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作者:王正鑫 专利分析师

2020年9月16日,在南京召开的第二届全球新能源汽车供应链创新大会上,国家新能源汽车创新工程项目专家组组长王秉刚表示:2.0版“节能与新能源汽车技术路线图”已通过专家评审,很快就要正式发行。此次路线图的最大变化在于:政策对“混合动力”松口,提出混合动力是内燃机汽车最有效的节能技术。今后15年,中国的传统汽车要全面向混合动力去转变,积极推动传统汽车实现“混动化”,用“全面电驱动计划”代替“禁燃时间表”更符合中国国情。

此番言论被广泛解读为国家要对汽车行业的“禁燃”政策规划和“纯电动”技术路线进行纠正,而作为“板凳球员”、“过渡阶段”的混合动力车辆将会有更加广大的发展空间。那么当前在中国不温不火的混合动力究竟有什么“神通”,会被参与新版“路线图”设计的千位专家看好呢?

笔者将在本文前半部分讲讲混合动力前世今生的技术演进,后半部分谈谈其专利竞争格局。读者中若有准备入局混合动力技术的企业,希望此文能为你们提供一点参考,若无此兴趣,就权当听个延续百年的传奇故事吧。

混合动力之原理——真正的节能减排技术

提到混合动力,绝大部分人的第一印象就是混动车省油。可是为什么能省油呢?一些人可能会说:因为能用电呀,当然就省油了。然而一般的混动车都是不能外接充电的(插电式混动除外),它们的电量都是靠发动机燃烧汽油发电产生的,也就是说这些车型表面上用电,实际上还是用的油,那为什么还会省油呢?

实际上,汽车的内燃机在不同工况下,能量转化效率是不同的。内燃机的高效工作区间(图中红色部分)非常狭窄,往往只局限在较低转速(横坐标)、较高扭矩(纵坐标)的某个范围,对应的工况就是较高速度下匀速行驶。

因此我们很容易想到,要想实现最佳的燃油经济性,最好的方式就是让发动机要么不工作,要么就在高效区间工作。但是汽车在日常行驶中不可能永远在高效区间运行,更不可能随便停机。如果想要维持发动机始终保持在高效区间,我们就需要同时调节其转速和扭矩。在混合动力车辆中,这一工作由电机和电池完成,当发动机在高效区间的动力输出高于实际需求时,多余的功率通过电机转化为电能储存在电池中;当车辆在极低车速下走走停停时,内燃机干脆完全停机,纯粹由电机来工作;当发动机动力输出低于实际需求时则电池储存的电能驱动电机与发动机共同驱动车辆。这样一来就来达到了省油的目的。

总结起来就是:混合动力技术能够省油的实质不是能源替换,而是把电能作为一个中间介质来调节内燃机工况,使其始终保持高效。

相比之下,在使用环节实现了零油耗、零排放的电动车,在全生命周期的节能减排效果反而不如混合动力。2019年6月,中国汽车技术研究中心发布了《中国汽车低碳行动计划研究报告》,对当前市面上7款纯电、1款混动、6款汽油车的生命周期碳排放进行了测试。结果如下:

可以发现作为唯一一款混合动力车,凯美瑞双擎的全生命周期碳减排综合效果要远远优于报告中的其他车型,而大部分电动车的碳减排效果相比燃油车并不显著。因此笔者认为,相比于纯电动,混合动力才是现阶段真正能够实现节能减排的技术。然而目前我国的汽车政策是全力发展纯电动车,给予了大量的补贴,对于插电式混动车的扶持力度就要小很多,而对于凯美瑞双擎这样的普通混动车更是将其划归燃油车,完全没有补贴。这就导致许多品牌对于混动车是避之不及的态度,转而投入大量精力去研发表面上零排放,实则并不怎么环保的电动车。对此笔者深感遗憾,故做此文。

混合动力之发源——一鸣惊人,蛰伏百年

混合动力车的历史最早可以追溯到1900年,时年25岁的费迪南德·波尔舍(保时捷公司的创始人)递交了一份专利申请GB190018099A,该专利申请提出了一种在车辆前轮上安装轮毂电机来驱动车辆的方法。同年,他基于此专利技术设计出了第一部以自己姓氏命名的汽车,也是世界上首款油电混合动力汽车——1900 Lohner-Porsche。这辆车由一台3.7kW的两缸内燃机和两个2kW轮毂电机组成的串联式混合动力系统驱动。在该系统中发动机不直接参与车辆驱动,而是为电机提供动力,由电机驱动车辆。这一技术方案在当时以马车为主流交通工具,汽车刚刚诞生的时代看来简直是科幻作品。直到今天,绝大多数增程式电动车的动力结构都是延伸自波尔舍老爷子120年前的这一基本构型。

