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混合动力的前世今生(下):日本市场的角逐

在上篇《混合动力的前世今生(上):内外交困的前世》中,我们回顾了尚处于“混沌时期”的混合动力技术在发展与应用上的艰难前行,今天和大家聊聊混动技术从日本市场的“蝶变”。

自从1997年丰田普锐斯问世以来,混动已经成为日本主流的动力总成之一,不管全球电动车如何风靡,日本市场依然只有混合动力,2021年强混+弱混车型销量占比高达40%,巨大的混动市场孕育出各式各样的混动技术,其中比较出名的是丰田、本田、日产的三种结构。

▲2021年 几大市场电动化种类占比

补充上图各种混动的定义,如下表,一般而言具备了能量回收和电力辅助加速能力的车型就可以称为混动,只达到这一门槛的叫弱混。弱混不能实现纯电驾驶,而强混能实现纯电驾驶模式;强混能带来节油效果30~40%,而弱混的节油效果一般只有强混的一半不到。插电式混动则能通过外接电源并实现规定的纯电驾驶公里数,国内要求是在NEDC工况下50km纯电续航(后修正为WLTP下43km)。

起初,丰田在1975年东京车展上展出一台混合动力车型,车型原型是豪华车Century,这台混合动力的结构与现在国内在售的日产轩逸e-POWER一样是串联式混合动力(增程式),不同的是Century搭载了燃气轮机发电组,为电机供电。

▲1982 VG40 丰田Century

事实上,燃气轮机研究早在1968年就开始,当时为了应对石油危机,丰田研究以燃气轮机为基础的混合动力系统。燃气轮机的最大优势是可支持多种燃料,汽油、柴油、煤油、花生油、威士忌甚至香水,几乎任何可燃性液体或者混和液体都适用,这优势对于资源匮乏的日本不言而喻。

其劣势是工况变化范围窄,不能对应汽车复杂的行驶工况,但对于增程式混合动力而言,由于燃气轮机只承担发电的任务,劣势并不明显,只可惜当时的电机和电池发展十分不充分,开发一度中断。

▲车用燃气轮发动机

但是,对外石油依赖度高总是困扰着日本。应对资源和环境问题,什么车才是最合适的?21世纪的车应该是怎么样的?这些问题在日本政府和汽车厂商的激烈讨论中逐渐变得清晰:21世纪的汽车交通的能源结构,将由二次能源和一次能源组成:

二次能源:由清洁能源或者化石能源转化而成,以电或者氢作为能源载体在汽车上使用。

一次能源:石油依然是主力之一,至少在21世纪上半叶依然扮演着重要的角色,因此提升燃油效率是重中之重。节油50%以上的目标成为行业共识,为达到这一目标,混合动力将是必须的。

▲日本汽车能源技术方向

这是日本给出的答案。

作为日本最大的汽车厂商——丰田——沿着这个答案进行技术规划,丰田认为二次能源领域中,氢比电更加适合作为能量的载体,因此大力发展燃料电池汽车,也是丰田在纯电动汽车领域发展迟缓的原因。

丰田描绘的氢能源社会极具吸引力,以至于2018年李克强总理在访问日本时参观丰田汽车后,鼓励发展燃料电池车。与此同时,丰田放弃了之前所研究的燃气轮机增程式混合动力。

1995年东京汽车展上,一辆名为普锐斯的概念车吸引人们的目光,当时并没有采用“混合动力”这一名字而叫“丰田能量管理系统”TOYOTA EMS(Energy Management System),丰田介绍,这是增加了电机辅助的全新动力总成,其实就是基于机械CVT的单电机辅助驱动方案,属于弱混。

到了1997年,丰田再次发布混合动力系统THS(Toyota Hybrid System),与之前发布的EMS完全不一样。

▲1997年第一代普锐斯

THS就是现在所用的动力分流式混合动力结构,从“上帝视角”看,丰田采用动力分流式结构是意料之中。为什么这么说?汽车厂商不会从零开始研发混动系统,而是基于储备好的技术。混动系统本质上还是一台自动变速器,早期最普遍的自动变速器是液力机械变速器,主要部件之一是行星齿轮系。

而丰田旗下的爱信精机就是液力机械变速器的佼佼者,基于行星齿轮系开发混合动力便是水到渠成的事情。反而采用机械CVT+单电机方案有点诡异,因为这种弱混方案无法实现节油50%以上的目标。当时普锐斯的燃油消耗率为28km/升,约合3.6L/100km。

▲丰田 动力分流结构

动力分流式混合动力核心部品是行星齿轮系。行星齿轮系可实现三个输入或输出。如果将三个输入或输出分别连接发动机Engine、发电机Generator和驱动电机Motor,便形成丰田混合动力结构。通过控制发动机、发电机、驱动电机的转速和扭矩,便能满足各种场景下的车辆对驱动力的需求。这种方案的优点是结构简单紧凑,节油效率高,车辆加减速平顺。缺点是,高速下油耗依然不理想,控制策略复杂。

即便看到丰田巨大的成功,欧美厂商也作壁上观,原因是顶层认识不一样,对于21世纪的车应该是怎么样的?欧美厂商给出的答案是:21世纪汽车交通的能源结构,最终将由二次能源构成,也就是电动汽车或者燃料电池车。一次能源(石油)终将被淘汰,即便是电气赋能的燃油车依然还是烧油,利益点何在?1990年代,世界各国都在寻找汽油替代燃料,这才是主流风向。

