作者：王正鑫 專利分析師
2020年9月16日，在南京召開的第二屆全球新能源汽車供應(yīng)鏈創(chuàng)新大會上，國家新能源汽車創(chuàng)新工程項(xiàng)目專家組組長王秉剛表示：2.0版“節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖”已通過專家評審，很快就要正式發(fā)行。此次路線圖的最大變化在于：政策對“混合動力”松口，提出混合動力是內(nèi)燃機(jī)汽車最有效的節(jié)能技術(shù)。今后15年，中國的傳統(tǒng)汽車要全面向混合動力去轉(zhuǎn)變，積極推動傳統(tǒng)汽車實(shí)現(xiàn)“混動化”，用“全面電驅(qū)動計劃”代替“禁燃時間表”更符合中國國情。
此番言論被廣泛解讀為國家要對汽車行業(yè)的“禁燃”政策規(guī)劃和“純電動”技術(shù)路線進(jìn)行糾正，而作為“板凳球員”、“過渡階段”的混合動力車輛將會有更加廣大的發(fā)展空間。那么當(dāng)前在中國不溫不火的混合動力究竟有什么“神通”，會被參與新版“路線圖”設(shè)計的千位專家看好呢？
筆者將在本文前半部分講講混合動力前世今生的技術(shù)演進(jìn)，后半部分談?wù)勂鋵＠偁幐窬帧Ｗx者中若有準(zhǔn)備入局混合動力技術(shù)的企業(yè)，希望此文能為你們提供一點(diǎn)參考，若無此興趣，就權(quán)當(dāng)聽個延續(xù)百年的傳奇故事吧。
混合動力之原理——真正的節(jié)能減排技術(shù)
提到混合動力，絕大部分人的第一印象就是混動車省油。可是為什么能省油呢？一些人可能會說：因?yàn)槟苡秒娧剑?dāng)然就省油了。然而一般的混動車都是不能外接充電的（插電式混動除外），它們的電量都是靠發(fā)動機(jī)燃燒汽油發(fā)電產(chǎn)生的，也就是說這些車型表面上用電，實(shí)際上還是用的油，那為什么還會省油呢？
實(shí)際上，汽車的內(nèi)燃機(jī)在不同工況下，能量轉(zhuǎn)化效率是不同的。內(nèi)燃機(jī)的高效工作區(qū)間（圖中紅色部分）非常狹窄，往往只局限在較低轉(zhuǎn)速（橫坐標(biāo)）、較高扭矩（縱坐標(biāo)）的某個范圍，對應(yīng)的工況就是較高速度下勻速行駛。
因此我們很容易想到，要想實(shí)現(xiàn)最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性，最好的方式就是讓發(fā)動機(jī)要么不工作，要么就在高效區(qū)間工作。但是汽車在日常行駛中不可能永遠(yuǎn)在高效區(qū)間運(yùn)行，更不可能隨便停機(jī)。如果想要維持發(fā)動機(jī)始終保持在高效區(qū)間，我們就需要同時調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速和扭矩。在混合動力車輛中，這一工作由電機(jī)和電池完成，當(dāng)發(fā)動機(jī)在高效區(qū)間的動力輸出高于實(shí)際需求時，多余的功率通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中；當(dāng)車輛在極低車速下走走停停時，內(nèi)燃機(jī)干脆完全停機(jī)，純粹由電機(jī)來工作；當(dāng)發(fā)動機(jī)動力輸出低于實(shí)際需求時則電池儲存的電能驅(qū)動電機(jī)與發(fā)動機(jī)共同驅(qū)動車輛。這樣一來就來達(dá)到了省油的目的。
總結(jié)起來就是：混合動力技術(shù)能夠省油的實(shí)質(zhì)不是能源替換，而是把電能作為一個中間介質(zhì)來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)工況，使其始終保持高效。
相比之下，在使用環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了零油耗、零排放的電動車，在全生命周期的節(jié)能減排效果反而不如混合動力。2019年6月，中國汽車技術(shù)研究中心發(fā)布了《中國汽車低碳行動計劃研究報告》，對當(dāng)前市面上7款純電、1款混動、6款汽油車的生命周期碳排放進(jìn)行了測試。結(jié)果如下：
