【汽车与环境】混合动力专家、国家“千人计划”特聘专家段志辉:混合动力发展趋势分析

盖世汽车综合 2017-12-09

核心提示:2017年汽车与环境创新论坛-盖世直播!

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混合动力专家、国家“千人计划”特聘专家 段志辉

谢谢!我今天主要介绍一下混合动力核心的部分,混合动力变速箱的情况。

简单介绍一下,国际上混合动力实际上发展很快。丰田今年年初的时候就已经达到了混合动力销售超过一千万辆。其他的我这儿只是随便列了一些比较著名的公司他们在大规模地发展混合动力。《节能与新能源汽车技术路线图》是国家动用了所有汽车行业和500个专家做的。我比较感兴趣的是这个红字。2020-2030,国内对插电式和非插电式混合动力系统,在这三年内要分别达到360万辆,1056万辆和1800万辆。到2025年的时候,这里要有一千多万套的混合动力系统,市场是两千亿的市场,到2030的时候,这个市场应该是在3500亿。去年2016年PHEV只有7.6万辆,而国产品牌的非插电式混合动力营销量有一个很大很大的市场需求,供远不足需。

我们已经发展混合动力有20年了。我们看一下国际市场混合动力这上面,国际最大的11家车企,它们做的混合动力主要有两种形式,一种是丰田和福特做的动力分流,一个是其他很多车企做的所谓的P2,P2是单电机的系统。

动力分流总体来说就是两个电机,一个斜边齿轮可能还有一些附件都属于动力分流的系统。还有一个是P2,它总体来说,要有一个变速箱,一般是自动换挡的变速箱,要有一个电机,前面还要有一个分离机构或者是离合装置,这是两个主流的。

这两种技术的油耗,我们可以比较一下。从上面这几个,这三个(PPT),丰田的凯美瑞,福特的Fusion还有现代的Sonata,特征非常接近。我们看红的,这三款是非常接近的。如果比较混合动力系统,丰田和福特,这是动力分流系统做得最好的两家。现在用的是P2。所以从这个上面看,应该说P2和动力分流它们的水平是没有显著差异的。底下这两款车是丰田和现代专门为混合动力研发的,一个是普锐斯,一个是ioniq,普锐斯我们都知道,是混合动力最成功的,是鼻祖,现在已经发展到了第四代,它的油耗是54;现代的这款车是今年刚上市的,是第一代,它的油耗是55。这是2015年的普锐斯,这是第四代,这是ioniq,这是小众车,两人座的,十万多,是一个非常好的车,但是是小众的,平均油耗不充电的话是2.1升每百公里。看一下上面这一栏,是它的比较,这两个车确实比较接近,都是五门的掀背车,风阻系数都是0.24,实际上也有两种标的,一种是55,一种是58,要是58的话,比52油耗改进10%,至少从这些数据上来说,我们没有理由说P2没有动力分流好。或者如果考虑现代的总体技术,我初步判断现代的技术要比丰田的差一些,很可能这个地方的潜力比这个地方(PPT)的潜力要大。

前面是现在的情况,再看它的趋势,我们现在看一下第二代动力分流或者更高级的动力分流会是什么方向。这是丰田专利上的截图,这个虚线里面就是动力分流的东西,这边虚线里面实际上就是AT的主要部分,上面这个是相当于所谓的杠杆图,它通过换挡可以改变发动机的速比,它把这个东西放在雷克萨斯GS450h上面,这是动力分流系统,这是变速器。这是另外一个专利,在这个基础上做的专利很多是动力分流,这是四速的变速箱,上面是离合器和制动器怎么操作的。这个是在2015年北京车展的时候照的,这是动力分流这一块,这一块是四速变速箱,这个车应该也上市了,有一个LC500h,这是两门的车,做这个是为了解决车辆低速的时候,扭矩不够的问题。另外一个,要在高速的时候使得电机的转速和发动机转速降下来,两个打引号的是在这边上立了一个牌,带引号的就是从那个牌上摘取下来的。另外一个,加了这个之后,可以用来做PHEV。实际上,普锐斯的一切都好,就是它在做PHEV的时候有点困难。为什么呢?因为它的电机在纯电动的时候,电机的转速需要达到一万七八的样子。我也是在做福特的混合动力,和它这个基本上一样,超过70英里时速的时候,电机转速太高了,这地方(PPT)也存在这个问题,动力分流加变速箱是不是和P2的混动模块加变速箱概念有点像?另外动力分流再加变速箱,动力分流不是作为主要变速的机构,主要是作为动力耦合的机构,是不是还需要那么大的电机?两个电机还是比较大,还有一个,我能不能去掉一个电机?去掉一个电机就是P2了,还有一个,最底下这个,上面说的,横置这个地方好改不好改?

接着刚才的话说,是不是丰田也对P2感兴趣?我查了丰田的专利,有六七十个专利是这样的。这是一个后轮驱动的,基本上只能用于皮卡车和稍微大一点的SUV。一个小问题,丰田有了动力分流,有了动力分流加AT,现在又搞P2,为什么?这个大家想想。

