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图解混动内幕Ⅱ丨丰田VS本田,谁能赢得新能源时代?

2019-11-08 14:03
亿欧网
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所谓PS架构,全称为Powre Split功率分流。与P0-P4架构最大的不同是,PS架构取消了传统的变速箱存在。例如,丰田THS混动系统的PS架构,是用一套行星齿轮组对发动机动力和电动机动力进行合理分配。而本田i-MMD则更直接,通过两套固定齿比减速器分别匹配发动机和电动机的动力输出。

两套混动系统各有优劣,虽然主流HEV市场依旧被丰田THS混动系统霸占着半壁江山,但经过几年的奋起直追,本田i-MMD也开始崭露头角。所以,两者之间的“战争”究竟会以怎样的方式进行呢?

本田混动的诞生:被THS逼出来的i-MMD

在混动圈一直有这样的说法,“世界上只有两种混动,一种是丰田的混动,一种是其他混动”。的确在客观意义上,丰田是最早布局混动系统的车企。1997年亮相的初代普锐斯不单单是世界上最早实现量产的混动车型,它也帮助丰田率先拿下了THS混动系统专利。

截至2017年,丰田旗下混动车型累计销售超过了1000万辆,由此其实可以清晰看出终端消费者对其的认可。而本田的i-MMD系统从某种意义上是被“丰田兄弟”逼出来的。

丰田THS混动技术结构图

( 丰田THS混动技术结构图丨截取自官方视频素材 )

随着丰田THS的问世,混动市场便开始快速发展起来。但是,丰田在最初便为自己的混动系统申请了全面的专利,所以其他车企想要进军混动领域就会处处碰壁,P0-P4混动架构从某种意义上也是受到丰田的专利影响而诞生出来的。

这其中,偏偏有一家企业不想受制于丰田,这便是被称作“技术宅”的本田。早在上个世纪90年代,本田就开始研发自家的混动系统。最早期,本田曾推出被称为IMA混动系统,整个设计与上一期讲到的P1架构类似,并搭载在当时的INSIGHT以及思域,雅阁hybrid车型上。

本田i-MMD混动技术结构图丨官方

( 本田i-MMD混动技术结构图丨官方 )

但受制于IMA本身技术的限制,其燃油经济性上明显落后于同期的THS系统,因此前者最终还是不了了之。直到在2012年,技术宅本田终于在“小黑屋”里研发出i-MMD混动系统。至此,本田的锐·混动才正式开始在混动市场中展露头脚。

所以,THS和i-MMD之间的区别到底有哪些?

丰田THS混动系统:效率最先

丰田THS系统最大的特点在于,它取消了传统意义上的变速箱,而是以一套行星齿轮组连接不同动力源,通过齿轮之间的配合实现纯电和混动两种驱动行驶。THS系统另一个特点则是拥有两台分工明确的电动机,一台专门负责发电和启动发动机;另一台则专门负责动力输出以及动能回收。

丰田THS混动架构示意图

( 丰田THS混动架构示意图 )

三种动力源通过行星齿轮组并联,并根据实时工况以及车辆负载率合理分配三者之间的搭配形式。

首先,让我们先了解三种动力源是如何与行星齿轮组连接起来的。从图中可以看出,负责发电和启动的电机1号与内圈太阳轮相连,发动机输出曲轴与中间的行星架相连。负责动力输出的电机2号则直接连接到外齿圈,同时外齿圈直接连接车轮。

起步及低速阶段动力分配示意图

( 起步及低速阶段动力分配示意图 )

在正常起步及低速行驶阶段,行星架会锁止且发动机并不会启动。THS系统会优先由电池为电机2号提供动力,经由外齿圈直接将动力输出至车轮。受制于行星齿轮结构,连接内太阳轮的电机1号会处于反转的情况。为了保证电驱动的效率,此时的电机1号会以保持在空转,并不会发电工作。

急加速阶段动力分配示意图

( 急加速阶段动力分配示意图 )

在急加速阶段,发动机会启动工作,动力经由曲轴直接输出并带动行星架旋转,同时与电机2号共同驱动外齿圈旋转,最终动力将直接输出到车轮。在加速需求更高时,负责发电的电机1号也会通电反转,三个动力源共同发力保证车辆的加速能力。

中高速巡航阶段动力分配示意图

( 中高速巡航阶段动力分配示意图 )

在中高速巡航阶段,THS系统为会发动机为主要动力源,此时动力由发动机输出,带动行星架旋转,由行星架将动力直接链接到外齿圈并直接传递至车轮。在有更多动力需求时,电机2号也会提供动力辅助。同时,THS系统会根据实时工况,主动控制内圈太阳轮上的电机1号进行发电工作,回收发动机的冗余工作力。

刹车及滑行阶段动力分配示意图

( 刹车及滑行阶段动力分配示意图 )

而在刹车及滑行阶段,THS系统中的两台电机都变成发电机,实现动能回收的功能。

综合来看,丰田的THS是以发动机为主要动力源的混动系统。通过行星齿轮组将三种动力合理搭配,进而实现综合效率最大化。行星齿轮组可以实现综合效率最大化,但也因为它的存在,THS系统在纯电高速模式下则必然存在动力损耗的情况。

受制于行星齿轮架构,在纯电中高速巡航时,为了保证发动机介入时的平顺性,电动机除了需要输出动力外,还需要带动行星架上与发动机连接的输出轴。此时发动机并不会点火喷油,但活塞依旧在电机的反拖下往复运动,始终保持着合适介入的转速。此时则完全属于无用功。

