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从Lexus(雷克萨斯) GS450h看混合动力技术发展

2009年02月17日10:07:08 腾讯汽车 我要评论(2)字号:T | T | T
关键字:应用 汽车 电源 电力 

      尽管近日国际油价大幅回落,但是温室气体排放造成全球变暖,北极浮冰加速消融。汽车——这个曾经/正在改变无数人生活方式的伟大发明却依然越来越多得受到指责。而近年来自全球各地的汽车制造商致力于更环保并且更高效的汽车,“百公里油耗”和“CO2排放量”也成为人们关注的汽车性能参数。为了实现这两个目标,汽车公司所带来的科技并不仅仅停留在如氢能,电能,太阳能这些环保新能源上,技术上更容易实现的混合动力车已经逐渐演变成为可以购买到的产品。

      近日,雷克萨斯品牌正式上市了,在去年广州国际车展上首次在国内发布最新改款的2008款雷克萨斯GS 450h混合动力轿车,这是继普锐斯(图库 论坛)、雷克萨斯RX400h,雷克萨斯LS60(图库 论坛)0h后丰田引入的又一款款混合动力车型。那么,此次上市的雷克萨斯GS450h轿车采用何种类型的混合动力技术,混合动力技术又已经发展到何种程度了呢?

揭秘雷克萨斯GS450h混动技术

      在纵置发动机的后驱车中,雷克萨斯GS450h是一款全混合动力车(Full Hybrid)。它配备的是与GS350相同排气量的3.5升 V6发动机,最大输出功率为218 kW。与GS350一样,GS450h搭载的3.5升V6发动机可以根据驾驶状况分别使用缸内直喷和进气口直喷2种喷射方式。再配合峰值功率可达147kW的永久电磁型同步电动机,雷克萨斯GS450h的混合动力系统最大输出功率可达254kW。发动机的最大扭矩为368Nm,电动机为275Nm。整套混合动力系统可以提供与V8形式的大排量发动机同等或同等以上水平的扭矩。雷克萨斯GS450h从静止加速至100km/h只需5.7秒,其加速性能也可以和不少4.5升排量V8车型相媲美。而油耗仅与2.0升四缸发动机的轿车相差无几。

图1:雷克萨斯GS450h是全混合动力车,其搭载的丰田THS II 混合动力系统和与GS350相同排气量的3.5升 V6发动机。

图2:雷克萨斯GS450h在THS II系统的基础上配备了双极减速齿轮。雷克萨斯GS450h所搭载的电动机最大输出功率高达147kW是普锐斯所搭载的2.4倍。

      雷克萨斯GS450h的另一个亮点是其搭载的丰田THS II 混合动力系统。丰田THS II混合动力系统应该对于中国消费者并不陌生,丰田第二代普锐斯Prius车型即采用这款混合动力系统。不过此次雷克萨斯GS450h搭载的THS II混合动力系统与普锐斯所搭载的还有不同之处。雷克萨斯GS450h在THS II系统的基础上配备了双极减速齿轮。雷克萨斯GS450h所搭载的电动机最大输出功率高达147kW是普锐斯所搭载的2.4倍,这台电动机的最高转速为12400转,其工作电压也高达650伏。丰田为了提高电动机的输出功率,并没有采用加大电动机尺寸的方法,反而逆其道而行之,通过采用高转速电动机反而减小81%的电动机体积。不过大幅减小电动机体积,提高功率导致的负面影响便是扭矩降低,因此丰田采用齿轮比更大的减速齿轮,降低电动机转速、增大了扭矩。

 

图3:GS450h搭载的3.5升V6发动机可以根据驾驶状况分别使用缸内直喷和进气口直喷两种喷射方式。再配合电动机,雷克萨斯GS450h的混合动力系统最大输出功率可达254kW,并且可以提供与V8形式的大排量发动机同等或同等以上水平的扭矩。

