读书:Lienkamp教授谈特斯拉

前段时间读了 Markus Lienkamp 教授新出版的书《Status Elektromobilität 2016 oder wie Tesla nicht gewinnen wird》(2016年电动及混动汽车现状 —— 特斯拉将如何失败)1

Lienkamp 教授是慕尼黑工大汽车研究所的首席教授,每两年他都在 ResearchGate 网站上以著书的形式发表他对电动和混动汽车发展的看法,对世界汽车市场及主要汽车制造商的动向给出他个人的见解。

正逢这些天特斯拉自动驾驶车祸事件闹得很凶,读新闻的时候突然想起 Lienkamp 教授的书中有一章专门写特斯拉公司,于是又把书找了出来。

Lienkamp 教授著书

图1:Lienkamp 教授著书 | 图片@ResearchGate

在比较各个汽车制造商后,Lienkamp 教授认为,每个德国大型汽车制造商都已经完全有能力制造特斯拉 Model S 级别的电动车。同时,凭借强大的供应链及研发经验,每家公司造出的电动车都只可能比特斯拉更好。(但由于公司的保守策略,如大众、宝马等德国各个厂商仍在踌蹰。)

在 Lienkamp 教授眼中,特斯拉有以下三个大的问题:

首先,特斯拉至今仍缺乏大规模生产的经验。当特斯拉的车型进入大批量生产环节时,由于生产经验不足,产品的质量难以保证。质量问题将对特斯拉品牌造成很大的冲击。与此相比,电动车的生产虽与传统汽车不同,但如大众、戴姆勒等汽车制造商已经积累了足够的经验,在生产上比特斯拉更具优势。

其次,也由于生产经验的缺乏,特斯拉新车型需要很长的时间才能进入快速生产期。特斯拉最新车型 Model 3 官方预计在2017年年底上市,然而 Lienkamp 教授认为,由于生产问题,Model 3 最早也要等到2018年年中才能陆续交货。

最后,在汽车技术和功能上,特斯拉公司一直走极为激进的路线。为了提升品牌效应,为了让特斯拉成为最新汽车技术的代名词,特斯拉长期以来在它的车型中使用技术并不成熟的产品。对这一点,Lienkamp 教授在书中列举了 Model X 的鹰翼门设计。此外,在自动驾驶方面,特斯拉虽然在车中只安装了简单的传感装置,却力求用这些简单装置提供最高端的自动驾驶功能。

这里提到的最后一点在我看来最好地解释了特斯拉此次自动驾驶事故的根本原因。特斯拉此次事故正是因为其车中的平面摄像头(mono camera)及其软件没有从侧面识别前方的卡车,导致汽车冲向卡车,驾驶员死亡。与此相比,戴姆勒及宝马在其辅助驾驶系统中都使用了立体摄像头(stereo camera)2

特斯拉 Gigafactory 超级电池工厂

图2:坐落于美国内华达州的特斯拉 Gigafactory 超级电池工厂 | 图片@特斯拉

在 Lienkamp 教授看来,特斯拉今天唯一的优势是它的 Gigafactory 超级电池工厂。但是,若其它汽车厂商也联合松下、LG 或三星进行大规模电池生产的话,特斯拉的这个唯一的优势也将迅速消失。

注释:

  1. 该书下载:ResearchGate网站页面(德语)

  2. 推荐信息:Car and Driver 网站对宝马 750i xDrive、英菲尼迪 Q50S、奔驰 S65 AMG、特斯拉 Model S P85D的驾驶辅助系统的硬件配置进行了比较(链接


新型汽车变速器 eCVT (一)

本文速读:

  • 随着混合动力汽车的兴起,一种新型混动变速器(eCVT)成为了业界内的新研究重点。

  • 美国的通用与日本的丰田公司是这种新型混动变速器的先驱,并几乎瓜分了该领域的所有专利。

  • 自90年代末至今,两家公司分别推出了多款划时代的产品,极大地影响了汽车行业的走向。

对于绝大多数人来说,变速器无非是车里的那个换挡杆。
对于工科出身的人,变速器意味着一大堆大大小小的齿轮。
对于汽车业内的工科人,变速器是由各种弹簧、齿轮、轴承、阀门等构成的精密机器。

然而,不论是在业内还是业外,汽车变速器在人们心目中的形象仍然与十几年前一样,变速器仍然只是传统的纯机械部件。近几年混动汽车崛起,变速器是在混动化中变革最为深刻的部件

丰田普锐斯第三代

图1:丰田普锐斯第三代 | 图片@Auto Bild

上个月在美国底特律的一个汽车展会上与一个展商聊天。该公司主要生产双离合变速器(DCT)及自动变速器(AT)内的弹簧。这些变速器专业人士,对变速器的电气化仍然很陌生。对变速器内如何嵌入电动机,及由此对变速器及驱动系统带来的影响了解甚少。这一点很让我惊讶。

与一些展商聊下来,给我的感觉是,各个零部件生产厂商都普遍专注于各自的传统产品,对于其他产品或是整个驱动系统缺乏整体的认识和技术更新。这应该是任何一个行业内都普遍存在的现象。

变速器电动化其实早已开始,各类电动化的变速器早已投产,各种新型的变速器方案也正在加紧研发。这中间,业界内最新的发展动向为 eCVT 变速器

日本丰田与普锐斯

90年代时,混动系统对于汽车业来说还是一个颇为陌生的词。为了减低油耗,当时唯一合理的方式就是提升发动机与变速器的效率。此时的丰田特立独行,决定用混合动力的方式降低油耗。1997年,丰田推出了第一代普锐斯(Prius)。

