從Lexus(雷克薩斯) GS450h看混合動力技術發展

      盡管近日國際油價大幅回落，但是溫室氣體排放造成全球變暖，北極浮冰加速消融。汽車——這個曾經/正在改變無數人生活方式的偉大發明卻依然越來越多得受到指責。而近年來自全球各地的汽車制造商致力于更環保并且更高效的汽車，“百公里油耗”和“CO2排放量”也成為人們關注的汽車性能參數。為了實現這兩個目標，汽車公司所帶來的科技并不僅僅停留在如氫能，電能，太陽能這些環保新能源上，技術上更容易實現的混合動力車已經逐漸演變成為可以購買到的產品。

      近日，雷克薩斯品牌正式上市了，在去年廣州國際車展上首次在國內發布較新改款的2008款雷克薩斯GS 450h混合動力轎車，這是繼普銳斯(圖庫 論壇)、雷克薩斯RX400h，雷克薩斯LS60(圖庫 論壇)0h后豐田引入的又一款款混合動力車型。那么，此次上市的雷克薩斯GS450h轎車采用何種類型的混合動力技術，混合動力技術又已經發展到何種程度了呢？

揭秘雷克薩斯GS450h混動技術

      在縱置發動機的后驅車中，雷克薩斯GS450h是一款全混合動力車（Full Hybrid）。它配備的是與GS350相同排氣量的3.5升 V6發動機，較大輸出功率為218 kW。與GS350一樣，GS450h搭載的3.5升V6發動機可以根據駕駛狀況分別使用缸內直噴和進氣口直噴2種噴射方式。再配合峰值功率可達147kW的永久電磁型同步電動機，雷克薩斯GS450h的混合動力系統較大輸出功率可達254kW。發動機的較大扭矩為368Nm，電動機為275Nm。整套混合動力系統可以提供與V8形式的大排量發動機同等或同等以上水平的扭矩。雷克薩斯GS450h從靜止加速至100km/h只需5.7秒，其加速性能也可以和不少4.5升排量V8車型相媲美。而油耗僅與2.0升四缸發動機的轎車相差無幾。

圖1：雷克薩斯GS450h是全混合動力車，其搭載的豐田THS II 混合動力系統和與GS350相同排氣量的3.5升 V6發動機。

圖2：雷克薩斯GS450h在THS II系統的基礎上配備了雙極減速齒輪。雷克薩斯GS450h所搭載的電動機較大輸出功率高達147kW是普銳斯所搭載的2.4倍。

      雷克薩斯GS450h的另一個亮點是其搭載的豐田THS II 混合動力系統。豐田THS II混合動力系統應該對于中國消費者并不陌生，豐田第二代普銳斯Prius車型即采用這款混合動力系統。不過此次雷克薩斯GS450h搭載的THS II混合動力系統與普銳斯所搭載的還有不同之處。雷克薩斯GS450h在THS II系統的基礎上配備了雙極減速齒輪。雷克薩斯GS450h所搭載的電動機較大輸出功率高達147kW是普銳斯所搭載的2.4倍，這臺電動機的較高轉速為12400轉，其工作電壓也高達650伏。豐田為了提高電動機的輸出功率，并沒有采用加大電動機尺寸的方法，反而逆其道而行之，通過采用高轉速電動機反而減小81%的電動機體積。不過大幅減小電動機體積，提高功率導致的負面影響便是扭矩降低，因此豐田采用齒輪比更大的減速齒輪，降低電動機轉速、增大了扭矩。

圖3：GS450h搭載的3.5升V6發動機可以根據駕駛狀況分別使用缸內直噴和進氣口直噴兩種噴射方式。再配合電動機，雷克薩斯GS450h的混合動力系統較大輸出功率可達254kW，并且可以提供與V8形式的大排量發動機同等或同等以上水平的扭矩。

