各大汽車廠研發強混車型是如何從技術上規避豐田混動專利的?目前有哪些主要類型呢?
各自的效率如何?
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我想補充下樓主問到的現階段混動主要類型,在這裡介紹下。如果有錯誤,請各位糾正,歡迎一起討論。
A.基本類型介紹
B. 各大車企混動結構
A.
說到類型,我想先介紹下主流的混動結構,主流結構主要是說世界量產化車型,其實現階段所有混動系統基本都是由幾種基礎構造單一應用或者混合在一起構成的,就我知道的世界著名的AVL和國際知名OEM目前用P0-P4命名這5種主流的基本構造(因為混動中,驅動電機和發電機會取決於工況,兩者都可能在某工況實行另外一者功能,所以下文所有統稱電機):
畫圖工具畫的,各位將就看 下 ..... Orz
1.
P0 電機安裝在發動機旁邊,驅動發動機輪系,達到助動效果 (一般被稱作BSG)
特點:電機功率扭矩都被發動機限制,不能進行純電驅動,電機小,對發動機布置影響不大
評價:這種結構只是一種發動機電機,對傳統汽車結構改變不大,一般很少獨立考慮在混動基本結構中,一般混搭
BSG 實物圖,紅框處為電機(圖源
Nissan Serena:New Nissan Serena minivan unveiled in Japan不好意思,之前圖源過期了,補了一個新的)
2.
P1 電機布置在發動機和變速器之間,與發動機輸出軸連接,無離合
特點:電機尺寸可以加大,以提供更大的輸出扭矩,電機一般用單齒以平衡使用效率並且提供峰值扭矩,電機輸出點通過變速器,可支持更寬比例輸出扭矩
評價:電機和發動機中間無離合,在制動能量回收時無法斷開發動機,對混動功能有一定影響。安裝位置非常有挑戰性,想應用這種結構,必須保證發動機和變速器之間有足夠距離安裝電機,要不然需重新開發變速器。
(圖源 BMW google:google.co.uk 的頁面)
P1示意圖,位置2就是電機,如果想在現有傳統車上開發這套混動系統(國際大部分廠商都是優先考慮現有動力系統來一進步開發混動,可以節省開發支出和時間),必須保證足夠的空間容納按設計需求的電機,電機越小空間要求更小但是輔助輸出功率越弱,反之亦然,大電機更難集成到這套系統中,而小電機輸出功率小可能又會比較雞肋,這需要由產品設計時平衡取捨。
SA:TECHNOLAB SA)
傳統發動機+變速器圖 中間電機不是你說加就簡單加的進去的!、
一般電機結構,都是這麼大一坨(圖源DAIMLER:TecDay Road to the Future)
一般來說傳統意義上的發動機+變速器設計是沒有考慮電機空間的,在這種複雜嚴謹的機械部件中,想加入一個就算只有1mm厚度的電機,還要做各種模擬和3D建模與實物鑄造測試,所以開發時間也不短,但是多方考慮之後,如果電機基本沒法集成到這套系統中,唯一辦法只能考慮重新開發變速器,布置額外空間給電機集成,當然這樣的話開發時間就很長了。
3.
P2 -1共軸 電機布置在發動機和變速器之間,與發動機輸出軸連接,有離合
特點:與P1相似
評價:與P1相似,加入的額外離合可以斷開發動機和電機,達到制動能量回收和提供額外運行模式提升效率的目的。
圖參照P1,請腦補一個離合器在電機和發動機中間就行。。。
P2-2 平行 電機與變速器平行安裝,用齒輪系連接,有離合
特點:與P1相似
評價:由於電機與變速器平行,發動機變速器安裝空間限制被放寬,這意味可以進一步增大電機提供更大的額外扭矩,允許額外變速器速比來帶動電機,提供更多混動收益,但由於是平行設計,涉及能量傳導,會有小量損耗,但可以增大電機尺寸功率彌補
這圖不好找,各位將就看吧,這個ZF給克萊斯勒設計的9速變速器平行電機
4.
P3 電機安裝在變速器和差速器之間
特點: 可以運行強混系統,傳統發動機+變速器組合可以配置,允許更寬的變速器速比來帶動電機,但電機驅動模式下扭矩輸出區間比較單一
評價:支持強混,由電機主提供輸出扭矩。對傳統的發電機和變速器組合結構改變不大,這點很重要可以節約很多匹配和重新開發時間,因為電機不能用作發動機啟動驅動,一般和P0
BSG共用
P3 不得不提的典型代表BYD
(圖源GREEN
CAR CONGRESS:Tech6)
5.
P4 後軸電機
特點:通過電動軸驅動後輪達到四驅目的
評價:在後軸加入電機取代傳統四驅的扭力分流器,達到四驅,一般和P0
BSG共用
這個以最新公布的ZF後軸電機為示意圖(圖源ZF: Cars | Electric Axle Drive
以上為最基本的五種混動結構,簡單介紹一下,如果有錯誤或者理解不對的地方請指出
B
世界現在主流車企的混動系統
1.1
- P13 動力分流 (PSD) -豐田(THS power-split
device hybrid只此一家)
(圖源Carparts:Hybrid Power Systems for the New Millennium)
(圖源MONOist:3代目「プリウス」、ハイブリッドシステムのコストを2/3に削減)請看上面豐田混動的圖例,THS系統帶2個電機,一個在變速器/行星輪系和發動機中間,另外一個在變速器後面,簡要來說就是P13混搭結合,THS也叫P13動力分流結構。接下來看看工作原理。
串聯模式:發動機電機串聯,發動機給電機發電,電機用發動機充電電能給車輪提供動力(紅色箭頭為機械能,綠色為電能,下同),車輛中低速一般用此模式並聯模式:發動機電機同時驅動車輪,發動機機械能通過變速器行星輪系驅動車輪,在加速時電機提供功率,行車/高速模式,電機助動由具體行車車況決定串並聯模式: 在並聯模式下,同時串聯給電機發電,此模式下,車輛低速時,可以通過高效電機驅動;車輛中高速時,發動機輸出並電機驅動,達到混動運行。發動機和電機介入需要參考不同路況。(以上三圖源Toyota官網:Toyota Global Site)THS這套系統在發動機和電機分流驅動上,中低速根據不同工況,可以提供很好的整體效率。特別是在市區行駛路段,可以達到很高的傳動效率以減低油耗。但是這種結構沒有離合器,所以1號電機會一直運轉,造成能量損失,而且P1電機大小有限制,這就限制了這套系統的運用,註定帶不動太重的車身,所以一般應用在小型車上。再有就是高速時,電機效率會下降,助力電機在高速效率降低,較大倚重效率不高的電機輸出,反而減低了整體效率,具體體現以我主觀看法THS高速時的燃油效率按道理要低於低速時燃油效率(這與傳統觀念相反,傳統是低速耗油高速節油,待驗證,這點希望有知道的可以給我說下我是否正確)。
1.2
– P13 (代表:本田,三菱,GKN)
由於豐田的THS P13 PSD專利封鎖,各大廠商也是絞盡腦汁來規避這個專利,首先比較基礎的P13就是本田Accord
P13混動系統。
本田Accord混動結構示意圖 (圖源CAR
AND DRIVER : Explaining the Honda Accord"s Shrewdly Designed New Hybrid System)
咋一看會感覺這不是P3,把電機放在變速器行星輪系後面結構嗎?但是仔細看的話,
(圖源GREEN CAR REPORTS: 2014 Honda Accord Hybrid Has No Transmission: How It Works)
就是這套輪系,把P3的系統變成了P13,豐田THS的P1是把電機和發動機輸出軸共軸,本田這個呢就是把電機換成齒輪並用一個額外的齒輪系與電機連接。評價和工作模式和THS
PSD差不多,但是由於額外的輪系帶動發電機,能量損耗無法避免,相比THS
PSD效率會變低,
1.3
– P13多重PSD (代表GM,SAIC,吉利,CATARC)
這套系統也是主流系統,目前能和THS匹敵的一套系統,從結果來看這套更優秀,但是實際效率有待商議,請讓我用GM的Volt來介紹下這套結構。以下說明圖源主要參考於(Gen 2 Volt Transmission Operating Modes Explained),由本人翻譯和加入若干自己見解。
第二代Voltec整體圖(圖源GREEN CAR REPORTS: 2016 Chevrolet Volt Priced From $33,995, Or $1,175 Lower Than 2015 Volt
)
Voltec這套系統現在已經更新到第二代了,首先簡單介紹下第一代的結構。
第一代的Voltec是一個P2的結構設計,把P2的串聯和平行電機同時應用在系統中實現混動,具體效能請參照P2,這裡不多提了。然後就到了2016年的第二代Voltec升級。
第二代相比於第一代Voltec系統,結構發生了巨大變化,從P2直接變成了P13結構。這個結構相較於本田的P13,取代THS 1號電機的齒輪被行星輪系所取代。然後來看下工作圖