可以發(fā)現(xiàn)作為唯一一款混合動力車，凱美瑞雙擎的全生命周期碳減排綜合效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于報告中的其他車型，而大部分電動車的碳減排效果相比燃油車并不顯著。因此筆者認(rèn)為，相比于純電動，混合動力才是現(xiàn)階段真正能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的技術(shù)。然而目前我國的汽車政策是全力發(fā)展純電動車，給予了大量的補(bǔ)貼，對于插電式混動車的扶持力度就要小很多，而對于凱美瑞雙擎這樣的普通混動車更是將其劃歸燃油車，完全沒有補(bǔ)貼。這就導(dǎo)致許多品牌對于混動車是避之不及的態(tài)度，轉(zhuǎn)而投入大量精力去研發(fā)表面上零排放，實(shí)則并不怎么環(huán)保的電動車。對此筆者深感遺憾，故做此文。
混合動力之發(fā)源——一鳴驚人，蟄伏百年
混合動力車的歷史最早可以追溯到1900年，時年25歲的費(fèi)迪南德·波爾舍（保時捷公司的創(chuàng)始人）遞交了一份專利申請GB190018099A，該專利申請?zhí)岢隽艘环N在車輛前輪上安裝輪轂電機(jī)來驅(qū)動車輛的方法。同年，他基于此專利技術(shù)設(shè)計出了第一部以自己姓氏命名的汽車，也是世界上首款油電混合動力汽車——1900 Lohner-Porsche。這輛車由一臺3.7kW的兩缸內(nèi)燃機(jī)和兩個2kW輪轂電機(jī)組成的串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)驅(qū)動。在該系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)不直接參與車輛驅(qū)動，而是為電機(jī)提供動力，由電機(jī)驅(qū)動車輛。這一技術(shù)方案在當(dāng)時以馬車為主流交通工具，汽車剛剛誕生的時代看來簡直是科幻作品。直到今天，絕大多數(shù)增程式電動車的動力結(jié)構(gòu)都是延伸自波爾舍老爺子120年前的這一基本構(gòu)型。
而除了波爾舍老爺子之外，德國工程師亨利·皮珀也是混動領(lǐng)域不可或缺的一人。他在1904年申請的GB190407526A提出了并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)作為主要動力來源，電機(jī)為輔助動力來源，二者均可參與車輛驅(qū)動。此外該專利還提出了最早期的動力管理系統(tǒng)。直到今天，仍有很多混動車型，尤其是自主品牌車型的動力結(jié)構(gòu)都是延伸自皮珀老先生116年前的這一基本構(gòu)型。
之后，由于兩次世界大戰(zhàn)的影響，基礎(chǔ)工業(yè)受到嚴(yán)重破壞，民眾流離失所，導(dǎo)致混合動力技術(shù)經(jīng)過了一個數(shù)十年的靜默期。二戰(zhàn)之后，全球經(jīng)濟(jì)百廢待興，復(fù)興工業(yè)成了許多國家恢復(fù)經(jīng)濟(jì)的主要手段。在此背景下，發(fā)達(dá)國家的汽車工業(yè)開足馬力加速發(fā)展，技術(shù)研發(fā)重新變得活躍?；旌蟿恿﹄m然不是當(dāng)時一個主流的技術(shù)分支，但也受到了一定的關(guān)注。
研究人員發(fā)現(xiàn)，無論是之前波爾舍提出的串聯(lián)結(jié)構(gòu)還是皮珀提出的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，都難以在所有工況下幫助發(fā)動機(jī)保持時時刻刻都在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此更為高效的混聯(lián)式構(gòu)型應(yīng)運(yùn)而生，在該系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)與電機(jī)都可作為車輛主要動力來源。其中最為典型的代表就是基于行星齒輪組的動力分流構(gòu)型，大名鼎鼎的豐田普銳斯采用的就是這一混動構(gòu)型。
現(xiàn)代意義上的動力分流型混合動力驅(qū)動系統(tǒng)是由美國天合汽車集團(tuán)（TRW）在1969年發(fā)明的。該公司申請的US3566717中所描述的混合動力驅(qū)動裝置從原理上已經(jīng)與現(xiàn)在的動力分流技術(shù)一般無二，詳見下圖。
