从Lohner-Porsche到Prius:混合动力汽车的百年之旅
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世界上第一辆混合动力汽车是由费迪南德·保时捷于1900年至1901年间在维也纳设计的Lohner-Porsche:这款车采用以汽油发电的串联混动原理工作,是当今混动车型的直接祖先.而第一辆量产混合动力汽车则是1997年的丰田Prius;从首款混动车在巴黎展出,到首款量产混动车发布,之间整整相隔97年,也就是大约一个世纪.
亮点
- 1900年: 费迪南德·保时捷设计了世界上第一辆功能完备的混合动力汽车Semper Vivus.
- 1901年: 首款具备量产条件的混动车Lohner-Porsche Mixte上市销售;售价为14400至34028奥地利克朗.
- 1997年: 丰田Prius作为世界上首款量产混合动力汽车在日本上路.
- 1999年: 本田Insight成为美国市场上销售的首款量产混动车.
- 2012年: Prius Plug-in Hybrid正式开启了插电式混合动力时代.
从电工学徒到首款混动车:费迪南德·保时捷的Lohner-Porsche
故事始于1893年,一位18岁的年轻工程师进入维也纳的Béla Egger & Co.电气公司.费迪南德·保时捷在这里开发出了第一款基于Wellington Adams概念的电动轮毂电机——将电机置于车轮内部,完全无需变速箱和传动系统,这在当时是一个激进的解决方案.1897年,保时捷通过赛车测试了这款电机,一年后,23岁的他被Jacob Lohner工厂录用.
最初的产品完全是纯电动车:配备两个前轮毂电机和电池的车辆.每个电机 2.5至3.5马力 输出功率,短时间内可达到7马力.1898年,“System Lohner–Porsche”在欧洲媒体上引起极大关注;同年,保时捷设计的Egger-Lohner C.2 Phaeton以3至5马力的功率和25公里/小时的最高车速上路.在1900年巴黎世博会上展出的Lohner-Porsche Electromobile则凭借两台2.5马力电机达到37公里/小时的速度.
Semper Vivus和Mixte:串联混动原理的诞生
真正的革命发生在1900年.保时捷设计了世界上第一辆功能完备的混动车: Semper Vivus.其逻辑链条至今仍具启发意义——由于电动车最大的问题是电池能量密度有限,保时捷选择放弃携带电池,而是在车辆内部发电.两台水冷3.5马力DeDion Bouton汽油发动机驱动两台发电机;每台发电机输出20安培和90伏特.也就是说,汽油发动机完全不向车轮输送动力,仅用于发电.这种架构如今被称为 串联混动 ,而现代铁路机车的大部分至今仍以相同的原理工作.这款原型车重达1200公斤,即使按照当时的标准也算很重.
1901年,这一概念以具备量产条件的形态成为 Lohner-Porsche Mixte 以这个名称上市.从奥地利戴姆勒采购的5.5升25马力四缸发动机驱动发电机运转.首批共售出五辆车;第一辆交给了汽车爱好者们熟悉的名字埃米尔·耶利内克.工程的层面在运转,经济的层面却不然:Mixte的价格根据配置高达14400至34028克朗,几乎是同类传统车辆售价的两倍.1900至1905年间,买家总共只能找到11辆混动车;同一时期,约65辆纯电动Lohner-Porsche被售出.
尽管如此,这个项目仍然充满活力:保时捷于1902年驾驶Mixte赢得了Exelberg拉力赛,同年获得了一项车桥几何结构的专利,1905年赢得Potting Prize奖项,并于1906年成为Austro-Daimler的首席设计师.还有一个有趣的细节:Lohner-Porsche的轮毂电机架构,后来也成为了研发Apollo登月车时探索的一种方案.2007至2011年间,保时捷博物馆与Karosseriebau Drescher合作三年,制造出一辆可运行的Semper Vivus复制品,并在2011年纽约车展上展出——这证明首款混动车能够依靠自己的发动机重新运转.
| 车型 | 年份 | 动力来源 | 突出数据 |
|---|---|---|---|
| Semper Vivus | 1900 | 2 x 3.5 PS汽油发电机 + 电池 | 1200 kg;每台发电机20 A / 90 V |
| Lohner-Porsche Mixte | 1901 | 5.5 L,25 hp戴姆勒发动机 + 发电机 | 售价14400至34028克朗 |
| Electromobile | 1900 | 2 x 2.5 PS轮毂电机 + 电池 | 最高时速37 km/h |
| La Toujours Contente | 1900 | 四轮驱动,汽油-电动 | 1.8吨电池,56 hp,4吨以上 |
早期原型与约80年的沉寂
保时捷之后,这个想法并未消亡,但也未能推广开来.1905年,H. Piper的混动概念问世;1916年,总部位于芝加哥的Woods Motor Vehicle Company Dual Power 推出了其车型——将电力与四缸内燃机相结合,这是一项出色的尝试,但最终在商业上注定失败.通过伍兹的努力可以看出整体格局:混动车生产到1910年代,但由于价格高、功率低,销量惨淡.