純電模式1,在此模式下,主要對應車輛低速和中低速扭矩需求不大的情況,由電機MGB直接驅動驅動車輪帶動車輛。MGA和發動機處於停機並且其他離合器處於開啟狀態,避免額外的能量損失。MGB也擔當制動能回收發電機。純電模式2,雙電機介入,發動機依舊停機,此模式雙電機驅動車輪提供更大輸出,對應車輛全速工況,相當於純電動車,但混動電池沒純電動這麼大,所以支持的純電動距離和速度有限,此模式只有MGB回收制動能量。混動模式1,由純電動1模式和加入發動機運轉組成,在純電動1情況下,發動機啟動介入,通過行星輪系直接驅動車輪並且通過MGA給電池發電,然後MGB通過電能驅動車輪。此模式運用於0-60km/h高扭力需求和20-40km/h低扭矩需求範圍。混動模式2,此模式對應70-120kph的高扭矩和40-60kph的低扭矩工況,由於扭矩輸出要求大,所以離合器直接斷開與電機MGA的連接,不再給電機發電,直接把扭矩全部提供給車輪驅動。這模式下發動機輸出為主力,MGB提供額外的扭矩助力,並參與制動能量回收。混動模式3,超高扭力模式,在混動模式2條件,MGA電機介入,進一步提升電機助力,此時MGA介入不再充當發電機,直接擔任助力輸出電機,提供額外扭矩,雙電機支撐超高速運轉。此模式一般用於110kph高扭矩和60kph以上低扭矩範圍。個人認為GM這套系統和THS大相徑庭,所以專利壁壘就算豐田告這我覺得也沒有希望能贏。相較於豐田的THS
PSD,這套系統更為強勁,多出的行星輪系,為變扭輸出提供了條件,THS只有一副行星輪系,所以動力輸出變化有限制。再者這直接體現就是在動力輸出上扭力更多樣化,更貼切於行駛工況,並且發動機在2000rpm介入,能達到最高效率和燃油經濟性,使動力總成效率更高。而且由於行星輪系的關係,能夠更靈活的控制電機的運行與關閉,在能量損失上,比無離合的THS系統更為優化。說了這麼多優點,說說缺點,這套系統能實現比THS更多的模式,相應的就增加了機械附件和控制系統的複雜化,直接導致的就是製造成本更多,系統穩定性不如THS。但是在燃油效率和整體動力效率,這套系統都優於THS系統。
謝謝提到的上汽系列-
榮威。之前沒提是不是很了解。查了下資料補充下,有些模式還是不是特別懂。上汽的混動也是屬於P13多重分流,結構請見下圖。
具體機械結構圖找不到,主要結構是由雙電機雙離合組成的。直接來看一下行車模式:上汽EDU分成了7種模式,模式1,純電模式,電機直接驅動車輪,從現有圖中並不能確定是否雙電機介入,所以不知道是不是不像GM的雙電機驅動對應全速車況,或者只對應單電機低速行駛;模式2,串聯模式,發動機利用電機1發電,電機2直接用電能驅動車輪,對應中低速工況;模式3,並聯模式,發動機和雙電機同時驅動汽車,達到最大扭矩輸出,對應高速高負荷工況;模式4,發動機直接驅動,雙電機不參與工作(這個模式對應工況不是很懂,混動系統完全捨去電機介入,是因為超高車速電機輔助太弱,直接去除負擔電機,增加效率嗎?知道的請解答下);模式5,怠速充電模式,在車輛停車,未熄火時,利用發動機怠速給電池充電,與模式2類似,只是沒了電機2的輸出;模式6,發動機驅動並充電模式,也對應低負載工況;模式7,制動能量回收;模式8,外接PHEV充電模式。上汽榮威這套系統,綜合來說與GM相似,具體評價可以參照GM的。
然後談談吉利科力遠的,吉利科力遠較GM來說,少了一個行星輪系,吉利是在電機MGA和發動機之間有個行星輪系(PSD),但和GM這個有相似處我就放在一起了,這裡如果有錯請指出。
(圖源採用行星齒輪機構 吉利帝豪混動8月上市)
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@Kevin Chow看了這位仁兄的帖子吐槽吉利,差點笑出聲,我就把這個點也提一下,就我知道的是吉利1.8這個老發動機,從工程角度來看,扭矩和油耗糟糕的一塌糊塗,有興趣的可以了解下這個發動機有多糟糕。。。。。新款車好像是去年就把這發動機淘汰了,然後吉利給自己的混動配個這個發動機,我只能想的是可能為了增加產品生命周期,節約成本,這個發動機新的動力技術升級和節油技術基本沒有。如果吉利能給這套系統配個新的1.3T感覺就非常好了(估計過兩年1.8確實帶不動,這套系統就配1.5T或者1.3T了)。老實說作為國產的吉利,能弄出這套系統先點個贊,根據吉利官方提供的油耗數據顯示,帝豪HEV相比傳統1.8L動力版帝豪,燃油經濟性大幅提升35% (吉利首款混動車型9月上市 油耗大幅降低),如果是這套系統我是有信心吉利能做成35%的,雖然發動機挺破。。。。。然後就是提到的這套系統可能穩定性和耐久性由於過於複雜的機械和控制結構,可能不太好,實際效率可能並沒想像中比THS好。但是我也沒有什麼證據,畢竟混動帝豪好像還沒出,也不是很清楚有什麼問題,如果有知道的朋友可以告知一下,穩定性如何。
說了世界著名混動的P13,再來談談單一的混動結構。
2. P2 (代表:VW,現代,日產)
直接拿 VW來說吧,畢竟中國VW還是最多的
VW混動示意圖和電機集成示意圖(以上兩圖圖源CleanMPG:Volkswagen Continues Its Product Offensive For Model Year 2013)
這個就很明顯就能看出是一個典型的P2結構,和P13這種比較複雜的混搭配行星輪繫結構更一目了然。大概特性請參考之前提及的P2介紹。VW這個系統呢,可以通過斷開離合實現純電動模式,電機輸出通過變速器也能達到更寬的扭矩輸出區間,在制動時也可以斷開離合器做到制動能量回收。整體混動效率還不錯,毛病就是P2通病,與P13雙電機不同,單電機要求會更大空間,也就是發動機變速器電機離合器集成,而且多了一個離合器,就要考慮離合器的溫度變化,相比P1光考慮集成空間更複雜化,離合也是要考慮空間利用的。
現代和尼桑結構差不多就不一一介紹了有興趣的可以了解下:
現代(後發制人 北京現代第九代索納塔混動解析【圖】)
尼桑(【圖】與傳統方式不同 解讀全新樓蘭混動系統)
3. P3(代表BYD)P4 (代表BYD, ZF)
本來P3 P4我想分開介紹的,但是有BYD唐這個結構,我就混在一起介紹了。
BYD唐混動結構(圖源:混動四驅5秒破百 比亞迪唐混動系統解析唐的結構我就把P3和P4 放一起了,秦的結構可以把後軸P4移除做參考。這裡我想把P3和單一的P2做一下比較,相比於P2,P3隻是把電機換了個位置,移到了變速器後方,那麼這麼做的優點和缺點有哪些呢?首先說優點,集成空間(重要的多說幾遍。。)P3不用考慮發動機和變速器中間那麼有限的集成空間,而且P2的輸出扭矩也跟變速器掛鉤,輸出值局限於變速器最大扭矩,最大扭矩越大,必定意味成本越高,但不提升變速器扭矩空間,從發動機和電機的輸出扭矩就會被限制,可能發動機和電機總輸出500Nm但是變速器扭矩上限只有400Nm,這樣實際動力就會被變速器限制,而P3就沒有這個限制。總的來說P3在集成空間和動力利用率(駕駛性能)優於P2。之後說說缺點,電機在變速器後面,意味著扭矩輸出區間比較單一,無法通過變速器變化扭矩,而電機在車輛高速時,效率會降低不少,這就導致了這套混動在高速時,動力效率會變低,直接影響就是油耗和最高時速之類的參數。而P4來說呢,就是用後軸電機取代四驅扭矩分動器,這樣做的好處就是減少了傳動軸的連接,減少了能量傳遞的步驟,直接體現就是節油。然後就是後軸電機在加速性能上會比扭矩分動器反應更為快速扭矩更為強勁有力,所以唐一個2200kg的車敢說有4.9s的0-100kph加速。
差不多目前主流的混動系統就這樣了,可能有些混動結構沒有提及,歡迎各位補充。當然這只是基本結構,混動真正難得不是理解結構,而是作為控制系統的開發,車行駛這麼多情況,你要想出一套自動化的邏輯控制一輛成千上萬零件的汽車,並在各種工況下都爭取最高效率,可不是易事。
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別人家不清楚,GM是因為專利比豐田申請得早,所以不存在規避豐田專利這回事兒。
在Brandon Lu:新能源汽車的種類越來越多,哪種才是最能滿足消費者需求的技術路線?這個答案中,曾經寫過動力分流構型混合動力的發展歷史。我把相關的部分搬運到這裡。
混合動力的歷史可以追溯到1900年。當時Prof. Ferdinand Porsche開發出了世界上第一款混合動力汽車 - 1900 Lohner-Porsche,這輛車是由一台3.7kW的兩缸內燃機和兩個2kW輪轂電機組成的串聯式混合動力系統。下圖就是2007年由保時捷博物館製作的復刻版Lohner-Porsche Semper Vivus。從這輛車身上可以很明顯的看出918 Spyder plug-in hybrid的歷史傳承,比如...(此處省略XX字,實在編不出來,保時捷的工友和粉絲們,這段要靠你們扯淡了)
而現代意義上的動力分流型混合動力驅動系統是由TRW在1960年代發明的。他們在1971年和1973年申請的兩篇專利中所描述的混合動力驅動裝置從原理上已經與現在的動力分流技術一般無二,下圖就是專利文件中所描述的機械原理和控制電路,這手繪的圖紙真心漂亮,我用CAD都畫不出這麼漂亮的圖紙。
上圖中包括了發動機2和兩個電機22和28,以及一套行星齒輪10,是一種單模輸入動力分流系統,發動機2通過傳動軸4穿過行星架6連在太陽輪5上面,電機22通過齒輪26與行星架6相連,齒圈12被太陽輪5和行星架10共同驅動並通過傳動軸18將動力輸出,在傳動軸上還通過齒輪16與電機28並聯。簡化一下就是下面這個結構。
而第一代普銳斯的結構如下,結構幾乎一模一樣,只是調換一下電機和發動機的位置。
所以說單純應用行星齒輪構型的動力分流,還真不需要規避豐田的專利。但是,那時候不止沒有計算機輔助製圖,計算機電控技術也不夠成熟,沒辦法將這樣的設計量產。
在同一時期,通用汽車也設計出了使用行星齒輪進行動力分流的混合動力驅動系統,只不過動力源是來自GE的燃氣渦輪和兩個電動機。
這套系統應用在LIRR(長島鐵路)的M1 EMU火車上並製作了8輛樣車,可惜,到1976年這個項目就被取消了。後來在這套系統的基礎上做了小型化的改進,換裝了ACT-5燃氣渦輪,裝在了雪弗蘭Express概念車上。
