自2020年12月长城汽车推出了新一代的「柠檬混动DHT系统」后,国内的自主品牌开始纷纷进入混动市场。新一代混动系统具有平行轴布置和两档变速机构,使得「哈弗柠檬混动DHT系统」性能更灵活优越。与传统混动系统相比,「哈弗柠檬混动DHT系统」在燃油经济性、动力性能、驾驶平顺性、NVH表现、保电能力和馈电工况等方面都有优势。此系统转变了混动系统的设计理念,致力于在全速域、全场景下提供卓越表现。通过对比分析「哈弗柠檬混动DHT系统」与其他混动系统,我们可以看到自主品牌在混动技术领域的强势崛起,开创了全新时代的混动汽车发展。
从1997年丰田普锐斯开启混动汽车的市场,有很长的一段时间里,坊间流传着『世界上只有两种混动系统,一种是丰田,一种是其他』。不过自2020年12月长城汽车推出了新一代的「柠檬混动DHT系统」后,国内的包括比亚迪汽车、吉利汽车等一众自主品牌相继入场,开启了国内混动市场进入了全新的时代。那么,作为最早发布新一代「DHT混动系统」的长城汽车,对比以『两田』为代表的混动系统有什么区别,特别是哈弗品牌匹配的「柠檬混动DHT系统」又会带给我们怎么样的惊喜呢?
此前主流的混动技术主要分为两类,一类以丰田为首的「功率分流式」混动技术,以及以本田为首的定轴「串并联式」(混联式)混动技术,但随着混动系统中各个组件技术的提升,混动技术实际上已经迎来的革新的契机,那就让我们先从『两田』的混动技术中,寻找一些突破的可能性。
相信大部分人都知道丰田的「THS混动系统」,也对其核心部件「行星齿轮机构」有所耳闻。简单地来说,「行星齿轮机构」主要由「太阳齿轮」、「行星齿轮盘」(「行星齿轮组」与「行星齿轮盘」连接为一整体)和「外齿圈」三个旋转组件构成,并与「发动机」、「MG1电机」和「MG2电机」这三个动力源对应。
「丰田THS混动系统」的混动逻辑是利用「行星齿轮机构」无级变速的特点,让「发动机」在不同工况下,始终都能保持在高效率的区间,从而达到节油的目的,换句话说就是『重油轻电』。
以第一代「丰田THS混动系统」为例,在纯电行驶时,「发动机」停止工作,「MG2电机」主要用于驱动,其转速随着车速提升而提升,但由于「MG2电机」与主要用于发电的「MG1电机」被布置在一根轴上,所以,此时「MG1电机」则需要按照一定的比例进行反转,以确保连接「发动机」的「外齿圈」不转动,防止「发动机」被拖拽造成无效的能量消耗。
我们可以通过网上某大神制作的「功率分流原理」网页软件(基于「模拟杠杆法」,链接放在了文末),如上图当主要负责驱动的「MG2电机」与「发动机」转速拉满时,「MG1电机」必须反转(即图中的-700RPM)进行调速,而不能发挥出最大的发电效用。
这便是此前我们在解析「功率分流」时提到的「功率循环现象」,即是「发动机」将驱动外剩余的功率,不断地进行能量转换,直至被无效地消耗殆尽,这种现象对于「丰田THS混动系统」而言,通常发生在高速行驶时(输入式功率分流),这侧面地导致了这套系统无法将三个动力源的全部功率都输出到车轮端。
加上搭载第一代「丰田THS混动系统」的「普锐斯」(第一代)使用了功率较小的「电机」(驱动桥代号P111,MG1电机功率16kW,MG2电机功率33kW)和「发动机」(功率60.3kW),给驾驶者的驾驶体验就是一个字——『肉』。
在2003年伴随第二代「普锐斯」车型上市,第二代「丰田THS混动系统」对这个问题进行结构优化,在保留原来的一组「行星齿轮机构」的基础上,增加一组「行星齿轮机构」,构成了『双行星排』。第二组「行星齿轮机构」的「外齿圈」与第一组的「外齿圈」连接,「行星齿轮盘」固定不动,而用于驱动的「MG2电机」则与第二组「行星齿轮机构」的「太阳齿轮」连接。可以说优化的逻辑非常清晰:第二组「行星齿轮机构」为「MG2电机」降低转速,放大扭矩,提高车辆的动力性能。
