混合動力技術還有沒有進化空間談談上海車展

混合动力技术还有没有进化空间谈谈上海车展上的4组观察

虽然今年上海车展上的新车企和大车企的电动汽车亮点众多，但在这篇文章里，造车新势力和电动汽车并不是主角，下面想分享的是：

1） 丰田：最高有效热效率41%的2.5L发动机和平行轴版THS混动系统（有些友称之为THS IV）；

2） 本田：搭载在混动奥德赛上的第三代i-MMD；

3） 上汽：搭载在eMG6上的第二代EDU；

4） 马自达：SPCCI发动机Skyactiv-X

1，丰田2.5L4缸发动机和平行轴版THS混动

这一台Dynamic Force的机器早在两年半前就已发布，实物却是第一次见到它以其最高40%的有效热效率（混动版41%）吸引了众多关注当时我将这个机器称为「黑科技」

▲图1展出的DynamicForce2.5L发动机+电驱动系统

41%有效热效率的意义无需多说，最高热效率虽然只是一个稳态工况点的效力，却能够直观反映整体的发动机经济性优化水平在1997年，丰田第一代Prius所搭载的1NZ-FXE发动机就已应用了阿特金森循环，实现的最高热效率是37%从1997年到2016年，量产发动机热效率从37%提高到了41%，丰田用了19年（2015年第四代Prius发动机最高热效率40%）而在此之前的一百多年里，汽油机的热效率长期低于30%、乃至低于20%两年后的今天，丰田、本田、马自达已在实验室中向着%的有效热效率迈进

要知道发动机的热效率的边际提升是愈来愈难的，每个百分点提升的背后都是各式节能技术的应用；而与此同时，回顾过去2十年的技术进展，在日本公司的引领下发动机热效率的提升又是愈来愈快的在十年前，我们可能还认为50%有效热效率是天方夜谭，而今天它已经在加速实现

▲图2 EGR管路设计

这台机器压缩比达到了14混动机型的运行工况相对比较稳定，因此可以使用更大的压缩比提升循环效率（非混动版的压缩比为13），同时辅以更高的EGR来控制燃烧速率缸内的进气设计没办法从展品看到，不过可以看到的是EGR管路的构造：如图2，该机器的EGR分别引入了各个进气歧管，而不是直接引入进气总管这样的好处是通过对EGR支路的设计，可以让废气的散布更加均匀，使得进入每缸的进气组分和温度更加相近，从而有着一致的性能表现这一点对于淡薄燃烧特别重要，在较大EGR的使用下，燃烧状态对缸内气氛、组分较为敏感，进气的细微差异就可能致使燃烧状态的大不相同

因此，精确控制EGR量（空间上让各缸更加均匀、时间上让EGR变化响应更快），除软件上的控制手段以外，硬件上配备快速响应的EGR阀，和如图中的分布式管路，对于改良稳态和瞬态过程的燃烧性能是有很大的帮助的从图1中，还可以看到这台发动机的水泵是电驱动，而非皮带带动，电驱动附件让附件功率可以精确调控，做到按需供给，进一步改进有效热效率

▲图3 平行轴版THS

还值得一提的是搭载在第四代Prius的平行轴版THS，有的友称它为THS IV，关于这1说法，我向行家@张文川 请教过，其认为所谓的THS III和THS IV都只是不同版本的THS II我深以为然，缘由是不管是双行星齿轮排的「THS III」还是平行轴的「THS IV」，其功率分流机构的原理和THS II并没有差别，只是减速机构有所不同在外文报道中，也几近看不到THS III/IV的说法

图4是从第一代Prius到第四代的动力系统对比，可以看到：

● 第一代和第二代Prius都采取了链轮减速机构，相比较于第一代，第二代Prius的动力系统主要提升在于升压技术、电动空调等零部件优化；

● 第三代Prius的动力系统则采取了双行星齿轮排

，两排行星齿轮共用一个齿圈，第一排连接发动机与电机用于功率分流，第二排连接驱动机电用于减速；

● 第四代Prius的THS系统，就是展出的平行轴THS，这个系统不同于前三代的地方是，发电机、发动机和动力电机不再同轴，动力机电与行星齿轮排的齿圈分别与输出轴相连

采取这一设计的优点是降低了输出轴尺寸，将电驱动系统的纵向长度从409mm缩短到了362mm，从而减小了动力系统体积和重量，优化了整车油耗和布置空间

▲图4 4代Prius动力系统结构变化

2，第三代本田i-MMD

丰田THS迭代了若干版本，本田的i-MMD作为串并联构型的代表，也发展得很快本田在上海车展展出了1台i-MMD的样机模型，如图5所示，我在图上做了一些标注

相较于上一代38.9%的热效率，新的发动机有效热效率到达了40.6%，同样站上了40%做到这1成绩的「最大举措」就是把压缩比提升到了13.5，在高压缩比下，为降低爆震，本田采取了进气阀镜面抛光的设计，目的是下降进气阀温度与进气温度，不过这个设计在展品上不太容易看到可以看到的是VTEC+EVTC的可变凸轮，通过改变凸轮型线，从而实现不同奥托循环和阿特金森循环的切换，分别满足动力性和经济性的要求

