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混合動力汽車為什麼突然火了?混動都經歷了哪些階段?不同的技術各有什麼特點?

混動產生的哪些流派?這真是一個大問題。個人覺得有3個角度是可以論一論「流派」的:


1)系統構型:行星齒輪派與非行星齒輪派


2)電池技術:鋰電池派與鎳氫電池派

3)電機技術:永磁同步派與感應電機派


關於系統構型的角度,本題下的@Brandon Lu的答案已有了概覽的回答,我也曾詳細比較過豐田、本田、通用的混動路線對比,在此就不再重複論述。


a) 本田與豐田混動構型對比:本田的混動和豐田比有什麼優勢和劣勢? - 張抗抗的回答


b) 通用與豐田混動構型對比:各大汽車廠研發強混車型是如何從技術上規避豐田混動專利的?目前有哪些主要類型呢? - 張抗抗的回答

本文主要從電池技術的角度來捋一捋不同的混動流派,電池技術哪家強呢?


1. 鋰電池路線vs鎳氫電池路線


正如談純電動避不開特斯拉一樣,談混合動力的時候,也都要和豐田普銳斯進行對比。


豐田普銳斯的混動系統構型堪稱完美,近20年都無需大改,沿用至今。但其在電池類型的選擇上,卻是另外一番景象——豐田一直以鎳氫電池為主,直至第4代普銳斯才提供了鋰電池與鎳氫電池兩個版本,鋰電池組,僅有56個Cells,而鎳氫電池組則有168個Cells,因此兩者在成本價格上相去不遠,且輸出電壓也在伯仲之間,但鋰電池組的重量較鎳氫電池組輕了16公斤。與鋰電池相比,鎳氫電池有固有的劣勢,可以預見到,豐田在不遠的將來,將不得不轉為以鋰電池為主。


而作為對比的通用,則從最原始的BAS系統(皮帶助力微混)到插電的沃藍達、以及SPARK電動車,都堅決採用了鋰電池路線。最近看過一篇很有意思的文章《原來特斯拉的電動車技術來自於TA》,文中講到通用是鋰電池路線的倡導者,通用EV1項目的負責人和特斯拉Roadster也頗有淵源。通用涉足電動車的歷史可能要追溯到1990年(甚至更早),通用當年推出了一款電動車「Impact」,並提供給用戶進行試用。

儘管該項目後來擱淺,試用的樣車也被盡數回收,但是通過該項目積累了大量的電動車經驗和技術,用在後續的VOLT、BEV以及BOLT上。後續從VOLT開始,大規模使用鋰電池技術。即使只有0.5kWh電池的上一代君越eAssist,都採用了鋰電池,要知道同時代別的微混車都在用鉛酸。因此,通用在鋰電池應用這一領域可謂佔盡了先機,是第一個在所有從混動到純電動都使用鋰電池的廠家。


可以說,通用是鋰電池車用領域「第一個吃螃蟹的人」,這也是為什麼要把通用單獨拎出來,作為「鋰電池派」的典型。


通用鋰電池派與豐田鎳氫電池派相比,有以下區別:


a)能量密度:


電池的主要用途是儲存能量,因此能量密度是電池的最重要參數,在這方面鋰電池對比鎳氫電池有較大的優勢。以2012年推出的第三代普銳斯鎳氫電池為例,1.3kWh容量,重量卻達到53.3kg,能量密度才24.4Wh/kg;而同時代通用推出的VOLT,採用鋰電池,電池包容量16kWh,重量為181.4kg,能量密度為88.2 Wh/kg,兩者能量密度差了差不多4倍。通用的最新產品,BOLT使用的電池包為LG的層狀電池60kWh, 435kg,其能量密度達到了138 Wh/kg,最近上市的君越混動版本,採用了第二代Voltech,使用1.5 kWh電池包,可為60kW和54kW的兩個電機提供動力,功率密度可見一斑。從這個角度來看,豐田還停留在中度混合動力的階段,以短期降低油耗為目的,而對未來的戰略並不明朗;而通用是沖著深度混合動力方向去的,甚至為純電動做好了技術鋪墊,混合動力-插電式-純電動的技術路線已經非常明確。

b)電池容量:


從電池容量來說,普銳斯的電池容量僅能提供不到10公里的純電動行駛,而通用VOLT則可以提供多達60km的純電動續駛里程。因此,豐田對於電池的思路就是輔助系統,而通用則把電池放到了和發動機同等重要的位置上。也就是說,豐田的混合動力還是以發動機為主,比如研發了阿特金森循環發動機,而通用的混合動力則把電池放在了較為重要的地位。


c)電池管理技術水平


從技術角度,鋰離子電池系統比鎳氫電池系統要複雜,技術難度更大。鋰電池雖然能量密度高,使用壽命長,但對溫度更加敏感,需要設計複雜的熱管理系統。例如,通用第二代VOLT設計了多種模式的熱管理系統,可以用廢熱給電池加熱,也可以用空調給電池冷卻,設計非常節能和精妙,有效地增加了電池壽命和性能。而鎳氫電池對溫度敏感性較差,設計簡單的熱管理系統即可。另一方面,通用鋰離子電池包較大(比如VOLT電池容量是普銳斯的十多倍),使用更先進的均衡技術、充放電控制技術等,使得Volt的電池組內的溫度差可控制在2°C以內,有力地支持了8年的電池組壽命保證期。

通用的凱迪拉克CT6電池管理技術來源於第二代Volt電池管理的技術基礎,也充分展示了在電池集成與管理方面的最高水平:由3段96S2P電池(96個電芯Cell,每個電芯包含2個電芯對Cell Pair)組成,外部由高壓壓鑄鋁板進行相應的保護,內部還包含必須的高低壓線束以及散熱管Thermal Plumbing,並在電芯間加入了水冷散熱鰭片,模塊化設計使得可以靈活配置電池組的外形與容量。

混合動力汽車為什麼突然火了?混動都經歷了哪些階段?不同的技術各有什麼特點?



電芯間水冷散熱鰭片的示意圖

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模塊化電芯的組裝示意圖

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多個電芯組成的電池組


作為一名工程師,在我看來,特斯拉的電池管理水平已不低,但在通用這種「老司機」炫技一般的水平看來,還是略顯稚嫩。不僅特斯拉,豐田在電池管理技術上的投入也較少。鋰電池派與鎳氫電池派在電池管理水平上的差距,主要是由於豐田認為電池處於輔助地位,自然投入的研發成本較低,以投入性價比為主;而通用則認為電池是動力系統的半壁江山,對電池及其管理技術進行了深入研究。


不知道為什麼,看到通用的雙行星齒排系統與電池管理系統,令人眼花繚亂,讓人感嘆鬼斧神工,這總是讓我想到另外兩個工程師嚮往的企業:摩托羅拉與索尼。不管怎麼說吧,這技術水平是杠杠的。


2. 層狀鋰電池 vs 圓柱形鋰電池


雖然題目是混動流派之爭,但我還是忍不住要和特斯拉的電池對比一下。無論混動還是純電動,電池技術是大體相通的,因此應該不算是跑題。


這兩三年來,經常有人問,特斯拉的電池管理演算法太厲害了,可以使電動汽車跑400公里,而一般的電動汽車跑一兩百公里就不行了啊,那他們的電池管理演算法究竟是怎麼厲害的啊?


首先,必須承認把幾千節電池組成電池包來用,確實挺牛的,但是特斯拉跑得遠真的和電池管理演算法關係不大,主要是電池塞得多…… 而這樣的回答,一般都不能讓提問者信服,這不得不說是特斯拉營銷的成功,讓普羅大眾相信「演算法是可以發電的」。


