新能源汽车的种类越来越多,哪种才是最能满足消费者需求的技术路线?

程序员一枚,本来挺少关注汽车的。但最近一段时间常常被新能源汽车刷屏就有些好奇,想请教纯电动、混动、插电之类的,哪种结构更符合需求?
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这个问题很有意思。首先提问者是一位程序员,是属于汽车行业外关注新能源汽车,继而提问的是技术路线的问题。其二,可能是程序员深受互联网+思想的影响,一问就问到了关键——“消费者需求“,需求决定了出路,可能我们不能都像乔布斯那样把-消费者都不知道想要什么样的-产品提供给客户,那就反推客户需求是什么,用户场景在哪里。

说起这个就有一个好玩的故事。那是鸡年的大年初二,早上8点当我从爷爷家走出来,你可以想象的到在一个五线城市的新城区大年初二打车的可能性有多低吗?当时我实在是高估了打车的成功性,在只睡了3个小时后在半睡半醒间在马路边上瑟瑟发抖。

然后远远的有一辆车徐徐驶来,轻悠悠地停在我的身前,如白马一般。

”走吗?“,”走走走“,”走哪哒?“

类似车型照片,内饰缺少风扇和火炉排烟管

小小的一辆车,承载了三位成年乘客的探亲的路,提供了避风的港湾暖暖的火炉,还可以听着老马师傅侃侃而谈的段子。东山上升起了太阳,弥散着的淡淡雾气都变成了金色,那一刻就更深爱着我的故乡了。

这就是消费者需求,那一刻,可以挡风取暖的轻量化交通工具就很有市场。

故事继续。屁股上感受着单缸汽油机传来的一股股酥麻,稳定而富有节奏,耳边还吟唱着电动机的海豚音,等等,有意思了,别看这么一辆小车车,很高级的。

掐指一算,这是一辆增程式电动车,汽油发动机只发电而不直接提供动力,节省了一个变速箱,发动力都由电动机提供,重要的是这种三轮电动车在这四五线城市完全不用上牌,这对一位看起来起码60岁的师傅还是很省事的。

不要笑,且看

图2 常见的几种混动模式(来源nisan LEAF车型宣传)

上图来源是尼桑 leaf(聆风)车型的宣传文章,上次关注这个车型还是2015年,刚刚查看已经在发布2018版新车,加入了一些所谓的智能和智能驾驶。这辆车的销量已经28万辆了,消费者的需求和购买力都展示着这类型车虽有一些缺点但是有较大市场。有人会说能量这样传递的效率太低了,化学能到电能,电能储存再到电能输出变成动能,怎么可能会比汽油机要么充电要么直接输出动力效率高。问题就出在这发动机的输出特性上,发动机虽然热效率可达到40%左右但因为条件限制不能时刻在燃油经济性最优的情况下工作。就像你可以喝白酒喝1斤,前提条件是吃着肉开开心心慢慢喝,但是总会有人劝酒敬酒,喝的快了,心情不开心喝闷酒,啤的白的混着喝,你可能就只能喝5两就醉喽。

图3 发动机万有特性图

左侧纵坐标是发动机输出扭矩,横坐标是发动机转速,右侧纵坐标是发动机做功汽缸平均有效压力。图里面的曲线是指油耗,打红色网格的圈是指最小的燃油经济性,然后慢慢扩散,从图里可以看出在发动机转速2800-3200输出扭矩在85-100Nm时燃油经济性最好。这就是图2中 增程式混动模式的核心科技,就是让发动机始终在燃油经济性高的区域工作,达到低能耗的目标。


从这里开始是正文,下文介绍一种增程式技术下的一个分支,厉害了。

大家都知道宝马i3, @宝马中国 借几张官宣图用用^-^。

冷知识:2011年2月,宝马汽车在德国总部发布了旗下全新的子品牌BMWi,这是宝马集团继宝马,MINI和劳斯莱斯之后,第四个子品牌。顾名思义,BMWi旗下全都是电动车。

2014年9月,宝马i3正式在中国上市,推出纯电动版和增程式混合动力版两款车型。增程式混动车型是本文研究的对象,它在纯电动车型基础上搭载了一款双缸引擎(不是让我酥麻的单缸机哦),使其续航里程较纯电动车型增加一倍。

下面是宝马i3动力图,和刚才介绍的增程式技术一样,也是串联发动机-发电机-动力电池-电动机。

可是,但是,现实是宝马i3增程版在国内销量不佳,其原因除了售价较高外,增程器在缓解了消费者的里程焦虑的同时,增加了整车自重,不仅增加了车辆行驶中的耗电量,而且影响百公里加速

这就是现实,可以很高效工作来充电的发动机在这个时候成了累赘,白与黑,天使与魔鬼,咸豆腐脑与甜豆腐花,这可能就是生活的本质。

但一个让奔驰感觉日子有意思的宝马怎么会退缩,宝马将东经改成西经并取互补,北纬依然取北纬,终于大约找到了一位合作伙伴--丰田。

因此,如何降低增程器重量给整车能耗和加速性带来的影响,是宝马i3增程版的潜在突破点。宝马集团和丰田汽车公司合作,开展了下一代增程器的研究。

传统的增程器是发动机+发电机,由发动机曲轴旋转带动发电机发电。丰田的增程器旨在为宝马i3提供下一代的增程器,它取消了曲轴连杆机构,并把发电装置直接集成在发动机内,大大降低了增程器的重量和体积。丰田的増程器就叫FPEG増程器。

FPEG(Free Piston Engine Linear Generator)的学名为自由活塞式内燃发电机。它的发电方式主要依靠安装在活塞上的永磁铁和磁铁外侧线圈构成的发电系统。在燃烧室的相对侧,有一个填满空气的密闭空间,称之为空气弹簧,这个装置用于取代曲轴设计,让活塞到达下止点时可以反弹逆向运动。通过活塞上的磁铁反复在线圈组运行、交互感应,电力即由此而生。

负责任地说,不允许有大胆的想法

FPEG增程器的关键结构——活塞

FPEG中最关键的结构是活塞,它是中空的,且两端的直径不同。其中,直径小的一端与气缸体组成了燃烧室,直径大的一端与气缸一起组成了气压弹簧室。从剖面图中可以看出,活塞的剖面形状是一个W形,因此这种活塞也被称为W形活塞。

1)气压弹簧室是保证活塞能够回到燃烧室侧的执行机构。气体燃烧推动活塞做功的同时会压缩气压弹簧室中的气体,也就相当于将活塞的一部分动能储存在气压弹簧室中,当压缩到一定程度时,推动活塞进行回复运动。气压弹簧室中有一个压力调整阀,能够根据需要对气压进行调节。

2)活塞位置的确定很关键,燃油喷射、点火、排气门的开启和关闭时刻都由活塞位置决定。为了能够得知活塞的具体位置,活塞上设计了许多沟槽,并在气缸内表面上安装了间隙传感器。活塞上沟槽的深度不同,活塞运行在不同位置时与气缸内表面的间隙也就不同,间隙传感器通过间隙的差异能够确定活塞位置。

FPEG发动机运动规律

稳定运行的FPEG与相同压缩比下的二冲程曲轴连杆式内燃机的运动规律不同,对比图如下所示。

1)图a显示,FPEG在大部分活塞冲程中速度变化不大,但在上止点处速度出现突变,迅速达到反向最大。

2)图b显示,FPEG活塞速度与时间变化规律不再呈现正旋规律,峰值速度略低于传统内燃机。

3)图c进一步显示了两种结构的加速度对比,由于没有曲轴连杆约束运动、以及飞轮调节能量,FPEG活塞在上止点处的加速度大于传统内燃机2倍以上。

4)从图d还可以看出,FPEG活塞在上止点的停留时间非常短,这主要由它在上止点极大的加速度决定,此特殊的运动规律有效地缩短了上止点的停留时间,有利于降低燃烧室内的最高温度,进而降低NOx的排放。
FPEG发动机性能的主要影响参数

(一) 活塞重量

对FPEG来说,压缩比不是由机构约束决定而是由发动机的工作参数决定的。活塞重量的增大使活塞运动的惯性力增大,而惯性力的增大使活塞运动行程增大,行程的增大最终导致发动机压缩比增大。从下图可以看出,当活塞重量从3.5Kg增加到3.7Kg,压缩比适当增加,发动机的功率上升,油耗下降,有利于提高发动机性能。但继续增加活塞重量,使压缩比增加过大,导致发动机出现不正常燃烧,功率下降,油耗上升。

(二) 点火时刻

如前所述,由于FPEG的活塞运动不受机械约束,其运动规律完全由工作参数决定,因此点火时刻对FPEG性能的影响比对传统发动机的影响大。图中的Xs代表点火时刻,即点火时活塞到上止点的距离,Xs值越大,表示点火时间越早。从图中可以看出,随着Xs值的减小,即点火时刻的推迟,活塞的行程增加,发动机压缩比增大。在点火时刻由距上止点4mm推迟到2.4mm的过程中,发动机压缩比由6.6增加到9.5,由于压缩比适当增加,使发动机的功率上升,油耗下降,对发动机性能有利。但继续推迟点火时刻,使发动机压缩比增加过大,就有可能导致发动机不正常燃烧,性能出现拐点。

总的来说,

优点:

1)相比于传统增程器,FPEG重量轻体积小,整车能耗低。

2)无曲轴连杆传动机构,机械损失小,热效率更高。

3)压缩比可调,可使用除汽油以外的其它燃料资源。

面临的挑战:

1)FPEG为单缸机,功率13Kw,需要两台FPEG才能替代宝马i3上的原有双缸引擎(26Kw)。两台FPEG如何布置、如何协同工作需要进一步研究。

2)FPEG无曲轴无凸轮轴,气门的开启和关闭由电控系统控制,对电控系统的精度要求非常苛刻。

3)FPEG仍处于试验阶段,距离量产还有很多工作要做,系统的稳定性以及使用寿命的提升都还需要进一步的研究。


我依然很看好增程式混动的模式,从模式上还是有优点的,如果在增程器技术上能有新的技术突破,就可能后发先至弯道超车。

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回答此问题,首先明确的一点就是电气化是汽车发展的趋势,也是方向。

电能是目前人类所能利用的最为灵活的能源,没有之一。电能来源广泛,火电、风电、光伏、生物等等方式都可以发电;电能输送灵活,仅用电线就可以实现长距离大功率的能量传输,甚至还可以实现能量的无线传输;电能转换应用方便,可以方便的转化为光能、机械能、热能等等。就驱动来讲,电能可以在一个装置(电动机)里转化为机械能,同时此装置还可以再把机械能转化回电能,来回转换的过程都能保持很高的效率,对于汽车来讲,这种灵活的能源供给和回收方式是十分适用的。这也是为什么增程式电动汽车可以存在:宁愿用燃油发动机发电也要用电来驱动车辆。

就汽车的电气化来讲,主要有这几种技术路线:BEV、HEV(MHEV)、PHEV、FCV等等。

BEV(Battery Electric vehicle),也就是所谓的纯电动车,使用电池存储电能,是目前的主流方向。虽然电动机天生就是汽车的好基友,但是电池却是汽车天生的猪队友:目前应用较多的主流锂离子电池的能量密度仅能达到200-300Wh/kg,而主流BEV的百公里电耗都在15-20kWh,这就意味着如果续航达到400-600km,就需要60-80kWh的电池组,而仅仅这些电池的重量就达到了300-400kg,这还不包括电池管理系统及其他电池包结构部件。而对于消费者不友好的方面就是锂离子电池低温衰减、车内暖风空调巨大的耗电量和高速续航衰减,在一些常见的场景状态(例如冬天开空调、上高速)下都会让BEV的百公里电耗翻倍,导致续航严重打折甚至减半,产生续航焦虑;同时BEV的充电速度也严重限制了消费者使用需求,目前的主流快充技术也只能是在30-50分钟左右充满80%的电量,与加注燃油的3-5分钟加满相比依然十分不友好。所以BEV目前依然具有续航里程焦虑和充电速度慢的问题,虽然是主流发展方向,几乎所有的主流汽车厂商都推出了自己的BEV产品,但是对消费者来讲依然不能说是最优解。

HEV(MHEV)(hybrid electric Vehicle),也就是混合动力汽车。HEV虽然实现了一定的电气化,但是本身依然是使用燃油作为全部动力来源,所以可以认为是电气化程度比较低的产品,是一个过渡的产品。当然,现阶段以本田和丰田为代表的HEV产品,因为深厚的技术积累和较高的技术成熟度,在市场上获得了不少好评,但是总体来看,HEV在汽车工业中的比重是在不断下降的,逐渐被PHEV等取代:包括丰田在内的老牌HEV厂家也推出了同一车型的PHEV版本。

PHEV(Plug in hybrid electric Vehicle),也就是插电混合动力汽车,具备了燃油发动机和电动机,电池组明显要比BEV更小,一般是BEV电池包容量的20%-30%,纯电续航一般在50km-100km。PHEV在短距离的时候可以纯电行驶,长距离又可以工作在HEV模式,没有里程焦虑,充电或者加油都可以作为补充能量的方式,所以从消费者的角度讲,PHEV是比较满足消费者需求的。正因为如此,现在几乎所有主流汽车厂商都推出了PHEV车型,市场上PHEV可选车型还是比较多的。当然,从技术路线上讲,PHEV背着两套动力系统行驶,其总体驱动效率是受到影响的,同时内燃机依然以燃油作为燃料,依然有污染物排放,对环境不友好,长远来看,变革的可能性不小。

FCV(Fuel Cell Vehicles),也就是燃料电池汽车。燃料电池汽车其实与PHEV类似,不过其燃油发动机的部分变成了燃料电池。燃料电池汽车可以说是在动力电池技术接近天花板的情况下一个比较公认的长期发展方向,因为燃料电池只需要添加氢气(或其他燃料),没有续航焦虑,对消费者比较友好,同时燃料电池本身无污染无噪音,对环境友好。目前,日本等发达国家FCV发展的不错,以氢气为燃料,已经形成了全套的制造、运输、储氢的系统,但是氢气本身为可燃性气体,对运输、储存等环节的要求很高,所以目前氢气本身的制造运输储存技术要求都比较高,总体成本也较高,目前其行驶成本要超过普通燃油汽车。国内FCV发展虽然落后于日本、韩国、美国亚搏下载 客户端等先进国家,但政策上也对FCV进行了倾斜,从2016年氢能产业就已经纳入了国家能源战略,目前正处于发展快车道。新造车势力的爱驰汽车用甲醇重整制氢方式,替代氢气,也就是甲醇和水在车辆行驶过程中产生氢气,如此车辆只需要添加价格低廉的甲醇作为燃料,效率可达45%,核算下来行驶成本仅为普通燃油车的三分之一甚至更低,是个不错的发展方向,。当然,甲醇燃料目前并不像汽油柴油一样方便买到,但是其布局更为方便,可以依托现有的加油站系统,与充电桩的完全新建相比难度更小。如果说,要对比一下甲醇和燃油增程,那么如上所说甲醇的优势在于成本和基础设施,而缺点就在于碳排放的担忧,但其实碳的排放一定比燃油增程少很多。所以,甲醇增程的确是一个不错的发展方向。爱驰汽车德国子公司Gumpert Aiways首款FCV——Gumpert Nathalie,以甲醇为燃料,具备1000公里续航,突破百公里2.5秒加速,最高时速可达300公里/小时以上。当然,这款车型也可以直接充电使用。

传统车企上汽集团也早就布局了FCV项目,早在2017年就一口气发布了荣威950 FCV等多款车型,其中荣威950 FCV的续航里程达到430km,能在零下20度情况下启动。

