增程式或者部分增程式的車型已經不少,而理想 ONE 是其中更純粹更高效的全新實現。理想 ONE 把增程模式常態化,發動機發電直驅,有種大道至簡的和諧感。理想 ONE 對一些關鍵策略重複過很多次:
理想 ONE 為電池設定兩個最低 SOC,70% 和 30%,分別名為增程優先模式和純電優先模式。高 SOC 的好處起碼有兩點,一個是剩餘電量還能匹配上電機的功率,二則可以避免電池過度放電保護電池。要說缺點,就是用戶能直接使用的電量少了。不過李想說 30% SOC 其實只剩餘 30 公里的續航,前面 70% 有 150 公里的續航(工信部數據 148 公里),加起來剛好 180 公里。所以用戶「損失」的續航並不多。理想 ONE 在動力設定上比較「果斷」,給用戶選擇餘地不大,也是因為理想 ONE 知道怎樣才能兼顧性能與續航(油耗)。不像其他 PHEV 的用戶要糾結 SOC 設定,定高了可用電少,定低了可能又不省油。
有人以為增程式都是發動機發電到電池,再放電驅動電機,所以都是脫褲子放屁。然而這不是絕對的,像是 iMMD 混合模式,就是可以發動機發電之後,直接驅動電機。理想 ONE 也是發動機發電後直接驅動電機,並不存在充電再放電的損耗。可能 i3 這類增程式給人以錯誤的印象,增程器只是搏命式工作,發電用來充電,放電再驅動電機。因為電池已經沒電,只能工作在低速。我猜 i3 這麼設計,除了政策因素,也是稍微簡化設計?增程器只是充電,大概不需要改動放電部分。按硬哥的說法,電池其實同時只能充電或者放電,看起來邊充邊放,是通過充放周期性更替實現的。所以 i3 的增程器功率多大不重要,反正充放電平衡,就是逃生最大速度所在。
基本上這就是李想所說的, 電池相當於內存——速度快,增程器相當於硬碟——容量大。這裡內存最重要的是速度,對應電池的放電功率(及響應延時)。而電池的放電功率是跟剩餘電量正相關的,所以理想 ONE 在 30% 就開啟增程器,以保證動力響應無憂。衍生另外一個設定就是,理想 ONE 一定先把油用完,最後才會把電用完。
很多人會說如果沒電了,這 1.2T 如何滿足不了需求!對理想 ONE 來說,這是一個極限狀態下確實會存在的問題,就像燃油車跑到沒油的極限。只要「亮燈」後的續航還夠長,那麼就可以避免沒油沒電的尷尬。如果是市區,平時充電,油箱留 5L 底油,則純電優先到 30%,基本上還能跑 100 公里,你說找不到加油站或者充電樁,我只能說你…疑車無據。高速用增程優先,沒油了剩餘 70% SOC 也還能跑 130 公里,而且 45L 油高速能超過 500 公里的續航,一個人開 4 個小時大概也就 480 公里,加起來至少 150 公里的續命里程。
最壞的情況是你真的開到彈盡糧絕,沒油沒電。如果拖到充電樁,那就充電沒啥好說的,快充半小時後又是一條好漢。如果拖到加油站,三分鐘加滿油之後,可以啟動汽車到旁邊休息,花 10~15 分鐘時間思考人生,電池也差不多用增程器充電到良好 SOC 了,繼續上路還是好漢。
理想 ONE 這台 1.2T 發動機被人質疑小馬拉大車,也屬正常。畢竟要說 62kW 的發動機對比 240kW 的電機總功率,是不夠看的。最近看到一個概念是汽車的峰值功率與平均功率,用來說明增程式挺合適。峰值功率只在急加速的時候出現,特別是彈射起步。平均功率可以參考平均油耗,假設高速平均時速 90km/h,油耗 9L/100km,熱效率 35%,燃油能量密度 9kWh/L,則高速平均功率大概為 25.5kW。高速巡航還可能同時長上坡,兩噸多的車上坡克服重力的功率可能高達 30kW。
理想 ONE 的電池大概 220kW 就是對應峰值功率的,增程器 62kW 對應平均功率。62kW 比高速巡航功率高很多,高出部分基本能滿足國內等級公路的(不同坡度不同限速)上坡克服重力的功率。可以說在大部分等級公路上,理想 ONE 都可以用增程器巡航而不降低電池電量。即使有超過增程器極限的功率需求,也不會太大,電池挨一陣就是平路或者下坡,增程器發電或者動能回收都能把電補回來。
