摘要:1 在中国,绿色节能的终极手段是啥呢? 1.1 电动车一定环保吗?按照大家的理解,电能看不见摸不着,无排…
1 在中国,绿色节能的终极手段是啥呢?
1.1 电动车一定环保吗?
按照大家的理解,电能看不见摸不着,无排放无污染,肯定环保呀。实际上电能一定环保吗?使用电能的新能源车一定环保吗?我先拿两张有意思的图给大家做案例,相信会颠覆大家想象。电能是二次能源,是否节能环保取决于电能的来源。这是美国麻省理工学院MIT Trancik Lab实验室做的可视化工具,可以清晰地展现燃油车、混动车、电动车的碳排放水平。并不是我编的,网址如下所示,大家可以试试。
Cars evaluated against climate targetswww.carboncounter.com/#!/explore横轴是每个月使用成本,纵轴是车型生命周期内每英里碳排放水平。根据中国的电价、油价、按照10000km/年,10年报废我进行了模拟。
当所有电能都来源于清洁能源时,纯电动车(黄色)相比燃油车(黑色)、混动车(粉色)和插电混动车(深红色)在碳排放上有明显优势。
图 模拟1:电能100%清洁能源当所有电能都来源于煤炭时,纯电动车(黄色)和燃油车(黑色)、插电混动车(深红色)处于相同水平,不如混动车(粉色)节能环保。
图 模拟2:电能100%煤炭可见,电能是否环保取决于发电用什么能源,比如发电都是太阳能、风能、水能、核能,那确实环保,如果使用煤炭,那么环保就不一定了。而中国目前以碳基能源为主,在某次沙龙会议上也有专家提出,2019年中国化石能源合计占比84.7%。即使在2021,预估火力发电占比也超过70%,因此使用电动车是否比燃油车更加节能环保还值得商榷。
图 某次内部学术会议上技术交流1.2 新能源不是节能的唯一手段
2020年10月发布了《节能与新能源汽车技术路线图2.0》,这是在1.0版本上的修正与更新,很多地方有指导性,报告中提出2025年插电式混动和纯电动占据20%,传统内燃机40%,而48V微混和混动占据40%;到2035年的时候插电式混动和纯电动占据50%,48V微混和混动占据50%。由此可见,汽车能源转型是循序渐进的,在可预见的未来,燃油车依然占据主要市场,现阶段进一步挖掘燃油车节能具有实际意义。
图 节能与新能源汽车技术路线图2.0(多能源并行)中国中西部发展不均衡,南北气候条件差异巨大,新能源还无能力覆盖全国,现阶段燃油车节能减排依然大有可为。举个例子,2020年一共销售2500万台车,新能源137万辆,如果燃油车油耗降低10%,相当于多销售200万辆0排放车型。当然我也坚信,燃油车是当下,新能源是未来,只不过在现阶段在能源多样化的背景下,多种能源节能减排技术共同进步更加重要。
2 车企平台化也是绿色节能的设计理念
2.1 车企平台化概念
从能源的角度思考是一种绿色节能的理念,其实对于车企而言,设计、研发、生产、运营也是能源消耗的大户。从设计资源共用、生产成本分摊等角度思考,平台化也是绿色节能的重头戏。近些年来,世界范围内车企都在推行平台化,平台化设计也代表先进制造理念。部分头部品牌比如大众的PQ34平台,比如丰田的TNGA平台,比如雷诺日产的CMF平台,又或是沃尔沃的SPA平台,通过自由度非常高的共用化设计、模块化设计,帮助车企缩短开发验证周期,提高推陈出新速度,分摊物料成本,提高整车可靠性。平台化可以从产业链、供应链、生命周期等维度促进节能减排。
2.2 吉利率先自主品牌进入全面模块化造车时代
现阶段中国头部品牌也在深度平台化、模块化架构造车概念,其中吉利CMA架构就是优秀案例。提到吉利汽车,大家的第一印象是:这是一个让中国人扬眉吐气的品牌,收购了沃尔沃汽车。很多网友觉得吉利收购沃尔沃是一个营销活动,并没有改变本质,其实不然,吉利从沃尔沃身上充分吸收了技术和经验,取其精华、因地制宜,进一步优化了吉利汽车设计流程。比如吉利和沃尔沃联合开发的CMA架构,就是一个很好的例子,作为汽车研发人员,我认为这是国内设计理念最先进、技术协同深度最高、适用范围最广的平台化,吉利称之为——CMA超级母体。