而除了波尔舍老爷子之外,德国工程师亨利·皮珀也是混动领域不可或缺的一人。他在1904年申请的GB190407526A提出了并联式混合动力系统。在该系统中发动机作为主要动力来源,电机为辅助动力来源,二者均可参与车辆驱动。此外该专利还提出了最早期的动力管理系统。直到今天,仍有很多混动车型,尤其是自主品牌车型的动力结构都是延伸自皮珀老先生116年前的这一基本构型。

之后,由于两次世界大战的影响,基础工业受到严重破坏,民众流离失所,导致混合动力技术经过了一个数十年的静默期。二战之后,全球经济百废待兴,复兴工业成了许多国家恢复经济的主要手段。在此背景下,发达国家的汽车工业开足马力加速发展,技术研发重新变得活跃。混合动力虽然不是当时一个主流的技术分支,但也受到了一定的关注。

研究人员发现,无论是之前波尔舍提出的串联结构还是皮珀提出的并联结构,都难以在所有工况下帮助发动机保持时时刻刻都在高效区运转。因此更为高效的混联式构型应运而生,在该系统中发动机与电机都可作为车辆主要动力来源。其中最为典型的代表就是基于行星齿轮组的动力分流构型,大名鼎鼎的丰田普锐斯采用的就是这一混动构型。

现代意义上的动力分流型混合动力驱动系统是由美国天合汽车集团(TRW)在1969年发明的。该公司申请的US3566717中所描述的混合动力驱动装置从原理上已经与现在的动力分流技术一般无二,详见下图。

上图中包括了发动机2和两个电机22和28,以及一套行星齿轮10,是一种单模输入动力分流系统,发动机2通过传动轴4穿过行星架6连在太阳轮5上面,电机22通过齿轮26与行星架6相连,齿圈12被太阳轮5和行星架10共同驱动并通过传动轴18将动力输出,在传动轴上还通过齿轮16与电机28并联。而如今丰田THS混动系统最核心的技术——ECVT的结构几乎与此一模一样,只是改为了发动机连接行星架,两个电机分别连接太阳轮和齿圈。只可惜受制于当时的计算机电控水平,这一设计直到专利权失效也未能投入量产。

混合动力之崛起——时势造英雄

我们可以看到,在20世纪80年代之前,混动技术的发展虽然缓慢,但还是诞生了一些革命性的技术。然而同期的混动车市场却是停滞不前,几十年内几乎没有出现过几款量产混动车。其原因在于,当时的油价偏低,而混动车型售价昂贵,受众群体极为有限。因此混合动力车相对于燃油车基本没有任何优势,直到20世纪70年代,全球石油危机才为混动车型带来了新的生机。

作为“车轮上的国家”,美国一直是全球最大的单一汽车销售市场。早期的美国本土汽车市场被通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司垄断。20世纪60年代初,这三家公司的年销量占据美国市场的近90%。到了70年代,两次全球石油危机导致每桶石油价格在不到十年间从3美元涨至34美元,使得美国从政府到民众,对于使用节油性汽车的呼声越来越高。而此时以丰田为代表的日本车企抓住了机会,大规模进入美国,以省油、便宜等卖点打开了美国市场。此后,日本车逐渐取代本国产品,成为美国消费者的首选。

到了20世纪80年代末,由于受到来自日本汽车的强劲挑战,美国汽车的市场占有率不断被压缩。面对市场上的竞争失利,美国政府与企业都开始行动起来。1993年9月,时任美国总统克林顿在华盛顿宣布:美国政府将与前述美国三大汽车公司合作进行一项推动美国汽车技术革命的合作计划,即新一代汽车合作伙伴计划(PNGV)。该计划的目标是将具有商业可行性的新技术应用于传统车辆上,开发出具有三倍于现行车燃油效率的新一代车辆,以增强美国汽车的竞争力。在此背景下,通过优化内燃机能够达到的节能减排效果有限,难以实现既定目标,因此电气化成了车企们几乎唯一的选择。而在当时能够实现零排放的纯电动车又存在技术不成熟和使用不便等问题,最终混合动力这一技术路线成为了综合考量下的最佳方案,由此拉开了混动车型迅速发展的序幕。