展品上还可以看到的是新设计的高滚流EGR阀（high-flow EGR valve），与之前的设计比较起来， EGR的阀座直径有所增加，结合电磁动作机构的调整，将EGR通道内的压力损失下落了70%【注释：1】

还有就是从第二代i-MMD就开始使用扁形绕线和hair pin绕组的「发卡」电机，这1绕组情势能够提高槽满率，其直接效果则是提升电机功率密度，而由于扁形绕线散热性能更加，其电机效率也有所提高一样值得一提的是，上汽的新110kW电机，即是自主生产的「发卡」机电图7中定子的细节能够看得更加清楚：扁形绕线、双层绕线与与粉末喷涂

▲图5 第三代i-MMD

▲图6 机电定子细节

3，上汽第二代EDU

第一代EDU采用了和i-MMD类似的双电机串并联构型，我曾经也比较过两种构型的差异

而不同于第一代EDU，上汽的第二代EDU转而使用了单电机的构型搭载在eMG6上的这个变速器，能够实现10挡变速；本来的30kW和56kW的双机电改为了一台100kW的单电机；发动机匹配了1台1.5T四缸机

对这个构型我很好奇，但是在车展上并没能近距离看看它的原理，因而回来以后检索了一系列上汽在单电机混动系统方面的专利，也请教了工友们，大致推测这1构型可以理解成驱动电机+AMT的结构示意图如图7，不过还要请行家指正

利用该结构，电机可以同时实现纯电驱动和制动回馈；发动机可以单独驱动，也可以与机电同时驱动；另外，当停车输出离合器断开时，发动机可以向电机输出功率，实现充电通过控制图中的ABC三个同步器，提供6个发动机前进挡和4个电机前进挡，一共十挡

相比较于双机电的EDU，单机电EDU的动力性会更强，结合1.5T的发动机，可以实现比较好的动力表现，和MG品牌主打的性能特点也比较契合另一个优点应该是下降了控制的难度，并且勤俭了整机的成本

在经济性和平顺性方面，不知道单机电EDU相较于双机电是不是能有提升纸上谈兵而论，双电机EDU的无级变速理论上有着更好的经济性和平顺性，不过考虑到电控和机电技术的提升，单电机EDU也许能够实现相当或者更好的油耗表现，这也是很有可能的

▲图7 第二代EDU【注释：2】4，马自达Skyactiv-X

Skyactiv-X摆放在马自达展台的角落里，不太起眼，看的人也不多不过能见到它就很不错了，说明虽然它沉寂了一阵子，但还没有被马自达放弃，搭载它的量产车型还是能够继续期待下去的

▲图8 Skyactiv-X展品

这台机器之所以特殊，是由于它是第一台真正意义上的量产汽油压燃发动机源自HCCI的汽油压燃/低温燃烧技术已发展了3十年，而马自达使用的SPCCI的前身——火花塞助燃（SACI）也已有了二十多年的研究历史这台机器，它的热效率应当在41%~45%之间，但量产的意义，比制造出样机还要宝贵很多

Skyactiv从机器上看使用了低压EGR结合机械增压，以保证在大部分工况范围内都有足够的废气量和增压能力这台机器的内部无从窥视，但可以肯定的是，缸体一定得到了增强，来保证机械结构能够承受得住较高的爆发压力

设计和制造的能力也是工业界和学术界研究差异的缩影，这一点和行家也聊到过：学术研究在这一领域更多是使用柴油机进行「魔改」，以尝试新的手段和新的控制方法；但是归根结底，这类燃烧模式本身就是不同于柴油压燃或汽油点燃的但是，汽油机和柴油机之所以成为今天这个模样，根源都是由于汽油和柴油的性质及其燃烧模式决定所以想要打造一台真正意义的汽油压燃发动机，就要专门去造一台机器，而不是「魔改」柴油机或者汽油机所能够实现

除Skyactiv-X，德尔福在过去的几年一直推动的无火花塞的全工况范围汽油压燃，德尔福称之为GDCI，是另一个可以期待的汽油压燃发动机

小结：这篇文章潦草介绍了我在车展上关注到的混合动力技术，无一例外地，它们都是「新一代」产品，都是在之前的技术和产品基础上有所衍变和进化在这背后是精益求精的工程能力，它们也让未来的混合动力技术和内燃机潜力更加值得期待

注释：

【1】Yuta ITO, Tadanobu AOKI, Tomokazu NAITO, and Toru HIRANISHI, Development of Motor with Heavy Rare Earth-Free Magnet for Two-Motor Hybrid System

【2】上汽专利，专利号略

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