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97年就造HEV的豐田,20年後造出了怎樣的PHEV

對於電動化,豐田總有著與別人不一樣的思路。

1997年,豐田就發布了全球首款HEV混動車型——第一代普銳斯。在那時,混動幾乎是領先一個世紀的技術,當時的中國汽車市場是大眾桑塔納2000的天下,而廣州標致在1997年成為中國第一個退市的合資車企,同年一名叫李書福的浙江台州人開始造車。

然而就是這個在汽車電動化起步比全世界早上“一世紀”的車企,卻在全球電動車銷量突破200萬輛,中國電動車銷量突破120萬輛的今天,依舊沒有任何一輛純電車型上市,但他們卻在2014年推出了自己的氫燃料車型MIRAI。

這麽多年來,豐田一直對純電動車不太感冒,並一直將HEV混動視為自己的看家法寶,而這項豐田在20多年就掌握的技術至今也只有本田一家真正掌握,對於混動,更多的主機廠的主攻方向都放在了插電混動,也就是PHEV身上。

眾所周知,PHEV相比HEV的優勢在於,它擁有一塊容量更大的電池可以讓車輛進行純電行駛狀態,車主可以給這塊電池進行插電充電,電池容量大約在10-15kWh左右,相比電池容量很小且幾乎無法純電行駛的HEV,PHEV車型在短距離出行時可以實現0油耗。

當然,插混也有其弱點所在,那就是電池系統的增加讓車輛自重增加,因此當電池電量耗光、車輛進入燃油驅動時,油耗會比普通燃油版車型更加費油。

面對這樣的矛盾,一項思路與眾不同的豐田再次給出了人們預料之外的解決方案:用HEV的思路設計PHEV,同時將電動化三大核心部件做到極致輕量化降低自重。

那麽,首先是如何用HEV的思路設計PHEV。

從字面上看,PHEV比HEV多了一個“P”,也就是Plug-in即插電的意思,而豐田處理PHEV的方式也就是在原有HEV的基礎上增加電池容量並設置充電口,並最大程度保留之前HEV車型的工作邏輯和原理等,而這些也正是豐田深耕混動技術20多年留下的寶貴財產。

從卡羅拉和雷凌的雙擎E+車型的動力系統不難看出是延續了之前雙擎版本的配置,73kW的1.8L發動機加一台53kW的電動機是豐田HEV車型使用時間最長的一套動力系統,區別之處就在於純電模式擁有了更大的實際使用意義。

做了20多年HEV的豐田在做PHEV時與其它主機廠比又有著哪些優勢呢?

首先是豐田20多年積累的零組件研發製造經驗讓豐田實現了電動化核心零組件的自產化,這其中包括了發動機、變速器、PCU(動力控制單元)、電機、電池以及向燃料電池堆、高壓儲氫罐等氫燃料電池車所用到的關鍵部件。而在PHEV車型上,電池、電機和PCU毫無疑問是最為關鍵的“三大件”,對於“三大件”,豐田在20年的時間裡實現了在小型化、輕量化,低損失化和低成本化三個方面的迭代進化。

在電池包方面,豐田從97年到2015年,用了18年的時間完成了從鎳氫電池到鋰離子電池的轉換,期間經歷了四代電池包的進化,在電池小型化高功率化、BCU小型化、電池冷卻風機輕量化、電池設備零組件小型化以及維修塞小型化等多方面的進步。

小型化和輕量化直接影響到車輛的空間表現及經濟性表現,豐田的四代電池包的位置從最初的縱置於後座背面到現在橫置於後座下方,而這樣的變化節省了大量空間,電池包體大幅縮小,重量也從最早的70.6Kg降低到24.5Kg,減重68%,從而解決了PHEV車型因電池包過重而費油的弊端。

豐田初代電池包

最早的豐田混動車型使用的是圓形鎳氫電池,如今已優化為方形鋰離子電池,並在混動系統中加入升壓轉換器,從而降低電池額定電壓,減少電池單體數量,這也讓電池在車內布局上選擇性更多,在不影響使用空間的同時,小型車搭載混動系統變得更為容易。

豐田最新一代電池包

之所以能夠實現電池包大幅減重和體積的縮小,除了從鎳氫電池到鋰電池之間能量密度的提升外,電池包零組件的輕量化、小型化也是其中的關鍵。例如包括SMR、電流傳感器、限流電阻等電氣設備零組件從第一代的超過1000cm³縮小到最新的200多cm³,縮小幅度達76%。