此后,丰田为2009年的三代「普锐斯」搭配了动力更强的1.8L「发动机」以及更大功率的「MG2电机」(60kW)。而2015年第二代「丰田THS混动系统」迎来了一次结构性的大升级:将原来为「MG2电机」减速的第二组「行星齿轮机构」,改为结构更简单的平行轴齿轮,由原来的三个动力源平行布置,转变为了并列布置。
这次结构升级最直观的变化便是减小了整套系统的轴向尺寸,节省了宝贵的轴向空间。而节省出来的空间,便可布置更大的「发动机」和「电机」,使得整套系统在动力方面拥有更多的提升空间。
综上所述,从1997年第一代「丰田THS混动系统」发布至今,仍然保持着『让发动机始终都能工作在高效率的区间』的初衷,通过两次较大的结构升级,不断提升系统的动力性能。但『无法将三个动力源的全部功率都输出到车轮端』的结构特点,也决定了其优化的上限。那接下来就让我们看看丰田的老对手——本田。
其实本田的混动研发起步的也很早,其第一代混动系统——「IMA混动系统」与第一代「丰田THS混动系统」基本同时推广。但「IMA混动系统」的结构比较简单,简单地说就是在「发动机」和传统「变速器」之间塞入了一个「电机」,只能执行简单的并联和制动能量回收,不能实现太复杂的混动控制。故此,无论在实际表现,还是市场接受程度上都无法与「丰田THS混动系统」相比。
直到2013年本田提出了大名鼎鼎的『地球梦科技』,三款混动系统才和『地球梦发动机』一起发布。搭配A级汽车的「i-DCD混动系统」、搭配B级汽车的「本田i-MMD混动系统」以及结构复杂、后桥体积巨大的「SH-AWD混动系统」。至于三大混动系统中,普及最广、市场接受度最高的就是「本田i-MMD混动系统」。
「本田i-MMD混动系统」的结构主要由「发动机」、「发电机」(P1电机)、「驱动电机」(P3电机)三大动力源以及一组「离合器」组成。三个动力源使用定轴布置,两个扁平的「电机」采用了『轴套轴』的技术被同轴布置(又被称为『空心轴』),从上图可以看出「发电机」所在的「输入轴」嵌套在「驱动电机」所在的「输出轴」内(注意红色和蓝色区域)。而在「离合器」的调度下,各动力源相互配合形成以下几种驱动的模式。
首先便是最为常见的纯电模式,此时只有「驱动电机」工作,「离合器」将「增程器系统」[2](「发动机」和「发电机」)脱离,这种模式多用于起步、城市匀速行驶的工况。
其次则是混动模式,包括串联模式和并联模式,串联模式指「发动机」启动带动「发电机」发电,产生的电能供给「驱动电机」,用于驱动汽车行驶,而多余的电量供给「电池」,目前本田将串联模式标定为最常用的驱动模式,覆盖大部分城市工况。
通常只有当「发动机」在经济区域无法提供「驱动电机」足够的功率时,「电池」为「驱动电机」供电,「离合器」闭合,「发动机」也会介入到驱动中。
简而言之:混动模式是通过「电机补充动力」(assist)或者「存储多余能量」(charge),让「发动机」始终工作在经济区域,即油耗最低区域。
此外,在高速巡航时,系统也会将系统调到发动机直驱模式,即是「离合器」闭合,「电机」待命准备随时介入,「发动机」单独驱动车辆,但由于「发动机」到「车轮」之间没有档位可切换,固定的速比大约是传统6AT的6档,所以,当车速一旦发生较大的变化时便无法与「发动机」的转速不能匹配,只能快速的切换到混动模式。至于怠速时的充电模式与动能回收模式都属于基操,这里就不展开了。
纵观「本田i-MMD混动系统」的混动逻辑,大部分路况都锁定在串联模式,将「发动机」作为「增程器」用于发电,而将『驱动汽车』这个使命交给了「驱动电机」。故此,「本田i-MMD混动系统」一般都会搭配一个大功率的「驱动电机」,才能保证车辆动力性。以「本田雅阁」(2021款)为例驱动电机的最大功率达到了135kW,账面上仅弱了260TURBO版5kW。
综上所述,相比「丰田THS混动系统」「本田i-MMD混动系统」的结构简单,并可以实现更灵活的串联、并联、纯电等驱动模式,使得所有动力源都能用于轮端的驱动,动力相对更强。
但「本田i-MMD混动系统」仍有两个令工程师头痛的问题:
长城汽车通过对过往混动系统技术路线的分析,给出了自己新一代混动系统的答案——「哈弗柠檬混动DHT系统」,这套系统有两个新时代的混动系统的特点:平行轴布置和两档变速机构。
首先来聊平行轴布置,「哈弗柠檬混动DHT系统」将「驱动电机」与「增程器系统」分别安排在两根「固定轴」上(即「输入轴」),而动力最终通过第三根带有变速机构(此处为「同步器」)的「固定轴」(即「输出轴」)传输到轮端。这样的布置方式恰好解决了『空心轴』结构上限较低的问题,我们在「比亚迪DM-i混动系统」上也可以看到类似的结构,可以说,这种结构已经成为了新一代混动变速器的主流结构。
其次,「哈弗柠檬混动DHT系统」还有一项『杀手锏』——两挡变速机构。从官方的资料推断,这两个挡位对应的大概是传统「AMT变速器」的3挡和5挡齿比,相比「本田i-MMD混动系统」单一的齿比(大约是传统AMT的6挡齿比),「发动机」可以在35km/h左右的时速就介入驱动。
加入两挡变速机构给整套混动系统带来了巨大的变化,比如:
其实除了这两个变化,还有很多优点,在后续的对比中我们会拆解分析。
图说:哈弗柠檬混动DHT系统的基本工作原理示意图(动图,仅供参考)
与其他新一代的「DHT混动系统」相同,「哈弗柠檬混动DHT系统」拥有多种工作模式:
综上所述,「哈弗柠檬混动DHT系统」结构上属于双电机混联拓扑结构,基本原理上与「本田i-MMD混动系统」类似,最大的变革在于为「发动机」匹配了两档定轴式变速机构,让「发动机」发挥出更大的作用。
可以说,从丰田围绕「发动机」的混动系统设计理念,到本田『让发动机始终工作在高效区域,当功率不足时,电机输出能量补充动力』的混动逻辑。「哈弗柠檬混动DHT系统」就显得显然更『成年人』一些——旨在作到全速域、全场景下的优异表现。而正是这样的设计宗旨,终将成为新一代混动系统的标杆,与『两田』的混动系统拉开了代差。
那么怎么样才算是新一代的混动系统呢?在了解了三个混动的系统的结构和原理后,通过「哈弗柠檬混动DHT系统」来一探究竟。
作为核心动力源之一「混动专用发动机」必不可少,『两田』的「发动机」技术积累十分的雄厚,无论是丰田的「VVT-i技术」(可变气门正时系统)还是本田的「VTEC技术」(可变气门升程系统)都是业界公认的高效发动机技术。
不过包括长城汽车在内的自主品牌,同样有着发动机技术的积累,比如搭载在「哈弗神兽」上的1.5T「混动专用发动机」,同样采用阿特金森循环,压缩比高达到13:1,最大功率113kW,峰值热效率和高效区范围远比燃油平台的「发动机」更出色,综合油耗不虚『两田』车型,但「混动专用发动机」属于基本操作,而此后谈到的两点给为重要。
「哈弗柠檬混动DHT系统」除了上面提到的平行布局的定轴齿轮系以及两档变速机构,还有更多的巧思。比如在解决多挡位混动系统,在换挡时可能会发生的顿挫和噪音。
「哈弗柠檬混动DHT系统」的换挡原理是通过一个「同步器」来控制的两组「齿轮」进行1挡和2挡的切换,而对「同步器」位置的控制恰恰是长城汽车工程师的强项。
专栏曾介绍过长城汽车有一套名为「Pi4」的混动系统,其前桥使用了「P0电机」用于「发动机」启停,而后桥则使用了一个可以两挡变速的电驱后桥(即『P4电机+两挡变速机构』),显然在这方面的经验积累被带到了「哈弗柠檬混动DHT系统」。
「哈弗柠檬混动DHT系统」发挥了「电机」对换挡的作用:由于「驱动电机」可以单独、持续地驱动车辆,所以,当系统需要换挡时,「驱动电机」可以暂时接管动力输出,等待「同步器」完成转速调节后,再将主导权还给「发动机」,使得整个切换的过程,不会让人感受到一丝动力的中断。
当然「哈弗柠檬混动DHT系统」还采用了高度集成的结构化设计,将「DCDC系统」和「电机控制器」整合在整个动力模块中,达到减小动力总成的体积,减少重量,提升传动效率,提升NVH控制等效果,这些都是新一代混动系统的基本特征。
新一代混动变速器还有一个特点,就是所有的工作模式都会被合理地对应不同速域,不同功率需求的工况,也就是我们常说的『全速全域』。以「哈弗神兽」车型为例。
