【温故2017】颜值即正义 技术即真理

一句话点评2019-06-11 12:21:33

文 / 林嘉浩、冯金刚

编辑 / 魏信 

回首这一年,不论车市如何变幻,不论汽车人如何涌动,技术的革新,却永恒地推动着汽车行业向前发展。


当欧洲各国纷纷发布燃油车禁售时间点,当中国正式出台双积分政策,新能源席卷全球之势不可阻挡。受此影响,传统燃油车产业迎来前所未有的挑战。然而,在那些掌控汽车核心技术的传统零部件巨头看来:新能源还早,传统内燃机依然大有可为。为了看清这种时代巨变,《每日汽车》记者盘点了2017五大传统内燃机技术和2017五大新能源技术。

 

传统内燃机技术


可变压缩比


可变压缩比(Variable Compression Ratio,VCR),跟字面上的意思一样,也就是能够改变发动机运行时的压缩比。所谓压缩比就是汽缸最大容积(活塞下止点)与最小容积(活塞上止点)之比。表示了汽缸内气体被压缩的程度。理论上来说,压缩比越高,发动机的效率就越高,但是现实中,过高的压缩比会引发发动机的爆震(混合气体提前爆炸)。而如果发动机对压缩比进行限制则会使得低转速时发动机效率较低。



这时可变压缩比的优势就凸显了出来,引入可变压缩比之后,可以使得发动机在低转速时增加压缩比,提升发动机燃烧效率,在高转速时降低压缩比,减少发动机爆震。那具体是怎么实现的?

 

现在主要依靠改变连杆长度来实现。目前量产水平最完善的就是日产这款VC-T 2.0T发动机,在发动机中多加了一套偏心轮与曲柄连杆的机构,目的是改变了活塞运行时的上止点和下止点位置,从而使发动机的压缩比可以从14:1到8:1之间自由的调节。在车辆进行高速巡航等注重燃油经济性的工况时,发动机可以保证较高的压缩比工作,提升燃效;而当车辆需要急加速超车时,发动机可以一定程度上降低压缩比,以追求更强大的动力输出。

 

可变截面涡轮


涡轮增压技术是发动机上常见的技术之一,目前最主流也时最常见的就是废气涡轮。废气涡轮由发动机排出的废气驱动,不过当发动机转速较低时,排气能量却非常小,此时涡轮增压器就会由于驱动力不足而无法达到工作转速,形成所谓的涡轮迟滞。



对于传统的涡轮增压发动机来说,解决涡轮迟滞现象的一个方法就是使用小尺寸的轻质涡轮,也就是目前很流行的低惯量涡轮。首先,小涡轮会拥有较小的转动惯量,因此在发动机低转速时,在发动机较低转速下涡轮就能达到最佳的工作转速,能够有效减少涡轮迟滞,但是问题也出现了,低惯量涡轮在低速时能够减少迟滞,但是在高转速时,由于其排气截面较小,会产生排气回压,使其排气阻力增加,因此发动机最大功率和最大扭矩会受到一定的影响。

 

为了解决低速少迟滞,高速功率大的困局,可变截面涡轮技术就此诞生。博格华纳与保时捷联手克服了这个难题,在涡轮的外侧增加了一环可由电子系统控制角度的导流叶片,导流叶片的相对位置是固定的,但是叶片角度可以调整,同时由于涡轮内部在运转时温度过高,其使用了耐高温的航空材料技术,从而成功开发出了首款搭载可变截面涡轮增压器的汽油发动机。

 

但是就目前来看,这项技术并没有大规模推广,由于对于耐高温材料的要求,使其成本一直居高不下,不过未来如果在耐高温材料的发展,使其成本有所下降,可变截面涡轮技术会有很好的发展前景。

 

HCCI燃烧(均质充量压燃)


近来,均质充量压燃又再一次火了起来,2017年马自达宣称未来第二代创驰蓝天发动机将使用这项技术。其实均质充量压燃(HCCI)的概念出现得也很早,二冲程机器上的HCCI最早出现在1979年,但四冲程机器上的HCCI燃烧模式直到九十年代初才开始得到关注。之后HCCI技术就成为很多厂家想要掌握的技术之一,但实际上并没有产品进入到平民百姓之中,是因为HCCI技术有一个很困难的控制问题:“如何让运转着的发动机在HCCI和传统燃烧方式之间自由切换。”