電機方面,豐田這些年的主要工作集中在優化電機特性和減速機構提升電機小型輕量化,提高電動機冷卻性能、推高電價驅動單元效率降低損耗、提高電動單元靜謐性等方面。

豐田第四代電機主要部件

最明顯的成果還是電機的小型化和輕量化,從第一代的5.1L到第四代的2.2L,電機體積縮小57%。

對比第一代和第四代的定子、轉子和磁心板不難看出,三個零組件的體積均大幅度縮小,同時第四代電動機定子繞組線圈採用了方線(平角線)布局,增加銅線面積提高線圈槽滿率,提升通過電流。

豐田混動系統的PCU同樣在四代的衍變中變得體積越來越小、功率密度越來越高,體積從第一代的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、升壓變壓器、電抗器、冷卻器、DCDC變頻器構成。在IPM的整合和小型化過程中,豐田分階段將電動機/發電機/升壓用IPM一體化,推動小型化,且考慮到向其它車型的可推廣性,在第四代上採用疊層結構,可通過不同的疊層數量來應對不同車型的需求。

從第二代普銳斯開始增加升壓變壓器,將系統電壓提升到500V,追加升壓變壓器的目的在於降低電流和設備損耗,從而同等功率下實現系統的小型高效及低成本化。冷卻性能層面,第四代PCU採用雙面冷卻結構大幅提高冷卻性能。

第四代PCU

此外,PCU從第一代到第四代的發展中,其搭載位置和搭載方法也在不停的變化中。

其中第一代和第二代PCU均搭載於發動機室,位置結餘發動機和前大燈組之間、驅動橋之上;第三代產品在與汽油車平台通用化之後,PCU被放置在了輔助電池原位,從而實現了將HEV系統從普銳斯向其它車型推廣的目的。到了第四代產品,PCU通過小型化實現了在驅動橋上方搭載,同時將輔助電池搭載於發動機室,從而擴大了行李箱空間,除此之外還能實現與TNGA架構理念一直的低重心設計以及線纜、托架小型化輕量化和降低更換費用等效果。

在最近的一年裡,隨著電動車起火、自燃事件的頻發,安全已經超過電池續航成為業內最為關注的問題,雖然HEV和PHEV混動車型由於電池包容量較小,電池安全問題沒有純電車型那麽嚴峻,但豐田並沒有因此對電池安全問題有所放鬆。

目前豐田HEV和PHEV所使用的電池包和單體電池都通過了內部短路、擠壓和火燒這三項嚴苛的安全測試。其中,方形電池單體內由於加入了陶瓷塗層,因此不會在內部短路測試中冒煙起火;而擠壓測試中,電池包將在100kNor的擠壓下外形變形30%,並不能出現爆炸、起火和電壓降低的情況;而在更為嚴格的焚燒測試中,電池包要在直接焚燒 70秒和間接焚燒 60秒之後做到無爆炸和2分鐘內外部余火熄滅才算通過測試。

據悉,目前除了豐田在日本的安全測試中心外,已於今年完成了在常熟的TMEC安全實驗樓的建設。在TMEC中可以完成火燒、擠壓及過充、過放、過熱等綜合測試。

今年4月,豐田掌門人豐田章男在清華大學的演講中提到,到2025年,豐田將向中國導入10款純電動車型,而明年一汽豐田和廣汽豐田也將同步導入奕澤和C-HR的純電版本,這意味著豐田這個全球汽車電氣化的先驅者將在明年正式入局純電動。

當然,對於電氣化豐田有著自己的節奏和思路,例如先發展混動然後純電動和氫燃料同步進行,但面對全球市場大勢,豐田也不得不做出計劃上的相應調整,例如原本將在2030年實現的混動車型年產量450萬輛以上、純電和氫燃料電池年產量100萬輛以上的計劃現在已提前至2025年。

有人說,豐田在新能源上“起了個大早,趕了個晚集”,但作為汽車電氣化先驅的豐田對汽車發展有著自己的看法和認知,就在目前眾多歐洲車企已經ALL IN純電動之時,豐田依舊堅持著“混動第一、純電和氫燃料並行發展”的策略,而豐田的這份篤定與堅持除了來自於自身對行業發展趨勢的判斷,強大的技術支撐也讓豐田有底氣不走尋常路。

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