混合动力之争霸——两大巨头的对台戏

书接上文,到了90年代,混合动力这一技术路线受到了各大车企的高度重视,对混合动力车辆的研究热情空前高涨。为实现混动系统更高的燃油经济性,通用公司开始在行星齿轮组的研究上发力,一组、两组、三组甚至四组行星齿轮的动力分流结构都申请了专利。与此同时,大洋彼岸的丰田也在积极开发混合动力技术,并于1993年启动了名为G21的项目。当时的项目负责人内山田竹志带领着团队从上百种混动方案中层层筛选,最后确定了以单行星齿轮组为核心的动力分流式方案。然而此时丰田并不知道,通用汽车已经提交了多项基于行星齿轮组的动力分流专利,只是尚未公开,他们的技术方案实际上已经落入通用汽车专利的保护范围之中。

时间慢慢来到1996年9月24日,在这一天,混合动力技术发展史中最为戏剧性的一幕发生了。丰田于此日正式向日本专利局提交了其混合动力系统的核心专利JPH1098805A(即E-CVT结构的专利)。而在同一天,通用在之前申请的US5558588、US5558589、US5558595三件专利均公开并生效。但由于丰田专利的申请日恰好与通用专利的公开日是同一天,所以在对丰田专利进行审查时,通用专利的技术方案并不能算作现有技术,因而未对丰田专利之后的授权和进入其他国家造成显著的阻碍。不过笔者真是替丰田捏一把汗,假如它的专利晚提交一天或者通用的专利早公开一天,那丰田的混动之路很有可能就万劫不复了。

不过,丰田虽然侥幸躲过了通用的大坑,却在一位民间高手的面前翻了车。1997年,初代丰田普锐斯正式上市,随后在2000年引入北美市场销售。2004年,丰田普锐斯在北美市场大获成功,并推出了第二代车型。与此同时,一家名为Paice的美国公司起诉丰田侵犯了其混合动力技术的专利权,并要求法院禁止丰田在美国销售所有的混合动力车辆。该公司的创始人Alex Severinsky在1992年申请的US5343970提出了一种通过高电压和低电流从电机和发动机向汽车车轮提供转矩的方法,可以广泛应用于各种类型的混合动力汽车中。经过6年的反复扯皮,到2010年7月,丰田汽车终于就该专利侵权案与Paice公司达成庭外和解,付了一大笔钱获得了他的23项专利授权。不过丰田并不是唯一的受害者,后来Alex Severinsky这位民间高手还把起亚、福特、大众、宝马等其他进入混合动力市场的公司也告上了法庭,并成功迫使一些公司掏腰包购买的他的专利授权,只有通用幸免于难,主要原因可能在于通用采用了不同于丰田等公司的混动构型。

在1997年丰田发布了Prius之后,通用汽车加速了混合动力系统开发的步伐。通用在研究中发现,丰田ECVT采用的单个行星齿轮组构型虽然可以满足全部使用工况的需求,但是需要更高的发动机功率、更大的电机扭矩和转速,而且在高速工况下效率较低。因此,理论上具有更高效率和更佳性能表现的多行星齿轮组方案被通用所采用,并应用于大型公交车上。这套系统至今还是混合动力公交车最主要的解决方案之一。

到20世纪末,通用和丰田混合动力系统的基础架构已经奠定,之后二者申请的专利都没有对混动系统的原理和架构进行太大的改动,更多的是对系统效率和控制逻辑的优化。至此,基于行星齿轮组动力分流技术的基础核心专利已经被通用、丰田以及Paice三家企业垄断,那么其他想要入局混合动力技术的车企如何去对这一专利壁垒进行规避呢?