從能量守恆的角度來說,什麼自然吸氣、渦輪增壓、汽油、電池、電機,最後都是要把能量傳遞到車輪上。能量來源是電網(甚至極少數車自帶太陽能電板)、油箱,都是能源。傳遞或者轉化有逆變器、電機、發動機、發電機、變速箱、減速器、差速器等,總結就是效率。總有人會有覺得,似乎大排量的功率就是比小排量的功率耐用,發動機的功率就是比電池功率耐用。是吧,你看大排量就是能推動大車,電池上了高速就是不行。
發動機發電直接驅動電機的另外一層意思是,盡量少的用油發電。理想 ONE 這台 1.2T 發動機標定最低功率為 8kW,也就是只要系統功率需求低於此值,都會以 8kW 左右發電。如果發動機工作在更高功率,有可能熱效率是高一些,但是比 8kW 高出部分是要面臨充放電這一過程導致的能量損失。
汽車輸出到車輪的功率,是與油門掛鉤的。駕駛員(憑感覺)踩在 1kW 的油門,你不能輸出 2kW 的功率,短時間沒事,時間長了駕駛員會發現車速比預期快了一倍。所以傳統燃油車即使知道 1kW 的功率不在高效工況,也只能低效的燒油。當然可以強行提高發動機功率提升效率,但是沒有電池做 buffer,結果是多出能量白白浪費,最後燒了更多油。題外話,黑科技創馳藍天 X 這台發動機省油的重點並非只有最高熱效率達到 50%,而是高效區間可以覆蓋到低速部分,做到市區省油,畢竟高速大家都不那麼費油。
這種「三角」關係是看了別的網友說到,然後照著畫出來的。前面五種常見,最後一種是用到嚴重饋電然後又先加油可能出現的。沒電沒油,應該先充電,這樣可以避免燒油發電,要不挺浪費的。第二種模式主要是需要大功率的時候,比如彈射起步,還有行駛過程中深踩油門(不知道是否為了提高響應速度,淺踩油門是否會用電先響應)。第四、五兩種其實說起來是一種狀態,功率高低變化來決定充電或者不充電。
增程器還有一種模式是冬季供熱,尤其是低溫下啟機後給電池供熱,直到電池達到大概 20~30 度的合適溫度。增程器的餘熱好收集,不過機械能怎麼轉化成熱能?發電後 PTC?反正在熱機階段,不適合充入電池的。
怠速時還有空調這個場景。如果電量夠,是不會啟動增程器的,主要依靠電池驅動空調。即使增程優先電量低於 70% 也是如此,甚至純電優先電量低於 30% 也是不會啟動增程器。怠速吹空調要啟動增程器,可能需要電量接近饋電了。
如果怠速時,不開暖風,也不製冷,增程器也很難啟動。
理想 ONE 主要有增程優先和純電優先兩種模式。那麼在兩個模式之間切換會如何?從高 SOC 的增程優先切到純電優先,不需要做太多的事情,當前如果是增程器巡航,而 SOC 又高於 30%,切到純電模式即可。雖然增程優先電量可能掉入 70% 以下,但是一般來說,還是遠高於純電優先的 30% 的。
反過來純電優先切到增程優先,如果 SOC 低於 70%,可能就要啟動增程器了。雖然增程優先設定 70% SOC,但是增程器可能並不會很積極的發電補充電量。一般巡航下增程器至少還有 20kW 的空閑功率用來發電,以合適的功率補電,可以稍微提高一些熱效率?補電的重要方式是動能回收,特別是有長下坡的路段。
當 SOC 觸底,增程器啟動。如果巡航功率大於 8kW(且小於 60kW),則 SOC 不會變化。如果功率低於 8kW,則電量會持續增加。當電量到達一定程度,則會啟動純電模式,用掉多出的電量。
理想 ONE 低速時 1kW 大概對應 5km/h 的時速。以時速 5km/h 大概 1kW 功率巡航,剩餘 7kW 沖入電池,考慮到充電效率,大概 10 分鐘有一度電,然後一度電可以跑 5 公里,一個小時。時速 35km/h 約 7kW 的功率,跑一個小時充電接近一度,然後這些電能跑大概八分鐘,四五公里。都按增程器啟動一個小時來算的話,時速 35 比時速為 5 要跑得遠一些。
油耗
油耗是個核心指標,但是很多人對油耗理解並不深。比如說到理想 ONE 市區 6.4 個油高速 9 個油,有人張口就說 iMMD 才 4.2 個油。但是同為 iMMD 的奧德賽混動工信部油耗 5.8,這如何解釋?