這輛車也出現在回到未來系列電影中,看過電影的一定會對它印象深刻。
到了1992年,近代美國最聰明的一對CP-柯林頓和戈爾-入主白宮。他們上任的第二年就發起了PNGV項目,聯合三大汽車廠商研發新技術降低油耗和排放來改善日益嚴峻的環境問題並與以低油耗席捲美國市場的日本車競爭。這倆人絕壁聰明絕頂,目光長遠,戈爾直到現在還為環保四處奔走。現任的Trump總統一上台就要順著三大汽車廠商的路子提高CAFE限值,既無益於環境,也無益於企業長遠的競爭力,簡直是開歷史的倒車,目光何其短淺。
這個時候通用汽車常年搞混動的底蘊就顯現出來了,以一套前軸電機後軸柴油機的並聯混動系統跑出了80mpg的油耗值,相當於百公里3升,還有鎳氫電池和鋰電池倆版本,這在當時是妥妥的黑科技啊。後面通用再接再厲,繼續鼓搗行星齒輪,相關的專利申請了一大堆,各種構型都有,什麼雙模輸入動力分流、雙模複合動力分流、單模輸入動力分流、三模複合動力分流,通通都申請了專利。一組兩組三組甚至四組行星齒輪的都有,樣車也沒少做。
與此同時,豐田也在積極開發混合動力技術,並啟動了一個叫做G21的項目,這就是後來的Prius。在1995年1月份,豐田的工程師從80餘種構型中確定了一種做為後來Prius所採用的動力分流技術方案,然而他們並不知道,通用汽車此時已經提交了了一個「單模輸入動力分流」的專利,豐田的技術方案實際上是被包括在在通用汽車專利所覆蓋的變種之中。後來,豐田搶在GM專利生效的那一天,1996年9月24日才提交了自己的混合動力變速器專利。所以那些通用汽車要規避豐田的專利才採用雙排行星齒輪啥的說法其實根本就是無稽之談。
說到專利,其實高手在民間,90年代初美國有個前蘇聯來的大學教授Alex Severinsky申請了一組混合動力的專利,並成立了一家公司。在豐田Prius被引入美國之後,這位老兄就起訴豐田侵犯了他的專利並要求法院禁止豐田在美國銷售所有的混合動力車輛,在法院上反覆撕逼之後,豐田和他達成了庭外和解,付了一大筆錢獲得了他的23項專利授權。後來他還把起亞和福特等其他進入混合動力市場的公司也告上了法庭並成功迫使這些公司掏腰包購買的他的專利授權。從那之後這位老兄就在他的個人主頁上勝利的宣稱自己是Prius等車輛上應用的混動技術的發明人,擁有30多項美國專利及全球各地的大量專利等等。不過他沒起訴過通用,大概覺得勝算不大吧。
在1997年豐田發布了Prius之後,通用汽車加速了混合動力系統開發的步伐。在詳細的評估了不同構型在油耗和性能上的優劣後,通用發現單模式輸入動力分流這種構型,也就是豐田選用的這種構型雖然可以滿足全部使用工況的需求,但是需要更高的發動機功率、更大的電機扭矩和轉速,在高速工況下效率較低;單模式輸出動力分流構型由於速比的限制,無法單獨構成混動系統,但是可以作為多模系統中的一部分;複合動力分流構型在很多工況下都有很好的效率,尤其是在高速巡航工況下,電池和電機的損耗最小,但是在起步工況下的效率很低還存在功率循環的問題。因此,結合輸入動力分流和複合動力分流構型的優點的雙模系統能夠選取功率和扭矩適中的電機,符合所有工況的要求,並且具有最高的系統效率和最佳的性能表現,這也是雙模系統的設計理念。在1999年,通用汽車申請了雙模混合動力系統的專利,並首先應用在大型公交車上,通過旗下的Allison變速箱公司,通用汽車對外提供了大輛的混合動力系統。這套系統至今還是混合動力公交車最主要的解決方案之一,國內路上跑的公交車也有不少採用了這個混動系統。
這個雙模混動系統後來還應用在凱迪拉克Escalade、GMC Yukon和Chevy Tahoe等全尺寸SUV和皮卡上,表現也相當不錯,既改善了燃油經濟性,又提升了動力性。
這套雙模系統的系統設計、電氣架構和控制邏輯已經相當成熟,可以說,這是通用汽車真正投入量產的第一款混合動力系統。這套系統也奠定了通用汽車後續混合動力系統的基礎,之後的混動系統從原理和架構上都沒有太大的變化,更多的工作是對系統效率的優化。
在這個系統中,TPIM(Traction Power Inverter Module)集成了逆變器和控制器的功能,負責將ESD(Energy Storage Device)也就動力電池輸出的直流電轉換為三相交流電。TPIM內的混合動力控制器HCP通過高速匯流排與發動機控制器ECM,變速箱控制器TCM,電機控制器MCP,以及動力電池控制器BPCM相連接以控制發動機、電機A和電機B的轉速和扭矩以及相關的離合器協同工作。
這套混動系統的工作模式也很有特點,並不是像傳統的變速器一樣通過標定好的曲線來觸發模式切換。而是通過試驗測量和標定,獲得如下圖所示的電機、電池、發動機在不同工作狀態下的損耗。根據客戶的油門踏板深度和這些損耗數據,TPIM內的車載計算機在每秒鐘進行100多次優化計算,使整套混合動力系統始終工作在效率最高的工作狀態。尤其是在PHEV或者EREV上,這套演算法不但能使系統工作的油耗最優,還能保證電能的消耗也盡量低,是一套非常有前瞻性的控制演算法。
之後,通用汽車將這套雙模系統命名為AHS(Active Hybrid System),並在2005年與克萊斯勒、寶馬和賓士一起成立了「Global Hybrid Cooperation」,全球混合動力聯盟,共同開發基於AHS技術的混合動力車輛並計劃從2008年開始銷售。可惜這幾家盟友最後紛紛取消了自己的混動項目,這個聯盟也無疾而終了。
在2010年,通用發布了Voltec驅動技術並應用在Chevy Volt上。並由此第一次提出來增程型混合動力(EREV)的概念,與PHEV相比,EREV的駕乘體驗更接近電動車,在電池電量充足的時候全部的能量都由電池輸出,僅當電池電量不足時,才通過發動機提供能量輸出。而PHEV即便在電池電量充足時,如果需要較大的功率輸出,也還是需要發動機提供相應的動力。
隨著技術的不斷成熟,通用在2015年發布了第二代的Voltec技術。第二代的Voltec技術不但可以應用在EREV上,還可以應用於HEV、PHEV等混動車輛上。現在已經投入市場的別克全新君越混動、雪弗蘭邁瑞寶混動和最新上市的別克Velite 5增程型混合動力都應用了第二代Voltec技術。
雖然沿用了第一代Voltec技術的整體架構與控制策略,但是與第一代Voltec技術相比,第二代Voltec的集成度更高,TPIM被集成進變速箱之中,不但減輕了系統的重量,還提升了系統效率,簡化整車布置和發動機艙設計,具有更高的可靠性和更低的維護成本。第二代Voltec的驅動單元將平行軸齒輪主減速器改為鏈條傳動主減速器,並通過優化油泵和電機,將第一代驅動單元中的一個機械油泵一個電子油泵合併成一個電子油泵。驅動單元的重量從第一代的164公斤降低到119公斤,降低了接近30%。
上圖就是應用第二代Voltec技術的別克Velite5驅動單元的剖面圖。它的驅動原理可以簡化成如下圖所示的示意圖。
發動機連接在第一排行星齒輪的齒圈(Ring)上並連接了一個單向離合器OWC;電機A與第一排行星齒輪的太陽輪(Sun)相連並通過旋轉離合器C1與第二排行星齒輪的齒圈相連;電機B與第二排行星齒輪的太陽輪相連;第二排行星齒輪的齒圈可以通過離合器B1與變速器殼體鎖止;兩排行星齒輪的行星架(Carrier)連接在一起,共同驅動輸出軸。將其簡化成槓桿圖就可以分析其不同的工作模式。
根據電池電量的不同,車輛會自動在純電驅動,也就是CD模式和混合動力驅動,也就是CS模式之間進行切換。
在CD模式下,發動機不介入驅動,此時具有單電機驅動和雙電機驅動兩個模式,可以根據車速和加速的需求來進行切換。在一般的駕駛工況下,驅動軸扭矩需求較小,單電機驅動就可以滿足要求,電機B負責進行驅動。此時電機A空轉,單向離合器OWC沒有負載;在加速或者爬坡等扭矩需求大的時候,電機A也介入驅動,這時由於單向離合器起的限制,發動機並不會被倒拖。由於能通過兩個電機同時驅動,因此別克Velite5可以選用兩個稍小的電機來實現純電驅動。
當車輛處於CS模式時,如果車速和扭矩的需求較低,如城市內塞車時的走走停停,發動機仍然不必參與驅動,單電機驅動模式就足夠了;隨著車速增加,電機A帶動發動機啟動,進入Low Extended Range模式,此時離合器B1接合,離合器C1打開,驅動系統能夠提供較大的扭矩;根據車速和扭矩需求,驅動系統會進入到Fixed Ratio Extended Range模式,此時離合器B1和C1都接合,驅動系統以一個固定速比輸出,具有很高的效率;在高速上,由於扭矩需求不大,因此可以進入High Extended Range模式,此時離合器B1打開,離合器C1接合,電機B的轉速不必跟隨輸出軸轉速變得很高,此時電機的效率和電池的效率仍能夠保持較高的水平,與豐田的THS相比,這也是第二代Voltec技術最大的優勢。
這又是一個很「大」的問題,也是一個很有「意思」的問題,我也關注了很久。試著答一下,目的是拋磚引玉。回答分為五部分,為方便閱讀,將每部分的標題先列出來。希望直接看結論的朋友,可直接從第3部分開始閱讀。
1. 「強混」與「混聯」?2. 串聯、並聯、混聯的定義與區別? 誰是模仿Prius的真混聯?3. 同為混聯,通用Volt是如何「規避」豐田Prius的THS專利的?4. 中國沒有基於PSD的車型,是為了尊重知識產權嗎?5. @jinseng的答案中的幾個疑點。1. 「強混」與「混聯」?