此后约80年间,混动技术在工程学书籍中不过是一个脚注.这有几个可衡量的原因:随着美国道路条件的改善,续航焦虑有所缓解;德克萨斯石油使汽油价格降至历史低位;内燃机的可靠性也在提高.电动车辆在这三个因素的交汇处几乎完全消失于1935年;而混动车则因成本高昂,加之无法弥补续航优势不足的低速度,成为这次退潮的一部分.正确的技术构想,需要等待正确的经济条件.
1997年丰田Prius:量产混动车是如何实现的?
丰田的混合动力之旅实际上始于1968年,当时项目总经理中村健也( Kenya Nakamura)启动了这项工作——但为了得出务实的结果,整整三十年过去了.1997年,丰田准备发布世界上第一款量产混合动力汽车普锐斯(Prius).公司记录显示,发布月份在10月至12月之间有所变化;可以确定的是,这款车于1997年在日本上路,并在发布当年荣获日本"年度汽车"大奖.
普锐斯的影响力也可以用数字来追踪.第一代车于2000年进入美国市场时 提供97马力的综合功率 ——这是一辆普通家用轿车的动力水平,但油耗表现则完全是另一番景象.作为首款将汽油动力与电力融为一体的量产车型,1997款普锐斯改变了汽车工业的方向;一个世纪前保时捷建立的串联混合动力逻辑,如今正在数百万辆汽车上运行.将普锐斯的血统直接追溯到1900年代初那个维也纳原型车的研究,至今仍是档案史学的课题.
Honda Insight:美国首款混合动力车
在第一波浪潮中,丰田之外还有另一位先驱:本田.本田于1999年推出了北美首款量产混合动力车: Insight.第一代车型(1999-2006)采用三门两座掀背轿跑形式,于1999年12月在普锐斯登陆美国之前进入美国市场,成为在美国销售的首款汽油-电动混合动力车.该车的开发周期约为三年.本田混合动力之路的短期成果也十分亮眼:该品牌庆祝了混合动力电动车销售25周年,混合动力车型如今占其销量的25%以上.
电池技术的成熟:从镍氢到锂离子
在混合动力长达一个世纪的旅程中,最关键的硬件部件是电池.第一代普锐斯使用了镍金属氢化物(NiMH)电池,这是首款让量产混合动力车在路上行驶的电池.镍氢电池的工程特性非常适合其任务:能量密度明显高于铅酸电池,但低于锂离子电池.对于经典混合动力车来说已经足够,因为电池在持续的充放电循环中只是充当一个小缓冲器——车辆并不对其进行外部充电.
当插电式混合动力车和纯电动车出现时,等式发生了变化:更长的纯电续航意味着更高的能量密度.在过去十年中,镍氢电池已在很大程度上被更强大、更紧凑、更耐用的锂离子电池所取代;如今大多数插电式混合动力车和纯电动车都使用锂离子电池.据悉,丰田在其热门混合动力车型中也已从镍氢转向锂离子.总结很简单:经典混合动力车用镍氢,凡是能插电的都用锂离子.
插电式混合动力时代:可充电混合动力车的崛起
混合动力的新阶段,是让电池也可以用家用电源充电. Prius Plug-in Hybrid其第一代于2012-2016年间生产;第一代普遍被认为不足 - 电动续航仅约15英里,而同期的雪佛兰Volt可提供35英里.第二代于2016年问世,第三代则被定义为2023款 Prius Prime .
德系阵营也有同样方向的进展:保时捷于2010年凭借Cayenne S Hybrid进入混动领域,2011款Panamera S Hybrid以6.8 l/100 km的NEDC油耗提供380 PS动力.2015款Panamera S E-Hybrid作为该细分市场的首款插电式混动车型推出;2013款 918 Spyder 则凭借6.8 kWh锂离子电池和31公里电动续航划定了插电式混动性能的边界,并以6分57秒的Nordschleife圈速创下纪录.这个始于1900年双发电机的构想,如今已承载着刷新赛道纪录的动力总成.
百年之课:为什么优秀的工程必须等待80年?
从Lohner-Porsche到Prius这条发展线的启示不在于技术,而在于经济.保时捷1900年的方案在工程上是自洽的 - 自洽到串联混动原理如今从机车到超级跑车无处不在.缺的是市场的准备:电池成本、油价、道路以及城市对排放的期望,直到1997年才趋于一致.Prius正是在这四个参数同时到位的那一刻诞生的;本田Insight紧随其后,采用了不同的技术路线.
今天回望,图景已很清晰:混动不是某一项发明,而是约一个世纪的积累.1900年的Semper Vivus概念、1916年Woods Dual Power的胆识、1997年Prius的量产决定,以及2012年以来普及的插电式架构,都是同一条逻辑链上的环节.链条的下一环,正随着电池化学向锂离子的过渡而逐渐成形.