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97年就造HEV的丰田20年后造出了怎样的PHEV

2019-08-29 点击:832

  

  对于电动化,丰田总有着与别人不一样的思路。

  1997年,丰田就发布了全球首款HEV混动车型——第一代普锐斯。在那时,混动几乎是领先一个世纪的技术,当时的中国汽车市场是大众桑塔纳2000的天下,而广州标致在1997年成为中国第一个退市的合资车企,同年一名叫李书福的浙江台州人开始造车。

  

  然而就是这个在汽车电动化起步比全世界早上“一世纪”的车企,却在全球电动车销量突破200万辆,中国电动车销量突破120万辆的今天,依旧没有任何一辆纯电车型上市,但他们却在2014年推出了自己的氢燃料车型MIRAI。

  这么多年来,丰田一直对纯电动车不太感冒,并一直将HEV混动视为自己的看家法宝,而这项丰田在20多年就掌握的技术至今也只有本田一家真正掌握,对于混动,更多的主机厂的主攻方向都放在了插电混动,也就是PHEV身上。

  

  众所周知,PHEV相比HEV的优势在于,它拥有一块容量更大的电池可以让车辆进行纯电行驶状态,车主可以给这块电池进行插电充电,电池容量大约在10-15kWh左右,相比电池容量很小且几乎无法纯电行驶的HEV,PHEV车型在短距离出行时可以实现0油耗。

  当然,插混也有其弱点所在,那就是电池系统的增加让车辆自重增加,因此当电池电量耗光、车辆进入燃油驱动时,油耗会比普通燃油版车型更加费油。

  

  面对这样的矛盾,一项思路与众不同的丰田再次给出了人们预料之外的解决方案:用HEV的思路设计PHEV,同时将电动化三大核心部件做到极致轻量化降低自重。

  那么,首先是如何用HEV的思路设计PHEV。

  从字面上看,PHEV比HEV多了一个“P”,也就是Plug-in即插电的意思,而丰田处理PHEV的方式也就是在原有HEV的基础上增加电池容量并设置充电口,并最大程度保留之前HEV车型的工作逻辑和原理等,而这些也正是丰田深耕混动技术20多年留下的宝贵财产。

  

  从卡罗拉和雷凌的双擎E+车型的动力系统不难看出是延续了之前双擎版本的配置,73kW的1.8L发动机加一台53kW的电动机是丰田HEV车型使用时间最长的一套动力系统,区别之处就在于纯电模式拥有了更大的实际使用意义。

  做了20多年HEV的丰田在做PHEV时与其它主机厂比又有着哪些优势呢?

  首先是丰田20多年积累的零部件研发制造经验让丰田实现了电动化核心零部件的自产化,这其中包括了发动机、变速器、PCU(动力控制单元)、电机、电池以及向燃料电池堆、高压储氢罐等氢燃料电池车所用到的关键部件。而在PHEV车型上,电池、电机和PCU毫无疑问是最为关键的“三大件”,对于“三大件”,丰田在20年的时间里实现了在小型化、轻量化,低损失化和低成本化三个方面的迭代进化。

  

  在电池包方面,丰田从97年到2015年,用了18年的时间完成了从镍氢电池到锂离子电池的转换,期间经历了四代电池包的进化,在电池小型化高功率化、BCU小型化、电池冷却风机轻量化、电池设备零部件小型化以及维修塞小型化等多方面的进步。

  小型化和轻量化直接影响到车辆的空间表现及经济性表现,丰田的四代电池包的位置从最初的纵置于后座背面到现在横置于后座下方,而这样的变化节省了大量空间,电池包体大幅缩小,重量也从最早的70.6Kg降低到24.5Kg,减重68%,从而解决了PHEV车型因电池包过重而费油的弊端。

  

  丰田初代电池包

  最早的丰田混动车型使用的是圆形镍氢电池,如今已优化为方形锂离子电池,并在混动系统中加入升压转换器,从而降低电池额定电压,减少电池单体数量,这也让电池在车内布局上选择性更多,在不影响使用空间的同时,小型车搭载混动系统变得更为容易。

  

  丰田最新一代电池包

  之所以能够实现电池包大幅减重和体积的缩小,除了从镍氢电池到锂电池之间能量密度的提升外,电池包零部件的轻量化、小型化也是其中的关键。例如包括SMR、电流传感器、限流电阻等电气设备零部件从第一代的超过1000cm缩小到最新的200多cm,缩小幅度达76%。

