近很火的比亞迪DM-i也是類似的結構,運行時主要以串聯模式為主,但也有并聯模式,所以不是嚴格意義上的增程式混動結構。其實比亞迪造DM插混結構比本田還早,當年DM1的結構、現在DM-i的結構、現在本田i-MMD的結構,三者其實沒有本質的區別,而比亞迪時隔十年內重回P1+P3結構也是因為三電和內燃機技術的進步提供了技術可行性。

 
增程式混動為何沒能成為主流?

  一句話結論:因為REEV增程混動結構在乘用車領域的節能優勢并不大,所以沒廣泛普及是符合市場規律的。

  我們不能想出一個很久之前有人做過但放棄了、現在絕大多數人都沒在做的機械電子結構,審問這個市場為什么對這個天才般的想法不感冒,大家都錯了,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,怎么可能現在中美兩大新能源汽車制造國都不感冒這個結構,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,目前就一款有點銷量的。相比之下,常規PHEV插電式混合動力結構的車,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,內燃機遠不如電動機強勁,保時捷博士希望用內燃機長時間工作積累能量,供電動機爆發;在2000年往后,電動機的效率和性價比遠勝于內燃機,我們希望內燃機持續工作在高熱效率區間,為電動機供能,節省更多燃料。

  增程混動的初衷在一個世紀間徹底變了,我們現在不缺動力,我們缺的是燃料,而當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,純電動或許是更節能的選擇。

  在當前,增程混動是優劣勢都不太明顯的方案:比ICE內燃機汽車更安靜舒適,但也沒BEV純電動那么安靜舒適;不用像BEV那樣有續航焦慮,但燃耗成本卻沒見多低;結構比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?如果內燃機與車輪加上機械直連,而不是只有電氣連接,高速工況會有一定優化。實際上,雪佛蘭Volt沃藍達從一代進化到二代之后結構完全變了,主要就是為了加入這種機械直連工況,避免高轉速下單擋位電動機的耗電量激增。

  REEV增程混動未來會如何進化呢?筆者認為除了高速巡航機械直連之外,動力源也會有很大的革新空間,汽柴油機可能逐漸成為歷史,燃料電池堆棧與微型燃氣輪機或是潛力股。

(圖/文/攝:太平洋汽車網 黃恒樂)

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