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垄断还是共赢?解读丰田开放电动化专利

2019-04-09
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丰田HSD结构的优势

  [沈阳爱车网 技术] 4月3日,丰田宣布为了应对越来越严苛的排放法规限制,促进车辆电气化技术的普及,将采取两项重要措施:首先无偿开放其关于汽车电气化技术的将近24000件专利的使用权;其次对于使用丰田电气化技术的厂商,丰田将在研发和销售方面提供有偿的技术服务。作为全球最大的汽车制造商,丰田的这项决定意欲何为?下面我们从技术的角度,来看看丰田在汽车电气化技术上有何独到之处,丰田的这个决定,又会带来哪些蝴蝶效应。

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  丰田此次开放的专利涉及丰田在车辆电气化驱动领域的主要技术,包括核心的电机、电池和动力控制单元(电控技术),以及延伸出来的燃料电池、纯电和混动技术。其中最为人所关注的,非丰田的混合动力技术莫属。

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世界上只有两种混动,一种是丰田混动,另一种是其他混动?

  凭借着在相关领域20余年的深耕,丰田的HSD(hybrid synergy drive,丰田的混动品牌,直译即为混合动力驱动)技术取得的成就有目共睹:自1997年推出第一代普锐斯之后,迄今丰田已经累计生产超过1300万台混合动力汽车,凭借着出色的燃油经济性和可靠性,丰田的混合动力技术在用户之间积累了良好的口碑。因此在坊间也流传着一句话:世界上有两种混动,一种是丰田混动,另一种是其他混动。虽然我并不完全赞同,但是这也从侧面印证了丰田在混合动力技术的地位。

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  我们知道,混合动力技术的推出,是为了弥补内燃机天然的缺陷,在内燃机的低效工况时用电力来驱动车辆,从而提升动力系统整体效率。

  内燃机自诞生至今150多年来,相关技术已经得到了长足进步,最高热效率从最初的10%左右提升到了40%,但是受限于工作原理,内燃机的最高热效率仅仅存在于部分工况下,而在实际使用过程中,由于发动机通过变速传动机构同车轮之间耦合,在走走停停、频繁加速减速的使用环境下发动机很难运行在最高热效率区间。

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  因此,丰田HSD混动技术的基本出发点就是通过特殊设计的传动机构将和电驱动系统将发动机和车轮“解耦”,即令发动机的转速和动力输出同车轮不存在对应关系,令发动机尽可能运行在最高效率区间内,同时电传动系统还可以回收车辆多余的动能,这样一来,能量转换效率得到极大提升,油耗便显著降低。

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  丰田的这套混动系统设计巧妙,加上高效可靠的性能,在世界范围内得到了广泛认可。同时丰田也为这套系统申请了超过4500项专利,在专利保护下,其他厂商想要生产类似的高效混动系统便捉襟见肘。

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  因此,许多厂商为了绕过丰田的专利保护,便另辟蹊径开发其他结构的混合动力系统。其中最常见的便是在发动机和变速箱之间集成一台电动/发电机,配合电池和电控系统组成一套混动系统,即我们常说的P2结构。

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  P2结构的混动系统最大的特点是结构简单,在原有动力系统的基础上仅需对变速箱进行简单的改造便可以实现。相比丰田的HSD系统,这套系统同样可以实现电力单独驱动车辆前进、动能回收、发动机发电等功能,并且通过简单加大电池容量和电机功率,便组成实现插电式混动系统,整体研发成本并不算高。但是与丰田HSD系统相比,这套系统并没有将发动机同车轮“解耦”——发动机仍然通过变速器同车轮相连,因此在多数工况下仍然无法运行在最高热效率区间内,所以整套系统的节油效果较HSD系统有着显著的差距。

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  除了P2系统之外,如今另外一个十分火热的概念是48V:即将车辆的供电系统电压由12V提升至48V,这样一来便可以搭载功率更大的用电设备,藉此来降低车辆的燃油消耗。48V系统最显著的变化在于车辆使了一台大功率的BSG发电/启动电机,这台电机不仅可以实现发动机启/停功能,而且可以直接带动发动机曲轴来驱动车辆前进,实现混合动力的效果。根据混动系统命名规则,这样的混动结构被称为P0(即电动机位于发动机前端)。

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  相比P2结构,48V系统组成的P0结构由于整体结构更加简单,并且不需要大容量的电池和复杂的电控系统,因此整体成本更为低廉。而且在NEDC循环工况下,可以实现15%左右的节油效果,因此最近受到了不少厂商的追捧。但是局限也十分明显:相比P2结构,由于电能介入频率更低,在实际使用时节油效果着实有限。

  因此,作为混合动力系统的创始者,丰田的这套混合动力结构至今在运行原理和实际节油效果上,相比如今市面上大部分混合动结构仍然存在着不小的优势。



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