  电机方面,丰田这些年的主要工作集中在优化电机特性和减速机构提升电机小型轻量化,提高电动机冷却性能、推高电价驱动单元效率降低损耗、提高电动单元静谧性等方面。

  

  丰田第四代电机主要部件

  最明显的成果还是电机的小型化和轻量化,从第一代的5.1L到第四代的2.2L,电机体积缩小57%。

  对比第一代和第四代的定子、转子和磁心板不难看出,三个零部件的体积均大幅度缩小,同时第四代电动机定子绕组线圈采用了方线(平角线)布局,增加铜线面积提高线圈槽满率,提升通过电流。

  丰田混动系统的PCU同样在四代的衍变中变得体积越来越小、功率密度越来越高,体积从第一代的17.4L到第四代的8.4L,降低了51%,功率密度也因此提升了2.5倍。

  

  第一代PCU

  PCU主要由IPM、升压变压器、电抗器、冷却器、DCDC变频器构成。在IPM的整合和小型化过程中,丰田分阶段将电动机/发电机/升压用IPM一体化,推动小型化,且考虑到向其它车型的可推广性,在第四代上采用叠层结构,可通过不同的叠层数量来应对不同车型的需求。

  从第二代普锐斯开始增加升压变压器,将系统电压提升到500V,追加升压变压器的目的在于降低电流和设备损耗,从而同等功率下实现系统的小型高效及低成本化。冷却性能层面,第四代PCU采用双面冷却结构大幅提高冷却性能。

  

  第四代PCU

  此外,PCU从第一代到第四代的发展中,其搭载位置和搭载方法也在不停的变化中。

  其中第一代和第二代PCU均搭载于发动机室,位置结余发动机和前大灯组之间、驱动桥之上;第三代产品在与汽油车平台通用化之后,PCU被放置在了辅助电池原位,从而实现了将HEV系统从普锐斯向其它车型推广的目的。到了第四代产品,PCU通过小型化实现了在驱动桥上方搭载,同时将辅助电池搭载于发动机室,从而扩大了行李箱空间,除此之外还能实现与TNGA架构理念一直的低重心设计以及线缆、托架小型化轻量化和降低更换费用等效果。

  

  在最近的一年里,随着电动车起火、自燃事件的频发,安全已经超过电池续航成为业内最为关注的问题,虽然HEV和PHEV混动车型由于电池包容量较小,电池安全问题没有纯电车型那么严峻,但丰田并没有因此对电池安全问题有所放松。

  

  目前丰田HEV和PHEV所使用的电池包和单体电池都通过了内部短路、挤压和火烧这三项严苛的安全测试。其中,方形电池单体内由于加入了陶瓷涂层,因此不会在内部短路测试中冒烟起火;而挤压测试中,电池包将在100kNor的挤压下外形变形30%,并不能出现爆炸、起火和电压降低的情况;而在更为严格的焚烧测试中,电池包要在直接焚烧70秒和间接焚烧 60秒之后做到无爆炸和2分钟内外部余火熄灭才算通过测试。

  

  据悉,目前除了丰田在日本的安全测试中心外,已于今年完成了在常熟的TMEC安全实验楼的建设。在TMEC中可以完成火烧、挤压及过充、过放、过热等综合测试。

  今年4月,丰田掌门人丰田章男在清华大学的演讲中提到,到2025年,丰田将向中国导入10款纯电动车型,而明年一汽丰田和广汽丰田也将同步导入奕泽和C-HR的纯电版本,这意味着丰田这个全球汽车电气化的先驱者将在明年正式入局纯电动。

  

  当然,对于电气化丰田有着自己的节奏和思路,例如先发展混动然后纯电动和氢燃料同步进行,但面对全球市场大势,丰田也不得不做出计划上的相应调整,例如原本将在2030年实现的混动车型年产量450万辆以上、纯电和氢燃料电池年产量100万辆以上的计划现在已提前至2025年。

  

  有人说,丰田在新能源上“起了个大早,赶了个晚集”,但作为汽车电气化先驱的丰田对汽车发展有着自己的看法和认知,就在目前众多欧洲车企已经ALL IN纯电动之时,丰田依旧坚持着“混动第一、纯电和氢燃料并行发展”的策略,而丰田的这份笃定与坚持除了来自于自身对行业发展趋势的判断,强大的技术支撑也让丰田有底气不走寻常路。