      雷克薩斯GS450h所使用的減速齒輪采用太陽齒輪與電動機、環形齒輪與傳動軸連接的行星齒輪機構，行星齒輪采用固定類型。環形齒輪與動力分配裝置設計為一體，從而構成復合齒輪。因此，改良后的混合動力系統可由三軸驅動。而第二代普瑞斯是通過鏈條來驅動齒輪傳動的，共需要四軸驅動。新設計的傳動裝置可以帶來更輕快的加速性，更很好的燃油經濟性，更低的噪聲，更低的CO2排放和廢氣排放。

技術判斷標準：混合化程度橫向對比

      一般來說，混合動力總成以動力傳輸路線分類，可分為串聯式、并聯式和混聯式等三種。串聯式混合動力由發動機、發電機和電動機三部分動力總成組成，它們之間用串聯的方式組成動力單元系統，由發動機驅動發電機發電，電能通過控制器輸送到電池或電動機，由電動機通過變速機構驅動汽車。

      并聯式混合動力由發動機和電動機共同驅動汽車，發動機與電動機分屬兩套系統，可以分別獨立地向汽車傳動系統提供動力，也可以在不同的工況上自動選擇共同驅動或單獨驅動。一般大多數的設計都是將發電機和電動機整合成一個單元。這樣的發電機/電動機整合單元被安裝于發動機和變速器之間，并且替代了傳統汽車中的起動機和發電機。

圖4：混聯式混合動力結合了串聯式和并聯式的特點。它的動力系統包括發動機、發電機和電動機。在實際運行中，與并聯式運行模式類似。這一類型的經典代表便是豐田普銳斯。

圖5：混合動力系統形式各具特點，因此很難單單通過對這三種混合動力形式就能做出誰優誰劣的結論。因此“混合化程度”成為技術判斷的參考。

      混聯式混合動力結合了串聯式和并聯式的特點。它的動力系統包括發動機、發電機和電動機。在實際運行中，與并聯式運行模式類似。這一類型的經典代表便是豐田普銳斯了，同時此次上市的雷克薩斯GS450h也屬于混聯式混合動力。但是上述三種混合動力形式各具特點，因此也很難單單通過對這三種混合動力形式就能做出誰優誰劣的結論。

      由于單從混合動力形式上并不能很好的判斷，于是一種對混合動力技術的新評價標準——“混合化程度”成為技術判斷的參考。它被分為全混合動力， 輔助混合動力，輕度混合動力和插電式混合動力。而這四種類別的混合動力汽車都聚集在了本屆的上海車展上，下面將會就這四種類別和其代表車型做逐一評述。

      全混合動力是指既可以使用汽油發動機或電動機單獨驅動車輛也可以同時使用兩種動力的汽車。它們普遍采用大容量電池以供給電動機做純電動模式運行，同時還具有動力切換裝置用以發動機，電動機各自動力的耦合和分離，不過這些設備往往由于技術復雜而造價較高。豐田普銳斯，雷克薩斯GS450h和福特Escape Hybrids都是全混合動力的代表。

圖6：全混合動力車型可以使用汽油發動機或電動機單獨驅動車輛也可以同時使用兩種動力，但是往往由于技術復雜而造價較高。豐田THS系統是這一技術的代表。

圖7：輔助混合動力指車輛依然以發動機為主要動力來源，大扭矩助動電機作為輔助動力來源與主要動力相聯，本田IMA輔助混合動力系統是這一技術的代表。

      輔助混合動力是指車輛依然以發動機為主要動力來源，大扭矩助動電機作為輔助動力來源與主要動力相聯。電動機被安裝與發動機和變速器之間，當行駛中需要更大驅動力時，它被用作一個大型的電動機。當需要重新啟動熄火的發動機時，它被用作為一個起動機。較新一代的輔助混合動力技術也可以使用電動機單獨驅動車輛，但是電動機功率相對全混合動力形式較弱。本田insight，思域(圖庫 論壇)混合動力版便是輔助混合動力技術的典型代表，由于本田在發動機技術的更勝一籌，因此本田IMA輔助混合動力系統在節油和環保表現并不輸于以豐田為代表的全混合動力技術。

圖8：輕度混合動力技術是在傳統發動機基礎上，替換更大功率起動機，但是應用這類技術的車型不算是真正意義上的混合動力車輛，因為這樣的車型并不能達到混合動力車所要求的節油標準。