回到问题本身,如果从消费者的需求考虑,使用方便且没有里程焦虑的PHEV和FCV无疑是不错的方向;从环境的角度考虑,零排放无污染的BEV和FCV是理想的技术方案;两者综合,FCV的优势还是比较明显的。当然,总体来看,汽车工业到了一个分叉路口,电气化是共同的方向,但是现阶段各种不同类型的汽车百花齐放,争奇斗艳,未来究竟如何,值得期待。

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很多答主都科普了新能源汽车的分类,有几位提到了插电式混动PHEV和增程式混动EREV,大部分内容都很好,但有两个问题没有哪一位说得很清楚,而我想这是值得讨论的:那就是串联式混合动力(Serial Hybrid)与增程式(Range Extended)的区别;以及PHEV和EREV两个概念的区别。这两点就是这篇回答的引子。我想尝试将新能源汽车——特别是混合动力汽车——的几个概念之间的关联用三张图画清楚,再聊一聊哪一种是消费者需求的路线。

站内大部分涉及“增程式”的回答(以及站外很多专业的评述乃至稍早的学术论文),基本认为增程式等于串联式混合动力,但是就目前的混合动力技术而言,这样的说法已不完全准确。前些日子汽车控制领域颇负盛名的Giorgio Rizzoni教授来访清华,我的朋友就与Rizzoni就聊起了这个有意思的问题,继而从控制逻辑的角度收获了一次富有启发的讨论。那么便从这个问题出发,说一说不同种类新能源汽车的技术路线和技术思想。

现如今越来越多的新能源汽车种类,一方面反映了品牌和技术方案的百家争鸣,同时亦是反应了油耗法规所推动的发展趋势——电能从辅助走向主导。对混合动力汽车有一定了解的知友们会知道,油电混合动力汽车有很多的类别,想要区分它们又有不同的分类方法。主要的区分方法有两种:一是按照混合动力系统构型进行分类,或者说是按发动机、电机两个动力源的耦合方式分类;二是按照电动化程度来分类,或者说按油电混合比例分类,从燃油汽车跨度到纯电动车。

按混合动力构型进行分类,大致如图1所示。同时也代表了目前市场上最为主流的四种混合动力构型:串联,并联,功率分流,串并联。其中并联与两种混联构型,又可以按照部件的耦合位置分为多种模式,图中以并联构型中应用最广泛的P2,通用 Voltec与本田 iMMD分别作为代表。

简单来说,串联构型发动机不直接驱动车轮,而是通过发电机发电,再由电机驱动;并联构型发动机与发电机可以同时驱动车轮;功率分流构型使用了行星齿轮机构用于将发动机的输出功率“分流”到不同的机构,如同时进行驱动和发电;串并联则通过复杂的控制逻辑和精密的机械传动,绕开了功率分流器,实现了深度混联。(丰田THS功率分流和本田iMMD串并联的区别可参见:本田的混动和丰田比有什么优势和劣势? - 亚搏;iMMD串并联和上汽EDU串并联的区别可参见:本田i-MMD混动系统与上汽荣威550 plug in的差异?。)

(图1 不同混合动力构型示意图)

按油电混合比例进行分类,如图2所示。这一种分类方式,表明的是电动化程度,或者考虑到油耗法规的不断加严,亦可以说是动力系统的发展趋势。

图中从左往右,分别是内燃机(ICE);非插电式混合动力(HEV);插电式混合动力(PHEV),又分为混合策略PHEV(Blended PHEV),增程式/全电PHEV(EREV/All-electricity PHEV);纯电动(EV)。

HEV和PHEV的区别很好理解,因为它们在外观上有很明显的不同:插不插电。而Blended PHEV和EREV的差别则主要在于运行策略,判断根据是“是否能够在全工况都用纯电运行,而发动机不启动”(具体区别,下文再表)。可以说从ICE – HEV – Blended PHEV – EREV – EV一方面反映了油电能量比例,另一方面是不断加严的油耗要求下的动力发展趋势。

(图2 不同电动化程度的汽车动力系统分类)

这两种不同的分类维度,让我们实际上可以画出一个矩阵,如图3(为了让它看上去满一点,我将功率分流和串并联都归入了混联)。在图3中,从左往右,电动化越来越高;从上往下,“一定程度上”表明混动构型越来越复杂。

值得一提的是,并不是说图中的混动构型就恪守纵向对应的电动化程度:针对不同的需求,不同的构型可以匹配不同的控制逻辑和部件参数开发成不同的混动,例如Prius THS和Accord iMMD都分别有HEV和Blended PHEV版本,而Voltec系统则在HEV、Blended PHEV和EREV均开发了不同车型。

(图3 混合动力汽车分类“矩阵”)


画完了这三张图,我们可以回到文章开头的第一个问题:“增程式与串联式的区别在哪里”。

为什么之前大部分专业的说法都说“增程式等于串联式”呢?这是因为单独从构型上看,串联就是为电动车添加了一个发动机/APU作为“增程器”。在“增程”的概念出现的时候,大部分增程式混合动力汽车都是串联式混合动力。但是自从EREV的概念出现之后,“增程 = 串联”实际不再适用,由于一些EREV的发动机在某些工况同样直接参与驱动车辆,并不符合串联式的定义,实际是混联式混合动力。那么我们可以将原先的说法修正为:“串联式是增程式的一种吗?”

宽泛而论,这样是可以的,原因已经提到了:串联式从构型上看,可以认为是使用了发动机作为车辆的增程器。然而,严格而论,这样的说法也是不够准确的,原因是:一、串联和增程分别处于两种不同的分类维度(如图3);二、串联和增程所反映的控制思路是不一样的:

  • 串联式混动,本质上是混合动力车。强调的是混合动力运行的能力。发动机在串联式中的工作方式是功率跟随,即发动机功率输出跟随整车功率需求。
  • 增程式混动EREV,本质上则是纯电动车。只是它可以让电池的行驶里程实现延长。发动机作为增程器,基本只工作在固定工况点,整车功率需求和发动机输出功率是不相关的。

VELITE 5 和 宝马i3 就是典型的增程式混动了,在最终的产品上,这一思路的表述仍是非常清晰,从官网上我们可以分别看到:别克将VELITE 5称为“电驱技术”,以电机和系统的性能介绍为主;而宝马则是说可以为i3“选配一个增程器”。

至此,串联式和增程式的区别差不多就讨论毕了。接下来,另一个有趣的问题是,Blended PHEV和EREV的区别又在哪里呢?

两者之间的差别,是运行策略的不同。上文已经说到EREV的特征是在全工况可以使用纯电运行。换言之:

  • Blended PHEV在部分工况是需要开启发动机的,例如在电量消耗阶段(CD阶段)的高速工况或高加速度工况时,发动机会开启输出功率;
  • EREV则可以与EV一样在全部工况使用纯电驱动运行。

以两款PHEV为例:Accord PHEV在高速工况采用了发动机与电机并联驱动的运行策略;而Buick VELITE 5则可以采用全工况纯电的运行策略,与此同时发动机不开机。要实现全工况纯电运行的目标,就对电机、电池都提出了更高的参数要求。

最后一点,再来说说Blended PHEV、EREV与EV的差别。如图4,是三种新能源汽车代表车型的燃油经济性对比,结果都非常出色——EPA测试得到的混合工况“油耗”分别为:48MPG;106MPGe/42MPG;103MPGe。Blended PHEV的油耗是混动运行下得到的结果,EV则是纯电行驶下的电耗换算成油耗的结果(33.7 kWh电耗等于1加仑汽油)。而EREV呢,可以看到分别有MPGe的结果与MPG的结果,这分别对应了它在纯电行驶下的经济性和混动行驶下的经济性表现。

(图4 三款不具名的Blended PHEV/EREV/EV的经济性对比,数据来源:FuelEconomy.gov - The official U.S. government source for fuel economy information.)

EPA的油耗测试数据,为上文略显复杂的概念提供了形象的解释:EREV既有电耗也有油耗,直接反映了EREV介于EV与Blended PHEV之间,它有着纯电动车的行驶特征,却又有混动车无“里程焦虑”的优势。

这篇回答说到的“增程与串联的区别”“Blended PHEV和EREV的区别”“EREV和EV的区别”这三个问题,是着眼于学术上对“EREV”这一逐渐兴起的概念的讨论,也是想藉此机会将越来越多的混动汽车梳理清楚。

写完了这三个问题,最后还是要扣个题,说一说“哪种是最能满足消费者需求的技术路线”。让我们来定义一下消费者的需求,如果是用电动自行车一样的用途,那么微型电动车是值得拥有的,即便它在逐渐被淘汰;如果是说选择一辆“传统意义的家用车”,一辆EREV是经济性和适用性俱佳的选择。EREV,或者叫All-electricity PHEV。它更像是一个“Hybrid” Hybrid EV,在油电混合的基础上,进一步结合了混动车和电动车的优势,节能又无里程焦虑,且避开了纯电动车大量电池带来的高成本。可以说在目前的基础设施条件下,用成熟的技术提供了适合于消费者的解决方案。

但一辆EV不会是现在消费者的首选。由于基础设施的推进和消费观念的转换都需要时间,消费者的反应滞后于汽车技术的迭代。在现有的基础设施前提下,想让更多的人接受纯电动车需要时间。与之类似的是:去年以来丰田氢燃料电池汽车Mirai在加州上市,全加州有29座加氢站,氢能的续驶里程比纯电动车高,但仍需要更充沛的加氢网络来为消费者提供便利,更何况加州之外就再没有加氢站,这让Mirai成为了“州内通勤车”。纯电动车发展的这些年也是如此,无论是特斯拉Model S还是日产leaf,即便是油耗法规最严格的(也是最常见到电动车的)加州,仍然是少数派的选择,不外乎是因为“时候未到”。但与此同时随着油耗法规不断加严(尤其是中国),提高新能源汽车的电动化程度势在必行,在压力和需求之下、基础设施的现实面前,这一个时间窗口给了All-electricity PHEV或EREV足够的时间来划分新能源汽车的格局,越来越多的EREV也定将出现在我们的视野之中。

如果一定要说一说我个人的喜好,其实我已经画在图2第一行的五辆车里了。作为混合动力相关的研究者,我向来不讳言对丰田普锐斯和本田iMMD的推崇,但在电动化程度更高的EREV领域,丰田和本田还少有涉足,而Voltec 2技术无疑是通用混动技术集大成者。从EV1到Voltec 1,通用摸着石头过河,试过错也犯过错,之后在十年前定位明白了EREV,进而藉此概念,一方面找准了混动技术的定位,另一方面找准了政策和市场的时间窗口。再后来的这十年,随着Voltec 2和GRE两套混动系统的推出,这位大玩家在群雄并起的前夜,终究触摸到了领跑者的序列。

(往事请见:如何看待丰田计划对外销售普锐斯动力系统?这将对混合动力汽车市场有怎样的影响? - 亚搏

图都是自己画的,请勿随意引用。

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在我看来,插电式混合动力和增程型混合动力因为既能用电又省油,还具有更好的驾乘体验,是目前阶段最适合消费者需求的新能源技术

关于各种混合动力技术的分类,我在以前的一个回答中曾经介绍过:混合动力汽车为什么突然火了?混动都经历了哪些阶段?不同的技术各有什么特点? - 亚搏


插电式混动和增程型混动都是汽车的能源从汽油向电发展的的必经阶段,考虑到我们国家的国情,PHEV和EREV能够纯电行驶,降低排放和用车成本,在电量不足进入混动模式时因为发动机始终工作在高效区间,如下图所示,通用Voltec技术在混动模式下,发动机一直工作在BSFC的高效区间内[1]。再辅以制动能量回收、电动空调、电动油泵等措施,油耗也比同级传统轿车要低很多。而在各种混合动力构型中,我尤其偏爱动力分流,因为这种构型能够同时将发动机的转速和扭矩与输出轴解耦,除了考试工况之外,其他的工况下发动机也能工作在最高效的区间上,除此之外,动力分流型的混合动力系统毫无顿挫感的驾乘体验也比P2等并联混动更加舒适。既满足国家对于新能源汽车的要求,又能解决纯电动汽车的里程焦虑并适应充电桩还不够普及的现实。

混合动力的历史可以追溯到1900年。当时Prof. Ferdinand Porsche开发出了世界上第一款混合动力汽车 - 1900 Lohner-Porsche,这辆车是由一台3.7kW的两缸内燃机和两个2kW轮毂电机组成的串联式混合动力系统。下图就是2007年由保时捷博物馆制作的复刻版Lohner-Porsche Semper Vivus[2]。从这辆车身上可以很明显的看出918 Spyder plug-in hybrid的历史传承,比如...(此处省略XX字,实在编不出来,保时捷的工友和粉丝们,这段要靠你们来扯淡了)

而现代意义上的动力分流型混合动力驱动系统是由TRW在1960年代发明的。他们在1971年和1973年申请的两篇专利中所描述的混合动力驱动装置从原理上已经与现在的动力分流技术一般无二,下图就是专利文件中所描述的机械原理和控制电路[3][4],这手绘的图纸真心漂亮,我用CAD都画不出这么漂亮的图纸。


上图中包括了发动机2和两个电机22和28,以及一套行星齿轮10,是一种单模输入动力分流系统,发动机2通过传动轴4穿过行星架6连在太阳轮5上面,电机22通过齿轮26与行星架6相连,齿圈12被太阳轮5和行星架10共同驱动并通过传动轴18将动力输出,在传动轴上还通过齿轮16与电机28并联。简化一下就是下面这个结构。

而第一代普锐斯的结构如下[5],结构几乎一模一样,只是调换一下电机和发动机的位置。

可惜的是,那个年代不止没有计算机辅助制图,计算机电控技术也不够成熟,也没办法将这样的设计真正投入量产。

在同一时期,通用汽车也设计出了使用行星齿轮进行动力分流的混合动力驱动系统,只不过动力源是来自GE的燃气涡轮和两个电动机[6]。

这套系统应用在LIRR(长岛铁路)的M1 EMU火车上并制作了8辆样车,可惜,到1976年这个项目就被取消了。

后来在这套系统的基础上做了小型化的改进,换装了ACT-5燃气涡轮,装在了雪弗兰Express概念车上[7]。

这辆车也出现在回到未来系列电影中,如果看过电影一定会对它印象深刻。 (暴露年龄了...