  

  对于电动化,丰田总有着与别人不一样的思路。

  1997年,丰田就发布了全球首款HEV混动车型——第一代普锐斯。在那时,混动几乎是领先一个世纪的技术,当时的中国汽车市场是大众桑塔纳2000的天下,而广州标致在1997年成为中国第一个退市的合资车企,同年一名叫李书福的浙江台州人开始造车。

  

  然而就是这个在汽车电动化起步比全世界早上“一世纪”的车企,却在全球电动车销量突破200万辆,中国电动车销量突破120万辆的今天,依旧没有任何一辆纯电车型上市,但他们却在2014年推出了自己的氢燃料车型MIRAI。

  这么多年来,丰田一直对纯电动车不太感冒,并一直将HEV混动视为自己的看家法宝,而这项丰田在20多年就掌握的技术至今也只有本田一家真正掌握,对于混动,更多的主机厂的主攻方向都放在了插电混动,也就是PHEV身上。

  

  众所周知,PHEV相比HEV的优势在于,它拥有一块容量更大的电池可以让车辆进行纯电行驶状态,车主可以给这块电池进行插电充电,电池容量大约在10-15kWh左右,相比电池容量很小且几乎无法纯电行驶的HEV,PHEV车型在短距离出行时可以实现0油耗。

  当然,插混也有其弱点所在,那就是电池系统的增加让车辆自重增加,因此当电池电量耗光、车辆进入燃油驱动时,油耗会比普通燃油版车型更加费油。

  

  面对这样的矛盾,一项思路与众不同的丰田再次给出了人们预料之外的解决方案:用HEV的思路设计PHEV,同时将电动化三大核心部件做到极致轻量化降低自重。

  那么,首先是如何用HEV的思路设计PHEV。

  从字面上看,PHEV比HEV多了一个“P”,也就是Plug-in即插电的意思,而丰田处理PHEV的方式也就是在原有HEV的基础上增加电池容量并设置充电口,并最大程度保留之前HEV车型的工作逻辑和原理等,而这些也正是丰田深耕混动技术20多年留下的宝贵财产。

  

  从卡罗拉和雷凌的双擎E+车型的动力系统不难看出是延续了之前双擎版本的配置,73kW的1.8L发动机加一台53kW的电动机是丰田HEV车型使用时间最长的一套动力系统,区别之处就在于纯电模式拥有了更大的实际使用意义。

  做了20多年HEV的丰田在做PHEV时与其它主机厂比又有着哪些优势呢?

  首先是丰田20多年积累的零部件研发制造经验让丰田实现了电动化核心零部件的自产化,这其中包括了发动机、变速器、PCU(动力控制单元)、电机、电池以及向燃料电池堆、高压储氢罐等氢燃料电池车所用到的关键部件。而在PHEV车型上,电池、电机和PCU毫无疑问是最为关键的“三大件”,对于“三大件”,丰田在20年的时间里实现了在小型化、轻量化,低损失化和低成本化三个方面的迭代进化。

  

  在电池包方面,丰田从97年到2015年,用了18年的时间完成了从镍氢电池到锂离子电池的转换,期间经历了四代电池包的进化,在电池小型化高功率化、BCU小型化、电池冷却风机轻量化、电池设备零部件小型化以及维修塞小型化等多方面的进步。

  小型化和轻量化直接影响到车辆的空间表现及经济性表现,丰田的四代电池包的位置从最初的纵置于后座背面到现在横置于后座下方,而这样的变化节省了大量空间,电池包体大幅缩小,重量也从最早的70.6Kg降低到24.5Kg,减重68%,从而解决了PHEV车型因电池包过重而费油的弊端。

  

  丰田初代电池包

  最早的丰田混动车型使用的是圆形镍氢电池,如今已优化为方形锂离子电池,并在混动系统中加入升压转换器,从而降低电池额定电压,减少电池单体数量,这也让电池在车内布局上选择性更多,在不影响使用空间的同时,小型车搭载混动系统变得更为容易。

  

  丰田最新一代电池包

  之所以能够实现电池包大幅减重和体积的缩小,除了从镍氢电池到锂电池之间能量密度的提升外,电池包零部件的轻量化、小型化也是其中的关键。例如包括SMR、电流传感器、限流电阻等电气设备零部件从第一代的超过1000cm缩小到最新的200多cm,缩小幅度达76%。