图 吉利CMA超级母体为何它备受推崇呢?这是和吉利战略布局分不开的,吉利是目前中国唯一一家成功实现多品牌战略的车企,这为平台化的应用提供施展舞台。平台化最高目标是用绿色节能理念提高产品竞争力,手段是共用化设计、模块化设计,缩短开发验证周期,提高推陈出新速度,分摊物料成本,提高整车可靠性等,产品布局决定平台化的高度。吉利旗下拥有豪华品牌沃尔沃、豪华电动品牌极星、中高端品牌领克、主流品牌吉利和纯电品牌几何,比如吉利和沃尔沃联合开发了CMA平台,沃尔沃旗下的XC40、S40以及V40等使用CMA平台,说明CMA平台的设计标准、技术指标是符合豪华品牌车型定位的。吉利将CMA架构技术应用推广至旗下中高端品牌领克全系车型,让领克也拥有和沃尔沃一样的技术品质;甚至将该平台应用到吉利明星产品星越、星瑞上,让一台十多万元的主流车型也能够共享豪华品牌才具有的技术和安全。此外,由于豪华品牌销量不会太高,如果单独设计一个全新平台将进行巨大设计开发投入,其产品价格高居不下,吉利利用自身多品牌优势,分摊设计开发成本,可以让豪华品牌价格不再高高在上,甚至让沃尔沃这种传统豪华品牌也具备了性价比,这对消费者是巨大利好,让普通车型有高品质、让豪车有性价比,是其他中国品牌望尘莫及的。
图 吉利CMA架构车型熟悉汽车研发的应该明白,平台化概念也是不断发展的,比如福特最早的T型车就是一个平台化理念,随后大众的PQ34进行平台化定义,近几年丰田TNGA架构又在平台化基础上进行了模块化。而吉利的CMA超级母体就是比肩丰田TNGA架构的平台化产品,从最初级的“同零件组装”上升到设计“同方法”,再上升到验证“等价性”,再到制造过程的“模块化”,实现开发协同、验证协同、制造协同、售后协同,从顶层进行节能减排。
以吉利星越为例,星越15.78万元的高能版350T采用和沃尔沃XC40 T5顶配同等CMA平台架构,并使用同等规格动力总成,这在行业内是极为罕见的,直接让星越的性价比爆棚!
PS:发动机参数一致,部分进排气附件由于布置差异,导致进气效率和排气背压不一样,最高功率有差异,属于正常现象。
3 吉利节能减排的布局与成就
前文探讨了吉利通过CMA架构,不但实现了绿色节能的设计理念,也提高了吉利汽车的性能指标。CMA架构作为超级母体,在节能减排最重要的动力总成领域,也发挥了至关重要的作用。从《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中推测,2020年到2025年,混动的比例从现阶段5%以下会发展到40%以上,混动技术将是车企的破局路线之一。
图 《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中推测不同动力总成比例吉利是中国较早布局混动技术的车企之一,已经量产的产品中就有P0级别48V轻混车型、P2级插电式混动车型、PS级功率分流混动车型,甚至独创了P2.5架构,可以根据不同消费者的不同使用场景,提供最节能环保的出行方案。
图 不同混动技术架构3.1 微混解决方案的突破
P0指的是将电机置于变速箱之前,用皮带驱动BSG电机(启动、发电一体机)。目前市面上常见的带有自动启停功能的车型、12V微混和48V微混都是常见的P0架构。
图 吉利48V BSG方案示意图从专业角度来说,MHEV微混技术并不复杂,它对原先的启发电一体电机进行加强,升级为48V电压驱动的BSG电机,让车辆具备了更高效的发动机启停技术(启停速度更快、更安静、范围更广),而且能够在车辆急加速时,通过皮带轮向曲轴输出一定的功率。MHEV难点在于如何综合发挥最佳性能,用较少的成本投入带来较佳的实际省油效果,给消费者带来价值。
吉利通过平台化优势,和沃尔沃协同开发,这套MHEV系统对内燃机的控制管理进行了大范围的修改,从而实现了强大功能,如下表所示。
图 吉利48V BSG方案功能展示比如发动机熄火滑行工况,当油门和制动踏板均没有踩下时,发动机停止喷油,同时打开离合器将动力系统与车轮分离,这样可以防止由于发动机阻力造成的损失。尽量缩短内燃机的工作时间,利用汽车的动能克服行驶阻力,提高空挡滑行时间,减少油耗(目前部分车辆松开油门后离合器处于接合状态,会人为感觉车辆有拖拽感,车速下降明显)。
比如充放电策略和负荷点选择,吉利根据中国人驾驶习惯和道路情况进行大量验证。城市工况下,整体速度较低,且加减速较多,吉利对制动能量回收系统的工作性能进行针对性标定。这种工况下,不会对48V锂电池主动充电,能量回收的电量给12V蓄电池系统供电,并让发动机的负载降低,从而提高燃油经济性,48V系统在加速阶段,可以对扭矩进行瞬态补偿;市郊工况下,在减速路段,速度从90km/h渐渐下降到30km/h期间,SOC会渐渐饱和,控制系统通过降低发动机负荷对锂电池放电;高速工况下,中国驾驶员主要用油门控制加减速,不使用刹车。因此能量回收工况较少,为确保系统功能的可用性,控制系统会提高发动机负荷强行对锂电池进行充电。通过这种充放电管理,让吉利微混系统油耗很低。