可能是因为日本啥能源都缺,二次能源(电或者氢)也只是载体,它也要有能量来源。日本可不像中国那样地大物博,如果中国实现了二次能源社会,其来源将会相当丰富,可以是风、光、水等,也可以是气、煤、工业废能等。

混合动力技术在日本受到充分肯定。随后,本田、日产都跟进混合动力技术。由于“上车”后的丰田立刻关上了“车门”(申请专利),这成为所有混动后来者的难点,或许归因于此,本田混动发展相对曲折。

本田1999年在Insight上推出首款混动系统Integrated Motor Assist (IMA,集成电机辅助),它是典型的单电机并联式P2结构,保留有传统的变速器,安装在内燃机和变速器之间的电动机将作为起动电动机、发动机平衡器和辅助牵引电动机,并不能实现纯电行驶模式,只能认为是弱混,节油效率十分有限。

在之后10余年,本田增大混动研究的投入,一下子开发了三套混动系统,挽回了本田“工程师文化”的尊严,这三套系统分别是单电机的i-DCD、双电机的i-MMD和三电机的SH-AWD。

▲本田三套混合动力结构

其中,本田于2013年发布的i-MMD在2016年引入到中国市场,搭载在雅阁上。i-MMD就是在串联式混动基础上加入一挡直驱,当车速约80km/h以内为纯电驱动,当车速较高时,发动机通过离合器与电机共同驱动。

▲本田i-MMD 混合动力结构

值得提及的是,本田i-MMD混动架构技术开发壁垒低,正在成为中国自主品牌的主流混合动力结构。比亚迪的DM-i与本田i-MMD方案基本一样,也是基于串联式引入一挡直驱,长城的柠檬DHT是基于串联式引入两挡直驱,吉利雷神动力和奇瑞鲲鹏混动是引入三挡,再这么增加,整个传统变速器都要搭载上了…

任何混合动力方案都有擅长的路况以及最适用车型,并没有一招鲜吃遍天下的混合方案,不然的话,本田也不会开发三套混动方案。

说完丰田本田就到了日产,谈起来真的是惋惜。日产在30年前相当风光,当时的日产不仅横扫日本市场,还将宝马和奔驰斩于马下,老粉丝们还记得日产公爵,而新粉丝神往于“不败战神”GT-R。

日产一直是一家把先进技术放在首位的汽车公司(即便是破产之后)。举个例子,现在智能电动车很火,如果说电驱技术是智能电动车的皇冠,那么自动驾驶就是皇冠上的明珠。无论是皇冠还是明珠,日产都是先锋。

聆风(Leaf)是全球最早量产的电动车,2010年上市至今(2022年1月)全球累计57.7万辆。因为发展得早,聆风所采用的电驱技术是国内逆向开发的参考对象。

▲最早量产的10款纯电动汽车

日产在自动驾驶领域也很领先,有多项世界最早的技术。在L0级别,最早发布的有LKA(车道保持辅助)、AVM(360度全景泊车系统)和EAPM(油门防误踩)。在L2级别,2019年日产发布的ProPILOT2.0是最早实现具备高速公路脱手能力的自动驾驶系统。

▲日产先进技术开发历史

可能是步伐太快扯到蛋了,日产运势不太好。1980年代,日产提出雄心勃勃的“901运动”,目标是在1990年代拥有全世界上最好的技术。

由于日本泡沫经济的崩溃,为凸显日产技术实力而开始的“901运动”以失败告终,加上同期日产高层的种种错误决策和销量问题,截至1998年,日产拖欠的债务就达到了2兆日元,深陷破产边缘。

由于债务危机,日产错过了混动动力发展的黄金十年,失去了占位时机。因此,日产的混动一直形成不了规模,只是零星的开发混动以满足日本市场的需求。进入2000年代后,日产战略转向纯电动汽车。

回到今天的主题混动,日产已经在纯电动汽车领域储备了相当丰富的电驱技术,各位看官肯定已经想到了,那就基于2010年发布的纯电动车型聆风Leaf开发的串联式混合动力系统(增程式)吧。

没错,2016年11月在日本上市的搭载了e-POWER的Note正是串联式混合动力(增程式),整套电气系统是基于成熟的聆风电动车,只是Note电池比聆风的电池小得多,只有1.5kWh,另外搭载了小型1.2升三缸汽油发动机 (HR12DE) ,与丰田本田等的混合动力汽车不同,这台发动机只给电池充电或者电机供电,而电动机是唯一的驱动来源。

其实,丰田和本田也都尝试过串联式混合动力,但是最终都放弃了,放弃的原因无外乎是串联式需要高效的电驱技术来支持,这是比较考验技术功底的。

日产推出串联式混动具备了两方面条件:一是日产在开发聆风过程中已经储备了足够的技术,二是日产e-POWER是2016年发布的(而丰田普锐斯是1997年发布的),20年间电驱技术迅猛发展,已经不可同日而语。

e-POWER纯电驱动这一特性颇受日本市场的欢迎,Note车型一炮而红,在日本混动市场中销量夺冠。力挽狂澜的e-POWER让日产重拾信心,重新与丰田本田一较高低,至少在日本混动市场是如此。

▲日本混动市场2018年1~7月 月均销量前5名(K-car除外)

当然日本市场的角逐中,丰田无疑还是最大的赢家,本田和日产并列紧随其后。虽然混动在日本市场中占比较高,但是汽车市场体量相对中国美国较小,我认为能在中国和美国市场中站稳一席之地的才能称上最终赢家。在中国市场,未来,这三家的混动技术能不能干得过中国的后起之秀,值得拭目以待。

文|吃虾的猫

图|网络

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