圖9：插電式混合動力車完全由電動機驅動，并且比全混合電力汽車有較長純電動行駛里程(圖庫 論壇)，當電池處于較低電量時，發動機將啟動發電為車輛提供動力。

      輕度混合動力是指在傳統發動機基礎上，替換更大功率起動機的車輛。當發動機關閉后，可以依靠這臺起動電機快速將發動機拉到較高轉身下重新啟動發動機，這樣可以令內燃機的起動更有效及節省汽油，同時這種車輛可以在減速、剎車時關閉發動機以節省燃油。但是從技術上來說，輕度混合(Mild Hybrid)不算是真正意義上的混合動力車輛，因為這樣的車型并不能達到混合動力車所要求的節油標準。例如，奔馳S級(圖庫 論壇)mart MHD輕度混合動力車，別克君越(圖庫 論壇)混合動力車都屬于輕度混合動力，節油效果并不顯著。

      插電式混合動力（PHEV）是Plug-in Hybrid Electric Vehicle的縮寫，是指可以使用家用電源插座（例如110V/220V電源）并且在行進過程中可以對混合動力系統中電池充電的汽車，這種混合動力汽車比全混合電力汽車有較長純電動行駛里程（30、50或80公里，依設計而異），但需要時，仍然可以像通常的串聯式混合動力汽車一樣工作。例如有一輛可以單獨靠電池行駛50公里的PHEV，可利用電池行駛40公里，到旅程終點后，再利用電網電源對電池充電；如果旅程超過50公里，則開始的50公里可以用電池來行駛，超過50公里后則可以依靠車載發動機發電繼續行駛，到了旅程終點則再一次利用電網電源對電池充電。

圖10：傳統混合動力車的燃油經濟性在實現百公里油耗5升左右后止步，而電池容量更大的插電式混合動力車很可能將成為現有混合動力技術走出瓶頸的關鍵一步。圖為雪佛蘭Volt插電式混合動力車，將在2010年前后上市。

      作為連接電動汽車時代和內燃機汽車時代的過渡產品，混合動力技術無疑是個不錯的折中選擇。不過傳統混合動力技術雖然在排放上優于傳統的汽油發動機汽車，但是其所能達到的燃油經濟性卻在實現百公里油耗5升左右后止步，而百公里5-6升的油耗在不少小排量發動機上也并不是不能達到的。因此電池容量更大的插電式混合動力車很可能將成為現有混合動力技術走出瓶頸的關鍵一步。

總結：從節油環保的角度論英雄

      業內普遍認為：輕度混合動力只是將汽車中的起動機和發電機整合為一個較小功率的電動機，其功能是取消怠速，因此它只能節能5％到8％，不過其成本也只增加百分之幾，較易被市場接受。輔助混合動力需要電動機一起參與驅動，其電動機一般需要10至20kW，這種結構的混合動力可以節能20％～30％，但成本增加20％～30％。全混合動力系統，其電力功率約為30至50kW，可節能30％～50％，但成本則會增加30％～40％。而目前由于電池尺寸、重量以及其他因素還是使得插電式混合動力的成本較高，但是隨著電池和混合動力技術的進步，插電式混合動力車可能會成為未來混合動力的較終解決方案。

圖11：混合動力電動汽車的工程哲學是集成優化電機驅動和發動機驅動，發揮電機驅動的優勢來彌補發動機驅動的弱點，不過隨著電池和混合動力技術的進步，插電式混合動力車可能會成為未來混合動力的較終解決方案。

      混合動力電動汽車的工程哲學是集成優化電機驅動和發動機驅動，發揮電機驅動的優勢來彌補發動機驅動的弱點，使發動機保持在較佳工況工作，取消怠速，并且能夠再生制動能量反饋。混合動力系統需要發揮其作用，使電機驅動和發動機驅動結合不是簡單的一加一等于二。能否真正意義上做到節油環保，才應該是決定是否將混合動力汽車產品向市場推廣的判斷標準。

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