油耗是一個綜合結果,首先是跟車型、車重、動力系統有最大關係,然後跟路況、駕駛習慣有關係,最後還跟負荷有關係。本文說的油耗,都是指不消耗電量情況下的油耗。因為動能回收以及低速發電的關係,ONE 的電量會有起伏,也是正常。只要電量不降低,測試出來起碼不騙人。
傳統燃油車主顯然都喜歡高速油耗,不喜歡市區油耗,因為通常市區油耗會比高速油耗高很多。原因就是文章開頭說過的,市區速度低,發動機不在高效工況。理想 ONE 市區只用 6.4 個油,比高速 9 個油高低多了。這也是混動有效的參考標準之一,低速工況不低效。
另一個對比,豐田雙擎市區和高速都是 4 個多油,怎麼 ONE 的高速比市區高這麼多,高速一點不省油?這個就是 SUV 的劣勢了,因為車身大,造型差,造成風阻大,結果就是油耗相較於轎車高很多。跑高速大部分汽車熱效率都很高,所以同級別車型的高速巡航油耗都差不多,並不會因為混動就會低很多。雖然混動車有動能回收,跑高速確實也會相對省油一些,但也不會太多。
強調同級別的另一個事實是,雷克薩斯 RX 450h 作為比理想 ONE 小一些的 SUV(包括重量和尺寸),可以搜到一個市區油耗評測是 6.1 個油。對比理想 ONE 如何大家有數了吧?但是呢,RX 450h 有個神奇的地方,工信部市區油耗居然比高速油耗要高(7.7 vs 6.1),這讓我非常困惑。難道用工信部的測試方法,RX 450h 的混動效率很低?
有人覺得 1.2T 發動機居然能高速跑出來跟 3.0T 一樣的 9 個這麼高的油耗?!同一個汽車高速同一速度下的巡航功率是基本固定的,那麼除以發動機熱效率就能得出油耗。所以油耗高低跟發動機排量大小關係不大,主要跟驅動功率及發動機的熱效率有關係。(當然發動機大小會影響車身、車重,此處略過)相反,大排量發動機可能採取閉缸技術來省油。小排量發動機只要高速巡航在高效區間,就不存在太費油的問題。當然有人可能會有刻板印象,因為小排量發動機配小車,大排量發動機配大車,結果經常看到小排量低油耗,大排量高油耗。
借一步說,小型發動機做巡航需求,電池(參與)做大排量需求,這就是增程的方式。不過小排量發動機無法支撐太高的純油巡航速度,算是一個缺陷,但在中國 120 的限速值下,並不是大問題。
工信部公布的理想 ONE 饋電油耗是 8.8 ,比正常油耗 7.2 要高。理想 ONE 的官方解釋是饋電狀態下,增程器會多發電給電池充電,所以油耗偏高。為了性能考慮 ONE 的 SOC 最低是 30%,這個值離饋電還有點遠。嚴重饋電時,我了解到的是會更積極地充電到 20% 的。
會有人覺得,插電混動的車平時用電,很少時候用油,所以油耗優化與否不重要,高也無所謂。但是,插電混動首先作為新能源車,要講環保,這就要求用油時油耗要低。汽車保有量這麼大,每個車能省一點,加起來也是很多油。當然如果做插電混動的車,只是為了騙牌騙補,那肯定無所謂油耗。另外就是產品力層面,一箱油能跑得遠,少去加油站,是讓人很舒服的事情,這些都要求油耗越低越好。
有些人可能算插混的油耗,是把油和電一起除以總里程,然後單獨把「油耗」拿出來說。這個挺不合理的,因為從費用的角度來說,電也是要錢的。然後呢,這個油耗可以做得無限低啊!