在市区通勤时,车速相对较低,一般在35km/h以下,系统会将驱动的任务主要交给「驱动电机」,智能地在纯电模式和串联模式下切换,「发动机」开启后主要用于发电,且始终保持在最高效率的工作区间;在市区道路比较通畅,需要快速提升车速时,「发动机」便通过1挡齿轮组介入驱动;而当我们要进行超车急加速时,系统切换至并联模式,油电共同驱动,提供强劲的动力;在高速路段行驶时,系统切至「发动机」直驱2挡,进行直驱。
由此可见「哈弗柠檬混动DHT系统」对于混动控制的理解更加符合中国的国情,特别是在在应对市区通勤的各种路况,两挡变速机构发挥出了其『鱼和熊掌兼得』的优势,在保持「发动机」处于高效工作区间的同时,又不会受限于「驱动电机」的功率,避免了无法敏捷提速的缺点。
然后,我们从实际的技术应用出发,分别从燃油经济性、动力性能、驾驶平顺性、NVH表现、保电能力和馈电工况综合表现这六个维度,进行三家混动系统的对比。
首先「丰田THS混动系统」通过「行星齿轮机构」实现了功率分流,利用车辆行驶条件、动力电池状态、油门刹车信号等实时计算出「发动机」最佳转速,配合热效率超40%的「阿特金森发动机」,实现「发动机」全工况的高效驱动。所以,论优化「发动机」工况,丰田的混动系统绝对是业内翘楚。
但论整套混动系统的效率,情况就发生了变化,由于「发动机」与「电机」无法脱离,在纯电行驶过程中,「行星齿轮机构」会随之转动,导致一定的动力损耗。而为了满足大的功率需求,「发动机」必须提高转速,走出最优的工作区间,最后降低了系统的燃油经济性。这就好比三个人参加拔河比赛,但其中两个人关系不好,必须有一个人调停,最后就成了两个人出力,一个人做啦啦队。
然后来看「本田i-MMD混动系统」其核心逻辑同样是「发动机」始终工作在高效区域,但实现的方式与丰田不同,当功率不足时,「电机」输出能量补充动力;当功率富足时,多余的能量就会存储到电池中,以达到节油的目的。但由于没有两挡调速,发动机直驱工况受限。
而「哈弗柠檬混动DHT系统」继承了「本田i-MMD混动系统」的省油属性,两挡调速使得「发动机」在中低速时就可以介入动力输出,进一步扩大了「发动机」在高效区间工作的作用。此外,相比丰田的「行星齿轮」结构,平行轴结构的传动效率更高,最高可大于97%,更节油。在市区工况时,油耗较传统燃油车型节油率可达35~50%,在高速工况下,发动机直驱模式下的油耗,较单一串联模式混动系统可降低10~15%的油耗,可以说车速越高,节油越显著。故此,「哈弗神兽DHT」WLTC综合油耗5.5L/100km。
其实与丰田的混动系统谈动力性能并不合理,「E-CVT」宗旨是省油,而不是动力强劲。所以,作为曾开了1年的四代「普锐斯」车主,买车时看中的就是燃油经济性。之后还开过一段时间的「雷克萨斯CT200h」,开起来最大的感受便是『佛系』,与我『佛系』的人生观可谓是相(chou)得(wei)益(xiang)彰(tou)。
而「本田i-MMD混动系统」最大的特点就是动力性能与「驱动电机」的功率大小强绑定,而「驱动电机」的功率又与『空心轴』的强度和轴向空间相关。故此,当功率需求超出「驱动电机」的额定功率,动力性能便会大幅下降,相信开过「本田i-MMD混动系统」的朋友,应该会有一种在中高速后提速较慢的感受。
相比之下,「哈弗柠檬混动DHT系统」的两挡变速机构,让「发动机」快速介入驱动,保证了全速域下的动力表现,低速中速发挥纯电驱动静、快、顺的优点,中高速时便开始发挥「发动机」的作用,通过『经济直驱挡』(即串联模式)和『动力直驱挡』(即并联模式)的切换,保证提速的敏捷和强劲。「哈弗神兽」车型0~60km/h的加速时间仅需4.3秒,可以说是碾压『两田』的混动系统。
「丰田THS混动系统」的「行星齿轮机构」实现了无级变速的效果,所以又被称为「E-CVT」,加速必然是『如丝般感受』的线性,而「本田i-MMD混动系统」没有换挡机构,只需考虑「离合器」开合的调校,显然,大家还是可以相信本田的功底,只要不是激烈驾驶,基本不会感受到「发动机」介入的瞬间。