上圖中包括了發(fā)動機(jī)2和兩個電機(jī)22和28，以及一套行星齒輪10，是一種單模輸入動力分流系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)2通過傳動軸4穿過行星架6連在太陽輪5上面，電機(jī)22通過齒輪26與行星架6相連，齒圈12被太陽輪5和行星架10共同驅(qū)動并通過傳動軸18將動力輸出，在傳動軸上還通過齒輪16與電機(jī)28并聯(lián)。而如今豐田THS混動系統(tǒng)最核心的技術(shù)——ECVT的結(jié)構(gòu)幾乎與此一模一樣，只是改為了發(fā)動機(jī)連接行星架，兩個電機(jī)分別連接太陽輪和齒圈。只可惜受制于當(dāng)時的計算機(jī)電控水平，這一設(shè)計直到專利權(quán)失效也未能投入量產(chǎn)。
混合動力之崛起——時勢造英雄
我們可以看到，在20世紀(jì)80年代之前，混動技術(shù)的發(fā)展雖然緩慢，但還是誕生了一些革命性的技術(shù)。然而同期的混動車市場卻是停滯不前，幾十年內(nèi)幾乎沒有出現(xiàn)過幾款量產(chǎn)混動車。其原因在于，當(dāng)時的油價偏低，而混動車型售價昂貴，受眾群體極為有限。因此混合動力車相對于燃油車基本沒有任何優(yōu)勢，直到20世紀(jì)70年代，全球石油危機(jī)才為混動車型帶來了新的生機(jī)。
作為“車輪上的國家”，美國一直是全球最大的單一汽車銷售市場。早期的美國本土汽車市場被通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司壟斷。20世紀(jì)60年代初，這三家公司的年銷量占據(jù)美國市場的近90%。到了70年代，兩次全球石油危機(jī)導(dǎo)致每桶石油價格在不到十年間從3美元漲至34美元，使得美國從政府到民眾，對于使用節(jié)油性汽車的呼聲越來越高。而此時以豐田為代表的日本車企抓住了機(jī)會，大規(guī)模進(jìn)入美國，以省油、便宜等賣點(diǎn)打開了美國市場。此后，日本車逐漸取代本國產(chǎn)品，成為美國消費(fèi)者的首選。
到了20世紀(jì)80年代末，由于受到來自日本汽車的強(qiáng)勁挑戰(zhàn)，美國汽車的市場占有率不斷被壓縮。面對市場上的競爭失利，美國政府與企業(yè)都開始行動起來。1993年9月，時任美國總統(tǒng)克林頓在華盛頓宣布：美國政府將與前述美國三大汽車公司合作進(jìn)行一項(xiàng)推動美國汽車技術(shù)革命的合作計劃，即新一代汽車合作伙伴計劃（PNGV）。該計劃的目標(biāo)是將具有商業(yè)可行性的新技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)車輛上，開發(fā)出具有三倍于現(xiàn)行車燃油效率的新一代車輛，以增強(qiáng)美國汽車的競爭力。在此背景下，通過優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)能夠達(dá)到的節(jié)能減排效果有限，難以實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，因此電氣化成了車企們幾乎唯一的選擇。而在當(dāng)時能夠?qū)崿F(xiàn)零排放的純電動車又存在技術(shù)不成熟和使用不便等問題，最終混合動力這一技術(shù)路線成為了綜合考量下的最佳方案，由此拉開了混動車型迅速發(fā)展的序幕。
混合動力之爭霸——兩大巨頭的對臺戲
書接上文，到了90年代，混合動力這一技術(shù)路線受到了各大車企的高度重視，對混合動力車輛的研究熱情空前高漲。為實(shí)現(xiàn)混動系統(tǒng)更高的燃油經(jīng)濟(jì)性，通用公司開始在行星齒輪組的研究上發(fā)力，一組、兩組、三組甚至四組行星齒輪的動力分流結(jié)構(gòu)都申請了專利。與此同時，大洋彼岸的豐田也在積極開發(fā)混合動力技術(shù)，并于1993年啟動了名為G21的項(xiàng)目。當(dāng)時的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人內(nèi)山田竹志帶領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)從上百種混動方案中層層篩選，最后確定了以單行星齒輪組為核心的動力分流式方案。然而此時豐田并不知道，通用汽車已經(jīng)提交了多項(xiàng)基于行星齒輪組的動力分流專利，只是尚未公開，他們的技術(shù)方案實(shí)際上已經(jīng)落入通用汽車專利的保護(hù)范圍之中。
時間慢慢來到1996年9月24日，在這一天，混合動力技術(shù)發(fā)展史中最為戲劇性的一幕發(fā)生了。豐田于此日正式向日本專利局提交了其混合動力系統(tǒng)的核心專利JPH1098805A（即E-CVT結(jié)構(gòu)的專利）。而在同一天，通用在之前申請的US5558588、US5558589、US5558595三件專利均公開并生效。但由于豐田專利的申請日恰好與通用專利的公開日是同一天，所以在對豐田專利進(jìn)行審查時，通用專利的技術(shù)方案并不能算作現(xiàn)有技術(shù)，因而未對豐田專利之后的授權(quán)和進(jìn)入其他國家造成顯著的阻礙。不過筆者真是替豐田捏一把汗，假如它的專利晚提交一天或者通用的專利早公開一天，那豐田的混動之路很有可能就萬劫不復(fù)了。