据了解,由于点火方式不同,所以HCCI的转速区间有限,转矩区间更有限。HCCI技术在进行时,整个气路的温度压力氧含量都和传统燃烧的要求不一样,而这些都不是可以“瞬间”变化的,这就导致了切换的控制是一个难点。

 

HCCI技术的核心是均质混合气和压燃,也就是让气缸内的混合气体在高压下自燃,这样就可以让活塞在汽缸内获得更多的行程,从而带来更高的压缩比。

 

同时,马自达通过压燃点火实现更快的发动机响应速度。不仅如此,马自达还表示将搭载以改善油耗为目的的空气供给功能的装备,实现了比现款“创驰蓝天汽油发动机(SKYACTIV-G)”全转速区域10%~30%的扭矩大幅提升。

 

马自达表示将通过独有的“SPCCI(Spark Controlled Compression Ignition)(火花点火控制压燃点火)”的燃烧方式,解决汽油发动机压燃点火实用化中压燃点火成功范围扩大化的课题,实现火花点火和压燃点火之间的无缝切换。

 

不过压燃方式本来是柴油机的技术,柴油燃点低、粘度大,所以适合压燃点火方式,而汽油就反过来了。压燃做功行程比火花塞点火要大,燃油效率会高,但是也有副作用,噪声很可能更大。虽说马自达宣称可以在传统点燃和压燃压燃两种方式中随意切换,但是压燃带来的副作用对于不善于控制噪音的马自达来说也依旧是个很大的挑战。

 

电子涡轮


通常废气驱动的涡轮增压在低转速时会产生一定的涡轮迟滞,为何不改变涡轮的驱动方式?在这样的情况下,电子涡轮就此诞生。电子涡轮的涡轮驱动力并非来自于发动机的废气排放,而是来自于一个电机。



电子涡轮增压的最核心优势,是它的控制能变得更加自由:废气涡轮增压只能在一定转速下才能实现增压,而电子涡轮增压由电机驱动,不受废气量与速度的限制,所以可以在各种转速下实现我们想要的进气增压。

 

不过这也并不是那么容易才能实现,如果要将涡轮在最快的时间内提升至15万,甚至30万的转速,并且长时间运行需要强大的电机来支撑。目前已经搭载上车的奥迪电子涡轮的电机时依靠一个独立的12V的电池再通过继电器得以实现,不过也仅仅只能达到9万转的转速,也仅是作为常规涡轮处于非最佳运行情况时的一个不足。

 

目前电子涡轮并不能完全独立运行,不过随着未来48V电池系统的普及以及电机技术的发展,相关零配件的成本降低,电子涡轮大规模量产也并不是没有可能。

 

转子增程式混动技术


2017年3月,有海外媒体曝光了马自达在美国申请的一项增程式混动系统专利,该专利上显示马自达或将转子发动机应用在其增程式混动系统上。



相关专利图显示,该混动系统前桥配备一台电动机,电池位于底盘中间位置。而内燃机、发电机、油箱及逆变器则被布置在了后桥位置。资料显示,专利图中零件编号为9的内燃机赫然是一台转子发动机。据悉,该转子发动机的作用是:在电池组电量不足时,转子发动机点火工作,带动发电机发电,实现为电池组进行充电。

 

也就是说转子引擎在整个工作原理中只是靠高转速发电,并不直接参与驱动汽车。可以说,这个让马自达引以为豪的发动机已经沦为了这款纯电动车的“充电宝”。

 

不过在之前,马自达因为转子发动机油耗高、噪音大、磨损严重、保养困难而停产过,现在需要解决的技术难题也不在少数。目前,马自达也没有公布具体的发动机以及电机的技术参数,不过转子增程式技术的诞生不仅代表着转子发动机的重生,更代表着增程混动技术的另一个技术方向。

 

新能源技术


氢燃料电池


虽然纯电动和插混发展的热火朝天,但我们依旧不能忽视氢燃料电池汽车的发展,尤其是近年来日系在这个领域的发力。由于采用了极具创新性的动力系统布置,新一代本田CLARITY燃料电池车的130kW燃料电池系统获得“2018沃德十佳发动机”称号。



这套系统最大的创新是将燃料电池传动系集成到发动机舱,回归到普通家用车最合理的布置方式,使得氢燃料电池车的推广向前迈进一大步。据悉,本田CLARITY是首款实现这种布局的燃料电池轿车。

 

这种布置的改变依然延续了本田MM开发理念,将尽可能多的空间还给用户。本田这么布置另一个目的是新能源动力系统平台化,本田希望将这个平台打造成燃料电池、纯电与插电混动多车型平台。

