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傅雪峰

傅雪峰

汽车博主,特约汽车评论员。用平静而幽默的笔触解读汽车变革。

插混尽头可能是增程,但不是理想问界这种

2024-01-31 10:21
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  插混和增程谁更高级?


  从技术角度论,谁效率高,谁就更高级。


  虽然坊间时有争论,但业界早有定论:插混效率比增程高。


  这个定论适用于现阶段。随着技术演进,插混极有可能会减去直驱,最终归于增程——不过,需要搞明白的是,彼增程非此增程,我们现在看到的理想、问界等品牌使用的增程技术,仍比插混低一等级。


插混多了个“直驱”


  现在插混的概念有点乱,实际上,增程式也是插混的一种。


  什么是增程式?


  增程,就是增加电动汽车的续航里程。电动汽车跑不远,那就加一套发动机和发电机,在电量快撑不住时,能发电给车子续命。这种发动机又名“增程器”。


  最简单的增程式,就是当年宝马i3上用的那种。电动车宝马i3有个增程版本,装了一台摩托车用的650cc双缸发动机,在电池耗到一定程度时启动发电。



▲宝马i3曾推出增程版本REx(右前翼子板上有加油口)


  这类增程式属于“弱增程”,发动机、发电机功率都小,车子一旦进入增程模式,性能明显下降。弱增程的功能是避免电动车亏电趴窝,支撑车子开到充电点。


  发动机带着发电机发电,再供给电机去驱动车子,这不就是“串联式混动”吗?


  没错,发动机→发电机→电机,这一串操作就是“串联式混动”。


▲串联式混动示意(图据日产汽车)


  如果用上“大发动机+大发电机”,发电量足够大的话(通常以发电功率超过驱动电机功率一半为佳),增程模式下的性能也不弱,这就是理想和问界车型上用的“强增程”。


  如果发动机不但可以发电,在必要时候还能直接驱动车子,这就多了两个模式:“发动机直驱模式”和“发动机驱动+电机驱动”的并联模式,这种混动又叫“串并联混动”。


▲串联、并联混动示意图


  简单来看:


  增程=电动+串联混动;


  插混=增程+并联+发动机直驱。


插混比增程效率高多少?


  和增程式(串联)相比,插混(串并联)的发动机不但要发电,还要直接参与驱动,这会不会是画蛇添足?


  先看两个权威评价。


  中科院院士欧阳明高在去年的“中国电动汽车百人会论坛”上,专门就这个问题有如下发言:


  “串并联的插电混动,包含了增程式的功能,比增程式功能更丰富,油耗更低”。


▲中科院院士欧阳明高认为插混在技术上优于增程


  北京航空航天大学徐向阳教授团队对各类混动技术做了专项研究,其中一个结论是:


  “串并联混动系统的燃油经济性,明显优于串联混动系统”。


  换句话说,插混的油耗明显比增程低。


  油耗能低多少?大约是7%。


  具体来看,车型越大、车速越高,插混的优势越大。在高速工况下插混优势最明显,油耗能低10%左右。


▲北航徐向阳团队研究认为串并联比串联混动优势明显


  不论油耗差出7%还是10%,从汽车技术角度看,是一个相当大的差距,或者说,存在明显技术代差。可见插混比增程多个直驱,并非多此一举。


“强增程”为什么省油?


  “强增程”是个很神奇的技术,既有电动汽车的凌厉加速,还比燃油车省油。如果和同等性能的燃油车比,省三分之一油也不在话下。


  很多人想不透一个问题:发动机带着发电机发电,再供给电机来驱动汽车,中间明明绕了个弯儿,凭什么比直接驱动汽车更省油?


  这先要明白什么是发动机热效率。


  所谓发动机热效率,是说汽油燃烧产生的热能,有多少转化成了动力。汽油发动机的最高热效率通常是百分之三十几,也就是说有最多有三成多的热能变成动力。


  注意,这是“最高热效率”。发动机运转时热效率的高低,与转速和负载都有关系,燃油车实际运行时的平均热效率,大概在25%左右。


▲在不同转速和扭矩输出下,发动机的热效率差异很大(图来自网络)


  燃油车的发动机很辛苦,要应付起步、加速、低速、高速、轻载、重载等各种工况,大量时间是在低热效区间工作。


  “强增程”的发动机只管发电,和驱动轮没有机械连接,系统可以自由控制发动机的运转。这种发动机不需要应付复杂工况,一是热效率可以设计得更高,最高热效率轻松达到40%以上;二是大部分时间能在高热效率区间工作;三是工作强度低,发电之余有大量休息时间(有电池当蓄能池)。


  同时,发电机和电机的效率也很高,大部分时间效率都在90%以上。


▲电机效率能轻松维持在90%以上


  增程式的能量看上去是走了弯路,机械能转电能再转回机械能,但发动机能长时间在高效区间工作,并且机械能和电能之间的转化效率很高。而燃油车就很悲催,发动机动不动就偏离高效区间,加上变速箱又损耗一部分动力,算总账的话,反倒比增程式费油。


加直驱有什么用?