早期,混合動力車根據電功率比例進行分類,可分為輕混、弱混、中混、強混、全混……這些「混」們之間的界限並不是很清晰。目前,至少在學術界,這種分類方法已經很少見,因為主流的混合動力技術,無論是串聯、並聯還是混聯,電機、電池都相當大,都屬於「強混」範疇了。 豐田的專利主要是以行星齒輪的Power Split Devide(PSD)為基礎的Toyota Hybrid System(THS),在技術分類上屬於「混聯」。題主問,「強混」怎麼規避豐田的「混聯」專利?那麼很簡單,國內外任意一種並聯與串聯混合動力都是沒有PSD的,都不需要去「規避」。我想,題主想問的應該沒有那麼簡單。如果我沒猜錯,題主的問題這樣表述是不是更好:「各大車廠的混合動力系統中,有哪些是與豐田THS相似的?這些車廠如何規避豐田THS專利呢?」2. 串聯、並聯、混聯的定義與區別? 誰是模仿Prius的真混聯?
眾所周知,混合動力車可以省油(不討論插電式)。如何做到省油這一點?基本上有五點: a) 發動機工作在高效轉速區; b) 發動機工作在高效轉矩區; c) 通過調速功能,發動機動態工況儘可能少、儘可能緩和; d) 儘可能地縮短能量傳輸路徑。 e) 制動回饋。 串聯混合動力,發動機與驅動軸完全解耦,也就是說,發動機的轉速與轉矩是與車輛行駛狀態完全無關的,因此可以實現abce;並聯混合動力中,發動機與驅動軸相連,也就是說,發動機的轉速是與車輪耦合的,只能實現ade。串聯與並聯,在結構特點上、在功能特性上的區別涇渭分明:a) 「發動機只驅動發電機」為串聯最大特點;b) 「發動機可直驅驅動軸」為並聯最大特點。 談到混聯的時候,有兩種流派。第一種流派,認為混聯應該結合串聯與並聯的優點,在「功能特性」上同時實現abcde的才是混聯;第二種流派,認為混聯是結合了串聯與並聯的「結構特點」,「發動機既可以驅動發電機,又可以直驅驅動軸」即為混聯。在第二種流派看來,Prius是混聯,比亞迪秦也是混聯。而在第一種流派看來,具備PSD的Prius是真混聯,而比亞迪秦是「假」混聯。 從英文翻譯上來講,series hybrid是串聯,parallel hybrid是並聯,為啥power-split hybrid就翻譯成「混聯」了呢?個人猜測,英文更多是從「功能特性」命名的,而中文更多從「結構特點」命名的。哪個更為合理,顯而易見。是不是最初的翻譯者理解不夠深入呢? 這已經不得而知。 從「功能特性」的角度來看,實現power-split hybrid的真混聯最好還是要有一個PSD。有PSD的混合動力車沒有多少,最典型的就是豐田Prius與通用Volt。那麼問題就簡化了:通用volt是如何規避豐田Prius的專利的? 題外話再講一點,是否Power-split hybrid的真混聯就必須要有以行星齒輪為基礎的PSD呢?個人認為,不一定。中日德美四大汽車國家,對於行星齒輪這個玩藝的態度不一樣,日本、美國很喜歡,德國則更喜歡變速箱——據我所知,德國似乎在開發一種非常有特點的、前所未有的變速箱來做為PSD。剛才似乎忘了說中國? 中國的態度很簡單,行星齒輪與特種變速箱,哥都造不出來!3. 同為混聯,通用Volt是如何「規避」豐田Prius的THS專利的?
a) 技術層面 如下圖,Prius與Volt的混合動力系統都以一個行星齒輪為核心,三個埠連接的都是1個發動機、1個發電機和1個驅動電機,二者是相似的。這個程度的相似是否造成了專利侵權?這個問題恐怕需要知識產權方面的專業人士才能回答。 而Volt又有一些不同之處,如果非要打知識產權的官司,那麼這些不同之處也許可以作為通用辯護自己的論據:不同之處1: Ring Gear上,Volt連的是發動機與發電機(分別有一個離合器,可以接合或斷開),而Prius連的是驅動電機與驅動軸;Sun Gear上,Volt上連的是驅動電機,Prius連的是發電機;Planet Carrier上,volt連接的是驅動軸,而Prius連接的是發動機。不同之處2:Volt有4組離合器(不確定,可能是3組),可以接合/斷開,模式相當多,可以變身為串聯,也可以變身為並聯,也可以變身為混聯(學術上有教授論證過,其中2組離合器是沒有意義的,去掉也不會影響能量效率)。那麼,Volt就是 串or並or混聯繫統,是不是可以規避Prius的混聯繫統專利了呢?——法官說了算,知識產權法我不懂。不同之處3:能量效率不同。Prius非常省油是眾所周知了,而Volt則似乎繼承了通用的一慣傳統,費油,在剛出來的時候被新聞吐槽很多,現在不知道有沒有改善。至於原因,我猜測是因為Volt在控制策略上的積累還不夠。 以上技術層面的不同之處,可作為「規避」專利的證據。作為一名工程師,個人認為不應該判定為Volt侵權。b) 法律層面 美國與日本都是重視知識產權的國家,這種事兒得依法斷案。我不清楚熟知知識產權法的法官會怎麼想,侵權不侵權,都有可能吧。c) 宣傳層面 Volt剛出來時,一直標榜自己是「增程式純電動汽車」(Range-extended EV),而後,大家覺得這明明就是「插電式混合動力」(PHEV)啊! 有觀點認為,Volt之所以稱自己為「純電動車」,而不是「混合動力車」是因為它不想和Prius比較——因為這油耗差得有點多啊,豈不是顯得自己很弱。 現在想起來,也可能有知識產權方面的考慮。 d) 政治層面 就在不久幾年前,不可一世的豐田被美國敲打成全球第二,而奄奄一息的通用卻奇蹟般地起死回生,這不得不提醒一下日本:你們領土上駐紮著美國大兵呢! 即使Volt真的侵權,我想通用只需要發一個新聞就可以規避了,豐田估計也懶得或不敢在這種雞毛蒜皮上的小事上跟通用較勁。新聞如下:【圖】力挺新能源 奧巴馬親身體驗雪佛蘭Volt_汽車之家4. 中國沒有基於PSD的車型,是為了尊重知識產權嗎?