能量轉換
汽車就是輸入能源,然後把載荷送到目的地的工具。所以儘可能少的能源,輸送儘可能長的路程,是最核心的指標。
所有的新能源車都會有動能回收技術吧?這玩意能直接提升一兩成的續航,簡直白給。除了這一塊,剩下主要話題就是發動機供能和電池供能了。發動機可以供能給電池和動力系統,也能供能給空調和熱管理系統。電池可以供能給動力系統,也可以回收動能。在增程式系統中,增程器雖然戰力不高,但是輸出手段多,綿綿不絕。電池戰力卓絕,還能吸星大法,只是不能那麼持久。
理想 ONE 這台東安 1.2T 發動機據傳熱效率大概是 32~35% 的範圍,配套發電機效率多少不知道,但一般 90% 以上? 然後是電池充電效率 90% 以上。然後是驅動電機,永磁同步電機,效率也應該在 90% 以上吧?還有一個不可變減速器,效率應該極高。剩下還有 PCU,完全不懂,忽略了之?
燃油車都會有變速箱。硬哥說,傳統變速箱可能有 10~40% 的效率損失。不過,有部分能做到 10% 以下?如果是四驅的話,還有差速鎖之類的,會進一步損耗。
驅動效率很複雜,我也展開不了。但並不存在電機一跑高速就完蛋的情況。同步電機也有高效區間的說法,但基本上也只是高效與非常高效的區別。
在此有必要簡單舉例說一下混動低速省油的原理。假設汽車低速時需要的功率是 1kW,對應發動機熱效率是 15%(也就是低效工況);而發動機在 8kW 功率時能做到 30% 熱效率。定義 1min 發動機以 1kW 工作需要 1 個單位的油,那麼 1min 以 8kW 發電需要 4 個單位的油。以 8kW 發電,但驅動只需要 1kW,所以多出 7kW*min 要充入電池,經過充電損耗,再放電可能是 6kW*min,足夠驅動 6min。最後就是混動以 4 個單位的油,驅動了 7min,如果不是混動,則需要 7 個單位的油。所以因為電池這個 buffer 的存在,汽車就可以工作在高效(熱效率)工況,實現少燒油、多跑路的目的。
發動機標定有兩個取向,注重性能(如大扭矩?),還是熱效率。比如渦輪增壓發動機的熱效率一般就比自吸要低,而兩田混動更是用阿特金森循環提高熱效率。增程器這個定位的好處就是不需要扭矩,只需要功率發電,自然會朝著熱效率優化,這也是省油的另外一個原因了。
電動化
@我就是38號本人 有一篇關於電動化的文章很好,推薦大家都看看:請電動吹和電動黑們理性看待電動車。增程式是電動化程度非常高的動力形式,能比較好的統一油、電體驗。
有人覺得發動機發電直接驅動電機,理想 ONE 的渦輪增壓發動機無法快速響應變化多端的功率需求。然而實際情況並不會有那麼複雜。如果是純電驅動,那當然是要多少功率有多少,我想大家都不會有疑問。增程器續航狀態下,功率突然變化,要怎麼處理?變化前,增程器的發電功率會大於或者等於需求的功率,大於的部分會充入電池。如果需求功率增大,但還是小於當前增程器功率,則減少充入電池部分,即可匹配功率。相反,需求功率大於當前增程器功率,可以先停止充電,用電池補足缺口。提升增程器功率到需求功率後,電池即可停止放電。如果需求功率下降,則下降部分可以充入電池,前後適當降低增程器功率。理論上,增程器配上一個大功率且高 SOC 的電池,在電門響應上,可以接近純電的電動享受。當然理想 ONE 在油電銜接上能做到多精確,也就是實際供電與需求的差距有多小,有待檢驗。
沒有變速箱,卻是真的「無極變速」。下文顯示了電動化帶來的加速平順性與響應速度。
賀蘭刀鋒:日產e-POWER智充電動技術重新定義「增程式電動車」概念? ?