到了1992年,近代美国亚搏下载 客户端最聪明的一对CP-克林顿和戈尔-入主白宫。他们上任的第二年就发起了PNGV项目,联合三大汽车厂商研发新技术降低油耗和排放来改善日益严峻的环境问题并与以低油耗席卷美国亚搏下载 客户端市场的日本车竞争。这俩人绝壁聪明绝顶,目光长远,戈尔直到现在还为环保四处奔走。现任的Trump总统一上台就要顺着三大汽车厂商的路子提高CAFE限值,既无益于环境,也无益于企业长远的竞争力,简直是开历史的倒车,目光何其短浅。

这个时候通用汽车常年搞混动的底蕴就显现出来了,以一套前轴电机后轴柴油机的并联混动系统跑出了80mpg的油耗值,相当于百公里3升,还有镍氢电池和锂电池俩版本,这在当时是妥妥的黑科技啊。后面通用再接再厉,继续鼓捣行星齿轮,相关的专利申请了一大堆,各种构型都有,什么BSG, P1P4, 双模输入动力分流、双模复合动力分流、单模输入动力分流、三模复合动力分流,通通都申请了专利[7][8][9][10][11][12][13][14]。一组两组三组甚至四组行星齿轮的都有,样车也没少做。

与此同时,丰田也在积极开发混合动力技术,并启动了一个叫做G21的项目,这就是后来的Prius。在1995年1月份,丰田的工程师从80余种构型中确定了一种做为后来Prius所采用的动力分流技术方案[15],然而他们并不知道,通用汽车此时已经提交了一个“单模输入动力分流”的专利[12],丰田的技术方案实际上是被包括在在通用汽车专利所覆盖的变种之中。后来,丰田抢在GM专利生效的那一天,1996年9月24日才提交了自己的混合动力变速器专利[16]。所以通用在开发动力分流的混动系统时,完全没有啥专利授权的困扰。

说到专利,其实高手在民间,90年代初美国亚搏下载 客户端有个前苏联来的大学教授Alex Severinsky申请了一组混合动力的专利[17],并成立了一家公司。在丰田Prius被引入美国亚搏下载 客户端之后,这位老兄就起诉丰田侵犯了他的专利并要求法院禁止丰田在美国亚搏下载 客户端销售所有的混合动力车辆,在法院上反复撕逼之后,丰田和他达成了庭外和解,付了一大笔钱获得了他的23项专利授权。后来他还把起亚和福特等其他进入混合动力市场的公司也告上了法庭并成功迫使这些公司掏腰包购买的他的专利授权[18]。从那之后这位老兄就在他的个人主页上胜利的宣称自己是Prius等车辆上应用的混动技术的发明人,拥有30多项美国亚搏下载 客户端专利及全球各地的大量专利等等[19]。到目前为止,他还没起诉过通用,大概觉得胜算不大吧。

在1997年丰田发布了Prius之后,通用汽车加速了混合动力系统开发的步伐。在详细的评估了不同构型在油耗和性能上的优劣后,通用发现单模式输入动力分流这种构型,也就是丰田选用的这种构型虽然可以满足全部使用工况的需求,但是需要更高的发动机功率、更大的电机扭矩和转速,在高速工况下效率较低;单模式输出动力分流构型由于速比的限制,无法单独构成混动系统,但是可以作为多模系统中的一部分;复合动力分流构型在很多工况下都有很好的效率,尤其是在高速巡航工况下,电池和电机的损耗最小,但是在起步工况下的效率很低还存在功率循环的问题。因此,结合输入动力分流和复合动力分流构型的优点的双模系统能够选取功率和扭矩适中的电机,符合所有工况的要求,并且具有最高的系统效率和最佳的性能表现,这也是双模系统的设计理念[20]。在1999年,通用汽车申请了双模混合动力系统的专利[21],并首先应用在大型公交车上,通过旗下的Allison变速箱公司,通用汽车对外提供了大辆的混合动力系统。这套系统至今还是混合动力公交车最主要的解决方案之一,国内的公交车也有不少采用了这个混动系统。

这个双模混动系统后来还应用在凯迪拉克Escalade、GMC Yukon和Chevy Tahoe等全尺寸SUV和皮卡上,表现也相当不错,既改善了燃油经济性,又提升了动力性。

这套双模系统的系统设计、电气架构和控制逻辑已经相当成熟,可以说,这是通用汽车真正投入量产的第一款混合动力系统。这套系统也奠定了通用汽车后续混合动力系统的基础,之后的混动系统从原理和架构上都没有太大的变化,更多的工作是对系统效率的优化。

在这个系统中,TPIM(Traction Power Inverter Module)集成了逆变器和控制器的功能,负责将ESD(Energy Storage Device)也就动力电池输出的直流电转换为三相交流电。TPIM内的混合动力控制器HCP通过高速总线与发动机控制器ECM,变速箱控制器TCM,电机控制器MCP,以及动力电池控制器BPCM相连接以控制发动机、电机A和电机B的转速和扭矩以及相关的离合器协同工作[22]。

这套混动系统的工作模式也很有特点,并不是像传统的变速器一样通过标定好的曲线来触发模式切换。而是通过试验测量和标定,获得电机、电池、发动机在不同工作状态下的损耗。根据客户的油门踏板深度和这些损耗数据,TPIM内的车载计算机在每秒钟进行100多次优化计算,使整套混合动力系统始终工作在效率最高的工作状态。尤其是在PHEV或者EREV上,这套算法不但能使系统工作的油耗最优,还能保证电能的消耗也尽量低,是一套非常有前瞻性的控制算法[23][24][25]。

随后,通用汽车将这套双模系统命名为AHS(Active Hybrid System),并在2005年与克莱斯勒、宝马和奔驰一起成立了“Global Hybrid Cooperation”,全球混合动力联盟,共同开发基于AHS技术的混合动力车辆并计划从2008年开始销售。可惜这几家盟友最后纷纷取消了自己的混动项目,这个联盟也无疾而终了。

在2010年,通用发布了Voltec驱动技术并应用在Chevy Volt上。并由此第一次提出来增程型混合动力(EREV)的概念[26],与PHEV相比,EREV的驾乘体验更接近电动车,在电池电量充足的时候全部的能量都由电池输出,电池与电机的能力能够支持车辆在最高车速、全油门加速等工况下纯电行驶。仅当电池电量不足时,才通过发动机提供能量输出。而PHEV即便在电池电量充足时,如果需要较大的功率输出,也还是需要发动机提供相应的动力[27]。



随着技术的不断成熟,通用在2015年发布了第二代的Voltec技术。第二代的Voltec技术不但可以应用在EREV上,还可以应用于HEV、PHEV等混动车辆上。现在已经投入国内市场的别克全新君越混动、雪弗兰迈锐宝混动和最新上市的别克VELITE5增程型混合动力都应用了第二代Voltec技术。

虽然沿用了第一代Voltec技术的整体架构与控制策略,但是与第一代Voltec技术相比,第二代Voltec的集成度更高,TPIM被集成进变速箱之中,不但减轻了系统的重量,还提升了系统效率,简化整车布置和发动机舱设计,具有更高的可靠性和更低的维护成本。第二代Voltec的驱动单元将平行轴齿轮主减速器改为链条传动主减速器,并通过优化油泵和电机,将第一代驱动单元中的一个机械油泵一个电子油泵合并成一个电子油泵。驱动单元的重量从第一代的164公斤降低到119公斤,降低了接近30%[1]。


上图就是应用第二代Voltec技术的别克Velite5驱动单元的剖面图。它的驱动原理可以简化成如下图所示的示意图。

发动机连接在第一排行星齿轮的齿圈(Ring)上并连接了一个单向离合器OWC;电机A与第一排行星齿轮的太阳轮(Sun)相连并通过离合器C1与第二排行星齿轮的齿圈相连;电机B与第二排行星齿轮的太阳轮相连;第二排行星齿轮的齿圈可以通过离合器B1与变速器壳体锁止;两排行星齿轮的行星架(Carrier)连接在一起,共同驱动输出轴。将其简化成杠杆图就可以分析其不同的工作模式。

根据电池电量,车辆会自动在纯电驱动,也就是CD模式和混合动力驱动,也就是CS模式之间进行切换。


在CD模式下,发动机不介入驱动,此时具有单电机驱动和双电机驱动两个模式,可以根据车速和加速的需求来进行切换。在一般的驾驶工况下,驱动轴扭矩需求较小,单电机驱动就可以满足要求,电机B负责进行驱动。此时电机A空转,单向离合器OWC没有负载;在加速或者爬坡等扭矩需求大的时候,电机A也介入驱动,这时由于单向离合器起的限制,发动机并不会被倒拖。由于能通过两个电机同时驱动,因此别克VELITE5可以选用两个稍小的电机来实现纯电驱动。


当车辆处于CS模式时,如果车速和扭矩的需求较低,如城市内塞车时的走走停停,发动机仍然不必参与驱动,单电机驱动模式就足够了;随着车速增加,电机A带动发动机启动,进入Low Extended Range模式,此时离合器B1接合,离合器C1打开,驱动系统能够提供较大的扭矩;根据车速和扭矩需求,驱动系统会进入到Fixed Ratio Extended Range模式,此时离合器B1和C1都接合,驱动系统以一个固定速比输出,具有很高的效率;在高速上,由于扭矩需求不大,因此可以进入High Extended Range模式,此时离合器B1打开,离合器C1接合,电机B的转速不必跟随输出轴转速变得很高,此时电机的效率和电池的效率仍能够保持较高的水平,与丰田的THS相比,这也是第二代Voltec技术最大的优势[1]。


从TRW的专利到目前最先进的Voltec,动力分流型的混动系统已经走过了半个多世纪的里程,从青涩到成熟,在通用、丰田等厂家的努力下,已经成为了目前最高效也是最成熟可靠的混合动力系统,是既满足节能环保要求,又满足消费者对性能的需求的新能源系统。


参考资料:

1. Conlon, B., Blohm, T., Harpster, M., Holmes, A. et al., "The Next Generation “Voltec” Extended Range EV Propulsion System," SAE Int. J. Alt. Power. 4(2):248-259, 2015, doi:10.4271/2015-01-1152.

2. Prof. Ferdinand Porsche Created the First Functional Hybrid Car

3. Baruch Berman, George H. Gelb, Neal A. Richardson, Tsih C. Wang, "Power Train Using Multiple Power Sources, " 1971, U.S. Pat. 3,566,717.

4. Baruch Berman, George H. Gelb, Neal A. Richardson, Tsih C. Wang, “Power Train Using Multiple Power Sources,” 1973, U.S. Pat. 3,732,751.

5. 朱玉龙,“从粗略和细致两个维度来看汽车混动架构,”2016,从粗略和细致两个维度来看汽车混动架构 - 汽车电子控制 - 电子发烧友网.

6. Albert N. Addie, La Grange Park Ill, "Bi-Modal Vehicles With Drive Means For External or Self-Propulsion," 1972, U.S. Pat. 3,699,351.

7. Dan McCOSH, "Turbine Turn-On," Popular Science, 1987

8. Robert J- Dorsan, "Electric Drive system For Track-Laying Vehicles," 1993, U.S. Pat. 5,195,600.

9. James F. Sherman, "Intergrated Hybrid Transmission with Inertia Assist Launch", 1994, U.S. Pat. 5,285,111.

10. Michael R. Schmidt, "Two-Mode, Input-Split, Parrallel, Hybrid Transmission," 1996, U.S. Pat. 5,558,588.

11. Michael R. Schmidt, "Two-Mode, Compound-Split,Electro-Mechanical Vehicular Transmission," 1996, U.S. Pat. 5,558,589.

12. Michael R. Schmidt, Donald Klemen, "One-Mode, Input-Split, Parallel, Hybrid Transimission," 1996, U.S. Pat 5,558,595.

13. Michael R. Schmidt, "Two-Mode, Split Power, Electro-Mechanical Transmission," 1996, U.S. Pat. 5,577,973.

14. Michael R. Schmidt, "Three-Mode, Input-Split, Hybrid Transmission," 1996, U.S. Pat. 5,730,676.

15. Hideshi Itazaki, "The Prius That Shook the World," 1999.

16. Shoichi Sasaki, Tetsuya Abe, Masaaki Yamaoka, "Power Output Apparatus and Method of controll the Same," 1999, U.S. Pat. 5,907,191.

17. Alex J. Severinsky, "Hybrid Electric Vehicle," 1994, U.S. Pat. 5,343,970.

18. Alexei Severinsky, Wikipedia.

19. Severinsky, Dr. Alex, University of Maryland.

20. Conlon, B. “Comparative Analysis of Single and Combined Hybrid Electrically Variable Transmission Operating Modes,” SAE Technical Paper 2005-01-1162, 2005, doi:10.4271/2005-01-1162.

21. Michael R. Schmidt, "Two-Mode, Compound-Split,Electro-Mechanical Vehicular Transmission," 1999, U.S. Pat. 5,931,757.

22. William R. CaWthorne,Mario V. Maiorana, Jr.,Jy-Jen F. Sah, et al., "Control System Architecture for a Hybrid Powertrain," 2009, U.S. Pat. 7,537,542.

23. Anthony H. Heap, Kee Yong Kim, "Method for Predicting an Operator Torque Request of a Hybrid Powertrain System," 2009, U.S. Pat. 2009/0118879.

24. Jy-Jen F. Sah, "Method and Apparatus to Control an Electro-Mechanical Transmission During Shifting Event," 2007, U.S. Pat. 2007/0276569

25. Jy-Jen F. Sah, Todd M Steiinmetz, "Shift Inhibit Control for Multi-Mode Hybrid Drive," 2006, U.S. Pat. 7.010,406.

26. Michael A. Miller, Alan G. Holmes, Brandan M. Conlon, Peter J. Savagian, "The GM "Voltec" 4ET50 Multi-Mode Electric Transaxle," SAE Technical Paper 2011-01-0887, 2011, doi:10.4271/2011-01-0887.

27. Uwe d. Grebe, Larry T. Nitz, "Voltec–The Propulsion System for Chevrolet Volt and Opel Ampera", ATZ Autotechnology, Vol. 11, 2011.

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照例先说观点,后面详细聊。 新能源车型的种类,如果分大类常见的有BEV,HEV和PHEV。让小星来推荐小星第一个想到的就是推荐PHEV。因为电池技术完全成熟以前,BEV还是无法满足长途旅行的需求。但是HEV又在日常使用时仍然存在排放,没有根本解决问题。总体来说PHEV是个不错且平衡的选择。但当小星最近试驾了别克VELITE5以后,觉得通用提出的EREV概念很新颖。结合了BEV和HEV的优点,同时在PHEV的基础上进一步提升了纯电续航里程和驾驶体验。这一下子让小星改变了对新能源车的认知。接下来随着小星一起来了解一下细节吧。

↑新能源车型分类(来自SAE J1715) 1. 新能源车型种类比较 根据行业信息报告(行业标准)SAE J1715的定义,新能源车型的种类如果分大类常见的有BEV,HEV和PHEV。 纯电电动汽车BEV能量走向比较简单。电池组RESS的电量主要来自于插电接口来自电网的电力。少部分可以在行驶过程中进行制动能量回收,从而少量动态补充。行驶时动力电机Traction Motor通过电池的电量经齿轮组Gearing进行车辆驱动。

↑纯电电动汽车BEV能量走向示意图 而对应的全混合动力汽车HEV能量走向则都来自于燃料,最常见的能量来源就是汽油。车辆工作在电量保持模式下,发动机通过齿轮组和电机配合驱动车轮。电池组可以通过电机输出扭矩,也可以通过电机回收制动能量或者通过发动机发电对电池组充电。这边提到的齿轮组又有多种分类,稍后会有具体介绍。

↑全混合动力汽车HEV能量走向示意图 相应的插电混合动力汽车PHEV能量走向则结合了BEV的插电部分和HEV的发动机部分。电池可由外部电网通过充电器充电,也可以通过电机回收制动能量或者通过发动机发电对电池组充电。车辆行驶可以由纯电驱动或者发动机通过齿轮组和电机配合驱动车轮。

↑插电混合动力汽车PHEV能量走向示意图 那么如前面提到的混合动力齿轮组又分为多种类型。具体如下。 双电机动力分流 小星曾在之前的多篇新能源相关文章中提到,目前世界两大混合动力阵营,主要以双电机动力分流和单电机+变速箱两种类型分界。关于双电机动力分流,目前通用和丰田都基于该技术类型。并且已有多年大销量的使用经验。再细节来看,通用和丰田在类型细分上又有些不同。 如下图左为输入分流,发动机动力从输入侧就开始分流,齿轮组靠近发动机侧,车轮则靠近电机。丰田混动系统即属于该种类型。图右为输出分流,发动机动力从输出侧分流。齿轮组靠近车轮,发动机则靠近电机。

↑输入动力分流(左)和输出动力分流(右)示意图 而另一种分类,则考虑了如上提到的两种方式进行结合,成为复合分流。在发动机和车轮侧都留有齿轮组。通用第二代Voltec电子可变驱动系统即属于该种类型。通过离合器可灵活的根据工况在输入分流和复合分流工作模式之间切换。

