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对比日系三强混合动力技术

发布时间:2021-03-22 04:40 编辑: 来源:

 

  日系三强丰田、本田和日产分别推出了各自的混合动力车型。各家的广告及技术介绍天花乱坠。你是否搞清了这三家混合动力技术的区别呢?

今天我们就来横向对比一下日系三强混合动力技术的细节~

先说观点,然后后面多图详聊

  1丰田特点 - 动力分流PS混动鼻祖

全球累计销售700百万辆的混动领军人

代表车型普锐斯迭代迅速(已至第四代)

始终坚持HSD混动系统优化成本(坚持双电机加单行星齿轮结构,且没有使用离合器)

混动系统HSD已在多款车型铺开(从普锐斯到凯美瑞,皇冠,卡罗拉,雷凌,雷克萨斯CT200h,NX300h,RX450h等等)

  此处关于价格的比较:雅阁混动只是比凯美瑞混动售价略低

  但拼成本更激烈的出现在卡罗拉和雷凌两款入门车型上。丰田已基本做的混动车型和传统车型一个价。

  发展瓶颈:由于追求成本未使用离合器,因此发动机及电机A(主要作为发电机,也可作为动力电机)无法从动力系统中脱开。这称为丰田发展插电混动最大的限制。目前的普锐斯插电混动的纯电行驶最高时速就受此设计限制。

  2日产特点 - 坚持P2混动类型

结合自家变速箱坚持单电机双离合器P2混动类型

日产雷诺集团与奔驰集团相互参股,联合开发P2

  

重视纯电(全球最好的日产LEAF),混动相对发展较慢,多用于高端车型

3 本田混动 - 动力分流的另辟蹊径者

本田在高中低车型上有三种不同的混动系统。发展方向令人迷惑

雅阁混动携i-MMD混动系统强势上市值得期待

雅阁混动相较成本,其实更专注运动性能。i-MMD混动系统低速电机为主,高速发动机为主,两极分化特点鲜明。既有优点又有缺点。

接下来详聊下三家混动系统的原理

  - 丰田混动HSD -

  不得不说普锐斯车型的迭代速度相当之快

  1997第一代

  

  2003第二代

  

  第二代相较第一代最大的变化就是成本优化,降低成本超过30%

  

  2009第三代

  

  2009年的第三代是丰田从求名而转向走量求利的一步。发动机从1.5L更新成1.8L,HSD混动则做了极致的优化获得更优化的机械结构和更低的成本

  

  2015第四代

  第四代的任务则转向优化驾驶感受,并适应TNGA全球平台而向前文提到的集团内多款车型进行推广。

  

  这个门派的宗师毋庸置疑就是丰田集团,代表车型就是目前全球最好的混合动力车型丰田普锐斯。普锐斯最早在1997年开始销售,发展到今天已经开发到了第三代。并且目前该混合动力技术已经推广至丰田集团几乎所有级别的车型上,包括卡罗拉混动版,凯美瑞混动版,汉兰达混动版(海外),雷克萨斯CT200h,NX300h,RX450h,GS450h,LS600h,HS250h(海外)等等。根据丰田的官方数据,截止2014年9月丰田集团的混合动力车型累计已经突破了700万辆。而这些混合动力车型采用的都是丰田称为混合协同驱动系统的HSD(Hybrid Synergy Drive)系统。丰田HSD系统的核心则是双电机和动力分流装置组成的eCVT电子无极变速箱。大家知道传统的CVT无极变速箱是由连续可变的机械传感装置改变速比实现的。如下图传统CVT无极变速箱通过改变钢带所绕传动轴的半径连续改变速比。

  

  但是丰田的eCVT系统并没有以上的钢带组成的机械连续可变传动系统,那它是通过什么方法实现无极变速的呢?答案就是通过两个电机的连续电控调速实现的。具体我们先来看一下这套eCVT系统的结构。如下分别是丰田普锐斯的eCVT系统刨面图和动力部件示意框图。

  

  

  如上图可以看到电机1(MG1)和电机2(MG2)中间隔了一个机械装置,称为动力分流装置(Power Split Device)PSD。而发动机、电机1、电机2实际上是同轴的通过动力分流装置连接在一起的。动力通过动力分流装置再分配以后通过电机2传输到了车轮上。如果各位看官之前研究过自动变速箱的话,一定知道其中的一个核心机械装置叫做行星齿轮组Planetary Gear Set。其实动力分流装置就是一组行星齿轮组。行星齿轮由太阳轮Sun Gear(缩写S),行星齿轮架PlanetaryCarrier(缩写C),内齿齿圈Ring Gear(缩写R)组成。3组齿轮依次由内而外像天文行星系统一样绕着同一个中心点(即太阳轮的中心点)同轴旋转。如下即为行星齿轮示意图和丰田HSD系统连接图。可以看到发动机连在行星齿轮架上,电机1连在太阳轮上,电机2连在内齿齿圈上并作为输出轴。