混合动力之混战——其他企业的生存之道

除了丰田与通用之外,本田也很早就在混动技术上进行了探索和尝试。1996年,本田提交的专利申请JPH09267647A提出了一种由发动机、电机和无级变速器组成的并联式传动机构,即本田IMA混动系统的基本结构。之后在1999年,本田推出了采用IMA混动系统的初代Insight车型。但相比同期发布的丰田普锐斯,本田Insight的销量可以用惨淡形容。之后本田也推出过很多采用IMA系统的车型,但燃油经济性无一例外地被丰田THS系统吊打。

之后本田显然意识到了IMA的局限性,采用单电机的并联式混动结构在效率上无论如何也无法抗衡采用双电机和行星齿轮组的混联结构。可是基于行星齿轮组进行动力分流的专利已经被竞争对手垄断,此时摆在本田面前的只有两个选择:要么坚守原地,在现有技术上不断改进寻求突破;要么研发出一条无人走过的,不同于丰田和通用的全新技术路线。艺高人胆大的本田选择了后者,经过十几年的研发,终于在2008年提出了如今广泛应用于本田旗下混动车型的i-MMD系统雏形,并申请了专利WO2009128288。有趣的是,本田最先进的i-MMD混动系统,基础结构却来源于前次文章提到的世界上首款油电混合动力汽车。该系统实际上是在串联式混合动力结构的基础上增加了发动机直接驱动车轮的动力输出路径,即串并联式混联结构,以达到在高速时更优的燃油经济性。其结果就是搭载本田i-MMD系统的车型与搭载丰田THS系统的同级别车型相比,市区油耗相差无几,而高速油耗更低。凭借着敢于别人没走过的路的精神,以及雄厚的技术研发力量,在和丰田的混动世界对抗中,本田也最终完成了从追赶到超越的过程。

这里说句题外话,在我国,采用串联式结构的混动车,即俗称的增程式电动车是可以领取国家补贴的,而像本田i-MMD系统这样在串联式结构基础上增加了发动机直接驱动车轮的模式,以实现比增程式电动车更高效率的车型反而没有补贴。可见此前我国的相关政策对于节能减排技术的扶持还是有些偏差的。在自主品牌中,比亚迪也较早涉足混合动力技术。但面对丰田和通用在动力分流结构上的专利壁垒,比亚迪只能放弃这一当时最优的技术方案,转而采用“两条腿走路”,“摸着石头过河”的战术,即同时研究并联式和串并联式两种结构,看哪种结构能够获得成功。2007年,比亚迪申请的CN101334076B提出了一种发动机和两个电机均可独立或共同驱动车辆的串并联式混动系统,该系统后来被应用于2008年面世的比亚迪F3DM上。同年比亚迪申请的CN101417606B提出了一种通过离合器和同步器的接合和断开实现不同驱动模式的并联式混动系统,该系统后来被应用于2012年面世的比亚迪秦上。

深知串并联式结构优势的比亚迪对F3DM寄予厚望,然而因为驱动模式比较复杂,串并联结构对车企优化控制策略的水平要求也较高,这对于当时技术储备不足的比亚迪来说是十分困难的。F3DM上市之后,每年的销量只有3位数,几年之后,比亚迪彻底抛弃了串并联式路线,改用并联式混动系统的比亚迪秦接替了F3DM。然而即使技术强如本田,做出的并联式混动系统在油耗方面也无法抗衡丰田和通用的动力分流构型,比亚迪自然也没有这个信心。因此比亚迪想出了一个差异化竞争的方案:别人家的混动都是让车跑得更远,我就拿来让车跑得更快。比亚迪秦混动系统的电机主要是用于与发动机共同输出动力,用来单独驱动车轮的时候较少,因此对车辆的性能提升明显,但节油效果一般。初代比亚迪秦最大的宣传卖点就是0-100km/h加速仅需5.9秒,这一成绩即使在今天仍然非常快,上市之后立刻受到追捧,销量一路走高。从此以后,比亚迪一发不可收拾,在高性能并联式混动上越走越远,后续的比亚迪唐、宋、汉等车型均沿用这一技术路线。

混合动力的故事到这里就讲完了。我们可以看到,无论是波尔舍、皮珀等人早期天马行空的设想,还是通用和丰田占据市场先机的眼界,还是本田“一力降十会”跨越专利壁垒的技术力,还是比亚迪“扬长避短”差异化竞争的策略,其核心都是尊重技术,扎根研发,而不是仅仅停留在肤浅的空想和照搬他人成果上。因此在这篇文章的最后,笔者想要跳出混合动力这个圈子,对所有国内的技术创新型企业说一句:哪有什么零基础的弯道超车,有的只是日积月累的砥砺前行!

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