↑复合动力分流示意图 单电机+变速箱 另一种比较大的分类就是单电机+变速箱。由于其和之前传统车使用的变速箱变化不大,因此使用也比较广泛。比如单电机双离合P2,将电机放置在发动机和变速箱之间。两边分别用两组离合器控制其连接和脱开。大众、奥迪、奔驰和宝马的多款新能源车型即使用的该种方式。而比亚迪的多款车型则把电机放置在了P3的位置。同样是和传统变速箱配合,不过电机更多的考虑纯电形式的工况。对应的越来越多的四驱车型,开始使用P4的混动模式。比如宝马的i8和X1 PHEV,又或者是沃尔沃、比亚迪和其他国内整车厂的新能源SUV车型。单电机+变速箱的混动系统的鲜明特点就是结构简单。但由于只有一组电机,工作模式相对也会少一些。

↑单电机双离合器混合动力示意图 那么通用提出的增程式电动车EREV到底是个什么概念呢?实际上行业标准SAE J715并没有做出明确的规定。不过在文首新能源车型分类图中,你可以看到行业标准将EREV归类在PHEV的范畴中。你可以认为它是一种特殊的PHEV。怎么个特殊法呢?通用相关SAE论文中给出了更详细的定义。当车载电池组有电的情况下,车辆可以达到完全的性能,附属供能装置(通常是发动机)可仅在电池组低电量的情况下介入。这样的车型定义为EREV。 EREV与传统PHEV车型特性的对比,则可以参考下图。 上半部分为PHEV特性下半部分为EREV特性。同样工作在电量消耗模式,EREV较传统PHEV的纯电行驶里程更长。并且传统PHEV在电池组有电的情况下,要达到全性能工况时需要启动发动机。这些工况可能就包括高速行驶时的全力加速。而对应的EREV在电池组有电的情况下,应对各种工况发动机都不需要启动。

↑PHEV与EREV基于电量消耗模式对比(来自通用MTZ期刊文章) 将上述对比图简化成如下图表,EREV最大的特点是相比传统PHEV纯电历程更长,纯电模式驱动系统性能更强。

↑插电式混动PHEV和增程式混动EREV对比表(来自通用SAE论文) 如下表格详细对比了HEV,PHEV,EREV和BEV的各个重要参数。可以看到传统的PHEV发展思路更偏向于对HEV车型的强化。加入充电系统和加大电池容量。但其纯电模式还是满足大部分的城市工况。而EREV的发展思路更偏向于EV车型,加入发动机来去除用户的纯电里程焦虑,并且满足长途城际旅行的需要。

↑HEV、PHEV、EREV和EV之间的特性对比(来自通用SAE论文) 其实由于国内新能源政策的导向,不难发现很多国内自主车型也开始向更长的纯电行驶里程发展。相关电机也不断强化去满足越来越高的性能要求。但是通用第二代Voltec电子驱动系统有一个非常鲜明的特点。那就是整个系统的平顺性。如下为相关车速与加速度关系图。可见红色部分对应的电子驱动系统由于其连续可变的特性,相较传统自动变速箱能够在全车速范围内提供良好的平顺性。同时不管发动机是否启动,其整车的驾驶舒适度和加速性能是基本相同的。不会出现某些车型感觉很明显的有电时如虎,无电时像猫的感受。

↑别克智能电驱系统与传统自动变速箱比较 2. 别克VELITE5 引入3e理念

随着别克VELITE5增程式电动车EREV新能源车型的上市,小星有机会通过试驾感受了其特有的平顺且相当均衡的驾驶体验。具体来说,别克今年提出了3e技术理念,即智能电驱eMotion、智能互联eConnect和智能安全eProtect。拿VELITE5车型来说很有代表性,让消费者能够真正通过新能源享受科技带来的生活便利。而不用向纯电里程焦虑做出妥协,也不用牺牲安全性能。 智能电驱eMotion 如下图所示别克VELITE5的这套混合动力系统的核心包括位于车头部的电驱动模块以及1.5L发动机和位于车身中部延伸至尾部的T形大容量高性能锂电池系统。

↑别克VELITE5 增程式混合动力总成 如开头提到的能量流走向。别克VELITE5的电池可由外部电网通过充电器充电,也可以通过电机回收制动能量或者通过发动机发电对电池组充电。车辆行驶可以由纯电驱动或者发动机通过齿轮组和电机配合驱动车轮。其他车内的传统低压负载则由DCDC转换器模块将电池的高压转换成低压供电。

↑别克VELITE5 驱动系统组件(来自通用SAE论文) 其电驱动系统的设计采用了通用第二代Voltec的设计理念。如下图所示动力电机功率逆变器驱动模块TPIM和双电机(Motor A和B)集成在一起,这样省却了高压大功率三相交流电缆。来自锂电池系统的高压直流电缆连接器位于模块的上部(High-voltage connection to battery),逆变器与电机的连接被高压连接端子(High-voltage connection to power electronics)所取代并集成在模块内部,这样大幅降低了整体模块的体积。

↑通用全球第二代VOLTEC增程型电驱技术-–-电控智能无极变速箱 如下图的电驱动模块剖面图所示,双电机定子绕线采用条状绕线设计Bar Winding。这样的设计降低了电机工作时的噪音,提高了工作效率。

↑电驱动模块剖面图 别克VELITE 5配备通用专利的EVT电控智能无级变速箱5ET50包括5种工作模式。其中两种为纯电模式EV Mode(发动机保持关闭)和三种增程模式Extended Range Mode。

↑通用专利的EVT电控智能无级变速箱5ET50包括5种工作模式 具体来看的话,下图为第二代Voltec的纯电模式示意图。两组行星齿轮的内齿齿圈分别通过自动锁止单向离合器OWC1和离合器锁止至变速箱体并处于静止状态。电机MGA和MGB可通过行星齿轮组PG1和PG2分别以不同的传动比向车轮输出动力。右边即为对应的两种纯电操作模式及对应的车速扭矩区间:单电机EV模式CD1和双电机EV模式CD2。

↑第二代Voltec的纯电模式示意图 相应的下图为第二代Voltec增程模式示意图。增程模式下,发动机工作输出的动力通过不同的离合器C1和B1的连接组合将动力传输至车轮。增程模式包括三种操作模式:低增程模式Low Extended Range(属于输入动力分流Input Split模式),固定比率增程模式Fixed Ratio Extended Range(输出传输比固定,此模式没有动力分流)和高增程模式High Extended Range(属于复合动力分流Compound Split模式)。

↑第二代Voltec增程模式示意图 文首提到的别克VELITE5优越的平顺性,具体来看由如下的多种工作模式进行保证。多个工作模式之间的转移都考虑了相应的过渡同步动作。最终的效果就是不管动力来自纯电电机驱动还是发动机混合动力模式,其加速都随叫随到。

开过传统AT变速箱的朋友都知道,当高速上进行超车时,踩下油门后,变速箱需要一个比较明显的反应时间。然后变速箱进行降档操作,发动机转速提升再提速超车。这个AT变速箱反应造成的延迟在涡轮增压的发动机涡轮延迟面前显得尤为明显。而VELITE5由于采用了电子可变驱动系统,其加速不存在降档过程。踩下油门,几乎同时迅猛的加速即爆发了出来。给高速超车提供了更多的信心。同时整个加速过程由于没有挡位的概念,更加的持续和平顺。

↑多模式智能切换关系图(来自GM SAE论文) 虽然别克VELITE5大部分时间可以工作在纯电模式下,但基于不算太大的30L容量油箱提供更长的综合续航里程,别克引入了一款高效的小排量汽油直喷发动机。这款1.5L的自然吸气发动机,配合电子可变驱动系统可达到768公里的综合续航里程。 该发动机拥有高达12.5的压缩比,配合集成排气歧管、两级可变机油泵、外部冷却加内部循环EGR系统以及带有LIVC(进气门延迟关闭)的DVVT技术。

↑别克VELITE5 配备的1.5L 第二代Voltec发动机(来自通用SAE论文) 如上提到的使得这款发动机具有非常高效率的两大关键技术,来自进排气正时独立可调的DVVT以及外部冷却EGR系统。如下列出了不同发动机负荷和转速区间下DVVT和EGR工作模式对应关系。 当发动机工作在低负荷区Zone1时,DVVT系统会尽量让系统处于LIVC(进气门延迟关闭)状态。即进入米勒循环,提高膨胀比,从而提升发动机效率。当发动机工作在中负荷区Zone2,且发动机转速不高时,外部冷却EGR系统打开工作,提高发动机节气门全开wide-open throttle (WOT)的性能。当发动机转速进一步提升至Zone3时,外部冷却EGR系统停止工作,从而提高发动机的扭矩响应性能。当发动机工作在高负荷区Zone4时,DVVT系统提前正时,配合发动机提升相应的效率和扭矩表现。

↑通用第二代Voltec发动机LIVC和EGR对应发动机工况示意图(来自通用SAE论文) 别克VELITE5还提供了多种驾驶模式,可供驾驶者灵活选择。驾驶模式具体包括普通模式、运动模式、山地模式和锁定模式。当选择到运动模式时,车辆对加速的响应会更快,满足较激进的驾驶风格。而山地模式专用于长时间的爬坡工况。锁定模式则用于让驾驶者主动选择发动机开始工作的时间点。比如行驶在路况好的高速上,此时发动机可工作在高效区。此时可以主动选择让发动机开始工作。从而保持更多的电量用于后续进入市区拥堵路段进行纯电行驶。

↑别克VELITE5的多种驾驶模式选择 智能互联eConnect 说到汽车互联,可能首先想到的就是通用的OnStar安吉星系统。此次别克VELITE5搭载了最新的第10代安吉星系统。支持4G LTE的高速通讯。当然给乘客的最大好处就是可以方便的享受车内WIFI系统了。

↑别克VELITE5 配备的最新的第10代安吉星 另一方面车辆的关键信息,比如充电状况和电量信息都能上传至云端。

↑别克VELITE5的车辆能量及充电状态可通过安吉星上传至云端 通过手机端OnStar APP可查询从车况、4G、遥控到充电的多种信息。而且更多的功能比如和智能家电的配合正在逐步加入和完善起来。

↑OnStar APP可查询车况、4G、遥控和充电信息 在享受智能互联的同时,别克品牌成名的静音控制技术也在VELITE5车型上得到了很好的体现。配合BOSE高端音响,旅途中可以好好享受音乐了。

↑别克VELITE5 配备的BOSE音响 同时别克VELITE5还提供了Carplay系统,可USB连接iphone进行导航或其他应用的屏幕投射。

↑别克VELITE5 配备Carplay手机屏幕投射 智能安全eProtect 在某些新能源车型上,为了追求能耗采用了低滚阻的轮胎,这无形中降低了车辆的安全性。而别克VELITE5引入了智能安全eProtect的理念,绝不对安全妥协。该车型搭配了215宽度的17寸米其林轮胎,配合硬朗的悬挂支持,让该车具备了良好的安全性和操控性。 被动安全方面别克VELITE5配备了行业领先的10安全气囊。

↑别克VELITE5 配备的10安全气囊 于此同时,更多的主动安全帮助VELITE5防范事故于未然。比如其不仅配备自动泊车功能,而且其倒车影像系统还带障碍物识别功能。能够智能提醒驾驶者在倒车时注意后方的障碍物。

↑别克VELITE5 配备集成障碍物识别功能的倒车影像 同时别克VELITE5还配备自适应巡航及碰撞预警功能。这点在长途驾驶时非常有用,自适应巡航系统可自动保持与前车的距离。当有碰撞风险时,抬头警示LED还会发出红光照射至挡风玻璃进行视觉警示。当出现车道偏离时,车辆还能识别出车道并主动通过方向盘给出回正力提醒驾驶者注意。

↑别克VELITE5 配备自适应巡航及碰撞预警 另一个主动安全功能在雨天非常有用,那就是盲点监测功能。可以提醒驾驶者两侧盲区当中的是否存在车辆。如下为别克VELITE5的盲点监测功能相关视频。


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以上,如果推荐最能满足消费者需求的新能源汽车种类,小星会推荐通用提出的EREV概念。因为它在PHEV的基础上进一步提升了纯电续航里程和驾驶体验。比如别克VELITE5 EREV车型更偏向于EV车型特点,加入发动机来去除用户的纯电里程焦虑,并且满足长途城际旅行的需要。同时能够在全车速范围内提供良好的平顺性。不管发动机是否启动,其整车的驾驶舒适度和加速性能是基本相同的。结合通用的3e理念,即智能电驱eMotion、智能互联eConnect和智能安全eProtect,让消费者能够真正通过新能源享受科技带来的生活便利。 参考文献和扩展阅读 SAE论文 SAE 2015-01-1272 通用高效增程式Ecotec小型汽油发动机内燃系统的开发Development of the Combustion System for General Motors High-Effciency Range Extender Ecotec Small Gas Engine SAE论文 SAE 2015-01-1164 雪佛兰Volt电气化单元Chevrolet Volt Electric Utilization SAE论文 SAE 2015-01-1152 新一代 “Voltec” 增程式电子驱动系统The Next Generation “Voltec” Extended Range EV Propulsion System SAE论文 SAE 2011-01-0887 通用 “Voltec” 4ET50多模式电子驱动系统The GM “Voltec” 4ET50 Multi-Mode Electric Transaxle SAE论文 SAE 2005-01-1162 对比分析单模式和多模式混合动力电子可变变速箱工作模式Comparative Analysis of Single and Combined Hybrid Electrically Variable Transmission Operating Modes SAE行业信息报告 SAE J715 混合动力HEV与纯电动EV术语 Hybrid Electric Vehicle (HEV) and Electric Vehicle (EV) Terminology MTZ 2011/05期刊文章 “Voltec” --雪佛兰Volt和欧宝Ampera电子驱动系统 Voltec – the Propulsion system for chevrolet Volt and opel ampera by Larry Nitz --------------------------------------------------------------------------- 如果感兴趣可以关注“辣笔小星”的微信公众号。你的关注,我的动力。

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现在的新能源车型,满足消费者的日常通行距离需求并不是什么难事,真正满足不了的其实是充电/充燃料等一系列配套设施的问题。所以,其实消费者才不管你什么技术路线,消费者关注的是体验。

纯电动汽车拥有更快的加速、随叫随到的动力,独有的静谧性等等,对于驾驶者来说这样的驾驶体验当然很爽啦,但是爽完了呢,充不了电就是扑街,在赶时间的情况下充电龟速,这种对于任何一个消费者来说,绝对不想忍啊...