总的来说,丰田THS混动系统从设计之出便以HEV车型为主要需求,整体设计的主题就是让燃油发动机始终保持在最高效区间。所以,整套混动系统依旧是以发动机为主要动力源。也正是由此,THS在纯电效率上就会表现的相对较差,其电耗水平会比国产离散式混动车型高出15%。

值得一提的是,因为THS是以发动机为主要动力源,所以对于电池容量的需求并不高。同时,作为HEV车型,动力电池组始终处于浅充浅放的状态,所以HEV车型上动力电池的衰减基本上可以忽略不计。另外,丰田此前也曾在THS的基础上推出PHEV版车型,但受制于上述问题,雷凌的PHEV版在搭载了10.5kWh的电池依旧只实现55km的纯电续航能力。

本田混动:会“变身”的i-MMD

作为技术宅,本田的确将自己的i-MMD系统做到混动的极致。通过一台发动机、一台电动机、一个离合器和两个固定齿比减速器构建了一套全然不同的混动逻辑。这“四大件”的集成让i-MMD系统的车辆同时拥有了燃油车、电动车和增程式混动车三种身份,并分别对应高速巡航模式,纯电模式以及混动模式。

本田i-MMD混动架构示意图

( 本田i-MMD混动架构示意图 )

不同于THS的是,本田i-MMD的驱动电机拥有更大的功率,且作为车辆的主要动力源之一。除了高速续航模式下由发动机直驱车轮之外,基本都以电动机为主要动力源。而当电池电量下降到设定阈值后,发动机也会启动,此时的发动机只会带动发电机发电并供给电机使用,并不会为车轮提供动力。简单来说,此时的i-MMD系统更像是一台增程式混动动力车型。

纯电模式动力分配示意图

( 纯电模式动力分配示意图 )

纯电模式下的i-MMD系统不难理解,直接由电池供电给电机,此时的电机为唯一动力源。发动机与车轮之间的离合器断开,既不会启动发电更不会参与驱动。该状态的i-MMD等同于一台纯电动车。

混动模式动力分配示意图

( 混动模式动力分配示意图 )

当车辆需要急加速时,发动机便会启动发电并与电池一起为电机提供充足的电能,以确保电机可以达到峰值功率输出。而当车辆平稳行驶且电量较低时,发动机则也会启动,带动发电机发电。此时,发电机会将电能直接输送至电机以提供驱动力,只有多余的电能会以浅充浅放的形式储存到电池中。

这其中常有人误解i-MMD系统是发电储存到电池中,再由电池放电提供给电机。这显然是错误的,无论是考虑中途电能转换的损耗亦或是电池的耐用性,由发电机直供电机才是最佳的选择。当然,这样无疑对电控系统提出了更高的要求。

发动机直连模式动力分配示意图

( 发动机直连模式动力分配示意图 )

到了高速巡航阶段,i-MMD系统中的离合器便会结合,此时发动机动力会通过一套高速齿比的减速器直驱车轮。其意义也十分简单,老司机们肯定都知道燃油车型在高速巡航时是燃油经济性最佳的阶段。

总的来说,i-MMD是一台更接近于纯电车的混动车型。尤其在日常用车环境中,i-MMD系统更多是以纯电或者增程的形式存在,所以系统效率会更高于常规混动车型。同时,无论高速发动机直驱还是低速增程式混动逻辑,燃油发动机理论上都会运行在高效区间。

但与此同时,为了达到燃油效率最大化,i-MMD系统还需要匹配燃油效率更高的阿特金森发动机来进行发电工作,这就成为了限制其他公司研发的第一道坎。另外,行车电脑需要同时匹配两套动力系统,这对整车PCU的开发能力也提出了更高的要求。所以,本田“技术宅”的称号并非白来。

另外,i-MMD本身更接近纯电车型,所以在电池在亏电情况下会对最大功率的输出造成影响。

那么问题来了,到底哪个系统更好?

两者之间其实并不存在明显的优劣,各自有各自的坚守。但面临如今中国市场对于新能源汽车的优惠政策,丰田的THS就显得心有余而力不足。该系统在设计之初,便是以燃油车为主要动力源的理念开发,所以能看出THS的HEV车型都拥有着相当不错的燃油经济性。但也正是因此,THS车型如若通过增加电池容量升级为PHEV车型,那其纯电效率会明显低于其他混动系统,这点在雷凌/卡罗拉PHEV上已经有了实例。

相比之外,本田i-MMD则更容易升级为PHEV车型,i-MMD本身的三种模式本身就代表着三套相互独立的系统。尤其纯电模式下,本田i-MMD的硬件结构及驱动形式均与纯电车型别无二致,所以只需增加动力电池组的容量,加入充电功能便可以直接升级为PHEV车型。

如果非要在两套系统中评出优劣,我只能说随着新能源时代的不断发展,本田i-MMD系统拥有更大的发展潜力。一方面,i-MMD系统拥有更宽容的改制空间;另一方面,因为i-MMD系统的电驱结构更靠近纯电车型,这也意味着本田在纯电技术拥有更丰富的累积。

所以,本田i-MMD系统更能很好的适应当下新能源时代的发展。而反观丰田,它的确已经在混动领域霸占了20多年。但面对以纯电为主的新能源时代,丰田或许只能放下过往“混动圈”的大名,在纯电动化领域重新开创一片属于自己的天地。

编辑:周到

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作者:王新宇来源:亿欧

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