zhuanlan.zhihu.com理想 ONE 採取發動機發電然後直接驅動電機的方式,好處很多。電很好分流,分配到前電機或者後電機,給電子設備供電或者充入電池,均可輕鬆調度。發動機不跟車輪直連,減少震動的物理傳導,有助於提升 NVH。而比較國情化的好處是不需要複雜變速箱了,省錢省空間,不用複雜的發動機變速箱匹配。現在發電機和驅動電機的效率都非常高,整體效率不輸於變速箱直驅。大概另外一個優點是,從發動機到發電機到驅動電機,在增程式系統的功能都比較單一,也就利於優化(或替換升級),包括控制軟體也方便 OTA。
電池
理想 ONE 採用了 40.5kWh 的電池,在插電混動裡面可以說是巨大。大電池的好處是可用壽命長。按國標 1000 次循環,這塊電池可以跑 20 萬公里。按一年兩萬公里可以跑 10 年,按汽車報廢 60 萬公里,可以達到 1/3 壽命。如果是按 30%~97% SOC(單次 150 公里純電續航)的「長壽」充放電設定,循環次數還能翻倍不止。這個裡程數可以輕鬆覆蓋一般人十年以上的用車時間。
理想 ONE 選取能量型 523 電池,能量密度約為 160Wh/kg(工信部數據,電池組約 250kg),只用 5.5C 放電倍率做到了 220kW 的功率。這些對電池壽命和安全都是有好處。對比其他家插電混動,經常可以見到 10C 以上的高放電倍率。
理想 ONE 公布電池質保策略,其中一條電池低於 70% 容量才能更換,引起了不小的風波。國內多家廠家也是 70% 容量的標準,國外特斯拉似乎也是 70% 的。這個 70% 不影響國標 1000 次 80% 的標準。不管廠家設定多少,如果 1000 次循環之後容量少於 80%,那就一定不符合國家標準,必須要免費更換吧?過了 1000 次循環之後,國標似乎沒有規定了,就算 1100 次電量低於 60%,也不違反國標的。但這時候如果在質保期內,會觸發低於 70% 的條件,是要免費更換的吧?所以 70% 這個數字,看起來不像國標那麼嚴格,但又比國標覆蓋的壽命周期可能要長。遺憾的是,理想 ONE 的電池質保的年限和公里數短了點,畢竟 iMMD 這種小電池也能提供 10 年 20 萬公里質保。
其他
事實上長續航純電車也有白帶電池的問題,因為大部分人通勤也就是 100 公里以內,但電動車現在都做到 500 公里的 NEDC 了。要說理想 ONE 電池翻倍也就是 400 公里續航,需要增加 250 公斤重量。但換成發動機(及發電機等),其實重量可能還不到 250 公斤?關鍵是續航提升,還能給電池加熱。
以理想 ONE 來說,時速 30 時功率約為 6kW。如果沒有風阻,功率與時速成正比,時速 150 的功率應該為 30kW。但實際理想 ONE 在時速 150 時,功率能夠達到 60kW,也就是其中約有一半是風阻。
某汽油車市區油耗 11.2,高速 8.7。雖然高速的每公里有效能耗是高於市區的,為了簡化問題,認為有效能耗一致,同時也忽略變速箱的效率差異。結果就很簡單了,兩個油耗的相除,可以認為低速熱效率不足高速的八成。
前景
從當前的電池技術進化路線和石油(從未)枯竭的速度來說,增程式的前景非常廣闊。就算在遙遠的未來,燃料電池也是潛在增程器的一種。
電池能量密度一直在進化,純電動車原來 40kWh 的電池,現在普遍 70kWh,將來可能 100kWh 或續航 1000 公里,到時候增程式還有競爭力嗎?