圓柱形電池與層狀電池相比,缺點是非常明顯的:


a)體積利用率:圓柱形電池在成組時必然會比層狀電池佔用更大的空間,從而影響車內總體空間。


b)熱管理難度:層狀電池的接觸面積較大,更有利於散熱和電池單體之間的熱平衡,BOLT的電池包可以控制單體溫差在2度之內,對電池的一致性和耐久性有很好的提高。


c)一致性與可靠性:特斯拉Model S一共有7000多個單體,而VOLT上只用了288個,單體太多導致的失效增加以及一致性問題,可能會隨著時間的推移而慢慢顯現出來


事實上,特斯拉之所以使用18650電池,更多出於價格和商務而不是技術上的考慮,當時松下急於尋找合作夥伴,因此報出了低於成本的價格。而GM的全球供應商體系較為完善,話語權也較多,因此有較大的空間去選擇技術上更先進的供應商。


3. 電池路線之爭的核心問題:電池安全


@葉磊Ray在他的回答為什麼說特斯拉的核心優勢是電池管理軟體演算法? - 電動車中也提到:「德國汽車企業拿他們的技術標準去套Tesla的產品,無論是設計選型還是製造工藝根本就不成熟」。


這裡就要特別提到電池路線之爭的核心問題:電池安全問題。別看電動汽車發展得如火如荼,在量起來後頻發的著火爆炸事故有可能使這個行業倒掉;別看特斯拉如日中天,如果集中爆發安全問題引起集中召回與賠償,企業也很難撐往住。


簡而言之,安全問題就是汽車企業的黑天鵝。忽視安全問題,也許像是掙脫了枷鎖,可以發展得更快,但也面臨著發展道路戛然而止的風險(也可能風險未爆發,從而取得先機,這叫「機會主義路線」)。而特斯拉在這方面,不得不說是有點冒進的:


下圖1是特斯拉的BMS,可以看出來左右兩個接插件都不是汽車級的,中間的兩個插排更像是調試介面,而不是產品,這種介面在IT上經常使用,但是能否適應車輛的惡劣環境還待考證。

混合動力汽車為什麼突然火了?混動都經歷了哪些階段?不同的技術各有什麼特點?



特斯拉BMS電路板

混合動力汽車為什麼突然火了?混動都經歷了哪些階段?不同的技術各有什麼特點?



通用的BMS電路板


使用的晶元方面,特斯拉的IT基因促使他們使用了一些IT行業的晶元,比如DSP、ARM、FPGA等。而通用則完全使用傳統的汽車級晶元,單片機一般都是飛思卡爾,硬體設計滿足ISO26262的ASIL C等級。


在高壓安全方面,通用的方案是使用MSD(Manual Service Disconnect),就是下圖這個黃色的接頭,這個黃色接頭可以從物理上斷開電池包和外界的高壓,保證維修人員的安全。所有和高壓安全相關的信號,都採用了雙路備份處理,甚至專門為了電池管理系統設計了雙路CAN匯流排的冗餘備份,確保高壓安全萬無一失。

混合動力汽車為什麼突然火了?混動都經歷了哪些階段?不同的技術各有什麼特點?



MSD(Manual Service Disconnect)


而特斯拉則為了節約成本,省去了這個零件,而是依靠高壓繼電器來進行斷開。這種方案,當高壓繼電器發生粘連故障時,無法斷開,有安全方面的風險。不過考慮到特斯拉的產量一個月也就幾千台,量產時間也不長,出現問題的概率也不大。而如果量上來了,那可能會遇到問題。


當然,馬斯克能把火箭發上天再收回來,他對安全性、可靠性的理解也不會差。而上述的特斯拉的安全性、可靠性問題,可能只是他的一種發展策略——既然現在只能賣幾千的量,那就按照幾千的量來設計安全性;當我能賣幾十萬輛的時候,自然會按照幾十萬的量來設計安全性。如果真是如此,不得不說,特斯拉還是比傳統車企要靈活得多;如果不是這樣,那很可能在量上來後要出問題。


總之,在電池技術方面,包括通用在內的德美日大型傳統車企,作為年銷量數百萬的百年老店,更加註重產品的可靠性、一致性以及耐久性。而特斯拉作為帶有IT基因的新興企業,將注意力更多放在用戶體驗上,其產品也未經過大量、長時間的驗證。


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