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丰田双擎Hold得住吗?聊通用新混动系统

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通用混合动力系统的优势何在?

  [汽车之家 电动车技术]  从2015年开始,中国品牌和合资品牌车企开始加快发布或推出混合动力车型的步伐。在中国市场,目前占市场份额最大的是丰田旗下的多款采用THS(Toyota Hybrid System,下称“THS系统”)混合动力系统的车型,包括凯美瑞双擎、雷凌双擎、卡罗拉双擎以及雷克萨斯CT200h、ES300h等车型。但随着通用旗下的别克新君越混动版、雪佛兰迈锐宝XL混动版以及凯迪拉克CT6插电混动版车型在年底前陆续上市,丰田混动车军团将迎来通用全新混动车型强而有力的挑战。究竟通用的混合动力系统与丰田混合动力系统有何不同?通用又是如何在混动技术上超越丰田的呢?下面的技术解析将为你揭示个中秘密。

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● 账面数据上的对比

  通用即将推向市场的全新混合动力/插电式混合动力系统究竟在性能指标上与目前市面在售的热门混合动力/插电式混合动力车型相比处于一个什么样的水平呢?下面我们来看看通用的产品在性能参数上处于怎样的地位?

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一些主流混合动力/插电式混合动力车型性能参数对比
车型名称 车型级别 发动机最大功率
(马力)
发动机峰值扭矩
(牛·米)
系统输出最大功率
(马力)
综合油耗
(L/100km)
凯迪拉克CT6插电混动版 中大型车 276 400 340 1.7
雷克萨斯ES300h 160 213 205 5.4
宝马530Le 218 310 286 2
雪佛兰迈锐宝XL混动版 中型车 124 175 182 4.3
别克新君越混动版 124 175 182 4.7
丰田凯美瑞双擎 160 213 202 5.3
沃尔沃S60L
T6混动版
235 350 306 2.1
丰田雷凌/卡罗拉双擎 紧凑型车 99 142 135 4.2

  上表中,凯迪拉克CT6插电混动版、宝马530Le、沃尔沃S60L T6混动版为插电式混合动力车型,其余的为混合动力车型。插电式混合动力车型相比混合动力车型,采用了容量更大的电池组,能够通过车身上的接口对电池组充电,拥有更长的纯电动续航里程和更低的综合油耗。

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   通过数据的对比我们可以看到,搭载通用最新混合动力系统的别克新君越混动版、雪佛兰迈锐宝XL混动版相比丰田同级别的凯美瑞双擎,在系统动力输出参数上有所不及,但综合油耗上有一定的优势。

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  而凯迪拉克CT6插电混动版不论是在发动机输出功率还是混合动力系统综合功率数据上都秒杀列表中的所有车型,足见其搭载的这套全新插电式混合动力系统的强悍。

● 超越丰田THS混合动力系统的地方

  丰田THS系统以一组行星齿轮进行发动机和双电机的动力分配,实现了无级变速箱平顺无间断的动力传输效果,丰田称该动力分配系统为“E-CVT电子无级变速系统”。丰田的这套系统相比传统的AT变速箱以及CVT变速箱,机械结构上更为简单,有利于实现系统的小型化和降低机械部件的生产成本。截止至2014年9月末,丰田混合动力车型在全球的累计销量已经超过700万辆。这些车上搭载的都是丰田THS系统。销量也证明了丰田THS系统的可靠性、燃油经济性以及动力性能是经得起考验的。

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  那么这套沿用了将近20年的丰田THS系统(1997年12月丰田普锐斯正式推出)就真的那么神吗?答案显然是否定的。只采用一组行星齿轮进行动力分配的丰田THS系统的传动比范围受到了限制,使得车辆只能在日常使用比例较高的车速范围内实现燃油经济性的最优化,而在一些不常见的车速范围(如超过120km/h的高车速范围)做了妥协。

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■ 别克新君越混动版/雪佛兰迈锐宝XL混动版系统解析

  通用全新的混合动力系统采用了两(别克新君越混动版和雪佛兰迈锐宝XL混动版)/三(凯迪拉克CT6插电混动版)组行星齿轮进行发动机和双电机的动力分配,从而可以实现更大的传动比范围和更多的工作模式来应对不同的工况,最终实现动力性能和燃油经济性的提升。

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  雪佛兰迈锐宝XL混动版和别克新君越混动版配置了两个电机、两组行星齿轮和三个离合器(其中一个为单向离合器,无需电控),除了具备两种纯电动模式(单电机EV和双电机EV)外,还具备了低速混动模式(大传动比)、中速混动模式(固定传动比)以及高速混动模式(小传动比)三种模式。从机械上来看,通用这套混合动力系统相当于一个三挡AT自动变速箱,根据不同的车速和负载实现了不同传动比的三个挡位。此外,通过切换两个电机的“角色”(发电/输出动力)来配合上述相应模式工作。

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  上图中的单向离合器是为了避免发动机和行星齿轮组反转而设置的。上面提到了同步电机,和同步电机相对的是异步电机。这两种电机最大的区别是转子速度是否与定子旋转的磁场速度一致,一致的就是同步电机,不一致的就是异步电机。一般而言,同步电机在约4000-10000rpm转速区间有较好的动力输出特性,为车辆起步加速提供有力的支持;异步电机在约12000-20000rpm转速区间有较好的动力输出特性,可为车辆高速巡航提供辅助。别克新君越/雪佛兰迈锐宝XL混合动力系统上所采用的是两个同步电机。下面我们将介绍的凯迪拉克CT6插电式混合动力系统上的两个电机一个为同步电机,另一个为异步电机。