儘管中國的知識產權狀況是越來越好,但在汽車行業的「模仿」例子還真的不少。要說模仿外觀的格調還比較低,那麼如果能「模仿」一下PSD並且做得像模像樣,我想應該會得到國人的尊重而不是鄙視的。這麼好的事情,為啥沒有汽車廠商模仿PSD呢? 原因挺簡單,造不出來。行星齒輪也算是變速箱的一種,這種高端貨目前還造不出來。5. @jinseng的答案中的幾個疑點。
@jinseng的答案中所陳述的一些內容,個人有不同的看法,這也是促使我回答此問題的動力之一。 兼聽則明,在此把這幾個疑點列出來,如下:a) "那麼Volt就是串聯,特點就是發動機不參與驅動,只驅動發電機發電。" ——如下圖是Volt的動力系統結構圖,在clutch 2與clutch 3接合後,發動機是可以參與直接驅動的。b) "只不過F3DM不是插電而已" ——F3DM是插電式混合動力,是可插電的。比亞迪F3DM_百度百科c) "但實際上Volt和F3DM與豐田THS的實現方法大相徑庭,與豐田THS毫無共通之處"——應該說,除了豐田自己及其授權的廠商之外,Volt是最像THS的了。「大相徑庭」與「毫無」二字有待商榷。成文較為倉促,限於時間與精力,也不可能以學術論文的標準來完善每一處邏輯與引用資料。
全文若有不妥之處,請各位指出,在此提前感謝!相關回答混合動力技術只是一種未來電動汽車的過渡技術嗎? - 張抗抗的回答Tesla 為新的 Model S D 系列安裝了兩個電機以提升性能,如果每個輪子裝一個電機是否能進一步提高性能? - 張抗抗的回答為什麼插電混合動力油耗顯著低於普通混合動力? - 張抗抗的回答純電動車有無變速箱? - 張抗抗的回答電動汽車堵車不耗電的原理是什麼? - 張抗抗的回答為什麼特斯拉 Modle S P85D 四驅比 P85 兩驅續航還要遠點? - 張抗抗的回答這個在我以往的回答中多少都有些涉及,系統的論述似乎比較麻煩,我就簡單說一說,想到哪兒就說到哪兒。
1、目前授權豐田THS的其他廠商只有一家,就是福特,比如福特的Fusion Hybrid,其燃效比混凱還要強一些。
2、通用的雪佛蘭Volt是區別於豐田THS的另外一大技術流派。如果說豐田THS叫「混聯」的話,那麼Volt就是「串聯」,特點就是發動機不參與驅動,只驅動發電機發電。如果用專業術語講的話,這種混動模式叫燃油增程車。
這種結構已經有幾十年的歷史了,比第一部豐田Pruis(1997年)的上市還要早得多。許多大型工程車、機車用的都是這種電傳裝置,也就是串聯結構。Volt與這種電傳結構的不同之處在於它是插電式的,機車上則不存在這個問題,機車用電傳動不是因為電傳動省油,而是因為電傳動可以提供內燃機在低轉速下不可能提供的大扭矩,省油不是考量的一個要素。
其實說到串聯結構,早在2008年12月上市的比亞迪第一代混動車型——F3DM就用上了,比Volt量產上市的時間還早。並且Volt和F3DM都不約而同地在傳統串聯結構的基礎上做了一些改動,就是讓發動機在適當的時候參與驅動。由於Volt也採用了行星齒輪結構,因此被指抄襲豐田THS的思路。但實際上Volt和F3DM與豐田THS的實現方法大相徑庭,與豐田THS毫無共通之處,都是一些無良媒體和別有用心的業內人士在混淆視線。
燃油增程車是解決油耗問題、電動車續航里程問題的一個很好的思路,即以微型汽油機為增程器,驅動發電機發電,奧迪A1 etron、馬自達2 Hybrid都是這個思路,而且使用了轉子引擎。轉子引擎的特點就是用很小的排量可以達到很高的功率,但是應用在常規動力車上卻很不經濟,因為轉子引擎的低轉扭矩差,油耗大,污染重,但是用於發電卻可以很好的規避這些問題。因為發電的時候,發動機工作在最佳工況下,完全可以不用考慮實際路況。
3、本田原來使用的是豐田的THS-M,用於Civic Hybrid,其實這種模式不能叫混動,充其量也就是微混而已,跟雪鐵龍的e-HDi差不多。本田新開發了兩種混動模式,一種是i-MMD,雙電機方案,混動模式下發動機不參與驅動,直接驅動發電機給電池組充電。但i-MMD的特別之處在於本田在高速巡航模式下加入了一個「發動機直連模式」,沒有電動機參與,解決了燃油增程車在高速巡航模式下不經濟的問題;而另一種是i-DCD,其核心混動模塊來自德國舍弗勒,用的是雙離合變速箱,用于飛度混動車型上。
本田的i-DCD和比亞迪秦是區別於豐田THS、燃油增程車的另外一種混動模式,特點是有傳統的變速箱,單電機方案+插電。大眾高爾夫GTE、奧迪A3 etron都是這種思路。雖然這種模式綜合油耗未必能趕得上豐田的THS,但因為採用了插電設計,市區短途行駛的時候節油效果更好。
4、除了以上所說的豐田THS、燃油增程車、本田i-DCD/比亞迪DM2之外,還有一個很重要的技術路線就是前輪內燃機驅動,後輪電動機驅動,或者二者反過來也一樣用,取決於發動機的布置方式是前驅還是後驅。這種方法的始作俑者是PSA的3008 Hybrid4,最早發佈於2009年的日內瓦車展上,也是世界上第一部量產的柴電混合動力車。
這種模式最大的特點是不用改變現有常規動力車的結構,不用修改平台。對前驅車來說,只要不對前艙做大幅度的改動,則平台都不需要變動,只是加裝了一個混動模塊而已,用後輪內置電機或前輪內置電機就實現了混動模式,並且這種結構帶來的一個非常有用的副產品——四輪驅動。因為前輪由內燃機驅動,後輪由電動機驅動,可以很自然地就可以實現四輪驅動,這種驅動模式的轉換在電氣領域裡就不叫個事兒。豐田漢蘭達混動的四驅也是這麼實現的。四驅的原理也無非是利用中央差速器或安裝在後橋的軸間差速器在軸間分配動力或扭矩而已。電子四驅的出現很可能將現有的四驅結構送入墳墓。
在勒芒大賽三度大出風頭的奧迪R18 etron quattro混動賽車,還有最近火熱上市的寶馬i8採用的都是這種混動模式。節油效果雖然不見得有多出色,但是配合超強馬力的柴油或汽油引擎,其性能就不是一般的混動跑車可以相提並論的。就連豐田最先進的TS040混動賽車在R18 etron Quattro面前也只能甘拜下風。
換句話說,即使豐田THS的專利沒有過期,混合動力市場也不是豐田一家可以壟斷的。增程車、插電車、前後輪分別驅動的混合動力車都各擅勝場,不讓豐田專美於前。
至於誰能橫刀立馬,還看燃料電池。在FCV面前,神馬Tesla、THS、增程、前後輪分別驅動,不過是浮雲而已。關於這個話題本人之前寫過一些相關的文章因此在此略微匯總一下。拋磚引玉,大家可以一起探討。首先新能源技術是未來汽車的重要發展方向之一,匯聚相當多的核心驅動技術。因此混合動力技術之爭背後實際上就是核心技術的專利大戰。而其中特斯拉總是一個特立獨行者。為了新能源技術的推廣,其主動公開了全部電池技術及動力驅動相關專利讓更多的車廠使用,從而平攤相關材料特別電池材料的成本。回到問題提到的主題,各整車廠是如何規避豐田相關專利的。其實混合動力技術可以分為兩大陣營:一是豐田所在的雙電機動力分流陣營PS(Power Split),另一個是大眾所在的單電機加變速箱P2。由於架構上的不同,因此這兩個陣營之間專利的衝突相對較少。那麼豐田所處的動力分流陣營PS則包含豐田,福特+日本愛信,通用,上汽,吉利等多家整車廠下面一點點來扒一扒這些整車廠專利間的不同以及關係說到專利大戰可謂錙銖必較,每個字每個字都要仔細地扣仔細地推敲。你還別不相信,我們這邊就說一個小故事。實際上福特和日本愛信(Aisin)變速箱公司聯合開發的混合動力系統要稍早於豐田混合動力系統申請專利。愛信的專利於1995年生效,專利號為US5419406。而豐田的專利於1999年生效,專利號為US5904631。並且實際上豐田和愛信使用的技術理念幾乎是相同的,就是之前提到的eCVT系統。如果按照正常的專利程序,豐田必須向愛信支付高額的專利費。但是在愛信專利的權利聲明中偏偏提到了「電機和減速齒輪同軸布置用來驅動左右車輪」。就是這個同軸「coaxially」這個詞局限了權利範圍。而豐田將電機2設計成和發動機以及電機1同軸,而與減速齒輪即到車輪的輸出軸錯開不在一個軸上,繞開了愛信專利中提到同軸「coaxially」概念。而通用雪佛蘭的沃藍達Volt使用的混合動力技術更是為了繞開專利,同時也為了更加靈活的輸出動力,使用了多達2組行星齒輪和3個離合器。同時成本也相應的大大增加。【詳見文後引用全文部分】
凱迪拉克CT6和雪佛蘭Volt的混動系統都源自於通用集團約15年前申請的專利US 6478705,並在最近從新更新了相關專利US 8602938做了更詳細的發明申明。一言以蔽之,Volt更注重經濟性,CT6更強調「Fun to Drive」駕駛樂趣。我們將在後文系統設計及操作模式中進行詳解。如下圖所示為通用相關混合動力技術GRE專利2002年與2013年發布版本的比較。可見原理基本相同,只在細節部分進行了調整細化。都是用了兩套行星齒輪組(由太陽輪S,行星齒輪架C,內齒齒圈R組成)。發動機ICE、兩組電機MGA和MGB及輸出至車輪的連接位置基本相同。只是變動了發動機ICE部分的離合器配置。