      雷克萨斯GS450h所使用的减速齿轮采用太阳齿轮与电动机、环形齿轮与传动轴连接的行星齿轮机构,行星齿轮采用固定类型。环形齿轮与动力分配装置设计为一体,从而构成复合齿轮。因此,改良后的混合动力系统可由三轴驱动。而第二代普瑞斯是通过链条来驱动齿轮传动的,共需要四轴驱动。新设计的传动装置可以带来更轻快的加速性,更很好的燃油经济性,更低的噪声,更低的CO2排放和废气排放。

技术判断标准:混合化程度横向对比

      一般来说,混合动力总成以动力传输路线分类,可分为串联式、并联式和混联式等三种。串联式混合动力由发动机、发电机和电动机三部分动力总成组成,它们之间用串联的方式组成动力单元系统,由发动机驱动发电机发电,电能通过控制器输送到电池或电动机,由电动机通过变速机构驱动汽车。

      并联式混合动力由发动机和电动机共同驱动汽车,发动机与电动机分属两套系统,可以分别独立地向汽车传动系统提供动力,也可以在不同的工况上自动选择共同驱动或单独驱动。一般大多数的设计都是将发电机和电动机整合成一个单元。这样的发电机/电动机整合单元被安装于发动机和变速器之间,并且替代了传统汽车中的起动机和发电机。

图4:混联式混合动力结合了串联式和并联式的特点。它的动力系统包括发动机、发电机和电动机。在实际运行中,与并联式运行模式类似。这一类型的经典代表便是丰田普锐斯。

图5:混合动力系统形式各具特点,因此很难单单通过对这三种混合动力形式就能做出谁优谁劣的结论。因此“混合化程度”成为技术判断的参考。

      混联式混合动力结合了串联式和并联式的特点。它的动力系统包括发动机、发电机和电动机。在实际运行中,与并联式运行模式类似。这一类型的经典代表便是丰田普锐斯了,同时此次上市的雷克萨斯GS450h也属于混联式混合动力。但是上述三种混合动力形式各具特点,因此也很难单单通过对这三种混合动力形式就能做出谁优谁劣的结论。

      由于单从混合动力形式上并不能很好的判断,于是一种对混合动力技术的新评价标准——“混合化程度”成为技术判断的参考。它被分为全混合动力, 辅助混合动力,轻度混合动力和插电式混合动力。而这四种类别的混合动力汽车都聚集在了本届的上海车展上,下面将会就这四种类别和其代表车型做逐一评述。

      全混合动力是指既可以使用汽油发动机或电动机单独驱动车辆也可以同时使用两种动力的汽车。它们普遍采用大容量电池以供给电动机做纯电动模式运行,同时还具有动力切换装置用以发动机,电动机各自动力的耦合和分离,不过这些设备往往由于技术复杂而造价较高。丰田普锐斯,雷克萨斯GS450h和福特Escape Hybrids都是全混合动力的代表。

图6:全混合动力车型可以使用汽油发动机或电动机单独驱动车辆也可以同时使用两种动力,但是往往由于技术复杂而造价较高。丰田THS系统是这一技术的代表。

图7:辅助混合动力指车辆依然以发动机为主要动力来源,大扭矩助动电机作为辅助动力来源与主要动力相联,本田IMA辅助混合动力系统是这一技术的代表。

      辅助混合动力是指车辆依然以发动机为主要动力来源,大扭矩助动电机作为辅助动力来源与主要动力相联。电动机被安装与发动机和变速器之间,当行驶中需要更大驱动力时,它被用作一个大型的电动机。当需要重新启动熄火的发动机时,它被用作为一个起动机。最新一代的辅助混合动力技术也可以使用电动机单独驱动车辆,但是电动机功率相对全混合动力形式较弱。本田insight,思域(图库 论坛)混合动力版便是辅助混合动力技术的典型代表,由于本田在发动机技术的更胜一筹,因此本田IMA辅助混合动力系统在节油和环保表现并不输于以丰田为代表的全混合动力技术。