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■ 凯迪拉克CT6插电混动版系统解析

  凯迪拉克CT6插电混动版配置了两个电机、三组行星齿轮和五个离合器,实现了四个纯电动模式、三个固定传动比模式以及四个可变传动比模式。更多的工作模式能够提升车辆在各种工况下的运行效率,从而进一步满足高端消费者对动力性能与燃油经济性的较高需求,也是凯迪拉克CT6插电混动版强调“Fun to Drive”驾驶乐趣的体现。

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  从上面的介绍我们也可以看到,通过增加行星齿轮组的数量来实现更多不同传动比的挡位,配合双电机的辅助实现了比丰田THS系统更精细的动力分配以实现动力性能和燃油经济性的全面提升。这就是通用全新的混合动力系统在与丰田对比中的显著优势。更大的传动比范围也使得通用的混合动力系统能够在更高的车速下实现纯电动行驶来进一步提升燃油经济性。虽然通用和丰田一样,利用行星齿轮机构实施动力分配,但通用混合动力系统更复杂的结构和完全不同动力分配方式使其摆脱了模仿的嫌疑,完全避免了法律上的专利纠纷。

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电池设计理念和系统集成度

● 通用的电池设计理念

  别克新君越混动版、雪佛兰迈锐宝XL混动版以及凯迪拉克CT6插电混动版均采用了锂离子电池组,电芯由韩国LG公司提供。别克新君越混动版、雪佛兰迈锐宝XL混动版的锂电池组容量为1.5kWh,由80个电芯组成;凯迪拉克CT6插电混动版的锂电池容量为18.4kWh,由192个电芯组成,纯电动续航里程约为80km。

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  数量庞大的电芯对于电池管理系统、制造工艺(主要是电芯的焊接)、冷却、防护等方面都提出了非常高的要求。此外,如何保持数量如此庞大的电芯在车辆使用周期中的一致性(电压、内阻、容量等)也是一个具有挑战性的课题。

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  混合动力版车型的电池组除了用于存储发动机驱动发电机产生的电能以及制动能量回收的电能外,更重要的是在急加速时为电动机提供瞬间较大的驱动电流,与发动机共同为车辆提供尽可能大的加速性能。所以混合动力车型采用的电池单体需要具备较大的电流输出能力,能量密度处于次要地位。

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  对于插电式混合动力车型的电池组来说,它的作用除了存储发动机驱动发电机产生的电能以及制动能量回收的电能外,更重要的是用来存储来自充电接口的电能以及提供尽可能长的续航里程。所以插电式混合动力车型采用的电池单体需要尽可能大的容量和较高的能量密度,电流输出能力处于次要地位。

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  对于一般的混合动力车型,由于锂电池组容量较小、电芯数量较小、电芯能量密度相对较低、发热量较低,通用采用了主动式风冷对电池组进行冷却。

● 噪音更低的电机

  通用GRE混合动力系统最新一代的电机被用在旗下全新混合动力/插电式混合动力车型之上。新一代的电机的定子和转子都经过了优化,减少稀土磁性材料的使用以及降低电机运转时的噪音。

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  在不降低使用性能的同时降低稀土使用量是目前工业发展的一个重要方向。凯迪拉克CT6插电混动版上的永磁同步电机,其转子的稀土使用量相比上一代电机降低了40%,稀土材料主要用于对高温退磁敏感的边界部分。而异步电机不需要采用稀土磁性材料也能较好地工作。

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  此外,采用条形绕线的电机噪音(电机转动时那种“滋滋”的声音)更小。这是因为大电流流经定子条形绕线时造成绕线的高频振动更小,从而降低了噪音。

● 系统集成与小型化

  如果大家注意观察混合动力车型的发动机舱内部,会发现目前主流混合动力车型(横置发动机前驱车型)的发动机舱右侧会有一个长方形的盒子,这个盒子是电机控制器,它可以把电池组的高压直流电转换成驱动电机三相交流电。

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  相对于发动机舱,车身底部中央通道的空间更为狭窄。对于内部集成双电机、三组行星齿轮、五个离合器的动力分配单元来说,再集成电机控制器是不现实的。而相比凯迪拉克CT6普通版的8AT变速箱,凯迪拉克CT6插电混动版的动力分配单元在长度上是相似的,只在径向尺寸上更大一些(简单地说就是更粗),但对于车内空间并没有太大的影响。

全文总结:

  通用最新的混合动力系统以及插电式混合动力系统采用了多于一组的行星齿轮进行电机和发动机之间的动力分配。相比国内现款在售的丰田混合动力车型只采用一组行星齿轮进行动力分配,通用的系统拥有更大的变速范围、更多的驱动模式,能够根据实际工况选择最优的驱动模式以在最大动力输出和最佳的燃油经济性之间取得更好的平衡。

  此外,通用最新的混合动力系统的集成化程度更高。新君越混动版和迈锐宝XL混动版已经把电机、电机控制器、离合器控制电磁阀等部件集成为一体,体积上更为小巧。而凯迪拉克CT6插电式混动版在集成5个离合器、3组行星齿轮、2个电机的情况下,在长度上保持与普通8AT自动变速箱相当,仅在径向尺寸上有所增加。

  通用最新的混合动力系统采用特制的锂离子电池以及特别的电池温控系统。在保证电池组容量的前提下,减少电芯的数量,减少焊接节点数,提升电池组工作的稳定性。

  综上所述,通用全新混合动力系统在结构和性能表现上都要比目前国内在售的丰田混合动力系统更优秀。更多别克新君越混动版、雪佛兰迈锐宝XL混动版以及凯迪拉克CT6插电混动版的实际驾驶感受,请继续关注我们即将上线的评测试驾文章。(图/文 汽车之家 常庆林)

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