刚才提到混合动力系统,P2这套系统的发展方向是什么呢?总体来说电机改善效率,这是没有问题的。因为它用了变速箱,和变速箱相关的提高效率降低损失是一致的。不光是混合动力,都存在着增加挡位,越多它的效率更高,传动效率更好,减少各种各样的能量损耗和损失,增加挡位现在也没有太大的问题了,混合动力理论上也是变速箱的效率高了,挡位多了,混合动力肯定会好,挡位越多,发动机相当于供热得越舒服,效率越高,减少离合器损耗,为什么呢?这是五个离合器,这些离合器有一些什么问题呢?它在锁定的时候,必须要用高压油锁住它,它是漏油的,你要锁住高压油是需要流量的。离合器是不可能完全分离的,不可避免要产生拖拽阻力,它在高速旋转,就会消耗能量。变速箱本来就一直有这么一种误称。这两种离合器产生的拖拽阻力不一样,从这个上面是可以做功课的。这个地方,我找了一个专利,是八速的,从构造来说,熟悉变速箱的人一眼看出来,这是一个AT的形式,一般来说AT都会有5-6个甚至7个离合器,但是这个系统只留了这两个离合器,其他的离合器都被同步器替代掉了;这两个离合器是轮流的,换一次挡就切换一次,这个原理和DCT原理挺像的。再问下去,ZF有很多这种专利,DCT配着DCT的混合动力。我们都知道ZF是AT的老行家,有8AT和9AT,DCT至少在某些方面有优势,特别是在混合动力这边,这是它的专利,是不是一定是ioniq的东西,这个不那么重要,重要的是,现代第一款P2混合动力是配了一个6AT的,在那个地方还没有淘汰的情况下又开发了DCT的混合动力,而且效果直接超过了普锐斯,它认为DCT在混合动力上面应该是有优势的。丰田也有这方面的专利,这个专利量就这么两三个,量不算大,这个量不一定是真玩,可能是试一试水。本田也搞了这么一套混合动力系统,这个可能也有五六十个专利。

我口头说一下,还有一种比较常用的自动变速箱就是CVT。CVT实际上它在常规动力车上效果是很好的。如果不考虑纯电动,我相信它会很好,如果用在PHEV、纯电动那一块可能就吃亏了,为什么呢?电机输出的功率要经过皮带的损失。我想PHEV可能放在输出轴会好一些,在电动方面会省不少电。这又出来另外一个问题,是不是最好换一次挡?一个速比跑太大速度范围的时候,它的效率可能受到影响。CVT不是说它不好,只是说它这边有一个比较复杂的逻辑关系。刚才说到离合器是变速本身的,现在还有一个,汽车在起步的时候,都有一个传动,传动的部件实际上也都是一个很重要的部件,液力变矩器或者双离合器。如果P2要配AT或者CVT,如果保留了液力变矩器,它的长度会很大。刚才我们看了丰田的那个,直接要加上去一百四五十毫米。另外一个,液力变矩器靠油传动,油的搅拌能量损失也有点大,还有就是要有一个比较大的离合器来锁定。P2加双离合器的话,双离合器是一个控制比较麻烦,风险比较大,这两个离合器个头比较大,效率会有点影响。基于这种情况,有这么一种东西,由电机、行星排、离合器、制动器组成的混动模块,可以差速传动,也可以将发动机和变速箱这一块连接起来或者分离开来,另外还有一个增扭作用,这和液力变矩器是一样的,有人称之为“电力变矩器”eTC,对应“液力变矩器”hTC。

电力变矩器总的来说,除了刚才的三个基本功能之外,还有一些特殊的作用。比如说第一个在起步的时候,它是有输入功率和输出功率。电机吸收功率会把它转化成电能,储存在电池里面,避免把它转变成热量消耗掉。发动机有1.5倍的增扭作用,我们的电机只要110牛米,有的能够输出300牛米,搞电机的都知道,这个重量成本是差得蛮多的,轴长可以缩短,这是非常非常重要的。另外一个,能耗总的来说相对小一点,这是几个专利,这个是奇瑞艾瑞泽7,这个上面就是电机、行星排、离合器、制动器,我们这套系统原来的这个地方是一个接口,这边是布置安装液力变矩器的,我们加了这么复杂的东西,总长是增加了24毫米,所有这些乱七八糟的东西都是在电机的内部。上市之后,应该是国内首款量产的P2混合动力,这也是国际上首款电力变矩器上市,最后荣获“中国心”发动机奖。这些是它的的一些主要的各种各样的工况。刹车的时候会进入再生制动,再回去。等电不足的时候,会在行驶中启动发动机,就进入并联驱动的情况。如果在一开始的时候需要发电,就差速驱动。这是没有问题的。这个就是相当于电力变矩器加DCT,实际上刚才看了,DCT做混合动力挺有优势的。电力变矩器也很有优势,现在有很多把它给联起来。这是通用的,现代的,丰田的,本田的。这个哪一天上市了,一点也不奇怪。

想介绍一下这个,这是我专利,是这么一套系统。电力变矩器一个相当于DCT的变速箱,但是没有前面的离合器,最重要的是什么呢?刚才说的那些优势它都有,损失很少。就六对齿轮,我们可以组成12个左右的挡位。这里想解释一下我怎么实现12个挡位的。简单来说,这个是奇数的输入轴,这是偶数输入轴,如果和这个锁定,它选一个挡位了,就跟着它挡位。但是我们这儿是一个行星齿轮,行星齿轮有三个轴,有这么一种关系,如果挂了这个挡,要按着行星齿轮的规定,画一条直线到这儿,既不是这个也不是这个,如果离合器锁定,挂一挡挂二挡就会实现这种挡位。这边我要是挂了一个四挡,还挂了一个三挡,我会得到这个挡位。所有这些都是延伸的挡位,是一个固定的速比,如果没有必要,那你不选就是了。这个角应该是一个实际的变速箱,已经上市了。我们配了一组6DCT,配了一组齿轮。这个大概是17个挡位,但是这两个挡位的变化太小,我们把这么小的挡位给废掉。除了1.38之外,一般都是不到20%。这是从变速箱的角度说的。

不光我这儿,我也查到几个专利。也是用类似的办法产生了超过原来齿轮数量。这是(PPT)ZF的另外一个专利。

这就是我的报告。谢谢!


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