消费者不是对新能源没有兴趣,只是被挡在新能源车型前面的一些难以解决的障碍给吓退了。

像我个人比较关注雅阁混动,这车最近三个月的终端平均销量应该是破千了。比较起来,这种非插电式混动可以受到更多消费者青睐,既没有充电的烦恼,也依然有着不错的燃油经济性。但是对不起,非插电的混动车型在国内严格意义上说并不属于新能源的范畴,它们只能称为节能汽车。

雅阁混动这种HEV车型,和PHEV、EREV、EV这些新能源车型相比,其EV模式的续航非常有限,更多是在起步阶段以及低速阶段短暂使用,非常有限的纯电驾乘体验,更多时候还是发动机为主的混动驱动。

HEV的优势在于无需充电桩,对充电设备是零依赖,虽然燃料是汽油,但燃油消耗比传统燃油汽车更具备经济性。这也是为什么很多人会把雅阁混动、君越混动这类HEV车型看做是当下向EV时代过渡的一种比较好的车型。

当然了,在大多数消费者眼里,HEV也是被当做新能源车型来看的。但说实话,买HEV的车主,其实很多是奔着节油目的买车的,买雅阁混动和买雅阁的车主人群差别会很大么?不至于,雅阁混动被很多人看做的是车系旗舰,附带省油标签而已。

关于新能源汽车的种类,如果HEV不算的话,划分下来其实是FCV、EV、EREV、PHEV这几类,下面一个个来说。

FCV

氢燃料电池车(FCV),对于当下来说还是过于前卫了,对充气设备有着极强的依赖性,没有氢气站,FCV这类车就无法运转。也就是说,FCV车型是一个先有配套设施后有市场的车种,而当下我们也看到了,充电设备都不完善,氢气站设备的覆盖和普及更是遥不可及。

FCV车种本身是足够环保的,碳足迹是燃油的一半,燃料成本也低,无需附带沉重的电池组,那么FCV满足消费者的点就在于环保以及便利性(充气和加油一样方便),只是用现在的眼光来看FCV,走进家庭还有一段很长的路要走。FCV所满足的消费者,毫无疑问是那些环保理念和消费前卫兼具的买家,不过也正因为这样的买家少之又少,所以FCV目前更多是出现在租车公司里,而且在美国亚搏下载 客户端也就加州有的卖。

这里面最关键的是氢气站成本太贵太贵,有调查表示一个氢气站的成本接近200w美元。丰田为了Mirai拿720w美元在加州建氢气站,但你们要知道,加州政府还另外支持了2亿美元,简而言之,氢气站的建立远比充电站难的多,自家车库还可以建个充电桩,但FCV这样玩不来,日本几家车型关于氢燃料的未来设想是共同承建氢气站。FCV在目前看来更像是一种投资型车种,当下仍是一个概念。国内十三五规划说2020年要试运营1w台,我已经隐约听到啪啪啪的打脸声。

EV

EV是方向,是趋势,现在各种新能源汽车的努力,可以说都是为了最后向EV的转变。EV的优势是零排放、噪音小,结构相对传统汽车更简单,而局限性是长途续航、充电以及成本问题。不过,即使存在配套充电设施覆盖率不完善的问题,EV车型仍然有吸引消费者的地方,那就是环保理念的契合、纯电迅猛的驾驶体验,当然也有送牌照这类政策的诱惑。不过说实话,真正购买EV车型的人群目前仍然有限,当下更多EV车型还是流向了共享租车,城市公交、出租车等领域

面向私人的纯电动可以简单分为两类,一种是像Leaf,也就是启辰晨风这种比较传统的纯电动,但实际上私家车主也很有限,作为这个世界上卖得最多的纯电动车型,启辰晨风去年在国内只卖了1600多台,这还包括很多因为牌照附加值而不得不选择EV的买家。

另外一种是Tesla,走的是高端化路线,目前市面上的能见度还可以,主要活跃在北上广这样的一线城市。Tesla不仅卖车,还卖品牌,卖情怀,买理念。

所以EV车型满足消费者基本可以归纳这几类:1、通勤距离短且固定,长途驾驶需求低。2、家里不止一辆车,且有满足长途续航的车型。3、送牌福利,无奈之选。4、喜欢电动驾驶体验。5、环保理念。不过EV车型对配套的充电设施有硬性要求,而且依赖度很高,这也是EV买家必须要接受的使用方式。

EREV

采用增程式插电混动的车型其实基本可以数得过来,目前市场上主要就是宝马i3、奥迪A1以及最近上市的别克VELITE 5,另外包括一些像传祺这类自主品牌也有增程式车型的规划,只是大部分都难产没有最终落地。这类车型的特点在于,它对配套的充电设施依赖性没那么强,没电了依然可以通过给发动机加油来输送电力。

和HEV车型比,EREV具备更长的纯电行驶里程,具备EV车型的一些驾驶感受。

和EV车型比,虽然EREV的纯电续航里程不如EV长,但总的续航里程并不输,i3的增程式比纯电就多个100km,VELITE 5的续航甚至可以超过700km,不像EV车型那样完全依赖充电设施,EREV只需要加油就可实现更长续航里程。

和PHEV对比,EREV和PHEV一样对充电设施的依赖性本身并不算大,但相比之下,EREV对充电设施的依赖其实会更低些,因为除了靠充电设施外,它会有发动机专门给电池组充电。

这里稍微说下VELITE 5,它的增程技术稍微特别些,它在电池电量达到设定的最低限值时,系统以一个HEV的模式去运作,可以实现混动、发动机直驱等多种驱动模式,跟传统增程式汽车的发动机永远只供电给电池还是有差别的,这样的好处是在电量告急的情况下,以高效率、低能耗实现每个工况, @张抗抗 的回答讲的比较好理解,大家可以看看。

再把宝马i3也带进来说一说可能好理解些,像i3就是比较符合我们印象里的增程式车型,它的出发点是纯电驱动,因此发动机的存在只是为了给电池供电,可以理解为一个充电宝,是应急设备。别克VELITE 5的理念会稍有不同,城市路况可以做到一个纯电驱动的状态,零排放零污染,它与宝马i3不同的地方是,发动机在高速也可直接驱动车型,顺便给电池充电

简单来说,像VELITE 5这种EREV车型,可理解为是一种具备EV模式的HEV模式的车型,兼具了这两个车种的优势,略有点跨界的优势。以VELITE 5这样的EREV车型为代表,它几乎可以消除里程焦虑和充电焦虑,让新能源车从城内交通走向城际交通,是新能源出行且不用担心长途续航的选择之一。当然,障碍也有,就是如果你的停车位不让安装充电桩,那这也是件头疼的事情。

PHEV

最后是PHEV,简单理解就是HEV的升级版,这类车型一样没有续航焦虑,电池容量比HEV要大,具备一定里程的纯电续航能力。它和EREV同样具备HEV和EV的各自优点,满足了那些对新能源出行有要求又不想担心续航问题的消费者。只是PHEV没电时,发动机就会成为主力驱动车轮,另外在充电设施上,PHEV比EREV会有着更强的依赖性。

在我看来,PHEV是当下最“野蛮生长”的一类车型了,由于政策的支持和政府补贴,自主品牌几乎全部做了几款PHEV车型。我之前开过一段时间的A3 e-tron,我觉得这样的小车在城市里开几乎可以当做电动车来开,回家直接220V插口解决充电问题,一样是一款将新能源从城内交通变成城际交通的车种。

本身新能源车型在某种程度上也是消费升级带来的产品,也是未来的消费趋势。而在当下新能源里面,在我看来PHEV和EREV是比较好的选择,前者带着传统标签,后者和EV车型相像,总之他们都具备了纯电驱动的特性,也无惧续航的困扰。

EV车型其实更适合家庭第二辆以后的车,毕竟续航如果不能解决,那么这辆车所有的优点都化为乌有。如果是家庭第二辆车,那么就会有目的性地去使用,比如接送小孩上下学等短途出行,EV完全可以轻松胜任,从而避免里程焦虑的困扰。

至于FCV,以后再说吧,目前很多车企都没决定是不是要这么干呢,虽然FCV的车型真的也蛮让人有好感的,但开发和布局成本是个大坑,这个真的是要慎跳。

当下几乎所有新能源都面临价格问题和配套设施的问题,堪比疑难杂症。谁成本控制低,政策补贴给力,谁对配套设施的依赖性低,谁就会获得更多市场青睐。君不见多少人为了一张牌而放弃选择,不是不想选,是根本就没得选。

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大部分消费者在挑选传统燃油车的时候已经有一定的心得:自动还是手动?自然吸气还是涡轮增压?1.5L还是2.4L?高配还是低配?

现如今,新能源汽车逐渐成为消费者购买汽车的一个新选择,但是,在挑选新能源汽车的时候,相信大部分消费者还是一脸懵逼:

  • 增程式电动汽车(EREV, Extended-Range Electric Vehicles)是混合动力吗,与插电式混合动力(PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicles)有何区别?
  • 选串联、并联、串并联、混联?

这么多关于新能源汽车的概念,也太复杂了吧?而且,随着时代发展、技术进步,新名词肯定越来越多吧?如果连这些名词都搞不懂,那怎么判断哪种新能源汽车最适合我呢。

实际上,随着新能源汽车技术的成熟,种类是越来越少、越来越容易认知了。只不过各厂商的叫法不一,导致容易混淆。本文就简单地捋一下新能源汽车的历史,帮助大家把概念理清,防止被忽悠。下图是我画的一个新能源汽车简史图,也是贯穿全文的脉络。


1. “上古时代”的串联式与并联式混合动力

串联式(Series HEV)与并联式混合动力(Parallel HEV),都有发动机、电机、电池,给人的感觉很相似,只是拓扑结构不同。对于普通消费者来说,从能量流、控制策略、能量效率等角度来分析二者不同,实在是太不友好了。其实有更直观的理解方式(但未必是真实的设计初衷):

串联式混合动力,其前身是电动汽车,最大的缺点就是续航太短了,动不动就趴窝。怎么办?带个强力充电宝呗。如下图,纯电动汽车拖个强力充电宝,就是最简单的串联式混合动力。因为串联式混合动力可以使电动汽车跑得更远,因此也经常被叫做“增程式”混合动力,这种类型的比如宝马i3增程型混动。

并联式混合动力,其前身就是传统的燃油汽车。各国的油耗要求越来越严格,工程师们发现,单纯地改进发动机、变速箱,已经很难跟上节奏了,只好动起了其他方面的脑筋。汽车的心脏——发动机,有一个特别大的特点,就是暴脾气——高速、低速、高负荷、低负荷,效率都不是很高,必须速度适中、负荷适中才可以。

然而,车开多快、什么时候加速抓坡,是驾驶员与路况决定的,大部分时候都不太迁就发动机的暴脾气。变速箱可以在一定程度上缓解这个问题,但解决得不够彻底——通过换档把速度调得适中的时候,负荷不一定合适;通过换挡把负荷调得适中的时候,速度不一定合适。这时候工程师就请来了电机作为贴身丫鬟,协助发动机工作——当负荷大时,电机就辅助驱动;当负荷小时,电机就发电,从而使发动机的工作状态尽可能地处于高效区。把电机装在动力总成的不同位置,就构成了几种不同的并联式混合动力,叫做P0、P1、P2、P3、P4。

串联式与并联式混合动力,可以理解为是为了解决电动汽车的续航问题与传统燃油车的油耗问题而生的,但殊途同归,最后都有了发动机、电机、电池,就都被归到了混合动力大类。

2. 取长补短,结合成串并联式的混联——历经坎坷,方成大器

串联式与并联式混合动力,都存在显著的弱点,导致其省油效果不明显,因此逐渐被历史淘汰。目前在市面上基本看不到串联式与并联式混合动力的量产乘用车。它们的弱点是什么呢?

在串联式混合动力中,可以说是完美解决了发动机的暴脾气问题——发动机的工作姿态与车辆的负荷、速度无关,只负责以最舒服的姿态给电池充电,可以一直工作在最高效区。这是个好事情,但是我们可以看到,本来发动机烧了油直接就变成了动力,现在却多了发电机发电与驱动电机放电两个环节,这导致了整体的能量效率不佳。

而并联式混合动力中,在电机的辅助下,发电机的转矩可以解耦,但转速还是要跟着车速走的。这导致两个问题,一是发动机无法工作在最佳工作区间,二是发动机依然处于转速不断变化的“瞬态状态”,而不是“稳态状态”,这都会使效率大打折扣。

于是机智的工程师就将串联与并联结合了起来,并辅以数个离合器,使之时而并联、时而串联,这样在针对不同工况的时候,就有更大的优化空间,从而达到更高的能量效率。可以说,这种串并联的混联(Series-Parallel HEV)兼具了串联与并联的优点,但咱们不能只见贼吃肉、不见贼挨揍,串并联混联也同时具备了二者的缺点啊(手动掩面)。

因此,如果说“发动机的转速与转矩同时解耦”是混合动力的终极目标,串并联并没有从根本上解决问题。使用这种构型的混合动力车,包括本田iMMD、比亚迪F3DM、荣威550Plugin等如果要达到巅峰状态,就像郭靖一样,需要更多的磨练,历经坎坷,方成大器。下图是某串并联式混联系统。

下图是本田iMMD系统的经典车型。

在我的另外一篇回答中也详述了这个问题:本田的混动和丰田比有什么优势和劣势? - 亚搏

3. 为混动而生的功率分流式混联 —— 骨骼惊奇、博古通今

与串并联的繁复历史不同,功率分流式混联(Power-split HEV)就是为混动而生,其最大的特点是带有1个或多个功率分流装置:行星齿轮。

功率分流式混联的经典车型:丰田Prius.

功率分流式混动的根本价值在于:在发动机可以机械传动驱动车轮的前提下,使发动机的转速与转矩同时解耦!从而在系统构型层面,具备了“伺候发动机坏脾气”的最大自由度。让我们把功率分流式混动与其他混动作一个对比:

传统车:在任一时刻,车辆速度决定了发动机转速(根据档位不同,倍数不同);车辆负载(可简单理解为油门深度)决定了发动机转矩,均不解耦。

串联混合动力:发动机的主要工作是驱动电机发电,与车辆速度和车辆负载均没有关系(同时解耦),但与车轮没有机械连接,这导致必须有发动机发电——电动机放电的过程,效率低。

并联混合动力:发动机可以通过机械传动驱动车轮,但车辆速度决定了发动机转速。

串并联混合动力:在任一工作状态,具备至少一个串联与并联的缺点。

功率分流式混合动力:发动机可以通过机械传动驱动车轮,但车辆速度不决定发动机转速,车辆负载也不决定发动机转矩。

最先应用功率分流式混动技术的是丰田Prius。也就是说,当郭靖还在每天苦练亢龙有悔的时候,丰田Prius就像张无忌一样,已经找到《九阳神功》在修炼了。 视频: Toyota Prius动力分配装置(PSD)及e-CVT无段变速系统的作动原理

功率分流式混动的另外一个老牌玩家就是通用。如果把丰田比喻成张无忌,通用更像是少林扫地僧,如数家珍一般应用着各种武功,令人叹为观止:丰田只用了1个行星齿轮,而通用的Voltec技术则使用了2-3个行星齿轮+3个离合器,以达到更大的控制自由度。

最新上市的别克VELITE5就采用了第二代Voltec技术,在大类上属于功率分流式混动系统的一种,却特立独行地使用了“增程式电动汽车”(EREV)的名字,那么它与丰田混动有什么区别呢?我认为有以下3点:

  1. 丰田的单行星齿轮系统中,发动机实现了转速、转矩同时解耦,而驱动电机转速与车速未实现解耦;在VELITE5的双行星齿轮系统,驱动电机转速与车速也实现了解耦控制。
  2. 丰田的THS混动系统车型prius,控制逻辑取决于扭矩和车速的共同信号,且发动机在车速达到64km/h时,必须参与驱动,不能最大限度通过行驶工况去精准控制能耗;而VELITE 5的混动系统是两套独立的控制逻辑,在电池电量高于最低限值时,依据扭矩需求来决定是单电机还是双电机驱动,与车速无关。在电池电量低于最低限值或者锁定模式下,则采用HEV模式,这个时候系统的工作模式取决于车辆扭矩(系统识别踏板的信号)的需求,工作模式不与车速直接相关,这种模式下就包括单双电机驱动、混合驱动、串联驱动、发动机直驱的多种模式,电控系统根据车辆行驶工况去精准控制能耗。
  3. VELITE5系统的驱动电机功率更大,能够支撑最大加速性能、最高车速巡航,这就一定程度上避免了发动机参与驱动时的动力衔接问题,使得驾驶体验更接近于纯电动汽车。

从以上3点可以看出,VELITE5系统确实具备一定的“串联式”特征,主要由电机来驱动,因此才叫“增程式电动汽车”。但我们要认识到,这个增程式,与上古时代的那个“增程式”是完全不一样的。

