多样化的电动化技术(下):日产开发60kWh电池,延长EV续航里程

本田:双电机HV系统将效率最大化,新款NSX追求“瞬时响应”

2016/03/10

概 要

  本报告将围绕2016年1月举办的Automotive World上的演讲,介绍日产和本田的电动化战略。

  日产的演讲以“纯电动车创造未来社会”为题,介绍了为纯电动车(EV)配套的电池容量升级计划与充电基础设施的现状以及今后计划。目前正在开发60kWh的高容量电池,以期大幅延长EV的续航里程。

  本田的演讲以“本田的power plant的进化与最新科技”为题,介绍了配套于雅阁的双电机混合动力系统(i-MMD: Intelligent Multi-Mode Drive)与新款NSX的设计理念及这些HV中蕴含的新技术。i-MMD以动力总成效率的最大化为目的开发而成。新款NSX在前进、停止、转弯方面实现ZERO DELAY(瞬时)响应的性能。


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日产:纯电动车创造的未来社会

  日产计划实现零排放和零死亡事故这2个“零”。利用电动化技术来实现零排放,用汽车的智能化技术来实现零死亡事故。2016年起分阶段导入的自动驾驶为车辆的安全作出巨大贡献。

日产的挑战

问题 日产的课题 对策 备注
能源 零排放 电动化技术 伴随精细控制的电动化技术在自动驾驶 领域起到了非常重要的作用。
温室效应
堵车 零死亡事故 智能化技术
交通事故

资料:日产 (注)90%以上的交通事故由驾驶员引发。在危险的识别、判断和反应速度方面,机械的能力远胜于人。因此,自动驾驶能为车辆的安全作出巨大贡献。

 

自动驾驶技术的投放时间表

2016年 2018年 2020年
Piloted Drive 1.0 Piloted Drive 2.0 Piloted Drive 3.0
堵车时 高速道路 市区
单一车道行驶 多车道行驶 包括路口

 

 



计划延长EV续航里程

聆风的客户评价
聆风的客户评价(包括对续航里程的不满) (资料:日产)

  电动化技术中,日产介绍了“提高电池容量”从而延长续航里程以及“完善充电设施”这2个能确实延长EV续航里程的方法。日产针对聆风的客户调查显示,75%的客户显示出再次购买的意向,但25%的客户由于续航里程、充电时间等原因,不再打算购买,或者其他。

  日产CEO戈恩在2015年6月的股东大会上宣布,“不久的将来将向EV的客户提供续航里程可匹敌内燃机构的EV”,“2015年内将介绍扩大续航里程的第一步”。










开发容量60kWh的电池,第一步将实际应用30kWh电池

延长聆风的续航里程
延长聆风的续航里程(资料:日产)

  日产正在开发容量60kWh的电池,应用至下一代聆风,预计将实现500km左右的续航里程。

  作为扩大续航里程的第一步,首先利用60kWh电池革新技术的一部分,开发容量30kWh的电池,为2015年12月上市的改良版聆风配套。JC08标准下的续航里程从228km扩大至280km(同时销售电池容量24kWh、续航里程228km的版本)。

  这样一来,实现了聆风上市最初客户强烈要求的“实际行驶里程200km”,日产希望客户能无需再担心剩余电量,充分地享受聆风的行驶性能。





延长EV聆风续航里程的计划

上市时间 2012年 2015年12月 未来新款
电池容量 24kWh 30kWh 60kWh
电池节数和模块个数 4节×48模块=192 8节×24模块=192 电池节数 288
续航里程(JC08标准)(注1) 228km 280km 500km左右
行驶100km所需充电时间 (充电器电力) (50kW) (50kW) (100kW)
充电时间 30分钟不到 15分钟左右 10分钟不到
电池容量保修时间(注2) 5年10万km 8年16万km 未公布
资料:日产
(注) 1. 未来新款的“续航里程500km左右”是根据日产发布的图表推测而得。
2. 电池容量分12级,当低于9级(低至8级)时,提供免费修理或更换零部件,使电池容量恢复至9级或以上。
3. 采用60kWh电池的下一代聆风预计将推出自动驾驶版本。日产在2015年东京车展展出的IDS概念车展现了未来的自动驾驶理念,便是一款采用60kWh锂离子电池的EV。

 

利用2种结构革新,开发高容量电池

  日产利用2项结构革新,开发出60kWh的高容量电池。30kWh电池也实际应用了其部分技术。

  单节电池的化学结构在24kWh电池使用的锰和镍的正极上增加钴,并提高了负极石墨对锂离子的受容性。

  其次,在电池结构的创新方面,24kWh与30kWh电池组由192节电池构成,通过安装技术的创新,60kWh电池组采用“多节电池层积结构”,将更多节电池安装在高密度电池组中,可放置288节电池。