图8:轻度混合动力技术是在传统发动机基础上,替换更大功率起动机,但是应用这类技术的车型不算是真正意义上的混合动力车辆,因为这样的车型并不能达到混合动力车所要求的节油标准。

图9:插电式混合动力车完全由电动机驱动,并且比全混合电力汽车有较长纯电动行驶里程(图库 论坛),当电池处于较低电量时,发动机将启动发电为车辆提供动力。

      轻度混合动力是指在传统发动机基础上,替换更大功率起动机的车辆。当发动机关闭后,可以依靠这台起动电机快速将发动机拉到较高转身下重新启动发动机,这样可以令内燃机的起动更有效及节省汽油,同时这种车辆可以在减速、刹车时关闭发动机以节省燃油。但是从技术上来说,轻度混合(Mild Hybrid)不算是真正意义上的混合动力车辆,因为这样的车型并不能达到混合动力车所要求的节油标准。例如,奔驰S级(图库 论坛)mart MHD轻度混合动力车,别克君越(图库 论坛)混合动力车都属于轻度混合动力,节油效果并不显著。

      插电式混合动力(PHEV)是Plug-in Hybrid Electric Vehicle的缩写,是指可以使用家用电源插座(例如110V/220V电源)并且在行进过程中可以对混合动力系统中电池充电的汽车,这种混合动力汽车比全混合电力汽车有较长纯电动行驶里程(30、50或80公里,依设计而异),但需要时,仍然可以像通常的串联式混合动力汽车一样工作。例如有一辆可以单独靠电池行驶50公里的PHEV,可利用电池行驶40公里,到旅程终点后,再利用电网电源对电池充电;如果旅程超过50公里,则开始的50公里可以用电池来行驶,超过50公里后则可以依靠车载发动机发电继续行驶,到了旅程终点则再一次利用电网电源对电池充电。

图10:传统混合动力车的燃油经济性在实现百公里油耗5升左右后止步,而电池容量更大的插电式混合动力车很可能将成为现有混合动力技术走出瓶颈的关键一步。图为雪佛兰Volt插电式混合动力车,将在2010年前后上市。

      作为连接电动汽车时代和内燃机汽车时代的过渡产品,混合动力技术无疑是个不错的折中选择。不过传统混合动力技术虽然在排放上优于传统的汽油发动机汽车,但是其所能达到的燃油经济性却在实现百公里油耗5升左右后止步,而百公里5-6升的油耗在不少小排量发动机上也并不是不能达到的。因此电池容量更大的插电式混合动力车很可能将成为现有混合动力技术走出瓶颈的关键一步。

总结:从节油环保的角度论英雄

      业内普遍认为:轻度混合动力只是将汽车中的起动机和发电机整合为一个较小功率的电动机,其功能是取消怠速,因此它只能节能5%到8%,不过其成本也只增加百分之几,较易被市场接受。辅助混合动力需要电动机一起参与驱动,其电动机一般需要10至20kW,这种结构的混合动力可以节能20%~30%,但成本增加20%~30%。全混合动力系统,其电力功率约为30至50kW,可节能30%~50%,但成本则会增加30%~40%。而目前由于电池尺寸、重量以及其他因素还是使得插电式混合动力的成本较高,但是随着电池和混合动力技术的进步,插电式混合动力车可能会成为未来混合动力的最终解决方案。

 

图11:混合动力电动汽车的工程哲学是集成优化电机驱动和发动机驱动,发挥电机驱动的优势来弥补发动机驱动的弱点,不过随着电池和混合动力技术的进步,插电式混合动力车可能会成为未来混合动力的最终解决方案。

      混合动力电动汽车的工程哲学是集成优化电机驱动和发动机驱动,发挥电机驱动的优势来弥补发动机驱动的弱点,使发动机保持在最佳工况工作,取消怠速,并且能够再生制动能量反馈。混合动力系统需要发挥其作用,使电机驱动和发动机驱动结合不是简单的一加一等于二。能否真正意义上做到节油环保,才应该是决定是否将混合动力汽车产品向市场推广的判断标准。

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