事实上,通用的第2代Voltec技术不仅可以利用在EREV上,也可以用在HEV、PHEV等车型上。目前应用第2代Voltec技术的车型包括:别克全新一代君越混动、雪佛兰迈锐宝XL混动、别克VELITE 5增程式混合动力,以及凯迪拉克CT6 PHEV。

与筋骨惊奇、少年得志的丰田混动系统相比,作为工程师我更喜欢深不可测的扫地僧Voltec技术,多行星齿轮的自由度更高、控制更精妙。与第1代Voltec技术相比,第2代Voltec技术有诸多改进,在技术与应用上应该是比较成熟了。 @Brandon Lu在其文章中指出了关键两点:

A) 集成度更高,TPIM被集成进变速箱之中,不但减轻了系统的重量,还提升了系统效率,简化整车布置和发动机舱设计,具有更高的可靠性和更低的维护成本; B) 驱动单元将平行轴齿轮主减速器改为链条传动主减速器,并通过优化油泵和电机,将第一代驱动单元中的一个机械油泵、一个电子油泵合并成一个电子油泵。驱动单元的重量从第一代的164公斤降低到119公斤,降低了接近30%。

4. 混合动力,天下归一

作个小结,由于串联与并联已退出乘用车的历史舞台,只留下不带行星齿轮的“串并联”与带行星齿轮的“功率分流式”。本田的“串并联”与丰田的“功率分流式”其实区别挺大,但本田偏要在PHEV这个类别上与丰田硬碰碰地死磕。而别克VELITE5的技术,与丰田同属“功率分流式”,却把自己划到了EREV的类别,虛怀若谷。

不管怎么说,混合动力流派都坚持混联的路线,只有“带轮”与“不带轮”的区别,两个流派的性能也都几乎做到了极致,非常省油,可以说是混合动力、天下归一。

5. 创业车企专用的纯电动汽车

随着电池性能提高、成本下降,纯电动汽车也成为可以商业化的选择之一。由于其动力系统简单,所以成为了Tesla、蔚来汽车、威马汽车、小鹏汽车等创业车企的首选。

但纯电动汽车还是存在续航能力的短板,一般不作为消费者的第一辆车。比如蔚来ES8定位于7座SUV,其实就是定位于家庭的第二辆车。有些消费者比较偏爱电动汽车,可能是看重于电驱动系统的加速动力性以及加速时无换挡的柔顺体验,也就是所谓的“纯电体验”吧。而串并联式混动车,在驱动过程中常伴有发动机直驱的接入/脱开,如果调校不好就会让消费者体验到比较明显的动力衔接的切换感觉。

与丰田Pruis相比,别克VELITE5动力系统中,发动机一般不直接参与到驱动,只有当电量不足或者在锁定模式下保持电量的时候发动机会介入与电机一起参与驱动,这也是它为什么将自己定义为EREV而非PHEV的原因。这样,VELITE5相比较于纯电动增加了“无限续航”的特性,又保持很好的“纯电体验”,是比较有特点的一种功率分流式混动。

6. HEV与PHEV:是否插电

在本文讨论的混合动力汽车中,没有去区分HEV与PHEV。一般来说,一套成熟的混合动力系统,既可以做成不可插电版本的HEV,也可以做成可插电版本的PHEV。二者的差别在于,HEV的电池较小,因此整车的价格会低一些;HEV虽然也叫“油电混合”,但实际上它的所有能量来源都是油——这也是国家为什么更加推崇PHEV的原因。

回到最初的问题,最适合消费者的新能源汽车是什么?

1. 如果您所在的地区、您所喜爱的品牌,PHEV/EREV有补贴:

PHEV/EREV>HEV>EV

2. 如果您所在的地区,您所喜爱的品牌,PHEV/EREV无补贴但是充电方便:

PHEV/EREV=HEV>EV

3. 如果您所在的地区限购,而PHEV/EREV与EV可以挂E牌:

PHEV/EREV > EV >HEV

4. 我已经决定了要买混动或插电混动,买哪个车型呢?

喜爱的品牌(真爱大于一切)>质量可靠性(新能源车还不成熟哦) >综合油耗>技术细节


相关回答:

各大汽车厂研发强混车型是如何从技术上规避丰田混动专利的?目前有哪些主要类型呢? - 亚搏混合动力技术只是一种未来电动汽车的过渡技术吗? - 亚搏混合动力汽车为什么突然火了?混动都经历了哪些阶段?不同的技术各有什么特点? - 亚搏为什么插电混合动力油耗显著低于普通混合动力? - 亚搏
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如果电池技术有所突破,电动汽车替代燃油车,会像一次性打火机替代汽油打火机。目前的国家战略就是押宝纯电动。

另外,说续航和快充的,仍然没说到点子上——真正的关键是电池的成本。
只要电池足够便宜,其他的都不是什么大阻碍,可以慢慢来。
200公里的续航,一夜充满,已经足够满足95%以上的家庭用车需要。

至于电网改造,那更不是事儿。车多了,电网自然就值得改造,这归根到底是个花钱就能办的事儿。
而且,国网即使一无是处,花钱仍然是他们的长项。
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我是过来讲故事的。


新能源汽车的种类越来越多?如果往前推30年,这个问题应该就不太会存在了,至少不会形成今天的HEV、EREV、PHEV、FCEV以及EV,甚至于其他种种不烧碳化物新能源形式的五花八门格局。大概在更早一些的时候,新能源的出路和未来都十分明确,不管丰田、本田还是通用,都把纯电动列为未来趋势,所谓万宗归一。原因很简单,既然所有的能源都可以转化为电,只要发展各种各样的发电站就好了嘛。


你可能想象不到,日本人其实曾经是推动纯电动最积极的国家。由于资源匮乏,日本国内大多依赖煤炭发电,而这些煤电大都依赖进口。不过,能源市场一直是卖方市场,严重依赖进口煤炭的日本意识到,商业上巨大的成功,居然在煤炭市场上形成了巨大的贸易逆差,所以他们迫切改变这种现状。


核电站给日本带来了希望,依靠高科技发电的背后,日本把重点放在了电力供应平稳上,也就是所谓的“削峰填谷”,所以政府希望丰田、日产大力发展纯电动,原因就是在理想状态下,纯电动车可以避开用电高峰的白天,采用夜间供电,起到电力供应平衡的作用。


以丰田为首的日本汽车企业,开展了一套极其可行甚至已经成熟了的计划,这套计划大抵叫做“Toyota Home”(具体名字忘记了)。按照丰田的设想,他们将开发大量的纯电动车型以代替如今的传统汽车。作为一个成熟的汽车企业,丰田深知“兵马未动粮草先行”的道理,即如果要大规模推出纯电动汽车,势必要先解决配套问题,否则售出的纯电动车型效率将大打折扣。




当时,丰田、本田、日产聚在一起商讨,他们首先制定了一套适用于自己的充电插口标准,枪口一致对外。关于这种“兵马未动粮草先行”意识,国内很多专家都表示支持,甚至用来批评中国汽车企业们追求国家补贴,在没有任何配套解决方案和标准的情形下,为了补贴而上马纯电动车型。


由于日本国土面积并不大,所以丰田决定在全境内的经销商网络提供纯电动车充电服务,遍布全日本的经销商网络一夜之间迅速变成了无数个充电桩,这解决了布局问题。不过,这只能解决一些基础充电设施问题,因为你总不能每次都跑到经销商店里充电。


针对个人,他们也提供了各种各样的充电方案,比如车库中安装无线充电装置、充电桩等等,但这个其实不是丰田想要的。丰田他们想要的是一个闭环,于是他们提出了一个更伟大的设想,在每一个社区周围都建设一个“Toyota Traffic Center”(杜撰的,真实名字忘记了)。


这个中心的造型类似于公交站,只不过面积更大,其中有饮料商的自助贩卖机,同样有公交站牌也可以放置广告,地面有十几个充电桩车位,靠近公交站最内侧的则是类似于丰田IQ的纯电动双排小车,也有更小型的纯电动超小和纯电动自行车。公交站的遮雨板是用太阳能电池做成的,为整个基站提供夜间照明电力。



这种设想出来之后,丰田认为当人们下班返家,将车辆停在公交站,便可以进行充电,为了解决“最后一公里”的交通问题,丰田愿意为消费者提供免费的纯电动小型交通工具,也就是上面所说的超小、纯电动自行车等等,因为这些交通工具电池容量较小,很容易充满,所以整套方案看起来十分可行。


不过,这套方案虽然在日本看来尤其可行,但他们面向美国亚搏下载 客户端市场推广的时候,有些懵圈了。因为美国亚搏下载 客户端实在是太大了,人口密度完全不能和日本同日而语。连平常去个超市都要开皮卡的情况下,在美国亚搏下载 客户端建设这种公交站,根本就是入不敷出。


于是丰田找到了通用(通用当时已经在研发EV1了,不过EV1当时只限于加州,所以配套设施解决得也还不错)。丰田希望和通用联手建设起美国亚搏下载 客户端市场的充电桩资源网,并且统一充电标准。不过,通用认为丰田的方案虽然可行,但局限性太大,只能在人口密集的地方实行,在美国亚搏下载 客户端大面积推广不太可行。



于是,一场大会召开了,与会的有来自欧洲的宝马、戴姆勒;美国亚搏下载 客户端的通用、福特;日本的丰田、本田、日产,他们共同商讨未来纯电动的发展问题。讨论来讨论去,发现没有巨额的投入,纯电动配套几乎无法成功。


不过,最终通用在会上提出了自家关于E-F L E X的设想,既然纯电动需要依靠配套设施,我们为什么不把它和传统汽车相结合一下呢?在纯电动车上增加一台传动发动机,这台发动机为电动机供电,这样一来至少解决了两个问题:

  • 第一, 这是一辆任何情况下都是纯电动的车型,驾驶体验和纯电动毫无二致,而且没有排放。

  • 第二, 没有了续航焦虑,电池几乎不会存在没有电量的情况,有了汽油机的加入,增加巡航的方法得到拓宽,有条件的情况可以充电,无条件的情况可以加油。

如此一来,增程式混合动力Voltec就诞生了,这就是最早被誉为增程式混合动力标杆沃蓝达Volt诞生背后的一项原因。只不过,如今Vlotec已经发展到了第二代,而如今搭载第二代Voltec技术的也就是国内的VELITE 5了。


第一代Voltec的诞生,特别符合当时的情景,其实如今搭载第二代Voltec技术的Velite 5也沿用了丰田设想中的一些充电方案。既然丰田可以把所有的4S店作为充电网点,VELITE 5也是可以的,就在我写这篇文章的当天,别克宣布上海市内所有的别克4S店都将提供VELITE 5充电服务。当然充电不是主要问题,重点在地大物博的美国亚搏下载 客户端,如何解决长途自驾、纯电动续航的问题。



第一代Voltec的这种思路,我认为的的确确是当时推广纯电动最合适的方法,它摆脱了充电配套的限制,也摆脱了续航里程的焦虑,重要的是它还有纯电动的驾驶特性,所以它在美国亚搏下载 客户端取得了不错的销量,题外话是,第一代搭载Vlotec技术的沃蓝达在美国亚搏下载 客户端卖出了10多万辆。


果然是,一个国家一个国情,日本不太在乎续航里程而在乎充电配套,美国亚搏下载 客户端恰恰相反。


当丰田正在推进这套计划之际,日本同时加紧了混合动力技术的开发,混动技术为了解决纯电动续航焦虑,目标就是美国亚搏下载 客户端市场。这是为什么丰田最早宣布“混合动力只是过渡技术”的大背景了。只不过,一场海啸结束了日本纯电动的美梦,从核电站泄漏到日本宣布关闭所有核电站,依靠核能发电的美梦是无法实现了。于是,现在他们又转而研发氢能源了。当然这都是后话了。


Voltec在当时看来考虑了这几个问题,第一、纯电动极速不强,所以还是要依靠发动机带动极速;;第二,电池容量控制,可以锁定电池电量,避免电动机效率不高的情况。


搭载第二代Voltec 技术的VELITE 5正是当时第一代Voltec的进化版本,它有一台自然吸气发动机,可以在负荷较少时为电动机充电。此时,VELITE 5虽然看起来是油电混合,但实际上驾驶体验与纯电动无异,目前VELITE 5的纯电动也是足够可以支持160km/h极速的。如果将一部VELITE 5充满电,驾驶者可以根据不同的路况选择不同的模式,以适应不同路况。



如果是中低速,纯电动工作最优的情况,VELITE 5可以选择EV模式,则大部分时间都在消耗纯电动的电量,只有当电池电量低于15%时,车辆才会进入普通HEV模式,通过HEV解决中高速的续航焦虑和经济问题。


当电池容量充足而车速较快时,VELITE 5可以将电池电量锁定,进行普通HEV模式的运转,只不过保持电量的动态平衡,直到更加适合纯电动驾驶的路况出现。


所以,什么样的新能源车型最能满足消费者需求?至少我认为,搭载P2结构的国产插电混动现阶段都不适合,当电池容量尚在的时候,它们的表现还像一辆30多万的车,一旦电池容量耗光,他们就像是一辆背负着巨大重量电池的传统车型,油耗不仅不低,驾驶体验也急剧下滑,体验从30多万瞬间跌到10万级别。至少目前,在这个级别,VELITE 5应该算目前合资品牌推出的、比较靠谱的、拥有纯电动驾驶体验的新能源车型。

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这个问题很笼统,边界条件限定模糊,我就讲讲个人过去看到的一些市场状况。


1 从车型分来来看适用人群

1.1 混动车,包括增程式和插电式

非常适合家里还没有车的家庭、商业运营的个人或者企业。

优点:对充电设施依赖小,没电了就去加油,可以跑长途。做运营的话可以保证持续提供服务的能力,用电的阶段可以降低运营成本50%以上。某些限购城市有牌照优势,某些限购城市(北京)不把这类车当作新能源车,大概原因是北汽自己不做混动车吧。

缺点:具备两套动力系统,成本和售价都较高。想兼具汽油车和电动车的优势,最终却两边都做不好。纯当汽油车用的话,这当然不是新能源车了。尽量多充电的话,那小电池仅够几十公里续航,而且要把充电的痛苦完整地继承过来。

总体来说,混动车是个妥协的产品。适合城市公交、出租车和想要牌照的个人用户。

1.2 纯电动车,包括高速电动车和低速电动车

这种车是新能源车的主流趋势,但现阶段存在各种各样的问题。

优点:非常节能环保,不对城市产生尾气污染和噪声污染,仅仅在家里充电的话,使用成本仅为汽油车的大约20%。还不需要像汽油车那样定期保养(或者说保养非常方便便宜),大大节省了买车之后的费用支出。

假如你买一辆售价12万元(大概是2016年的新车加权平均售价)的汽油车,在5年10万公里的使用条件下,仅仅加油(大约需要5万元)和保养(大约需要2万元)就需要额外再花费至少7万元,这还假设车一次都不坏。实际上,每辆车在售后维修方面的投入平均在5000~10000元(个人观察的经验数据)。

缺点:充电非常痛苦。

北京上海等限购城市目前是新能源车的主要销售市场。以北京为例,有约85%(某大车厂自己负责建电桩部门的统计数字)的用户不具备安装私人充电桩的条件(居住在高层,没有固定车位等),而使用第三方的充电桩又非常痛苦。

实际上,开充电车到处找充电桩是一件非常愚蠢的事情。2016年,商业充电桩公司的充电桩实际利用率还不到5%(从事该行业的某企业负责人私下交流的数字),用户不知道哪里有充电桩,每家都有自己的app,有的还需要办卡,有的损坏了企业自己也不知道,还有的车位被汽油车占了。最发指的是:很多商业场所的充电桩还要交停车费!充电花40,停车费要交80这种案例不是没被人吐槽过。当然这些现状都在改进,现在可以远程通讯和远程遥控的充电桩越来越多。不过也是然并卵,理由如下。