  还根据电极材料的改变更改电解液(防止老化材料),防止锂化合物的产生而老化,改善了耐久性。

 

提高电池容量的2项技术革新
提高电池容量的2项技术革新(资料:日产)
リチウム消費反応を抑制し、耐久性を改善
根据电极材料的改变进一步优化电解液(防止老化材料) 防止锂的化学反应,实现耐久性的改善(资料:日产)

 

 



截至2015年底约有17,000台充电桩,计划进一步增加

  截至2015年底,日本国内的充电桩已达到约17,000台,其中6,000台为快速充电器,11,000台为普通充电器。日产希望在日本国内形成能马上让人感受到EV 聆风优势的环境。

  日产资料显示,日产聆风在日本各行政区的累计销量与快速充电器的数量息息相关。设置快速充电器最多的县依次是神奈川县、埼玉县、爱知县。不同地区的利用情况差异相当大,在足柄、海老名、谈合坂等利用次数较多的充电站出现排队等待充电的情况。预计将在这些充电站增加充电器的数量。

  今后将根据汽车的发展、用户的充电情况、以及成立充电业务的条件,推进充电网络的完善。

 



本田:混合动力是电动车的关键技术

  包括本田在内的全球整车厂为了提高燃效、削减CO2排放量,推出EV和FCV(氢电池车),但这些车型在续航里程、充电设施不足以及成本方面尚存在问题,因此现阶段要实现普及尚存在难度。本田将以混合动力车为主,推进燃效提高和CO2的削减。混合动力技术还是所有未来电动车的基础技术,本田表示,将以进一步提高混合动力技术的效率为根本,加快车辆的电动化。

  本田在近2~3年内开发了一系列混合动力系统,分别是为飞度等车型配套的i-DCD (Intelligent Dual-Clutch Drive)、为雅阁和奥德赛(2016年2月上市)配套的i-MMD (Intelligent Multi-Mode Drive)、以及为其插电式混合动力版、新款Legend以及新款NSX配套的Sport Hybrid SH-AWD (Super Handling All-Wheel-Drive)。本田在2016年Automotive World的演讲中对双电机的i-MMD以及三电机的Sport Hybrid SH-AWD的设计方针进行了解说。

 



双电机混合动力系统i-MMD的基本理念

  本田在开发双电机混合动力系统i-MMD时,以动力总成效率的最大化为目标,因此首先对现有的3种具有代表性的混合动力系统进行了效率方面的比较。

各混合动力系统的特征比较

串联式 ・利用发动机发电产生的电力驱动电机。发动机完全用于发电,因此可以使其无论在任何行驶条件下,都只在高效范围内运行。
・以电能的传递为主(Electric transmission)。随着电机转数的变化进行变速。
・需要较大的电池,因此非客车和货车等大型车较难实现。
并联式(本田IMA等) ・发动机与电机共同驱动车辆。
・通过机械性传递能量(采用AT、CVT等,Mechanical transmission),传递驱动能量。
混联式(丰田THS等) ・发动机的动力分成2部分。1部分与驱动轴直接连接(Mechanical transmission),另1部分通过发电机/电机驱动车辆,或辅助发动机(Electric transmission)。
・Electric transmission与Mechanical transmission的使用比例根据行驶情况进行控制。

资料:Efficiency Enhancement of a New Two-Motor Hybrid System (EVS27 International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium)

 

构建提高Electric transmission比例的系统

  本田资料显示,电机、发电机、逆变器的效率超过一定水平后,Electric transmission的比例越高,混合动力车整体的效率越高。根据该原理,构建了提高Electric transmission比例的系统。

  但是,以恒定高速行驶时,Mechanical transmission的效率会超过Electric transmission的效率,因此采用Mechanical transmission。这时依靠发动机的行驶相当于一般挂高速挡行驶,省略了诸如AT、MT、CVT等变速机构。

  从结论上来说,i-MMD系统的基本主要有2点,1点是采用串联混合动力系统,另1点是高速行驶时汽油发动机与驱动轴直接连接。

 

设定3种行驶模式

  根据上述结论,推出在EV行驶模式、混合动力行驶模式、发动机行驶模式这3种行驶模式之间切换行驶的系统,以实现效率的最大化。

 

传动系统的构成

构成图 EV行驶模式
电动CVT主要由发电机及驱动电机、离合器构成
电动CVT主要由发电机及驱动电机、离合器构成。
利用锂离子电池的电力,进行只依靠驱动电机的行驶
利用锂离子电池的电力,进行只依靠驱动电机的行驶。
混合动力行驶模式 发动机行驶模式
发动机驱动发电机发电
发动机驱动发电机发电。利用产生的电力,进行只依靠驱动电机的行驶。有时还会对锂离子电池进行充电。
利用离合器直接连接发动机的输出轴与车轮
利用离合器直接连接发动机的输出轴与车轮,依靠发动机行驶。有时还会为锂离子电池进行充电、利用驱动电机辅助发动机行驶。