 

为了实现这种布置方式,本田将氢燃料电池系统的体积缩小了33%, 但是体积功率密度却增加了60%,且这个布局方式的抗冲击能力较上一代大大增强。

 

150kW电驱动系统


对比插电混动和氢燃料电池,目前纯电动技术含量相对较低,对于主机厂来说,开发电动车最大的阻碍不是技术,而是在性能与成本之间取得均衡。

 

作为全球最大汽车品牌之一的通用,其在电动车发展史上做出的技术贡献不可磨灭,但是20年前在EV1项目的败北令通用颜面扫地。为了证明自己在电动车上的实力,以及对标特斯拉Model 3,通用花重金打造了雪佛兰Bolt。



在最核心的动力电池上,Bolt的电池包由288支LG电芯制成,是最新一代镍钴锰三元材料(NMC)电池,成组方式3P96S(96支串联,3组并联)。电池包的额定电压350V,最大输出功率为150kw,系统容量为59.4kWh,体积能量密度为208Wh/L,质量能量密度为136Wh/kg。电池包重量为436千克,其中300千克为电池组电池。在热管理方面,Bolt的电池包采用了主动液冷和加热,这一技术基本沿用了沃蓝达的技术。

 

数据显示,Bolt美国售价为37,500美元(约合人民币24.7万元,美国政府补贴后仅需3万美元),在美国EPA工况下,Bolt单次充电续航里程为238英里(383公里),超出同等价位竞争对手至少30%,而且比特斯拉Model 3入门款车型续航更长,售价更便宜。据悉,Bolt是美国市场上首款以35,000美元起售价提供200英里以上续航里程的电动汽车。自2016年11月上市以来,Bolt销量节节攀升,目前月销量已经达到3,000辆左右的水平,最重要的是超过特斯拉Model S,使得Bolt新晋为全美最畅销电动车。

 

与此同时,瑞银通过拆解Bolt,得出一系列足以颠覆传统车的结论。瑞银认为,在价格方面,欧洲将在2023年实现电动车与传统车售价持平,而中国会在2026年(剔除补贴),这个时间比之前预期早了两三年。在汽车产业链上,电动车机械传动部件大为降低,来自传统汽车供应链之外的一级供应商份额高达56%(剔除电池为14%),这为传统汽车产业链敲响了警钟。

 

出于Bolt在电动车性能、售价与市场之间取得的的突破,其150kW电驱动系统被评为“2018沃德十佳发动机”称号。

 

DMII插混系统


有人说,如果新能源是未来,那么插电混动是最好的过渡方案。插电混动的意义不是百公里两升以内的油耗,而是给我们提供了零油耗的选择,这取决于你怎么使用,这也是传统车和普混都做不到的。

 

在插混技术上,目前除了丰田、福特和通用坚守的行星齿轮系插混,还有德系和自主品牌青睐的涡轮机匹配常规变速箱方案,前者的优势在于混动效率高,但是后者性能更强悍,从比亚迪秦百公里加速5.9秒、唐4.9秒可见一斑。



以中国品牌比亚迪插混系统为例,其从2008年推出全球首款双模插电混动车F3DM,搭载比亚迪第一代插混系统DMI,进化成现在的DMII。相比DMI,DMII系统最大的改动是采用了“涡轮发动机+单电机”方案,使用了一台110kw/250Nm的电机搭配一台113kw/240Nm的1.5T涡轮增压发动机。

 

然而,这套单电机插混总成也有缺陷,它无法有效地隔离发动机的不良工况,这也是单电机插混的通病。由于缺乏独立发电机,当SOC电量不足时,发动机除了驱动行驶,还同时让驱动电机运转发电,这时候就会有两种情况,要么动力不足,要么发电不够,这就涉及到动力分配问题,通过试驾发现,比亚迪宋DM属于后者。

 

事实上,比亚迪DMII是种典型的P2插混系统,采用这一技术路线的车型很多,比如A3 e-tron和高尔夫GTE。总的来说,为了规避以丰田为首的行星齿轮混动生态系统,这种技术路线也不失一种良好解决方案。

 

EDU智能电驱


既然单电机插电混动无法很好解决驱动和充电之间的矛盾,那么双电机插混方案自然被提上来,比较典型的是本田I-MMD和上汽EDU等。日前,在“龙蟠杯”首届世界十佳变速器评选中,本田I-MMD和上汽EDU这两套混动系统的变速器成功入围“年度十佳变速器”。所以,从结果来看,它们都成功避开了行星齿轮系。