不過，豐田雖然僥幸躲過了通用的大坑，卻在一位民間高手的面前翻了車。1997年，初代豐田普銳斯正式上市，隨后在2000年引入北美市場銷售。2004年，豐田普銳斯在北美市場大獲成功，并推出了第二代車型。與此同時，一家名為Paice的美國公司起訴豐田侵犯了其混合動力技術(shù)的專利權(quán)，并要求法院禁止豐田在美國銷售所有的混合動力車輛。該公司的創(chuàng)始人Alex Severinsky在1992年申請的US5343970提出了一種通過高電壓和低電流從電機(jī)和發(fā)動機(jī)向汽車車輪提供轉(zhuǎn)矩的方法，可以廣泛應(yīng)用于各種類型的混合動力汽車中。經(jīng)過6年的反復(fù)扯皮，到2010年7月，豐田汽車終于就該專利侵權(quán)案與Paice公司達(dá)成庭外和解，付了一大筆錢獲得了他的23項(xiàng)專利授權(quán)。不過豐田并不是唯一的受害者，后來Alex Severinsky這位民間高手還把起亞、福特、大眾、寶馬等其他進(jìn)入混合動力市場的公司也告上了法庭，并成功迫使一些公司掏腰包購買的他的專利授權(quán)，只有通用幸免于難，主要原因可能在于通用采用了不同于豐田等公司的混動構(gòu)型。
在1997年豐田發(fā)布了Prius之后，通用汽車加速了混合動力系統(tǒng)開發(fā)的步伐。通用在研究中發(fā)現(xiàn)，豐田ECVT采用的單個行星齒輪組構(gòu)型雖然可以滿足全部使用工況的需求，但是需要更高的發(fā)動機(jī)功率、更大的電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速，而且在高速工況下效率較低。因此，理論上具有更高效率和更佳性能表現(xiàn)的多行星齒輪組方案被通用所采用，并應(yīng)用于大型公交車上。這套系統(tǒng)至今還是混合動力公交車最主要的解決方案之一。
到20世紀(jì)末，通用和豐田混合動力系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)已經(jīng)奠定，之后二者申請的專利都沒有對混動系統(tǒng)的原理和架構(gòu)進(jìn)行太大的改動，更多的是對系統(tǒng)效率和控制邏輯的優(yōu)化。至此，基于行星齒輪組動力分流技術(shù)的基礎(chǔ)核心專利已經(jīng)被通用、豐田以及Paice三家企業(yè)壟斷，那么其他想要入局混合動力技術(shù)的車企如何去對這一專利壁壘進(jìn)行規(guī)避呢？
混合動力之混戰(zhàn)——其他企業(yè)的生存之道
除了豐田與通用之外，本田也很早就在混動技術(shù)上進(jìn)行了探索和嘗試。1996年，本田提交的專利申請JPH09267647A提出了一種由發(fā)動機(jī)、電機(jī)和無級變速器組成的并聯(lián)式傳動機(jī)構(gòu)，即本田IMA混動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。之后在1999年，本田推出了采用IMA混動系統(tǒng)的初代Insight車型。但相比同期發(fā)布的豐田普銳斯，本田Insight的銷量可以用慘淡形容。之后本田也推出過很多采用IMA系統(tǒng)的車型，但燃油經(jīng)濟(jì)性無一例外地被豐田THS系統(tǒng)吊打。
之后本田顯然意識到了IMA的局限性，采用單電機(jī)的并聯(lián)式混動結(jié)構(gòu)在效率上無論如何也無法抗衡采用雙電機(jī)和行星齒輪組的混聯(lián)結(jié)構(gòu)?？墒腔谛行驱X輪組進(jìn)行動力分流的專利已經(jīng)被競爭對手壟斷，此時擺在本田面前的只有兩個選擇：要么堅守原地，在現(xiàn)有技術(shù)上不斷改進(jìn)尋求突破；要么研發(fā)出一條無人走過的，不同于豐田和通用的全新技術(shù)路線。藝高人膽大的本田選擇了后者，經(jīng)過十幾年的研發(fā)，終于在2008年提出了如今廣泛應(yīng)用于本田旗下混動車型的i-MMD系統(tǒng)雛形，并申請了專利WO2009128288。有趣的是，本田最先進(jìn)的i-MMD混動系統(tǒng)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)卻來源于前次文章提到的世界上首款油電混合動力汽車。