而通用混合動力系統GRE/GFE相比豐田的混合動力系統THS同屬動力分流類型。但是細節的操作模式上是有不同的。通用GRE/GFE混動系統同時包含兩種動力分流模式:輸入動力分流Input Split和混合動力分流Compound Split。而豐田THS混動系統則只使用輸入動力分流Input Split一種模式(具體的技術細節可以參見後文)。並且兩者可謂具有不同的側重點。通用混合動力系統側重集團內不同類型新能源車型動力系統的兼容。GRE/GFE系統已經具有多個變種應用於插電式混動PHEV車型(如雪佛蘭Volt,凱迪拉克CT6),混合動力HEV車型(如雪佛蘭邁銳寶Malibu,別克君越Lacrosse),純電動EV車型(如雪佛蘭Bolt)。而豐田混合動力系統THS則更專註於混合動力車型,將其成本和效率比做到最高。因此甚至THS系統中沒有使用離合器來控制發動機和兩個電機間的連接。結構經過極致的簡化,其傳統動力車型和混合動力車型具有類似的成本。但同時其性能也在一定程度上受到了限制。比如第四代豐田普銳斯Pruis的一大優化重點就是提升駕駛性能,增強駕駛樂趣。而當你詳細研讀了後文凱迪拉克CT6的技術特點,你就會發現駕駛樂趣正是通用這套後驅混動系統的優勢所在。如下圖即為行星齒輪示意圖和豐田THS系統連接圖。可以看到發動機連在行星齒輪架上,電機1連在太陽輪上,電機2連在內齒齒圈上並作為輸出軸。
也許豐田也意識到了現有THS混動系統在一些應用場合的局限性,因此在最新申請的專利中,加入了雙模式以及多組行星齒輪加離合器的結構。但是否會應用在普銳斯Pruis或者其他混動車型上則不得而知。下圖為豐田新的專利聲明中提到的混動系統與第二代雪佛蘭Volt混動系統間的比較。可見理念類似,但在發動機和兩個電機間的連接上做了不同的設計。
關於上汽推出的新能源車型比如榮威550 plugin,e550,e950,使用了類似於雙電機動力分流系統。不過在系統架構和相關專利上做了一定的調整。對應的基於上汽的專利CN101920652A,可以看到雖然比上汽榮威550 Plug-in屬於雙電機配置,但是其卻不是嚴格意義上的動力分流系統。從如下的專利說明圖中可以看到兩個電機之間原來動力分流裝置(行星齒輪組)的位置被替換成了離合器裝置。可能由於需要避開國外專利或者更靈活地控制混合動力模式的考慮,上汽的雙電機混合動力系統被設計成了通過兩個離合器進行耦合。業界也有稱如下系統為同軸耦合式混合動力系統的說法。
關於吉利推出的CHS與豐田THS系統之間的關係,可以參考如下張星宇相關的回答內容作者:張星宇鏈接:吉利科力遠CHS混動可否比肩豐田THS? - 汽車講談社 - 知乎專欄來源:知乎著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權,非商業轉載請註明出處。本文整理自回答:科力遠研發的chs混合動力系統真的有豐田混動系統那麼厲害嗎? - 張星宇的回答
科力遠CHS系統實際是來自於吉利的技術,其首席技術官張彤也是來自吉利。仔細研究公布的這套用於混動系統的動力分流裝置,核心是一個拉威娜式的雙排行星齒輪組,這樣的結構在自動變速箱中運用十分廣泛,豐田經典的4AT上就在使用,說起來並不是什麼新鮮事物,關鍵是吉利通過運用雙排行星齒輪組,巧妙地規避了豐田的專利限制,同時也讓該系統向自身的技術水平傾斜,取長補短,實現非常接近豐田THS系統的性能。先放個豐田THS-II系統示意圖:大家應該都比較熟悉了,利用行星齒輪組的差速特性,把發動機、主電機和發電機三個轉速進行耦合,由齒圈進行輸出。上圖是二代普銳斯的系統,三代系統為了進一步改善電機的輸出特性,給主電機和齒圈之間加了一個行星齒輪組,如下圖:就是左邊的那個齒輪組,注意,由於這個行星齒輪組的行星架是固定在殼體上的,這隻能算是一套減速齒輪,所以並不是說THS變成了雙排行星輪結構,同時,將齒圈與主減之間的帶傳動改成了齒輪傳動。由於有豐田THS專利限制,單排行星輪的方案行不通,大家只能想雙排行星輪的辦法,在檢索吉利專利的時候順手看了一下其他如長安、長城這樣廠商的專利,感覺大多是把傳統自動變速箱內核挖出來然後把幾個軸做組合,把原來的鎖止離合器之類的全都保留下來了,系統比較複雜。當然,吉利也有這樣的,下圖是吉利的另一個專利:吉利的訴求比較明確:1. 要把兩個電機放到同側,避免像豐田THS系統那樣發電機(上圖中MG1)靠近發動機而影響工作溫度,因此採用雙排共用行星架的設計;2. 降低對主電機的轉速和轉矩要求,因此通過齒比設計實現較為寬範圍的傳動比;3. 儘可能提高系統傳動效率,因此加入了許多鎖止離合器,比如可以將發動機轉速和發電機轉速直接相連。可以看到,這樣的系統,主要體現了吉利對自己電機製造、控制以及熱管理方面的技術水平較弱的而做出針對性設計。然而這樣的系統離合器太多,控制較為複雜,同時發電機調速也比較局限。因此,吉利才選擇了目前看到的CHS系統作為最終的解決方案。(實際上CHS系統的專利申請要早於上面的這套系統,可以看出吉利也是通過大量的選型比較之後才確定下來的,而且,貌似也只有這套系統的專利發明人中有李書福,可以說是吉利內部比較滿意和認可的方案)下面就來簡單說說這套系統,圖片是自己在專利圖上做了一些簡單標註而來的,手拙還望見諒。CHS系統相比之前的系統做了大幅簡化,核心變成了一個拉威娜雙排行星齒輪系。下圖可能比較直觀,1,2是太陽輪,4,5是分別與2,1嚙合的行星輪,4和5共用一套行星架,而4是一個長齒輪,又與5嚙合,5再與外面的齒圈嚙合,所以4是不直接與齒圈嚙合的。於是系統就變成了下圖這樣,發動機輸出到行星架,藍色的是主電機,與大太陽輪相連,紅色的輔助電機(主要起發電和調速作用)與小太陽輪相連。主電機與長行星齒輪嚙合,輔助電機與短行星齒輪嚙合。這樣,這個系統與豐田THS最大的區別就是主電機通過長行星齒輪-行星架直接與發動機轉速耦合了,長行星齒輪就充當了上面說到3代普銳斯中加入的減速行星齒輪組,同時由於與發動機轉速耦合獲得額外的速比,希望獲得比較寬範圍傳動比而降低主電機製造要求的目的就達到了。這樣一來,撇開藍色的長行星齒輪不看,剩下的另外一排行星齒輪組是不是就基本上可以當成THS的那個單排行星齒輪系統來看了?只不過主電機的轉速是經過了耦合再傳遞到齒圈上去的。除此之外,這套系統還是保留了兩個鎖止離合器,一個用來鎖止發動機,避免在發動機曲軸的倒轉,降低純電驅動時的控制負責度,另一個用來鎖止輔助電機,避免輔助電機工作在零轉速附近的低效率狀態。相比於豐田THS系統,兩個鎖止離合器的作用其實主要是為了降低調速控制中的複雜度,這也是吉利希望避開的技術弱項。幾個工作模式如下1.起步:起步時直接將發動機鎖止,由主電機進行輸出,完全就是一台純電動車。這樣,如果未來系統用於插電混動,增大電機,也比較容易適配。2. 混動行駛當超過一定車速後,由於輔助電機達到較高轉速,發動機啟動進行調速,同時將動力分流用於動力輸出和充電(或輔助電機調速)。3. 混動巡航在高速巡航狀態下,當輔助電機工作在零轉速附近時,直接將輔助電機鎖止,以提高傳動效率。4. 制動回收當減速或下坡時,車輪的轉動帶動輪系,通過兩個電機為電池充電。由此可見,吉利經過長時間選型下來的這套CHS系統,實際上並沒有特別的創新之處,只是用雙排行星齒輪的方式,在繞開豐田專利的情況下,實現了與豐田THS系統十分接近的結構和工作模式,同時還有利於規避吉利自己的技術弱項。吉利與科力遠合資卻只拿49%的股份,又拉上其他自主品牌一起加入,發出要讓所有中國品牌都用上CHS系統的豪言壯語,看起來是想要把科力遠做成中國的愛信,通過培養核心零部件供應商來實現戰略目標,真有點無論技術還是商業模式都全面學習豐田的意味。不過從這套系統的特點來看,儘管已經向吉利的技術特點傾斜,吉利在電機製造和系統控制方面的能力,想要追趕豐田也非一日之功,同時豐田的商業化量產和成本控制水平也是吉利和科力遠需要好好領悟的。關於雙電機動力分流PS和單電機加變速箱P2系統的詳細區別可以參考本人之前寫的如下文章。作者:辣筆小星鏈接:兩大混合動力技術陣營決戰中國 - 辣筆小星 - 知乎專欄來源:知乎著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權,非商業轉載請註明出處。隨著國家大力扶植新能源汽車行業,並且加大了插電式混合動力汽車的補貼力度,突然路上的混合動力汽車越來越多起來了。但是你知道實際上混合動力技術還分兩大陣營嗎?讓我們一起來看看這兩大陣營是分別如何基於各自的專利決戰中國的吧。