作为国产双电机插混系统的代表,EDU智能电驱变速箱最大的亮点在于创新性设计了同轴布置的双电机、双离合器机电耦合构型。这个双离合器不是DCT的双离合器,而是两个离合器——管理ISG电机和发动机接入/断开的C1离合器,以及管理驱动电机接入/断开的C2离合器。

 

理论上,通过两个离合器的开闭,以及不同动力源的不同工作方式,EDU智能电驱变速箱可实现全部混动模式。比如,当动力电池SOC下降到一定程度时,整车控制器给出指令,这时发动机驱动ISG发电机发电,给动力电池充电,此时,动力电池给TM驱动电机供电维持行驶,这就是串联模式;当动力需求更多而TM驱动电机动力不够时,C1离合器由常开变为常闭,这时候发动机、ISG发电机与TM驱动电机三擎共同驱动车辆,这就是并联模式。

 

事实上,除了动力耦合,上汽还在EDU上弄了一套两个挡位的变速单元,一档速比为1.912,二挡速比为1.021。两档变速器的加入有两个作用,一是削弱双离合开闭的顿挫感,二是减速增扭,利于纯电动模式下的爬坡工况。

 

说到这里就要延伸下电动车是否需要变速箱的问题。目前国内绝大多数电动车采用的是永磁同步电机,当转速升到过高以后,驱动电机的功率和扭矩会同步下降(效率下降至60%-80%左右),发热也会比较严重(永磁体怕热,高温会退磁,过高会永久退磁),这使得电动车耗电率增加,进而减少续航。

 

如果采用多挡位变速箱,在满足车辆具有足够动力性能的同时,可有效降低驱动电机及电机控制器的功率,改善电机系统的运行效率,提高电动车综合续航里程。目前,除了上汽的两挡EDU,还有宝马i8采用了来自于GKN的eAxle两挡变速器,它额外添加了一个齿比,在提高车辆的加速性能的同时增加了纯电动模式行驶里程。未来,随着对电动车扭矩和效率需求的提高,采用多挡位变速器是一个比较好的解决方案。

 

固态电池


电池和充电问题是当前阻碍电动车推广的根源,如果其它企业宣布在此有重大突破,可能让人觉得噱头大于实际,但如果是丰田,那就不一样了。

 

2017年7月,日本媒体爆出重磅消息,丰田计划在2022年左右将固态电池进行量产。这在业内是相当大胆的行为,特别是发生在谨慎保守的丰田身上,则更加令人不可思议。业内人士分析,以丰田以往的性格,如果其看好固态电池路线,基本上就意味着丰田已经攻克了这条技术路线中的绝大多数难题,比较有把握量产了。



固态电池之所以备受关注,与其非常诱人的优点有关。首先,全固态锂电池具有极高的安全性,其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液,同时也克服了锂枝晶现象,搭载全固态锂电池的汽车的自燃概率会大大降低。其次,全固态锂电池当前能量密度约400Wh/Kg,预估最大潜力值达900Wh/Kg,远超现有的磷酸铁锂和三元锂电池。还有,固态电池还能大大提升电池的循环性能和使用寿命,理想情况下,其循环性能可以达到45000次。最重要的是,由于固态电池界面阻抗较高,所以快充比较难,但是很多已开发出成品的企业却表示固态电池充电非常快,几分钟即可充满80%以上,比如美国电动汽车制造商菲斯克(Fisker)就表示,其正在申请的专利能够让续航804公里(500英里)的电动车充电时间缩减到1分钟。

 

固态电池上面这些优点恰恰是现有锂电池的缺点,这主要是它们内在化学结构决定的。传统的液态锂电池被称为“摇椅式电池”,摇椅的两端为电池的正负两极,中间为液态电解质,锂离子像一个运动员,在摇椅两端来回奔跑,锂离子从正极到负极再到正极的运动过程中,电池的充放电过程就完成了。而固态电池的区别是它的电解质为固态,具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端,传导更大的电流,进而提升电池容量。

 

固态优点明显,惹得全球众多企业纷纷竞逐这个技术的开发,包括新势力造车的蔚来汽车,但实际上,固态电池依然存在许多天然缺陷,比如电解质制造、固-固界面优化与工艺不成熟等核心问题,还有就是成本控制。所以,业内普遍认为固态电池从实验室走向产业化还需要一定时间,真正实现小规模量产预计在2020年以后,而大规模应用则需要更长的时间。【END】

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