該系統(tǒng)實(shí)際上是在串聯(lián)式混合動力結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動車輪的動力輸出路徑，即串并聯(lián)式混聯(lián)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到在高速時更優(yōu)的燃油經(jīng)濟(jì)性。其結(jié)果就是搭載本田i-MMD系統(tǒng)的車型與搭載豐田THS系統(tǒng)的同級別車型相比，市區(qū)油耗相差無幾，而高速油耗更低。憑借著敢于別人沒走過的路的精神，以及雄厚的技術(shù)研發(fā)力量，在和豐田的混動世界對抗中，本田也最終完成了從追趕到超越的過程。
這里說句題外話，在我國，采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的混動車，即俗稱的增程式電動車是可以領(lǐng)取國家補(bǔ)貼的，而像本田i-MMD系統(tǒng)這樣在串聯(lián)式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動車輪的模式，以實(shí)現(xiàn)比增程式電動車更高效率的車型反而沒有補(bǔ)貼?？梢姶饲拔覈南嚓P(guān)政策對于節(jié)能減排技術(shù)的扶持還是有些偏差的。在自主品牌中，比亞迪也較早涉足混合動力技術(shù)。但面對豐田和通用在動力分流結(jié)構(gòu)上的專利壁壘，比亞迪只能放棄這一當(dāng)時最優(yōu)的技術(shù)方案，轉(zhuǎn)而采用“兩條腿走路”，“摸著石頭過河”的戰(zhàn)術(shù)，即同時研究并聯(lián)式和串并聯(lián)式兩種結(jié)構(gòu)，看哪種結(jié)構(gòu)能夠獲得成功。2007年，比亞迪申請的CN101334076B提出了一種發(fā)動機(jī)和兩個電機(jī)均可獨(dú)立或共同驅(qū)動車輛的串并聯(lián)式混動系統(tǒng)，該系統(tǒng)后來被應(yīng)用于2008年面世的比亞迪F3DM上。同年比亞迪申請的CN101417606B提出了一種通過離合器和同步器的接合和斷開實(shí)現(xiàn)不同驅(qū)動模式的并聯(lián)式混動系統(tǒng)，該系統(tǒng)后來被應(yīng)用于2012年面世的比亞迪秦上。
深知串并聯(lián)式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的比亞迪對F3DM寄予厚望，然而因?yàn)轵?qū)動模式比較復(fù)雜，串并聯(lián)結(jié)構(gòu)對車企優(yōu)化控制策略的水平要求也較高，這對于當(dāng)時技術(shù)儲備不足的比亞迪來說是十分困難的。F3DM上市之后，每年的銷量只有3位數(shù)，幾年之后，比亞迪徹底拋棄了串并聯(lián)式路線，改用并聯(lián)式混動系統(tǒng)的比亞迪秦接替了F3DM。然而即使技術(shù)強(qiáng)如本田，做出的并聯(lián)式混動系統(tǒng)在油耗方面也無法抗衡豐田和通用的動力分流構(gòu)型，比亞迪自然也沒有這個信心。因此比亞迪想出了一個差異化競爭的方案：別人家的混動都是讓車跑得更遠(yuǎn)，我就拿來讓車跑得更快。比亞迪秦混動系統(tǒng)的電機(jī)主要是用于與發(fā)動機(jī)共同輸出動力，用來單獨(dú)驅(qū)動車輪的時候較少，因此對車輛的性能提升明顯，但節(jié)油效果一般。初代比亞迪秦最大的宣傳賣點(diǎn)就是0-100km/h加速僅需5.9秒，這一成績即使在今天仍然非?？欤鲜兄罅⒖淌艿阶放?，銷量一路走高。從此以后，比亞迪一發(fā)不可收拾，在高性能并聯(lián)式混動上越走越遠(yuǎn)，后續(xù)的比亞迪唐、宋、漢等車型均沿用這一技術(shù)路線。
混合動力的故事到這里就講完了。我們可以看到，無論是波爾舍、皮珀等人早期天馬行空的設(shè)想，還是通用和豐田占據(jù)市場先機(jī)的眼界，還是本田“一力降十會”跨越專利壁壘的技術(shù)力，還是比亞迪“揚(yáng)長避短”差異化競爭的策略，其核心都是尊重技術(shù)，扎根研發(fā)，而不是僅僅停留在膚淺的空想和照搬他人成果上。因此在這篇文章的最后，筆者想要跳出混合動力這個圈子，對所有國內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新型企業(yè)說一句：哪有什么零基礎(chǔ)的彎道超車，有的只是日積月累的砥礪前行!