图 不同城市道路下电池状态示意图这套技术也被下放到吉利的主流车型中,比如吉利星越,作为一台紧凑级SUV,搭载1.5T发动机的高能版260T车型工信部油耗达到6.6L/100km,和头部几家德日系品牌车型油耗一致(大家可以自己对标下),而基于吉利模块化架构体系下,采用燃油发动机搭配48V电机的轻混动力系统的车型油耗只有5.6L/100km,在燃油版基础上又降低了15%油耗,效果非常显著。
图 吉利星越燃油版和轻混版的油耗对比目前吉利的MHEV轻混技术,已经覆盖轿车、SUV、MPV全品类,已经累积超千万公里等效道路验证,可靠性得以保障,节油率达到行业领先的15%。这种方案,在不改变驾驶习惯下真正意义上做到节能减排,给大多数消费者提供了实际使用价值。
3.2 插电式混动的突破
在成本、政策、研发周期的多重因素作用下,插电式混动也是主流技术之一。吉利通过和沃尔沃协同合作,在1.5TD+7DCT的基础上,业界首创了P2.5架构。什么是P2.5架构呢?由于吉利首创了P2.5架构,业内对架构进行了进一步细分,如下图,简单而言就是电机集成到变速箱轴上。
图 业界最新混动架构定义图从下图可以看出,离合器1和离合器2分别是奇数轴和偶数轴对应的离合器,电机直接和离合器2绑定。相比其他混动模式整套系统还要增加额外的离合器以及控制模块,这套架构结构精妙、轻量化程度高、控制逻辑简单,属于工程上的优秀设计方案。
图 吉利P2.5混动系统示意图纯电模式(EV):
此工况离合器1和离合器2同时断开,发动机充分解耦,电动机通过偶数轴,通过2/4/6三个档位驱动车辆,这个巧妙的设计可以降低电机负荷、降低电耗。而且纯电模式下也能实现较高车速,比如星越只用了60kW小功率电机,就能实现120km/h高速巡航。
混合驱动(HEV):
当离合器1结合而离合器2断开时,发动机驱动奇数轴,电动机驱动偶数轴,通过变速箱合成动力,形成一种并联式混动;如果离合器2结合离合器1断开,发动机和电机同时驱动偶数轴,形成另一种并联式混动。
发动机驱动(HEV或SAVE):
当电量不足以发动机为主驱动时,离合器1和离合器2就是普通燃油车工作状态,动力全部来自发动机,而此时电动机则充当发电机角色为电池充电。当电量达到某个设定的SOC值的时候,系统认为状态OK可以对电机解耦,此时发动机不需要给电机充电,提高燃油经济性。
可以看出,吉利这套P2.5架构相当先进,拥有全时全工况智能启停、高效能量回收、智能切换模式、稳态分扭技术等功能和技术,具备智能充电管理、智能预约充电、智能电量管理、五种智能驱动模式。据说在低电量情况也能实现节油率30%,正常情况节油率45%。此外经过平台化多车型的验证,其可靠性与安全性也得以保障。
我还是拿数据说话,搭载在吉利星越PHEV ePro上的这套系统,相比某同级别主流外资品牌,在相同级别、尺寸、质量下,发动机+电机性能落后的情况下,综合功率高了35kW,综合扭矩高了15Nm;在电池容量更低的情况下,工信部油耗更低,此外只需要92%燃油,指导价便宜了6.55万元,可以说凭借吉利这套P2.5架构实现了工程上的最优解,实现凌驾于外资品牌插电式混动的表现。
图 吉利星越与某TOP车企类似车型性能对比3.3 面向未来的混动方案
当然为了实现更高程度的节能减排,技术的进步是永不停息的。吉利在20年底披露了面向未来的全新一代混合动力系统,是基于DHE(混动用发动机)和DHT(混动用变速箱)的满足多个整车机械与电器架构的动力总成平台化系统解决方案。据说这套方案相比现在的P2.5架构插电式混动,有更低油耗、更高性能、更好的NVH表现。利用CMA架构的高度集成开发,能够实现低成本、模块化设计、高度一致性等,让我们拭目以待。
4 小结
这个世界除了诗与远方,还有眼前的“苟且”。我们怀着美好的愿景,希望纯电动一蹴而就解决环境问题,然而现实并不完美。汽车行业需要有站在风口眺望未来的“颠覆者”,但更需要砥砺前行锐意进取的“匍匐者”。吉利作为自主品牌的骄傲,从平台化理念到多能源布局,才是现阶段的最佳路线。
想要绿色节能只有一种选择吗?作为一名动力总成资深工程师,我的回答是:不尽然!