  

  

  丰田的设计师们通过行星齿轮组将速比设定成发动机与电机1的转速差与发动机与电机2的转速差比例为2.6:1。速比设定图如下:电机2(右侧)连接在输出轴上可以在6500转/分到-1500转/分之间连续调节。对应车辆的实际行驶速度分别为180公里/小时和-40公里/小时。而发动机(中间)的1000到4500转/分之间调节,而发动机被设定在最高效率转速区间2000转~3000转运行。电机1(左侧)被设定成可以在6500转/分和-6500转/分连续可调来配合发动机和电机2(车速)的转速差。具体的转速关系甚至更具体的动态模拟大家有兴趣的话可以参考文章最后的扩展阅读网页链接。

  

  由于丰田eCVT电子无极变速箱中并没有配置自动变速箱中的其他核心组件,比如液力变矩器,离合器(Clutch),锁止器(Brake)等等一概没有配备。因此发动机并不能从传动系统中脱开。为了在纯电行驶的时候保持发动机静止,因此需要通过电机1和电机2分别呈相反方向旋转来使得发动机静止(根据速比,此时电机1的转速为电机2转速的2.6倍)。由于电机1转速范围的限制,如果前进车速需要大于40公里则发动机就必须启动。除了以上提到的转速关系以外,动力分流装置还能够在不同的行驶模式下将动能通过机械方式和电子方式输送到需要车轮上或者存储到电池内。如下两种不同的驱动模式,上下两图左侧的发动机和两个电机的转速几乎是一样的。但是上图工作在发动机驱动模式中,动力从发动机通过机械方式从动力分流装置输送到车轮上,同时发动机的部分动力被用作电机1发电并驱动电机2给出动力输出到车轮上。而下图为减速工况,车轮上的动力被电机2产生的再生制动力(Regeneration Brake)回收发电充入电池中。同时车轮上的部分动力通过动力分流装置输送到发动机上,维持发动机怠速工作。

  

  

  - 日产混合动力系统 -

  之前提到日产的混动系统为P2类型,具体如下

  那么我们此处就借用英菲尼迪M35hL的两张示意图来说明一下系统构成以及工作模式。首先如下图所示电机位于两个离合器之间。左侧依次为发动机(第一位置),离合器1,电机(第二位置),离合器2,变速箱,输出至车轮。由于电机处于发动机右侧,变速箱左侧的第二位置,因此也称为P2系统。而上图为电机纯电行驶模式,此时电机通过离合器2结合变速箱驱动车轮前进,离合器1断开发动机静止。而下图为发动机通过离合器1连接电机在通过离合器2结合变速箱驱动车辆前进的混合动力模式。

  

  

  那么单电机双离合器系统也不是一个十全十美的系统,它存在的最大挑战就是当车辆纯电行驶的时候电机高速转动,而发动机静止,在如此高的转速差下如果要切换成混合动力模式,启动发动机的瞬间如何避免出现明显的车速波动。为了解决好这个问题,各家都使出了看家本领并且申请的专利相互之间竞争。那么我们就来看看大众是怎么去应对这个挑战的。简单来说大众通过换挡的间隙进行电机的减扭然后与发动机结合的方法,将转速波动限制在一个非常有限的范围内,并且借助自身强大的变速箱技术使得转速波动和动力中断几乎无法被察觉。感兴趣的朋友可以参考一下大众的专利US8020651。如下专利说明图即来自所提到的专利文档。

  

  前文提到本田的混动系统包含高中低三个方向。低端车型使用单电机i-DCD系统,中级车(如雅阁)使用双电机i-MMD系统,高端四驱车型使用三电机SH-AWD系统。如此多的类型让人容易对本田的混动发展方向产生迷惑。

  

  不过随着雅阁混动的发布,对应的这套i-MMD非常值得关注

  如下混动系统示意图可以看到,当离合器脱开时,系统工作在纯电或串联混动模式(发动机仅通过发电电机发电,产生供动力电机所需的电力),而当离合器结合时,系统工作在发动机直驱或并联混动模式下(发动机和动力电机同时出力)

  

  增加的这套离合器让本田i-MMD系统在双电机动力分流PS系统类型里显得非常另类。直接将电机驱动为主和发动机驱动为主两个模式区分开来,提高了传输效率和高速时的驾驶感受。但是离合器的切换时机成为最大的挑战。模式切换的平顺性将无疑受到离合器的影响了。这套系统或许更适合雅阁强调运动的定位。

  如下为该系统处于纯电行驶时的示意图

  

  如下为该系统处于串联混动模式的示意图

  

  如下为该系统处于发动机直驱或并联模式的示意图

  

  如下为三种模式切换的官方介绍

  

  综上所述,日系三强丰田、本田和日产的混合动力技术各有特点。你更青睐哪一款呢?也许最终按照车价及油耗表现综合抉择会是个理性的选择方法。


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