第一代普锐斯的驱动系统结构极为简单,但在当时来说却非常新颖。一个行星齿轮组处于驱动系统的中心位置,行星齿轮组的三个轴分别与一台发动机(ICE,53 kW),一台发电机(MG1,18 kW)及变速器输出轴相连。除发电机外,系统中还安装有一台发电机(MG2,33 kW),用于直接推动变速器输出轴。总结来说,第一代普锐斯的变速器包括一个行星齿轮组、两台电机。变速器内找不到一个换挡元件。

丰田普锐斯第一代驱动系统结构

图2:丰田普锐斯第一代驱动系统结构 | 图片@Oak Ridge National Labotary

通过发动机与发电机(MG1)的协同工作,普锐斯可以实现无级变速行驶。由于该系统区别于传统意义上的纯机械无级变速器(CVT),因此,这种“电动”的无级变速被称作 eCVT(electrical CVT)

普锐斯的结构从第一代直至现在第四代经过不断调整更新,但是最核心的结构仍然保持不变,即用一个行星齿轮组进行功率分流。业内称普锐斯的这种结构为 Input-Split,即输入式功率分流,意思是发动机的功率在变速器的输入端被分成了两条分流:

第一条功率流完全由行星齿轮组传递至变速器的输出轴,这里,功率的传递完全通过机械形式进行,这份分流也被称为机械流

第二条功率流完全不同,在这里,功率在变速器的输入端被传递给发电机(MG1)。在发电机内,机械能被转换为电能,再传递给电动机(MG2)。在电动机上,电能再次被转换为机械能,然后传递至变速器输出轴。这条功率分流被称为电动流。很明显,在电动流的传递中,能量的形式被转换了两次,导致电动流的传递效率很低。

以普锐斯为代表的输入式分流系统适合于城市内的低速行驶。在这种行驶情况下,系统有较高的效率。第三代普锐斯的市内油耗约为百公里3至4升。然而,在高速公路上,由于系统结构的限制,输入式分流系统内无可避免的会出现功率循环,导致系统效率大幅降低,油耗可以增加至2倍多1。这也是这类系统的一个很大的缺点。

丰田普锐斯第四代驱动系统

图3:丰田普锐斯第四代驱动系统 | 图片@Hybrid Cars

然而,即使有这样的缺点,丰田仍然通过普锐斯系统取得了巨大的成功,并将此混动系统(官方名称为THS,即Toyota Hybrid System)运用在不同的车型上。到2015年为止,丰田旗下共有超过800万台车2使用这种输入式功率分流混动系统。

1997年普锐斯推出时,欧洲汽车厂商对其不屑一顾,百般嘲笑。在2016年的今天,普锐斯已经成为了混动汽车的代名词。

美国通用与双模变速器

输入式功率分流与复合式功率分流

图4:输入式与复合式功率分流 | 图片@The Truth About Cars

虽然德国人发明了汽车,然而历史上,汽车变速器的领衔人大部分时间却是美国人。

1939年通用公司(General Motors)研发出世界第一台自动变速器 Hydra-Matic,自此之后,通用公司在变速器领域一直处于领先地位。

90年代末,当丰田选择输入式功率分流式系统作为其发展方向时,通用公司也全力进军混动领域。通用的选择跟丰田很像,也是采用功率分流系统,然而却选择了另外一种分流系统,即复合式功率分流(Compund-Split)

利用这种系统,在高速行驶时,变速器内的电动流可以被抑制在一个较低的程度,使得大部分能量都通过机械流传递,同时提供无级变速(eCVT)。

如之前提到过,机械流较电动流传递的效率高,因此,复合式功率分流系统在高速行驶时比丰田的输入式分流更具优势。然而,在低速行驶时,复合分流式系统反而效率更低

为了解决这个问题,通用公司在它的变速器中结合了上述两种分流模式,即输入式和复合式分流。在低速行驶时,系统选用输入式分流,当汽车加速到高速时,变速器转换至复合式分流模式。

2005年时,通用公司联合宝马(BMW),戴姆勒(Daimler),克莱斯勒(Chrysler)组建 Global Hybrid Cooperation 联盟,并于2008推出了它在乘用车上的第一代 eCVT 产品,名称为Two Mode Transmission,即双模变速器。取这个名称正是因为其包含两个 eCVT 模式,即输入式和复合式两种模式。 该变速器的结构如下图。

通用公司双模变速器

图4:通用公司双模变速器。该变速器装配于宝马X6、奔驰ML450等车型上。 | 图片@宝马公司

这之后,通用陆续推出了几代更新的双模变速器。最新的一代产品安装在2016款 VoltMalibu Hybrid 上。

由于通用公司最早对双模式变速器进行研究,今天,绝大多数双模(或是多模)变速器的专利都被通用公司包揽,可以说是独占了这一块巨大的市场。欧洲人在这一块被远远地抛在了后面。

通用 vs. 丰田

总结来说,丰田与通用选择了两套截然不同的方案。

两家公司在各自的方案下都已有多年的技术积累,同时,专利的划分到了今天已经非常明显。丰田主要占有输入式功率分流系统,而通用则独霸复合式功率分流系统。两者哪个更好,业界内没有一致的说法。

通用 vs. 丰田

我曾经问丰田公司混动系统的高管 Heraldo Stefanon 丰田是否会大力研究复合式分流系统,得到的答复是丰田还是将重心放在输入分流上。在接下来的几年内,我们将看到这两类系统的并存及激烈竞争。通用与丰田的争斗将更加深入。

下一篇中,我会来谈谈欧洲及中国的 eCVT 产品。

注释:

  1. 出处:Prius Wiki 网站数据(德语)

  2. 出处:2015年12月丰田公司 Johan De Backer 于德国 CTI 会议上报告(德语):”Toyota Hybrid System – maßgeschneidert für große Stückzahlen”

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