  电机方面,丰田这些年的主要工作集中在优化电机特性和减速机构提升电机小型轻量化,提高电动机冷却性能、推高电价驱动单元效率降低损耗、提高电动单元静谧性等方面。

  

  丰田第四代电机主要部件

  最明显的成果还是电机的小型化和轻量化,从第一代的5.1L到第四代的2.2L,电机体积缩小57%。

  对比第一代和第四代的定子、转子和磁心板不难看出,三个零部件的体积均大幅度缩小,同时第四代电动机定子绕组线圈采用了方线(平角线)布局,增加铜线面积提高线圈槽满率,提升通过电流。

  丰田混动系统的PCU同样在四代的衍变中变得体积越来越小、功率密度越来越高,体积从第一代的17.4L到第四代的8.4L,降低了51%,功率密度也因此提升了2.5倍。

  

  第一代PCU

  PCU主要由IPM、升压变压器、电抗器、冷却器、DCDC变频器构成。在IPM的整合和小型化过程中,丰田分阶段将电动机/发电机/升压用IPM一体化,推动小型化,且考虑到向其它车型的可推广性,在第四代上采用叠层结构,可通过不同的叠层数量来应对不同车型的需求。

  从第二代普锐斯开始增加升压变压器,将系统电压提升到500V,追加升压变压器的目的在于降低电流和设备损耗,从而同等功率下实现系统的小型高效及低成本化。冷却性能层面,第四代PCU采用双面冷却结构大幅提高冷却性能。

  

  第四代PCU

  此外,PCU从第一代到第四代的发展中,其搭载位置和搭载方法也在不停的变化中。

  其中第一代和第二代PCU均搭载于发动机室,位置结余发动机和前大灯组之间、驱动桥之上;第三代产品在与汽油车平台通用化之后,PCU被放置在了辅助电池原位,从而实现了将HEV系统从普锐斯向其它车型推广的目的。到了第四代产品,PCU通过小型化实现了在驱动桥上方搭载,同时将辅助电池搭载于发动机室,从而扩大了行李箱空间,除此之外还能实现与TNGA架构理念一直的低重心设计以及线缆、托架小型化轻量化和降低更换费用等效果。

  

  在最近的一年里,随着电动车起火、自燃事件的频发,安全已经超过电池续航成为业内最为关注的问题,虽然HEV和PHEV混动车型由于电池包容量较小,电池安全问题没有纯电车型那么严峻,但丰田并没有因此对电池安全问题有所放松。

  

  目前丰田HEV和PHEV所使用的电池包和单体电池都通过了内部短路、挤压和火烧这三项严苛的安全测试。其中,方形电池单体内由于加入了陶瓷涂层,因此不会在内部短路测试中冒烟起火;而挤压测试中,电池包将在100kNor的挤压下外形变形30%,并不能出现爆炸、起火和电压降低的情况;而在更为严格的焚烧测试中,电池包要在直接焚烧70秒和间接焚烧 60秒之后做到无爆炸和2分钟内外部余火熄灭才算通过测试。

  

  据悉,目前除了丰田在日本的安全测试中心外,已于今年完成了在常熟的TMEC安全实验楼的建设。在TMEC中可以完成火烧、挤压及过充、过放、过热等综合测试。

  今年4月,丰田掌门人丰田章男在清华大学的演讲中提到,到2025年,丰田将向中国导入10款纯电动车型,而明年一汽丰田和广汽丰田也将同步导入奕泽和C-HR的纯电版本,这意味着丰田这个全球汽车电气化的先驱者将在明年正式入局纯电动。

  

  当然,对于电气化丰田有着自己的节奏和思路,例如先发展混动然后纯电动和氢燃料同步进行,但面对全球市场大势,丰田也不得不做出计划上的相应调整,例如原本将在2030年实现的混动车型年产量450万辆以上、纯电和氢燃料电池年产量100万辆以上的计划现在已提前至2025年。

  

  有人说,丰田在新能源上“起了个大早,赶了个晚集”,但作为汽车电气化先驱的丰田对汽车发展有着自己的看法和认知,就在目前众多欧洲车企已经ALL IN纯电动之时,丰田依旧坚持着“混动第一、纯电和氢燃料并行发展”的策略,而丰田的这份笃定与坚持除了来自于自身对行业发展趋势的判断,强大的技术支撑也让丰田有底气不走寻常路。

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