实际上,在外面充电充满不确定性,而且非常耗费时间。更符合用户习惯的是在家里或者单位等固定场所充电。家用车平均每天闲置22个小时,这时间不拿来充电真是太浪费了。

充电桩之外,电网建设也是一锅粥。很多小区的只有100kW级别的电网冗余,只够这个小区几十辆车充电用。电动车的普及,非常依赖于电网的扩容,那么多城市那么多小区,这个过程不确定要花多少时间。

还有很多人认为的“里程焦虑”,其实是个伪痛点,更像是没开过电动车的人的yy。

目前电动车普遍续航里程在150公里以上,就算你冬天全程开暖风空调,续航掉一半。75公里也可以满足几乎所有人的日常通勤需求。

目前每辆新能源车都安装了数据监控系统。上海和北京的用户差不多,平均都是每天开40公里,花2小时时间。日常开电动车的私家车主都知道:完全不需要每天都充电。目前电动车的续航里程足够了。

可能会有人提到长途出行的需求。这也是思维停留在10年前。无论从出行成本、舒适程度和时间消耗等各个角度来说,最好的长途出行方式就是高铁+高铁站租车。除非你的行李多到没法带上高铁,或者你车里拉了4个人以上。


2 从不同人群对新能源车需求来倒推分析

2.1 一二线城市家庭

如果家里有汽油车,那真的没有必要再买混动车,除非你为了多要个牌照。混动车增加的成本,靠省油挣回来是没戏的。就算你每百公里升了20块钱,10万公里才20000,肯定不划算。

如果家里没有汽油车,买个混动车是个很好的选择,牌照好拿,不用感受充电的诸多痛苦,没有里程的限制。

2.2 三线四线城市家庭

如果家里或者单位可以装充电桩,那就毫不犹豫选电动车吧,哪怕是家里第一辆车。

如果没条件装充电桩,混动车也是个好的选择。

如果你平时要开开滴滴什么的,插电式混合动力是最好的选择。

2.3 四线以下家庭

基本都具备装充电桩的条件,可以放心选择纯电动车。

如果是在县城或者农村,选择低速电动车是最好的选择。


3 结合汽车保有量、城市分布和购买力的角度来综合评判

2.1提到的一二线市场,目前基本是个政策市场。

这里人们的购买能力最强,但也是堵车最厉害的地方。汽车总保有量不会有太大增长了,新能源车通常是汽油车的替代选择,政府也出台各种优惠政策来鼓励用户选择,例如补贴、牌照等。

如果去掉政策扶持,目前80%以上的高速电动车(拿补贴,上蓝牌的)市场会消失。因为目前的电动车体验普遍不如汽油车。考虑到北京二环路上常年拥堵的现状,几百万辆汽车堵在路上呼呼拍废气,政府一定会让政策越来越倾斜,倒逼车厂多生产销售电动车。

跑题一点:业内人都知道2020年的百公里5L油耗红线,奔驰宝马大众不是造不出比特斯拉好的电动车,而是市场不成熟,过早进入导致卖电动车赔钱(躺在地上舒服地造汽油车挺挣钱的,为什么要让我赔钱?),至于技术贮备,大众汽车的哈肯贝格10年前在接受我的采访时候就透露:已完成从太阳能发电到电动车的所有技术储备。接下来3年内,会有很多体验很好的大车厂推出自己的纯电动车。

2.2提到的三四线城市,这里汽车保有量相对低一些,堵车情况好一些,但人们的购买力也大幅缩水。

这里本该是电动车、混动车最大的市场,但目前新能源车的售价偏高,当地也没有限牌限行等政策倾斜,用户主动购买新能源车的意愿不强。

随着电动车的成本不断下降,纯电动车在这里的优势会越来越大,这里的新能源市场潜力是巨大的,在未来5年内必然会强烈释放出来。

2.3提到的四线以下地区,是低速电动车的天下。

这里人们日常出行半径在30公里以内,完全不存在充电难问题,购买力最弱,对使用成本非常敏感(甚至有买了汽油车开不起,每天骑电动自行车的情况,这不是个案)。

售价5万元以内,续航100公里,用家里220插座充电的电动车是这里的最佳选择。目前以山东、河南为代表的地方,这类车型销售在爆发。而由于渠道太下沉(哪个大车厂有计划在全国3000各县城都开销售门店?),传统高速电动车在这里的吸引力不大。


综上,这就是国家每年数百亿补贴、税收优惠加牌照政策培养出的新能源车市场状况。

这大概就是

“2016年,所有新能源车大概卖50万辆,其中纯电动车20多万辆。而低速电动车卖了120万辆以上”

的原因吧。


哪种新能源车才能满足消费者?用户早就在用自己兜里的钱在投票。

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说到新能源汽车,很多人第一个想到的是纯电动,但是忽略了无数其他类型的混动车型。

虽然纯电动汽车从驱动方式上可以说是彻底地革新,也因为有政府补贴和其他配套政策(比如车牌)支持,看起来是最火的,但是并不一定是最适合消费者的,尤其是很多只有一辆车的中国家庭。

如果政府补贴逐渐淡出市场干预的话 ,从消费者实用角度来说,对于大多数人最为实用和高性价比的还是混动车型。那么具体哪类新能源车型对于消费者来说性价比更高?要回答这个问题就要从新能源汽车对于车企的意义,以及可以带给普通消费者的实实在在的好处说起。

第一点就是减排,电动车也好,混动车型运行在纯电动模式也好,从车辆运行期间来看,确实污染物的排放为0,其中不仅包含我们常说的类似CO,HC,NOx,PM,也包含温室气体二氧化碳。很多人可能会去讨论电能生产运输过程中的污染以及相关的电池生产回收污染,这与每个国家能源结构和各类标准的关联度太强,并不可能一概而论。但是从整体能源发展趋势来看,各个国家都在朝低碳排放的新能源结构发展,而电动车所带来的污染物集中处理控制的方便程度也是不能被忽略的,这一点可以很大程度解决一些超大型城市燃油车辆污染物分散难以控制的问题。

对于车企来说减排意义重大,哪怕抛开政府对生产新能源汽车的补贴不说,在日益严格的排放标准下,欧洲有关于常见污染物的EURO 5,EURO 6排放标准以及针对二氧化碳的2021年平均95g/km的要求。而国内有相对应的关于常见污染物的国五,国六标准以及2020年平均油耗5升/百公里的要求。这一切很大程度上都要依靠电动车的“零”排放来平均一些大排量车型的污染超标,否则车企面临的恐怕就是巨额的排放税或者罚款。

对于个体消费者而言,使用减排后的电动新能源车依旧可以从税费上带来一些立竿见影的回报,还有就是一些大型或特大型城市在限行以及车牌发放上对新能源所提供的优惠条件。更大的回报还是长远来看普及新能源汽车后规模效应对整体生活环境的改善。


第二点新能源的优势就是节能。最主要的原因之一是电机远远比内燃机高效。

下图所显示的是丰田普锐斯的电机+逆变器效率图,红色区域为能量转化效率超过90%的部分,可以看到永磁电机大部分运行区间的效率都在85%以上,而汽油机和柴油机的最高极限热效率也就是在50%左右。

加上在很多国家电价都要比同等能量容量的油价低。以中国为例,按照一升汽油能量容量为9.5kWh来计算(en.wikipedia.org/wiki/E), 一升汽油的价格大概在7.5RMB左右。而比如上海的电价前两档大概在0.6RMB/kWh(峰时段)以及0.3RMB/kWh(谷时段)的水平,那等同于一升汽油的能量容量需要花费大概在2.85RMB到5.7RMB之间,这远低于汽油的花费。再加上石油燃料的国家战略意义和不可再生性,于是使用混动和纯电动汽车的意义也就更大。

对于车企来说,生产同样动力更低油耗的汽车有利于增强自己的产品竞争力,而对于消费者来说,低能耗直接带来的就是平时用车费用的直接降低。


第三个新能源车的主要优势还在于电机说来就来的动力。

下面两图显示的是电机和发动机的扭矩曲线。电机从基本静止开始就可以提供最大恒定扭矩(图一红色蓝色曲线),而发动机需要先满足最低转速要求(比如600转/分钟),之后才可以提供逐渐升高的发动机扭矩(图二蓝色曲线)。这也是为什么动力相对比较差的电动超跑也能在百公里加速上跑赢内燃机超跑。同样也是为什么我们可以使用电动机的这个瞬时扭矩响应来辅助发动机提供瞬间加速扭矩(boost功能)。

电机扭矩和功率特性曲线:

(图片来自: e2e.ti.com/support/micr )

发动机扭矩和功率特性曲线:

(图片来自:quora.com/Why-is-it-tha

类似于油耗,动力上的优势对于企业来说可以在宣传动力(比如百公里加速)的时候增强产品竞争力,而对于消费者来说更强的动力带来的是更好的驾驶体验和运动性。


那么以上说到的三点:节排,节能,更强的动力,一切的一切都是基于运行在纯电动模式或者混动模式(需要电机和高压电池参与),而纯电动模式和混动模式所依仗的都是电池。

电池包容量越大其节能减排的意义也越大:即纯电动行驶里程约长,电动boost能发挥作用的作用越大,发动机downsizing的程度也可以越大。
而大电池包不可能只依靠发动机充电,因为:这样发动机很难做小,节能减排效果差,整车动力受限(比如并联混动发动机很难在给大电池包充电的时候还分配足够的动力到车轮)。

那么从上面电池包的相对大小来看,电动新能源汽车就能分成下面几类,从上到下电池包容量越来越大,电机功率越来越高,参与的驱动相关功能越来越完善,发动机越来越小(downsizing),电动所带来的上文三点优势也就越来越明显。


1. 微混,也就是我们常说的自动启停功能。最传统的启停功能只是在车辆怠速静止的状态下将发动机熄火(比如等红灯),然后在驾驶人松开刹车之后将发动机重启。

目前更加经典的微混是类似宝马的“高效动力”(Efficient Dynamics)功能,不仅包含前面提到的传统启停功能,还会在车辆滑行以及刹车减速的时候通过使用同一个启动机给电瓶充电,类似于电动汽车的再生制动功能。在滑行减速的时候,不踩刹车,车辆依旧可以提供除了发动机制动扭矩外的额外制动扭矩(来自启动充电电机),于是在节能效果上非常明显。

要注意的是微混其实并不是真正意义上的混动,因为并没有高压电池,也没有使用电能驱动,是最为基本的混动功能,现在广泛使用在各类车型上,包括廉价经济车型。


2. 轻度混动。对比微混,轻度混动搭载了更高容量和电压的电池,但是因为电池容量非常小,电机功率低,所以绝大多数并不支持纯电动驾驶,车辆只能运行在纯发动机模式或者有限的混动模式。轻度混动的混动模式中电机充当的角色大多是在瞬时加速的时候提供额外的扭矩,提供电动增压,然后在刹车的时候回收制动能量而已。

目前经常可以见到的48伏系统就是典型的轻度混动。下图所示的FEV 48伏混动就是一个典型的例子:整车有两套供电系统,一套传统的12伏低压系统(下图右侧部分)用于对电压波动非常敏感的低压负载供电,比如各类控制器。另一套48伏电池系统(下图右侧部分)用于高功率负载供电,比如启动和制动回收电机,电动增压器,以及通过DC/DC变压器直接和12伏电池系统连接。其他一些厂商还会利用48伏系统支持其他大功率负载,比如主动可变悬架系统。

(图片来自:magazine.fev.com/en/fev



3. 重度混动。对比轻混,重混的电池包进一步加大,有能力提供有限里程的纯电驾驶模式,但是大多只有几公里左右。这个时候因为电池包的尺寸和容量够大,于是可以搭载足够大的电机,电机在混动驱动中的比例进一步上升,于是可以把发动机做得相对小一些。但是这里发动机依旧是绝对主力的动力输出源。

电机在重混车辆上所扮演的角色更多:可以作为独立的驱动来源做纯电动驾驶,也可以配合发动机一起驱动做混动驾驶,也可以在制动的时候回收能量。这个时候新能源所带来的前文所提到的排放、能耗以及动力优势初步明显。

重混也是目前大多数主机厂初步涉足混动技术用来试水和积累技术的普遍选择,因为在成本,风险和技术积累上性价比最高。

重混典型的一个例子就是非插电版本的普锐斯。

(图片来自:upload.wikimedia.org/wi

4. 除了增程式混动外的插电混动。这里电池包的容量进一步拓展。对比非插电的重混,插电混动的电池容量更大,发动机可以做得更小,有的插电混动发动机和电机的功率已经处于不相上下的水平。

为了体现前文说的大容量电池优势,需要使电池包具有外部充电功能,发动机只是辅助发电而已(否则节能减排优势不明显)。普通插电混动的纯电动巡航里程常常可以达到十多公里到数十公里水平。用户更希望回家后使用充电桩夜间充电,但是因为还有发动机,所以插电混动依旧可以跑没有充电桩的长途,只不过期间整车大多数时间会运行在发动机模式,同时需要用发动机给高压电池充电。

插电混动的例子不胜枚举,比如插电的保时捷Panamera,还有去年上市的凯迪拉克CT6 PHEV。很多同一品牌车型插电版本和非插电重混版本在功能上区别细微,最大的区别往往体现在纯电动里程和电机功率上。

保时捷Panmera插电混动:

(图片来自:commons.wikimedia.org/w.jpg)


5. 增程式混动。其实增程式混动也是插电混动的一种,但是到这里电池包的容量已经和纯电动车相差无几了,纯电动的巡航里程可以达到近百公里或者数百公里。增程式混动的用户90%的时间可能都只会用到纯电动功能,而搭载的发动机常常是被当作紧急情况下的发电机使用来提供额外的电动里程(增程式的意义所在)。

增程式有两个代表车型/平台,在发动机的作用上有些不太一样的规划,车型的目标人群市场也有所不同。

一个例子就是宝马的i3 REx,94Ah容量版本巡航里程达到300公里,但是搭载的发动机只有25kW功率,以及一个只有9L的油箱。这个选择让i3更像是纯粹意义上的增程式混动:发动机只在电量不足的时候做发电机使用而不参与直接驱动。但是随之带来的问题就是搭载发动机所带来的额外巡航里程只是从纯电版本的183km增加到了300km。这里i3 REx的定位完全倾向于纯电动汽车,发动机作为车载发电机来补充巡航里程只是一个选配的救急功能,用来减轻一些消费者对纯电动车巡航里程的疑虑。


另一个典型的例子就是一提到增程式混动就会条件反射想到的通用Voltec平台,在我上学的时候就作为增程式混动教学的例子来做解刨分析。最新第二代Voltec平台在国内搭载了数款车型,其中之一是别克VELITE5,具体的结构和工作原理@Brandon Lu已经做了非常详细的介绍。对比宝马i3,通用平台的区别在于使用行星轮复杂的串联+并联混动结构(二代更多运行在并联模式),以及他对纯电模式和发动机参与的混动模式的动力平衡。

大多数情况下别克VELITE5会像前面提到的i3一样行驶在纯电动模式,区别在于Voltec平台提供了两个电机,可以选择使用单电机做低扭矩驱动或者两个电机叠加提供高扭矩。纯电模式下别克VELITE5可以提供116公里的纯电动行驶里程,足够一些短距离一周工作日的通勤。

相对i3,通用Voltec的设计更偏向于一套完整的混动驱动系统,而不只是纯电动车。通过使用两个行星轮结构,可以使车辆运行在电机+发动机并行驱动的混动模式,并同时通过行星轮提供不同档位速比。比如下图显示的是通用新Voltec平台通过行星轮运行在三个并行混动模式其中的一个,发动机在通过图例中上方电机MGA给电池充电的同时,和下方电机MGB一同并行驱动车轮。

图片来自:gm-volt.com/2015/02/20/

于是得益于相对i3更完整的并行混动构架和多种模式(目前信息来看是两个纯电动工作模式以及三个发动机+电机并行的混动工作模式),以及更大的发动机(75kW),以及更大的油箱(34L左右),别克VELITE5平衡了纯电模式和混动模式把整体巡航里程增加到了768km。

从消费者角度来说,通用的Voltec平台对比宝马i系列REx版本,你可以明显发现不同的设计思路。i系列更偏向于欧洲的生活方式,倾向与轻量化和小型化,主要服务于短距离通勤和作为家庭第二辆辅助车。而Voltec更倾向于美国亚搏下载 客户端和中国长距离巡航需求和作为家庭主力车型使用。


6. 最后一个从驱动方式来看的终极电动新能源类型就是纯电动了。完全没有布置发动机,完全靠电机驱动,电池包尺寸达到最大,最大程度体现了电动新能源车的三点优势。具体的例子就不用说了,从国产的BYD到Tesla再到现在的蔚来NIO EP9,优势是明显的但是劣势也是明显的:价格,充电方便程度,安全性,耐久度,巡航里程......