  混动技术省油的诀窍,藏在一张图中。


  看明白这张发动机热效率图,一切豁然开朗。


  再说一遍:发动机的热效率,不但和转速有关,还和负载有关。所有的混动技术,无非是想方设法去控制发动机转速和负载,尽量让发动机在高效区间工作。


  一般来说,发动机在2000到3000转,负载也较高的时候,效率最高。


▲混动技术通过控制发动机转速和扭矩,尽量让发动机维持在高效区运转


  增程式(串联混动)的发动机只管发电,跟车轮之间没有机械连接,转速和负载都能在一定范围内灵活控制。


  如果车子功率需求大,发动机高转速、大负载发电才能满足电机驱动的时候,电池就放电补充,把转速和负载压一压;


  如果车子功率需求小,低转速、小负载发电就能满足的时候,就把转速和负载提一提,发的电用不完就存到电池里。


  有电池帮忙“削峰填谷”,发动机就能维持在高效区间工作。


  但也有一些特殊情况。


  比如车子在中高速巡航时,如果让发动机直接去驱动车轮(通过合适的齿比),也能恰好落在高效区间。这种时候,再走一遍发电、电驱、电池充放电的流程,就多了几次能量转换过程,考虑到中间的电气损失,反倒不如直驱效率高。


▲发动机发电、电机驱动的串联模式示意(图据本田汽车)

▲发动机直接驱动模式(图据本田汽车)


  插混在增程基础上加个直驱模式,照顾到的工况更全面,账算得更细,系统效率更高。


什么时候直驱会消失?


  燃油车的发动机,疲于应付各种工况,需要在各种转速和负载下提供动力,在高热效区的逗留时间少,自然费油。


  各路混动技术,不管属于什么流派,努力方向都一样:尽量把发动机转速和负载的范围收缩在高效区。这个范围越小,效率就越高。


  最差的是“面工况”,也就是发动机在运转时,转速和负载的组合比较随意,像冲锋枪搂一梭子扫一大片,浪费子弹是必然的。


▲在低转速、低负载等工况下,燃油车的发动机严重偏离高燃效区(图据日产汽车)


  中等水平的是“线工况”,发动机在运转时,转速和负载的组合能控制在高效区的一条线上,这就像点射,命中率明显提高。


▲混动技术可以把发动机工作点控制在高燃效区(图据日产汽车)


  最理想的是“点工况”,发动机的转速和负载控制在燃效最高的一点上,这就好比是狙击,一枪解决问题。


▲混动技术的理想境界是让发动机“定点运转”(图据日产汽车)


  目前的增程和插混都在努力实现更好的“线工况”,随着技术进步,“线工况”缩小、缩小、再缩小,发动机的“定点运转”就呼之欲出了。


  发动机“定点运转”是混动最高境界,真到这个境界时,直驱就该退出江湖了。道理很简单,直驱时,发动机和车轮机械连接,同步转动,根本没办法“定点运转”。


目前的增程水平如何?


  在理想、问界等品牌推动下,增程近几年成为一种热门混动技术。


▲理想汽车带火增程技术


  “新势力”偏爱增程技术的原因正如欧阳明高所说:


  “你要说技术门槛,肯定是插电混动(比增程)要高,所以一般新造车势力不会选择插电混动”。


  增程式的优势,是结构和控制都相对简单,成本也低。劣势是在中高速巡航等工况下效率差一些,在超高速、爬坡等工况下电机负担大容易过热。有人觉得效率低点、油耗高点也不算什么,但对于汽车技术演化来讲,这百分之几的油耗差,意味着技术上的明显代差。


▲问界等新晋品牌也偏爱增程技术


  这正如发动机的热效率,每提高1%都极艰难,但谁能说这1%的进步无关紧要?
插混到底会不会演变为增程(当然,不是现在意义上的增程)?最终还是要看发动机热效率。


  发动机的热效率和性能在某种程度上是矛盾的,推高热效率,会影响到动力。混动车的发动机逐步从驱动负担中解脱出来,甚至完全不参与驱动,可以放弃一些性能去追求更高热效率。当热效率推高到一定程度(比如50%),发动机就只适合“定点运转”,再想直驱也力不从心了。


  高热效发动机+定点运转,未来的增程技术很值得期待。北航徐向阳团队的研究表明,发动机热效率提高5%,混动系统的能耗能降低11%——终极版的增程技术,油耗表现一定很惊艳。

  转载自傅雪峰微信公众号

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