而「哈弗柠檬混动DHT系统」虽然加入了两档变速机机构,不过,长城工程师巧妙地利用了「电机」和「同步器」协同的换挡技术,将整个过程中产生间隔和顿挫的可能降到了最低,所以,我们同样不必担心平顺性问题。
原则上「丰田THS混动系统」是三套系统中最好控制NVH的一套,因为三大动力源没有解耦的情况。不过在实际驾驶过程中,对有些喜欢开快车、踩『地板油』的车主而言,必须接受『发动机光吼不提速』的体验。「本田i-MMD混动系统」则会在长时间大功率输出后,发生电量急速下降,「电池」需要快速的补能,此时作为「增程器」的「发动机」则需要满负荷运作,便会有脱离最佳工作区工作的可能,造成「发动机」噪音。
「哈弗柠檬混动DHT系统」由于两挡调速,「发动机」能更早地接入驱动,理论上减少了「驱动电机」长时间依靠「电池」大功率输出的情况,有效抑制了来自「发动机」的噪音。此外,与本田的混动标定逻辑相似,城市路况「驱动电机」仍然是主要驱动源,所以,长城汽车的工程师对「电机」进行了优化升级,采用「定子低谐波绕组结构」和「转子三段斜极式」减低高速「电机」运行时的『啸叫声』。同时,整个混动变速器还采用了高齿轮重合度设计,进一步提升了NVH性能。
虽然「丰田THS混动系统」利用「行星齿轮机构」的杠杆原理,可以通过固定三个旋转机构中1~2个组件实现与串联模式(即「MG1电机」发电,「MG2电机」负责驱动),可惜系统无法长期保持串联模式,馈电能力有限。此外,受限于结构体积,很难配置大功率「MG1电机」用于发电,所以,保电能力较差。不过,大家不必担心丰田的HEV车型会亏电,因为「丰田THS混动系统」最初的设计并不是为了电驱,而是为了让「发动机」更省油。而在进入PHEV时代后,对第二代「丰田THS混动系统」又进行了结构调整和电控的标定,有空我们展开讲述。
「本田i-MMD混动系统」和「哈弗柠檬混动DHT系统」都拥有单独的串联模式,不过「哈弗柠檬混动DHT系统」加入了两挡变速机构后,扩大了串联模式使用范围,也就是利用变速器的2挡,在中高速保持串联模式,让「发动机」持续为电池补电,所以保电性能更胜一筹。
除了上面提到「丰田THS混动系统」保电难的一些原因,由于「电机」无法与「发动机」解耦,「发动机」将带动「电机」惯性旋转,这样就增加了能量的损耗,更加剧了「发动机」在中低速时效率低下的问题,使得燃油经济性变差。不过,还是那句话,核心是「发动机」,可以少用电,减少需要馈电的工况。
「本田i-MMD混动系统」和「哈弗柠檬混动DHT系统」在馈电工况下,无论在燃油经济性还是动力上都比「丰田THS混动系统」有优势。「哈弗柠檬混动DHT系统」优势更大,由于其「增程器系统」与「驱动电机」被布置了分开的两根「输入轴」上,理论上「增程器系统」对「驱动电机」的干涉更小,故此,在NVH表现上会更好。
汇总了一张『两田』混动系统与「哈弗柠檬混动DHT系统」的对比表,截图比较小,如有需要,可以私信索取,不过……记得附上『素质三连』的截图哦~~科科~~
然后,让我们简单地做一下总结:
2020年长城汽车作为国内第一个发布新一代混动系统的自主品牌,其混动布局已经铺开,从表格中我们可以看到,整个「柠檬混动DHT系统」可覆盖A~C级车型,而搭载该系统的哈弗车型也越来越多。
图说:搭载哈弗柠檬混动DHT系统哈弗神兽
哈弗家族作为长期霸榜国内SUV市场的车型,如今匹配了「哈弗柠檬混动DHT系统」,可谓是如虎添翼,让追求性价比的消费者得到了一次省油的消费升级,随着「哈弗神兽」的上市,相信哈弗家族必将引领SUV进入混动的新时代。
最后,我还是想感谢所有为混动技术继续奋斗的自主品牌工程师们,因为你们,所以,世道变了。
若现在说『世界上只有两种混动系统』,那么一种是自主品牌的新一代混动系统,而另一种……仍是其他。
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