上面总结了电动新能源汽车的优势和按照混动程度的分类,回到题主的问题:哪种才是最能满足消费者需求?

一概而论就是彻底耍流氓。毕竟所在国家不同(交通环境,政府补贴),生活环境不同(充电难易程度),个人情况不同(车型偏好,用车需求),消费者的需求也是大相径庭的。没有某一款或者一类混动/电动车可以满足大部分人的需求。

只能说从目前技术发展的趋势和能源结构来看,未来大家期望实现的目标是普及纯电动汽车,因为最主要的前面说到的三点优势加上结构和控制简单。但是因为种种配套设施和成本还有技术限制,可预见的未来里,在充电设施不够发达但是基本定点充电(比如家里或者公司)有保障的前提下,最实用和有优势的还是电动占优势的增程式混动:作为离纯电动最为接近的一个技术方案可以很大程度上体现纯电动车的优势,同时因为发动机的参与极大程度上弥补了目前纯电动巡航里程短以及充电设施不完善的劣势。

具体选择哪类增程式混动则要看你个人情况,除了要考虑不同车型的价格定位,还可以从下面这些因素来考虑:家里经济紧凑型主力车?需要经常跑跑长途?充电不是那么方便?那么可能类似别克VELITE5更适合你。需要一辆辅助短距离通勤用车且充电方便则可以考虑类似宝马i3这样更接近电动车的结构,当然随之损失的就是巡航能力和实用性,最近在Grand Tour上也专门吐槽过。

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按照目前电池技术的发展2020年左右500公里续航里程基本是电动车的基本属性了,续航可以和燃油车PK,那个时候的主要矛盾就是充电桩数量与有限数量充电桩

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(一)

其实汽车市场真的是非常复杂的场景,有不同品牌,不同车身形式,不同动力形式,不同国家的产品,如果进一步具体到车身颜色,动力参数,驾驶感受,具体功能配置,同时考虑车牌、车位、价格等因素,对于一般消费者来说,需要对整个汽车市场有宏观概念,基本没可能。于是大多数消费者的购车决策过程其实有很强的品牌依赖性及冲动消费特征。

今天就尝试从稍微宏观的角度盘一盘当下的汽车市场,并且尝试给考虑购车的朋友一些客观的理论支持。

(二)

作为一位前动力总成工程师以及前汽车产品经理,日常工作中不仅接手负责了好几台变速箱的研发工作,还经手了几款车型的规划及上市工作,算是对汽车市场有了一些个人的感知能力。

作为产品经理,我既负责过主打年轻运动的主流A+级轿车MG6,也同时负责过MG6的新能源插电混动版本的车型eMG6。从个人感受来讲,我对于新能源汽车完全不讨厌,也非常认可新能源汽车是不可逆的进化方向。

但作为一位日常开着第三代马自达MX-5代步,幻想着能进一步换成路特斯Elise或者摩托代步的保守派,我本人其实还是更喜欢燃油车带来的沟通感和生命感。但迫在眉睫的是,家里很快将迎来宝宝,不论是MX-5还是Elise的两座布局,显然都不能满足几个月后的家庭用车场景了。

所以这段时间一直在考虑增购一辆家用车,评估了一下,大概有几个核心需求点:

  1. 需要家用带娃出行方便,所以考虑大空间的掀背车或者SUV,MPV车身尺寸过大,pass;
  2. 这辆车全家出行使用频率较高,所以需要有足够完善的智联智驾水平;
  3. 同样因为是全家共用的车,所以需要保养维护足够简单;
  4. 个人偏好,动力要强劲;
  5. 个人偏好,颜值要足够领先;

提炼下关键词就是:空间大、智能化、日常使用傻瓜化、动力足、颜值高

这几个关键词就可以勾勒出我家庭的用车场景需求,我猜想,很多奶爸奶妈家庭,应该可以套用这个使用场景。

(三)

针对这个使用场景,我们尝试分析下目前市场主流的几种新能源汽车,看看哪一种新能源汽车是最能满足我的家庭用车需求。

市场上主流新能源汽车种类大概可以分为这么几种:

  1. 纯电动汽车
  2. 插电式混合动力汽车
  3. 普通混动汽车(日系为代表)
  4. 增程式混动汽车(理想one为代表)

简单评述如下:

1、纯电动汽车。目前公认的这一波汽车动力革新的最终形态。虽然纯电动汽车(BEV)诞生已有几十年,但随着近些年电池电机技术的不断进步,以及各国涉及能源战略路线的博弈,纯电动汽车重出江湖。纯电动汽车可以彻底放弃燃油车传统的车身架构,而较小的动力系统,以及可以作为底盘结构件的电池系统,让纯电汽车在车内空间利用上有非常显著的优势。而全车电驱带来的车身电子电器架构个性,带来的与生俱来的在智驾智联方面的优势,也让行业内对纯电动汽车的未来有更多期望。

2、插电式混合动力汽车。插电混动(PHEV)作为一种过渡产品,在国内市场的产生发展主要依赖于各地的政策引导。如大家都知道的北京必须买纯电,上海深圳可以使用PHEV作为新能源汽车获得新能源路权。这背后就是因为北汽选择了纯电路线,而上海的上汽与深圳比亚迪选择了纯电作为短期内的主攻方向。PHEV车内同时存在两套动力充沛的电驱动与燃油驱动系统,所以天生拥有动力表现优秀的特长。但也是因为车内存在两套动力总成,所以PHEV的动力系统集成控制门槛很高而且整车成本也难以降低,企业盈利压力增加。而两套共存的动力系统也让整车的故障率增大,同时虽然作为新能源汽车,但燃油汽车拥有的全套保养维护工作,一个都少不了。

3、普通混动汽车,也即HEV,这个路线以日系为代表。相对应用经验丰富,开发历史最悠久也最成熟。丰田普锐斯迭代几十年,积累的丰富的使用历史。HEV相比PHEV的区别,表面上看来,简单概括是,HEV日常使用相对更节油,但动力也更孱弱。同时HEV一样拥有两套动力系统,燃油动力系统的日常维修保养工作也少不了。

4、增程式混动汽车。这个汽车行业公认放弃的路线,在21世纪又被理想的李想捡了起来。这个路线有没有未来,李想已经用行动告诉了我们答案:李想下一辆车会是纯电动汽车。

这么一通比较,其实结论很清晰,如果单纯从日常家用的使用场景来看,选择纯电一定是最合适的。

但纯电动汽车目前也存在显著短板,即满电续航和充电便利性问题。

讨论这个问题之前我们先回顾下纯电动汽车在国内的发展态势。

近十年,纯电动汽车销量在中国市场实现了爆发性增长。从10年前听到纯电动汽车如天方夜谭,到近几年,消费者日常购车非常自然地开始考虑纯电动,这个过程,只有在回顾时,才能感受到这种斗转星移。

数据来自乘联会

从2010年的全年纯电动汽车销量63辆,到2019年全年纯电动汽车销量81万辆。9年时间增长了13000倍,近乎奇迹了。

而同样十年时间,整个乘用车市场的总销量变化,走过了一个拱形,经历了2017年的峰值后,整个乘用车市场处于逐渐下滑中。

数据来自乘联会

将整个乘用车市场销量变化状态和纯电动汽车市场增长相比,大家就能明白为什么那么多企业要投身造车行业,开启纯电汽车制造浪潮。

把纯电动汽车的市场占比拉出曲线后更加直观:

数据来自乘联会

(四)

纯电动汽车在中国市场的发展可以简单粗暴分为3个阶段。

1、初期野蛮生长状态:

时间大概在2010年前后几年,以比亚迪E6为代表的第一代国产纯电动汽车开始进入市场。在国家新能源汽车政策倾斜的前几年,以比亚迪为代表的国内汽车厂商,纷纷投身纯电动汽车制造大潮,一时间推出了很多纯电汽车产品。因为时代限制和当年国产汽车品牌研发制造能力限制。野蛮生长年代的中国市场上,电动汽车普遍造型粗陋,做工普通,续航较短且故障很多。

2、鲶鱼时代:

2013年特斯拉正式进入中国市场,Model S以惊为天人之态砸进中国市场,震撼了所有的中国汽车厂商的老板和工程师们。那个年代,Model S卖出最多的,都是各家汽车品牌。买来测试拆解分析对标,Model S以一己之力,提升了全国汽车品牌们的纯电动汽车阈值。

而随后的互联网造车势力大潮开启,国产第一个PPT造车品牌,游侠汽车,在上古亚搏平台被惨无人道的扒皮,不日而亡。

之后的乐视汽车以及赛麟汽车,以及无数被证实为PPT造车骗局的互联网造车势力,在去年和今年开启了破产大潮之后。

大浪淘沙,留下了蔚来,小鹏和理想等为数不多的互联网造车公司。

诚然,无数最终沦为骗局的互联网造车公司,浪费了很多资本。但经过这几年的互联网造车浪潮,全国人民的纯电动汽车观念科普,基本完成。

3、收割时代:

中国纯电动汽车市场历经十年,在我看来,最近已经进入收割时代。标志性事件是大众集团的电动化平台产品开始进入中国市场,譬如近期的代表作品一汽-大众ID.4 CROZZ。

一汽-大众ID.4 CROZZ作为大众MEB平台正式进军中国市场的首款ID系列产品,不由让我想起燃油车时代的霸主平台MQB。这两年多到数不清的大众MQB新车,如探影,探歌,探岳,途铠,途观,途岳。作为平台化战略最成功的大众集团,在纯电时代,MEB平台仍将拥有极强的暴兵能力。暴兵的最大优势,在于大量平台共用件所带来的边际成本降低效果。说人话就是:一汽-大众ID.4 CROZZ为代表的纯电时代大众产品,将会拥有极强的成本优势。比起特斯拉这几波的惊人降价举动,我猜想未来几年,大众的低成本优势,会开启新的收割时代。

作为一款纯电SUV,一汽-大众ID.4 CROZZ发布会当天就引起了我朋友圈内的广泛讨论。当一汽-大众ID.4 CROZZ宣布售价不超过25万时,我们发现就算和特斯拉当家花旦Model 3相比,一汽-大众ID.4 CROZZ的优势也很明显。

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相比Model 3以及小鹏P7,蔚来ES6等车型,一汽-大众ID.4 CROZZ充分体现了传统优势车企多年积淀的强大平台实力。全新MEB平台在整车空间布局上体现出的优势,配合大众集团传统的底盘调教能力,我相信一汽-大众ID.4 CROZZ的实际驾乘体验有能力超过model 3,做到吊打小鹏P7应该不是问题。

我个人期待的产品点,还在于一汽-大众ID.4 CROZZ的AR HUD及L2+高级驾驶辅助系统功能。而MEB全新设计语言、新材质、新氛围灯产品质感的提升,这次广州车展也着实惊到了我。虽然还没有试驾过一汽-大众ID.4 CROZZ,但从一汽-大众的历史表现来看,我对一汽-大众ID.4 CROZZ的产品力有足够的信心。

另外这一次ID.4系列南北大众同时发布,一汽-大众的ID.4 CROZZ和上汽大众ID.4 X其实还是有些有意思的区别的。就像正在路上的上汽大众奥迪A7L,把最美奥迪魔改成那个鬼样子,也算是上汽大众的天赋了。同样,这一次的南北大众ID.4车型,一汽-大众ID.4 CROZZ相比上汽大众ID.4 X,不仅外观没有被魔改,更接近欧版ID.4,“德味”了,还多出一个DCC动态自适应避震,对于驾驶感受的提升基本是降维打击了。另外值得关注的是一汽-大众ID.4 CROZZ背后的CAMS。

注:CAMS开迈斯,是由大众汽车(中国)投资有限公司、中国第一汽车股份有限公司、万帮数字能源股份有限公司(星星充电母公司)、安徽江淮汽车集团股份有限公司,联合成立,总投资40亿元,计划年底前,在全国16座城市建立255座充电站,包括1800个双枪直流充电桩。

对于纯电汽车,强大的充电服务能力,才能保证用车无忧。

真香。

最最重要的一点,如果作为玩具车,特斯拉的产品有其优势,如更激进的智驾功能,更极简风的内饰造型。但如果作为家用车,当考虑到家人乘坐时,特斯拉过于激进的智驾功能,就成了负面因素。毕竟没人希望家里宝宝在后排坐着时,自己的车突然自动加速撞向电线杆。当然诸如理想one这样,只要出车祸,就大概率断轴的产品,也会让消费者深刻怀疑,除了前轴,还有多少不为人知的设计短板没有暴露出来。

这一方面,传统强势品牌如一汽-大众,在质量安全把控,及标定与试验验证的充分性上,确实更有优势。体现在产品层面,就是在不超过25万的价格区间内,一汽-大众 ID.4 CROZZ大概是在安全性与品质可控层面最值得消费者信赖的产品。

另外,不得不承认,一汽-大众ID.4 CROZZ的造型设计,还挺得我心。参数化的大灯设计,贯穿式日行灯,以及足够有层次感的尾灯。既一眼认出是一辆大众,也足够有未来感,开在路上,有辨识度有面儿。

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(五)

虽然本人情感上还是喜欢燃油车,但如果在25万价格区间选择一辆家庭用车,主要在城区以及短途出行使用,买菜逛街接送孩子,纯电汽车可以完美覆盖使用场景。而纯电车几乎可以忽略的日常维护工作,以及在自家车位就可以充电的优势,也非常方便家庭使用。

以上。

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关注这个问题有一段时间了,但一直都没有出现我希望的答案,所以还是决定阐述一下我的观点。

电动汽车,混合动力汽车,氢燃料电池车,再加上酒精,生物柴油,天然气,甲烷,等等其他燃料的汽车,选项还真是不少。但哪种汽车适应哪种需求应该看driving cycle和其环境及天气条件。

需要长时间长距离在高速公路上匀速行驶的情况下,柴油车依然是最佳选择。

需要经常起停,交通拥堵的市区,每天行驶距离固定,有足够充电时间,有条件安装充电设施,年行驶里程足够多的情况下,纯电动车是不错的选择。

我最近花了两个多月的时间帮瑞典的10个飞机场分析了他们的38种,数千辆车的使用情况,给出了减少二氧化碳排放的方案。帮助他们在2020年实现基于石油燃料的二氧化碳排放量为零。

暂时还没有最佳新能源车的方案,每种方案都有自己的优点和局限性。
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