首先我們就來說說這兩大混合動力技術陣營分別是哪兩個門派吧。一大門派為雙電機動力分流(Power Split)派,其代表車企為豐田集團。另一大門派為單電機雙離合派,又稱P2(為啥叫P2我們後面詳細分解),其代表車企為大眾集團。一看兩個領軍車企分別位列全球銷量第一第二,有沒有?其中競爭激烈程度可想而知,而各車企決戰中國的砝碼就是各自的專利技術。話說要把這兩大陣營技術完整介紹清楚那必定寫成教科書那麼厚了。為了幫助各位更快的理解,我們這邊就挑最典型和容易理解的技術具體分析。大家感興趣的話就跟著文章一點一點深入研究吧。
雙電機動力分流派:顧名思義這個門派的最典型特徵是有兩個電機一起和發動機配合實現混合動力模式。那麼我們首先說說雙電機動力分流派的特點:
1. 由兩套電機和行星輪系統組成eCVT,發動機一般工作在高效區,油耗低
2. 省略變速箱,不需要離合器,加速過程平穩
3. 兩套電機,系統相對複雜,成本相對較高
4. 發動機部分動力由電傳動,降低傳動效率
這個門派的宗師毋庸置疑就是豐田集團,代表車型就是目前全球銷量最好的混合動力車型豐田普銳斯。普銳斯最早在1997年開始銷售,發展到今天已經開發到了第三代。並且目前該混合動力技術已經推廣至豐田集團幾乎所有級別的車型上,包括卡羅拉混動版,凱美瑞混動版,漢蘭達混動版(海外),雷克薩斯CT200h,NX300h,RX450h,GS450h,LS600h,HS250h(海外)等等。根據豐田的官方數據,截止2014年9月豐田集團的混合動力車型累計銷量已經突破了700萬輛。而這些混合動力車型採用的都是豐田稱為混合協同驅動系統的HSD(Hybrid Synergy Drive)系統。豐田HSD系統的核心則是雙電機和動力分流裝置組成的eCVT電子無極變速箱。大家知道傳統的CVT無極變速箱是由連續可變的機械感測裝置改變速比實現的。如下圖傳統CVT無極變速箱通過改變鋼帶所繞傳動軸的半徑連續改變速比。
但是豐田的eCVT系統並沒有以上的鋼帶組成的機械連續可變傳動系統,那它是通過什麼方法實現無極變速的呢?答案就是通過兩個電機的連續電控調速實現的。具體我們先來看一下這套eCVT系統的結構。如下分別是豐田普銳斯的eCVT系統刨面圖和動力部件示意框圖。如上圖可以看到電機1(MG1)和電機2(MG2)中間隔了一個機械裝置,稱為動力分流裝置(Power Split Device)PSD。而發動機、電機1、電機2實際上是同軸的通過動力分流裝置連接在一起的。動力通過動力分流裝置再分配以後通過電機2傳輸到了車輪上。如果各位看官之前研究過自動變速箱的話,一定知道其中的一個核心機械裝置叫做行星齒輪組Planetary Gear Set。其實動力分流裝置就是一組行星齒輪組。行星齒輪由太陽輪Sun Gear(縮寫S),行星齒輪架Planetary Carrier(縮寫C),內齒齒圈Ring Gear(縮寫R)組成。3組齒輪依次由內而外像天文行星系統一樣繞著同一個中心點(即太陽輪的中心點)同軸旋轉。如下即為行星齒輪示意圖和豐田HSD系統連接圖。可以看到發動機連在行星齒輪架上,電機1連在太陽輪上,電機2連在內齒齒圈上並作為輸出軸。豐田的設計師們通過行星齒輪組將速比設定成發動機與電機1的轉速差與發動機與電機2的轉速差比例為2.6:1。速比設定圖如下。電機2(右側)連接在輸出軸上可以在+6500轉/分到-1500轉/分之間連續調節。對應車輛的實際行駛速度分別為180公里/小時和-40公里/小時。而發動機(中間)的1000到4500轉/分之間調節,而發動機被設定在最高效率轉速區間2000轉~3000轉運行。電機1(左側)被設定成可以在+6500轉/分和-6500轉/分連續可調來配合發動機和電機2(車速)的轉速差。具體的轉速關係甚至更具體的動態模擬大家有興趣的話可以參考文章最後的擴展閱讀網頁鏈接。由於豐田eCVT電子無極變速箱中並沒有配置自動變速箱中的其他核心組件,比如液力變矩器,離合器(Clutch),鎖止器(Brake)等等一概沒有配備。因此發動機並不能從傳動系統中脫開。為了在純電行駛的時候保持發動機靜止,因此需要通過電機1和電機2分別呈相反方向旋轉來使得發動機靜止(根據速比,此時電機1的轉速為電機2轉速的2.6倍)。由於電機1轉速範圍的限制,如果前進車速需要大於40公里則發動機就必須啟動。除了以上提到的轉速關係以外,動力分流裝置還能夠在不同的行駛模式下將動能通過機械方式和電子方式輸送到需要車輪上或者存儲到電池內。如下兩種不同的驅動模式,上下兩圖左側的發動機和兩個電機的轉速幾乎是一樣的。但是上圖工作在發動機驅動模式中,動力從發動機通過機械方式從動力分流裝置輸送到車輪上,同時發動機的部分動力被用作電機1發電並驅動電機2給出動力輸出到車輪上。而下圖為減速工況,車輪上的動力被電機2產生的再生制動力(Regeneration Brake)回收發電充入電池中。同時車輪上的部分動力通過動力分流裝置輸送到發動機上,維持發動機怠速工作。其實關於動力靈活的通過機械方式和電子方式進行傳輸還有一些高階的用法,我們會在國內車企的方案對比中提到,各位可以耐心的再往後看。目前雙電機動力分流系統不僅僅是豐田集團在使用,比較有名的比如福特集團的蒙迪歐)(海外稱Fusion)混動版和通用雪佛蘭的沃藍達Volt都是使用類似的技術。不過文章標題提到的決戰中國,各個車企分別都在使用各自的專利進行激烈的市場競爭。說到專利大戰可謂錙銖必較,每個字每個字都要仔細地扣仔細地推敲。你還別不相信,我們這邊就說一個小故事。實際上福特和日本愛信(Aisin)變速箱公司聯合開發的混合動力系統要稍早於豐田混合動力系統申請專利。愛信的專利於1995年生效,專利號為US5419406。而豐田的專利於1999年生效,專利號為US5904631。並且實際上豐田和愛信使用的技術理念幾乎是相同的,就是之前提到的eCVT系統。如果按照正常的專利程序,豐田必須向愛信支付高額的專利費。但是在愛信專利的權利聲明中偏偏提到了「電機和減速齒輪同軸布置用來驅動左右車輪」。就是這個同軸「coaxially」這個詞局限了權利範圍。而豐田將電機2設計成和發動機以及電機1同軸,而與減速齒輪即到車輪的輸出軸錯開不在一個軸上,繞開了愛信專利中提到同軸「coaxially」概念。而通用雪佛蘭的沃藍達Volt使用的混合動力技術更是為了繞開專利,同時也為了更加靈活的輸出動力,使用了多達2組行星齒輪和3個離合器。同時成本也相應的大大增加。如下即為沃藍達Volt的混合動力系統示意圖。
各大車企決戰的砝碼除了前面提到的專利以外,作為傳統車企他們還將積累了幾十年的發動機技術加持到了相應的混合動力系統中。其中以豐田混動系統為代表的就是其使用的阿特金森循環(Atkinson Cycle)發動機。阿特金森循環發動機的特點就是膨脹比較壓縮比大,這樣雖然發動機動力沒有普通的奧托循環(Otto Cycle)發動機大,但是在特定轉速區域特別省油。這一點非常符合其eCVT系統的特點。eCVT系統能夠通過電機連續調速將發動機的轉速穩定在一個非常高效的轉速區間。如下即為阿特金森循環和奧托循環發動機的比較,可以看到阿特金森循環發動機扭矩要低於奧托循環,但是在2000~4000的轉速區間阿特金森循環燃油效率更高,油耗更低。關於阿特金森發動機感興趣的話可以參考小弟之前寫得另一篇文章:發動機適度尺寸理念,奧迪EA888三代半
單電機雙離合派:顧名思義這個門派的最典型特徵是只有一個電機加上兩個離合器和發動機配合實現混合動力模式。那麼我們也先說說單電機雙離合派的特點:
1. 發動機和電機的動力全部機械傳動,傳動效率高
2. 電機動態範圍小,有利於優化電機效率
3. 理論油耗降低空間更大(目前油耗仍稍高於雙電機動力分流系統)
4. 變速箱技術成熟,單電機雙離合器系統成本低,易於快速推廣
5. 需求的電機扭矩功率小,速度範圍小,成本低
6. 易於過度到插電式混合動力(支持更高車速的純電行駛)
這個門派的宗師則是大眾集團。其實大眾集團原來對於混合動力這件事是拒絕的。他們聲稱我的直噴發動機加渦輪增加技術有望做到比混合動力更低的油耗,為什麼還要開發混合動力系統呢?但是架不住市場的電氣化潮流,大眾發現還是得按照市場要求開發對應的混合動力車型。於是乎duang,duang,duang一下子就完成了十幾款車型的開發,包括最早的Jetta混動版,和之後平台化的MQB以及MLB的混動車型。比如大眾高爾夫GTE,帕薩特GTE,Cross Blue GTE,奧迪Q5,A3,A6,Q7的e-tron插電混動版等等。之所以大眾在晚於豐田集團多年但是又能夠迅速趕上市場主流,並且完成幾乎所有車型的混動化部署的主要功臣就是這裡提到的單電機雙離合器混動系統。因為這套系統最大程度的與之前傳統動力的發動機和變速箱兼容,只是在變速箱中集成了一個電機而已。並且由於有變速箱的幫助,電機的扭矩功率也不需要太大,成本相對能夠接受,體積也比較小。如下分別為奧迪Q5(MLB平台)電機和A3(MQB平台)的DQ400E變速箱集成電機示意圖。