第一個考慮還是補能速度。以理想 ONE 油箱等價 120kWh 電量、加油三分鐘計算,補能速度為 40kWh/min,摺合 2400kW。算出來這個數字讓人挺絕望的。特斯拉超超級快充似乎才 250kW,而且還不能全程能維持這個速度吧。
另一方面,假如電池能量密度提升 50%,理想 ONE 也可以受益。ONE 可以保持純電電量不變的情況下,電池減重 80 公斤左右(現工信部重量 250 公斤),增加 10L 的油箱。結果就是重量減輕 70 公斤,純油續航提升 130km,0-100 也能進步。當然,如果保持電池重量不變,也能提升大概 100km 純電續航,覆蓋更大的通勤範圍,更好的電池壽命。同時因為電池大了,輸出功率也能提升,可以換更大電機提升 0-100 等。
除了電池,國產發動機也可以進步,畢竟國產發動機也是短板。未來發動機熱效率提升到 39%,則純油續航可以再提升 10% 左右。除了效率提升,發動機也可以和發電機一體化、小型化,這樣才是真正意義上的增程器。
這也是國內大廠的好機會,畢竟純電、插電補貼馬上要沒有了,純電的價格劣勢就比較顯著了。產品力強,才更能生存下來。顯然即有純電感受,又有燃油續航,相對不那麼難實現的增程式,在打造產品力方面,實在是太合適了。雖然相對燃油車多了塊電池導致價格可能偏高,但即也少了變速箱,而駕駛體驗可以做得更好。相對長續航的純電,卻又少了半多電池,價格下降明顯,而且冬天有熱管理的優勢。
國內來看,吉利的增程式貨車去年就有了,車和家的理想 ONE 還有一個季度就要量產了,明年金康 SERES SF5 增程版也要量產,甚至長安的藍鯨平台也是有增程式支持的。不過,我對比亞迪什麼時候重拾增程式方案,表示有很大的興趣。現在的所謂加速外掛的 DM,我覺得真是走了歧路。
設計一輛增程式轎車?
轎車整體控制在 1.6 噸以內。參考理想 ONE 的電池,容量縮小 2/3 到 13kWh 容量,應該有不低於 80 公里的續航,功率 60-70kW 左右。純電優先可以先用 55 公里,剩下保底。增程器用 1.0T,50-70kW 的功率。電池跟增程器加起來功率 120-140kW,單電機採用 140kW。重量相對理想 ONE 減重 30%,電機功率減少 40%,0-100 加速七八秒的樣子。如果電池換成功率型電池,功率提高到 130kW,則可以做成前後雙電機的四驅,總功率 200kW。
另外一個嘗試是進一步把電池縮小,比如 4~5kWh,放棄插電部分,變成 HEV。電池功率可以做到 50kW 的話,發動機保留 1.0T,總功率 100-120kW,基本也還是夠用。
不禁想到,為什麼 iMMD 要保留直驅的形式?在《本田i-MMD Plug-in混合動力系統與CLARITY PHEV | 高談闊論》中大概可以看到可能是因為電機的最高轉速限制。
橫向對比
橫向對比前,有必要強調一件事:沒有電池可以同時充電又放電。如果看起來可以,要麼是分時(互斥)充電和放電的,要麼是多塊電池。有個人會以為同時充放電的充電寶電池技高一籌。
燃油車為了做到大功率,只能採用大排量發動機。但大排量發動機其實在低功率狀態並不是那麼經濟?
說起來,大家會說增程式汽車沒事背了一台發動機,浪費。但如果是八缸、十二缸的發動機,很少人會說沒事多背了四個、八個缸?雖然大部分時候都是只需要兩三個缸的動力就可以了。
THS 雖然省油,但電動化程度似乎並不夠,即使是換了大電池的 E+,依然是弱雞的電動機,完全沒有一般插混該有「性能」。或許只是豐田偷懶了,或許是行星齒輪的限制真的太大。雖然現在都叫 THS II,但實際上豐田也一直在優化,19 款雷凌似乎優化了行星齒輪,換了更小的電機(成本啊!)。
吉利應該是有 THS 技術供應的,但是到現在還沒有聽說相關產品,所以行星齒輪也不是那麼容易玩。
iMMD 真是業界典範,不吹一波都不好意思。iMMD 可以說就是完美融合發動機直驅的增程式。電部分可以驅動到最高 120 時速,並且高速急加速也是可以用電參與的。iMMD 市區比 THS 更省油,這應該就是增程式電動直驅的功勞。
想來想去,大概理想 ONE 在發動機 NVH 和電池熱管理這兩塊有機會做得比 iMMD 好?iMMD 在冬季油耗增加比較多,不知道到時候理想 ONE 如何。
日產採用 e-Power 技術的 Note 在日本銷量不錯。e-Power 在小型化和效率上做得很不錯,相對來說理想 ONE 的估計還沒有機會在小型化上下功夫。
在此感謝理想 ONE 的工作人員,尤其是硬哥。也感謝知乎分享知識的各位前輩,學到很多知識。
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