一招“乾坤大挪移”,何以笑傲天下?

2017-12-01 5979 0

序:为了蓝天,别看浮云


在如今的豪华汽车市场当中,技术的重要性似乎正在被品牌故事、设计风格和豪华配置等等表面现象遮盖。殊不知,对于一台车而言别的都可以是浮云,唯有核心技术才是真正的顶梁柱。特别是在这个排放标准越来越严格,汽车电动化进程逐渐加速的时代,为了同时拥有更美的蓝天和更强的性能,汽车动力系统技术正在经受前所未有的严峻考验。

在这样的大背景下,以奔驰、宝马和奥迪为代表的传统豪华车品牌纷纷采用了涡轮增压技术来降低豪华车的排量,然后在最新一代的旗舰产品中使用基于48V电气结构的微混动系统来提升效率,另外还准备了基于插电式混合动力技术的车型提供给那些特别在意环保效果的客户。

而在雷克萨斯全新推出的旗舰车型LS 500h和LC 500h上,选择了与他们截然不同的技术方案:雷克萨斯把自家本已称雄业界20年的全混动技术升级到了全新的层次,多级全混动科技的推出,让那些苦苦追赶的竞争对手们又一次体会到了落后至少一代技术的鸿沟有多么难以逾越。



壹:雷克萨斯一直执着的全混动科技,是如何工作的?


在我们详细分析多级全混动科技之前,有必要简要介绍一下雷克萨斯目前所使用的全混动技术的基础。对于国内可以买到的雷克萨斯车型而言,按照发动机的布置形式,混动系统大体上可以分为两个类型。第一类是用在CT、ES、NX和RX上的横置式布局,以前轮驱动为主,对于SUV车型可提供电动四驱的选项;而第二类则是用在GS和上代LS上的纵置式布局,后轮或四轮驱动,方便匹配更大功率的发动机。


但无论是哪种布局,雷克萨斯所使用的全混动科技基本结构是相似的,都是通过基于行星齿轮的eCVT变速箱来耦合来自发动机和电动机的动力输出,并且实现与车轮转速的匹配。只是根据布局和车型不同,在混动系统的复杂程度上有所差异。

从技术的角度上来讲,这种基于行星齿轮式的全混动结构可以实现发动机、电动机两种动力来源的自由融合,除了二者同时出力的混合驱动工况外,还能够实现发动机或者电动机单独驱动车轮的状态,并且能够在车辆减速时实现高效的动能回收,是设计非常巧妙的混合动力系统,也是同类系统中应用最广泛的技术方案。

但是,同样是由于行星齿轮的结构始终保持着不同动力源之间的机械连接,而发动机和电动机在输出特性方面的差异则决定了二者难以同时处于效率最优的工况区间。例如在高速巡航这样的工况下,由于传动系统总体的齿比可变范围有限,而电动机在高转速时扭矩下降非常明显,所以发动机不得不在电动机效率下降的时候介入驱动车辆,而此时无法断开的机械连接让电动机就像给整个系统挂上了一个空转的负载,难以实现最优的驱动效率。



贰:见招拆招,多级全混动科技刷新混合动力性能极限


效率进一步提升的瓶颈,就在于如何能够进一步扩大传动系统的齿比变化范围,从而让不同动力源都尽可能长时间地工作在自己效率最优的工作区间当中,同时尽量减少需要发动机强制启动的工况。

看到这儿,是不是有恍然大悟的感觉:加个变速箱呢?没错,雷克萨斯的工程师们正是这样做的。全新LS 500h和LC 500h在混合动力系统eCVT的输出端又连接了一台全新的4速自动变速器,成就了目前最先进的多级全混动科技。这样一来,原本eCVT变速箱的传动范围就可以被这台新增的自动变速箱进一步进行扩大,从而实现在更广泛速度范围内的效率优化。

事实上,上一代LS 600hL上所用的全混动系统中除了发动机、2台电动机/发电机之外,已经有2组共3级行星齿轮负责传动和动力耦合,另外还有2台多片式离合器可以锁止第2组行星齿轮环形齿或者第3级行星齿轮托架,实现对最终传递给车轮时主减速比的调节,可以被视作多级全混动科技的前身。

而在应用了新的4速自动变速箱之后,结合eCVT变速箱,多级全混动科技可以实现模拟10速变速器的齿比变化。当车辆在巡航状态时,可以尽量拓展电动机的工作区间,减少发动机启动的时间,从而实现更好的高速燃油经济性。用实际数字来说,可以在更高的速度下使用纯电力进行驱动,从原来的每小时70公里左右,大幅提升至每小时140公里(后驱型号)或者每小时129公里(全轮驱动型号)。这样的变化对于一台豪华D级车或者豪华GT跑车来说是至关重要的,因为这些车辆在高速公路上的行驶时间往往更长,在这样的工况下大幅降低发动机启动时间,对于降低综合油耗来说意义重大。