目前不僅是大眾集團,其他多家車企也採用了類似的單電機加雙離合器系統,比如寶馬的530Le,X5 xdrive 40e,賓士的C350eL,S500eL,GLE 500e,英菲尼迪M35hL等等車型。那麼我們此處就借用英菲尼迪M35hL的兩張示意圖來說明一下系統構成以及工作模式。首先如下圖所示電機位於兩個離合器之間。左側依次為發動機(第一位置),離合器1,電機(第二位置),離合器2,變速箱,輸出至車輪。由於電機處於發動機右側,變速箱左側的第二位置,因此也稱為P2系統。而上圖為電機純電行駛模式,此時電機通過離合器2結合變速箱驅動車輪前進,離合器1斷開發動機靜止。而下圖為發動機通過離合器1連接電機在通過離合器2結合變速箱驅動車輛前進的混合動力模式。那麼單電機雙離合器系統也不是一個十全十美的系統,它存在的最大挑戰就是當車輛純電行駛的時候電機高速轉動,而發動機靜止,在如此高的轉速差下如果要切換成混合動力模式,啟動發動機的瞬間如何避免出現明顯的車速波動。為了解決好這個問題,各家都使出了看家本領並且申請的專利相互之間競爭。那麼我們就來看看大眾是怎麼去應對這個挑戰的。簡單來說大眾通過換擋的間隙進行電機的減扭然後與發動機結合的方法,將轉速波動限制在一個非常有限的範圍內,並且藉助自身強大的變速箱技術使得轉速波動和動力中斷幾乎無法被察覺。感興趣的朋友可以參考一下大眾的專利US8020651。如下專利說明圖即來自所提到的專利文檔。那麼同樣的大眾集團也為自家的混合動力系統加持了非常優異的發動機技術。那就是MQB發動機橫置化平台中使用的帶主動閉缸ACT功能的EA211發動機。它大大降低了混合動力系統的油耗,同時也是和電機系統配合的絕佳選擇。說完了混合動力技術的兩大門派和對應的宗師,讓我們再來看看國內車企開發的混合動力汽車分別屬於哪個陣營,又有一些什麼樣的中國特色吧。就目前的市場表現來說插電式混合動力車型賣的最好的還要數比亞迪秦和上汽榮威550Plug-in兩款車型。但你研究過他們屬於哪個混動技術陣營嗎?其實從配置來看,簡單地可以認為比亞迪秦只有一個電機並與雙離合變速箱配合工作因此屬於單電機雙離合器派。而上汽榮威550Plug-in由於有兩個電機應該屬於雙電機動力分流派。話說相對於國外車企有很多官方的宣稱資料介紹他們各自的混合動力系統,國內的車企對於各自的混動技術卻貌似並沒有那麼開放。唯一比較官方的渠道就是車企各自申請的專利。既然前面提到了專利大戰,那麼就讓我們隨著比亞迪和上汽的混合動力專利一起看看他們具體到底用了什麼樣的技術,又分別有些什麼樣的中國特色吧。首先基於比亞迪的專利CN103029558A,可以看到雖然比亞迪秦屬於單電機雙離合器配置,但是其卻不是嚴格意義上的P2系統。因為按照如下專利圖電機被配置在了變速箱的末端。因此從最左側的發動機開過來,分別是發動機(第一位置),離合器,變速箱(第二位置),離合器,電機(第三位置)。因此業界將比亞迪這樣的系統定義為P3系統。
這樣設計可能有部分原因是需要避開國外的專利,但一個更重要的原因就是要適應中國關於新能源推廣的政策導向。如果大家注意目前的新能源政策的話,會發現目前重點扶植的方向是純電動汽車或者是能夠純電動行駛50公里以上的插電式混動汽車。不難發現政策還是重電機純電行駛而輕發動機混合動力行駛。這可能與最早業界提出的彎道超車發展方向有一定的關係。既然發動機技術與國外有差距,不如發展電機驅動技術。至少與國外處於同一起跑線上起步。因此不管是比亞迪秦還是上汽榮威550Plug-in,其電機的驅動能力都要比國外的混合動力電機大不少,成本當然也要貴一些。另外一個體現國內重電機純電行駛而輕發動機混合動力行駛方面就是油耗的計算方法上。如果大家留意秦和550的廣告的話就會發現宣稱的油耗都只有2L甚至小於2L每百公里的油耗。此處的油耗其實不是真正混合動力行駛模式下的工信部工況油耗,而是加入了純電行駛里程後折算油耗。國外的混合動力汽車在混合動力模式下綜合油耗差不多都在4L~5L每百公里之間,而根據車友的實際體驗秦和550的實際綜合油耗應該要大於7L每百公里。因此油耗方面還是存在差距的,並且國家還是提倡盡量多的純電行駛。具體折算方法可以參考如下的說客文章。混合動力汽車到底有多省油?
另一個需要提的一點就是前面提到的單電機雙離合器系統最大的挑戰就是如何克服純電行駛向混合動力行駛模式切換時發動機啟動造成的轉速波動。目前比亞迪秦的一些用戶反饋當發動機啟動以後就能夠明顯的感覺到頓挫,可能就是由於這個問題造成的。不過比亞迪也在不斷地設計控制策略改進中。
對應的基於上汽的專利CN101920652A,可以看到雖然比上汽榮威550 Plug-in屬於雙電機配置,但是其卻不是嚴格意義上的動力分流系統。從如下的專利說明圖中可以看到兩個電機之間原來動力分流裝置(行星齒輪組)的位置被替換成了離合器裝置。可能由於需要避開國外專利或者更靈活地控制混合動力模式的考慮,上汽的雙電機混合動力系統被設計成了通過兩個離合器進行耦合。業界也有稱如下系統為同軸耦合式混合動力系統的說法。
這樣的設計由於取消了動力分流裝置的速比控制,當離合器結合以後兩側的電機就需要保持同樣的轉速,或者就需要通過離合器斷開的情況下進行電子方式的動力傳輸(發動機帶動電機1發電,然後用電能驅動電機2帶動車輛前進)。這樣設計方式最大的挑戰就是如何讓發動機工作在一個合適的轉速區間內。根據車友的使用反饋,當550的發動機啟動工作進入混合動力模式時有時發動機會升高到非常高的的轉速(5000轉/分),此時發動機噪音很大同時油耗也很驚人。特別感覺臨界點好像被設計在了時速65公里左右,一旦過了65公里,發動機轉速就能夠下降到一個比較合理的範圍。可能其中一部分的原因就是取消動力分流裝置無法靈活控制速比導致的。那麼此處就要講一下豐田是如何通過前面提到的動力分流裝置將發動機的轉速控制在一個非常高效的範圍內的。如下三張圖分別是常規的混動控制模式,特殊能量再循環的混動控制模式,以及兩種模式之間的比較。可以看到豐田通過靈活地控制兩個電機的動力使得輸出到車輪的動力相同的情況下,發動機的轉速可以按需降低到一個合理的工作範圍。比如第三張圖左側為常規工作模式發動機轉速較高為2000轉以上,但是使用右側的特殊模式以後發動機轉速一下子降到了1500轉一下。其實不管是上汽榮威550Plug-in還是比亞迪秦,兩家車企都在積極按照市場的範圍更新控制策略,使得用戶體驗不斷提升。比如之前提到的550在混動模式下小於時速65公里是發動機轉速過高的問題就聽說已經通過控制策略升級明顯改善。希望越來越完善,越來越多的混合動力車型可以在中國的市場上推出,給各位車友便利的同時,也能夠改善環境何樂而不為呢?擴展閱讀:
豐田普銳斯動力分流模擬系統
不插電混動系統,地球效率最高是本田immd,沒有之一
無法規避,是只能撿剩下的,這就是殘酷的現實,日本的混動已經第三代,但是其他廠還在研發相當於小日本第二代的技術並且樂此不疲。這就是差距,而且這僅僅是混動上的差距。如果扯到燃料電池,最先提出這個概念的老德和曾經在這個領域領先過的中國,現在還不配給豐田提鞋。雖然歷史讓我無法笑對日本人,但是也討厭自己沒日本人的這種創新意識和鑽研精神。
豐田是混聯技術,算是很好的解決方案之一。但是這個東西本身的實用性在混動有意義,在插電時代意義就不大了。
豐田的優勢是電池容量很小的情況下可以省油,動力有很好的平順性,其它方案難以達到豐田的效果(本田最近才有所接近)。
但是,對於插電來說,市內是純電驅動的,不用豐田的技術,一滴油不消耗,電機驅動本身就可以做很好的平順性,要豐田的方案沒用。
現在德系走的方案,就是變速箱加電機,加離合,並聯方案,在混動的時候是不如豐田,但是可以加大電池容量插電啊。
到了高速,靠發動機,這個時候發動機本身效率就很高,也不需要什麼混動,豐田的方案其實無意義。
類似的還有比亞迪的秦豐田專利已經到期了,不用規避。
可以做一輛車 車上裝有噴氣發動機+燃油發動機 電動機+動車組+航母柴油發動機+潛艇核反應堆
試問答主: 我要開這車在陸地走100公里 節省了多少航空燃油 多少柴油 多少鈾235? 如果走水路又是什麼情況?省油不代表節能
很好,對於我們這些小白來說很細緻
額,主要是造出來的齒輪,變速箱比不上國外的!
FCV。橫刀立馬啊
阻礙各大廠商的真的只是「專利」而已……前面有位朋友說的「日本的混動已經第三代,但是其他廠還在研發相當於小日本第二代的技術並且樂此不疲」,顯得略微誇張了。
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