根据本田宣传资料制作而成

 

发动机与电机效率的进一步提高

  i-MMD在控制方面,可持续使用“最有效点”,即发动机与电机可分别根据不同行驶情况高效驾驶的领域。

  发动机方面,通过电机辅助、以及反过来增加发电量来调整发动机的负荷,调整至发动机最高效旋转的状态。

  电机方面,通过导入升压器VCU (Voltage Control unit)、采用磁阻转矩,提高了扭矩和效率。

进一步提高发动机与电机的效率

发动机   如果相对于驾驶员希望功率,发动机的转数低于“最有效点”,就会增加发电量,直到发动机转速提高至效率更高的转速域,剩余的电力会储存在电池内。相反,如果相对于希望功率,发动机转数高于“最有效点”时,就会将发动机转速降低至高效的范围,不够的功率通过电机辅助补充。
电机   通过配置升压器 VCU(Battery voltage amplifier),可将驱动电压升压至最高700V,实现小型大功率的电机。
  电机在驱动电压较高时,在高转速、高扭矩范围的效率较高,驱动电压较低时在低转速、低扭矩范围的效率较高。利用VCU,可使电机始终保持在高效范围运行。
  通过定子与磁铁的吸引和排斥产生的“电磁转矩”,开发出可最大限度利用通过定子吸引铁芯产生的“电磁转矩”的磁路、以及独有的磁铁布局,实现了高扭矩。(电磁转矩在2013年Insight的最大92Nm基础上,通过i-MMD扩大至307Nm。)

资料:Efficiency Enhancement of a New Two-Motor Hybrid System (EVS27 International Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium)。

 



新款NSX:在前进、停止、转弯方面追求ZERO DELAY

新款NSX
新款NSX(拍摄于2015年东京车展)

  本田的新款NSX超跑采用Sport Hybrid SH-AWD (Super Handling All-Wheel-Drive),从行驶的三个方面—前进(Go/acceleration)、停止(Stop/braking)和转弯(Turn/cornering)—追求“瞬时响应”(ZERO DELAY)。

  结合了新开发的直喷V型6缸双涡轮发动机以及内置高效电机的9速双离合变速器。还采用电动四轮驱动系统,通过2台电机独立驱动左右前轮。

  除了动力总成以外,高强度、高刚性的车身针对可以通过转向器、节流阀以及制动器传达的驾驶员诉求,提供瞬时响应的基础。NSX采用多项新制造技术,与其他车辆相比,刚性提高1倍多。   该车型在美国开发,首先将于2016年春季在美国作为讴歌NSX上市。整车厂建议零售价为156,000~205,700美元(整车厂选配全部安装的情况下)。

新款NSX的设计理念

项目 理念 具体事例
Sport Hybrid SH-AWD 利用三电机实现大功率、 大扭矩和快速反应   通过与曲轴直接连接的电机,实现较快的反应速度和启动辅助(驱动后轮)。
  左右独立控制驱动前轮的双电机,实现扭矩矢量控制。内轮一侧的电机通过发电进行制动,可向外轮一侧的电机提供电力(负扭矩控制)。
3.5L Twin-turbo DOHC发动机 作为跑车专用发动机, 实现出众的动力性能   利用缸内直喷 + 喷油口喷射燃料系统、高应答双涡轮增压器、双VTC、高压缩比燃烧室等实现大功率。
低重心、小尺寸   75°通过采用75°V倾斜的发动机、小型汽缸盖、发动机下干式油底壳等降低重心。
9速双离合变速器 实现不同情景的不同行驶模式   拥有密齿轮比和远齿轮比2种齿轮比。1~8速为密齿轮比,实现连续的加速,高速挡为Cruise gear,为高速行驶时提升燃效和静谧性作出贡献。
高强度、高刚性车身 导入铝和钢的复合结构以及 新的生产技术   采用全球首个铝烧熔铸造以及全球首个超高张力3D热弯曲淬火(注)。地板采用碳纤维。刚性与其他车辆相比,高1倍以上。
(注) 1.  烧熔铸造的工艺包括“向砂型内注入熔融铝”、“将砂型通过水浴”、“砂型裂开,快速冷却零部件”。
2.  3D热弯曲淬火(3DQ)是指对钢管进行局部加热,用机器人进行弯曲加工,并立刻用水快速冷却,进行淬火。该技术可高效地制造原先加工较为困难的复杂形状超高张力钢管。新款NSX的A柱采用该工艺制造,兼顾了前方视野和车身安全性。

 

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