叁:概念变现实,空间与重量的魔术


说到这儿,算是基本解释明白了雷克萨斯的多级全混动科技到底是怎么回事。但要把这项技术从概念变成现实,可真不是这么简单的。汽车作为人类最复杂的工业产品之一,上面集成的每一项技术实际上都不是单一的,而需要综合考虑到各种因素的相互影响与制约。

具体到全混动科技来说,面临的最大挑战实际上是两个最基本的问题:空间与重量。从空间的角度来看,新增一台自动变速箱,意味着要在驱动系统中额外挤出相应的长度来进行布置。而从重量的角度来看也是一样的,新增变速箱所增加的重量与它所提升的燃油经济性表现是一对矛盾,如果重量增加太多,抵消了这一技术本应降低的油耗,那么增加这个技术就变得没有意义了。

多级全混动科技之所以只出现在雷克萨GA-L后驱平台上,是因为横置发动机布局的车辆受到轮距限制,本来就已经非常紧凑,实在难以在不大幅提升车辆重心或车辆宽度的情况下增加新变速箱。而之所以要等到最新的GA-L平台才能适配,很重要的原因是多级全混动科技动力系统的尺寸和重量分配,需要与最新一代的纯汽油版本发动机+10AT自动变速箱共同研发,这样才能在同样的车身内兼容两种不同风格的动力系统,而最小限度地影响其他组件的布置和设计。也只有GA-L这个面向未来的豪华后驱平台,才有足够的空间、技术可拓展性以及成本宽容度来匹配多级全混动科技。

为了给新增的变速箱挤出需要的空间和重量,雷克萨斯的工程师们重新设计了整套动力和传动系统。经过优化的两台电动机/发电机与行星齿轮组采用了极其紧凑的装配设计,封装结构更短,重量也有所减轻。

混合动力系统所需要的高压蓄电池组则使用了能量密度更高、重量更轻的锂离子电芯,比原来的镍氢电池组在体积和重量方面都有大幅下降。新的四速自动变速箱本身也是精密的工程结晶,更短的壳体和更轻的重量都展现出雷克萨斯在驱动系统方面长期积累的丰富经验。

另一个技术难题,是电子控制系统和电脑程序的匹配。在如此复杂的结构当中,增加了一台4速自动变速器,意味着不仅需要对新增的变速器电脑控制程序进行相应的设计,还需要对于整个动力系统进行软件上的重新匹配与标定。更需要考虑到车辆在漫长生命周期中的可靠性与可拓展性,在软件方面的工程难度和工作量,丝毫不亚于机械层面。

在上述的全方位努力下,全新LS&LC上所使用的eCVT变速箱和4AT变速箱的长度加在一起,与最新的10AT自动变速箱处于同一水平,而仅仅相当于传统的8AT自动变速箱所占的空间。这也是多级全混动科技真正得以走向量产的关键所在——效率更高、适用范围更广、体积和重量与传统传动系统相差不多,而油耗与动力的平衡则达到了全新的高度。


未完待续:多级全混动科技,雷克萨斯的执念


接下来的问题,让我们回到文章开始:为什么在德国人选择涡轮动力+微混动+插电式混动技术组合的时候,雷克萨斯却选择发展多级全混动科技呢?最重要的原因,恐怕还是这项技术的合理性和最终效果。

对于混合动力系统中的发动机而言,扭矩输出已经不再是需要考虑的第一因素了,毕竟能够从启动瞬间就提供最大扭矩的电动机显然是更合理的选择。雷克萨斯认为发动机的热效率才是关键,所以才会使用包括VVT-i在内的可兼容阿特金森循环的自然吸气发动机作为混动系统的内燃机。

在这样的前提下,6缸自然吸气发动机与4缸涡轮增压发动机在油耗方面的差别实际上并不大。而有了全混动结构更大功率的电机和随之而来的纯电驱动能力,加上多级全混动科技在不同工况下全方位提升的适应能力,雷克萨斯显然相信这项自己苦心研发并应用了20年的成熟技术,有足够的潜力面对更严苛排放标准的挑战。

这绝不是说雷克萨斯保守,而恰恰展现出了这个品牌在动力技术战略方面的前瞻性。从技术发展的角度而言,有了多级全混动科技的加持,只需要改变车载高压电池组的容量,就能够轻易地实现插电式混合动力车;而只需要用更大功率的电动机替换内燃机,就可以发展为全电动车。因此接下来的问题,其实不是雷克萨斯能不能做到,而是市场需求什么时候需要雷克萨斯做到而已。

声明:本文由行家作者撰写,观点仅代表个人,不代表太平洋汽车网。文中部分图片来自于网络,感谢原作者。

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