长城汽车经营分析报告.docx
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长城汽车经营分析报告
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长城汽车经营分析报告
2020年12月
1.为何长城如此重视混动技术?
1.1.政策+技术导向,混动市场前景广阔
受限于国内充电设施尚未完善,BEV及PHEV汽车难以快速普及。
混合动力作为
从燃油车向新能源汽车过渡时期的中间产品,能够有效降低能耗和排放,在国家碳中和
的目标压力下,正逐渐得到重视。
近期中国汽车工程学会发布《节能与新能源汽车技术
路线图2.0》,指出到2035年节能车与新能源车销量各占50%。
纯电动车在新能源领域
占比超过95%,在节能车领域,2025/2030/2035年占比分别达到50%/75%/100%,据测
算销量分别为1011/1350/1500万辆,而在2020年预测销量约为75万辆左右,市场成长
前景广阔。
同时,混动燃油效率的目标,在2035年为4L/100km,仅凭48V轻混系统难
以做到,最终需要依靠HEV混动技术。
图1:
技术路线图2.0—里程碑及产品应用
图2:
市场份额测算及混动燃油效率目标
数据来源:
中国汽车工程学会,
数据来源:
中国汽车工程协会,
1.2.日系占据先发优势,自主替代有望加速推进
丰田汽车1997年在“Prius”上首次搭载混合动力系统,经过二十多年的发展,HEV
混合动力基本上已成为了日系的代名词。
丰田和本田通过先发优势建立了较高的专利壁
垒,使得后来者难以追赶,并占据了目前强混市场99%以上的份额。
据20201-11月销
售数据显示,HEV全国销量为66.8万辆,占乘用车比例仅4.31%。
随着混动技术逐渐
受到政策和市场的重视,未来增长空间打开,长城推出“柠檬DHT”混动技术,积极响
应政策导向,打破合资技术垄断,满足市场需求,加速推进国产替代,利于自主崛起。
表1:
各类型车辆销量测算
单位(万辆)
纯电
2017
2018
71.27
25.16
2019
71.48
20.90
2020E
90.54
21.24
2021E
155.00
25.00
2022E
265.79
39.72
2025E
455.04
50.56
2030E
1116.74
84.06
2035E
1425.00
75.00
PHEV/EREV
4/26
混动
14.19
21.86
45.96
73.55
156.40
347.57
1011.20
1350.90
1500.00
汽油
2245.382008.97
1908.58
1677.67
1798.60
1696.94
1011.20
450.30
0.00
乘用车合计
(交强险)
2259.572127.25
2046.92
1863.00
2135
2350
2528
3002
3000
数据来源:
交强险,测算
2.混动系统源何能省油?
2.1.目的:
使发动机更有效的工作
作为介于发动机驱动和纯电动汽车的中间产物,混合动力汽车的出现,主要目的是
为了能够使发动机的工作更靠近有效的区间。
目前发动机的热效率最高能够达到40%左
右,但是在不同的工况下区别很大。
如下图所示,纵轴为输出扭矩,横轴为发动机转速,
蓝色的等效曲线为输出功率,不同的百分比代表节气门开度,而不同颜色的色块代表着
热效率的不同,也就是单位做功的燃油消耗量,其中红色区域的热效率最高,燃油消耗
量最小,深色区域热效率最低。
图3:
发动机热效率工况分布
数据来源:
盖世汽车,
从上图可以得到以下几个结论:
1)输出功率恒定时,发动机转速和发动机扭矩成反比,转速越低,扭矩越大;2)
发动机的高效工作区域狭窄,转速范围大概在2000-3500r/min之间;3)在不同的工况
下,发动机的热效率差别很大,在低效区间的热效率只有高效区间的60%甚至更低;4)
在低转速和低负荷的工况下,发动机的热效率很低,这种工况往往对应着车辆起步和减
速阶段。
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2.1.1.日常行驶工况复杂,需要储能装置协助“削峰填谷”,
在绝大多数情况下发动机没有办法达到最佳的工况,汽车正常行驶的时候,功率需
求远比最佳工况低,而激烈驾驶的时候,如爬坡或者加速时对功率需求又远比最佳工况
高,因此需要一个储能装置来对汽车动力进行“削峰填谷”—在功率供应过剩的时候储
能,在需要额外功率的时候释放能量,使得发动机能够始终工作在最佳工况下,从而最
终实现最佳的燃油经济性。
甚至,在得到储能装置支持的电机,能够在需要额外功率输
出的工况下参与动力输出,对动力进行补充。
2.1.2.混合动力架构,使得发动机更加“纯粹”
在有电动机参与的混合动力机构中,发动机不需要覆盖大范围工况,而只需要着眼
于最佳工况进行设计,从而对其功能要求更加“纯粹”。
丰田和本田等日系混动技术,均
采用阿特金森循环发动机方案。
相较于普通的奥托循环,阿特金森循环在中速较窄的范
围内具有更高效的燃油经济性,但低转速时因为节气门开度较低而导致扭矩不足,本不
适用于民用汽车,而混合动力架构中电机的低转速高扭矩作为动力补充,使得其成为当
前混合动力方案最佳的发动机选择。
2.1.3.电动机+电池参与能量回收,进一步提升燃油经济性
除了发动机工作导致的能量储存和释放以外,因为储能装置和电机的存在,使得车
辆在制动等减速过程中的能量得以回收,而不是如传统汽车那样通过制动盘最后以热能
的形式白白耗散,进一步的提升车辆行驶的经济性。
储能装置多样化,电池是目前主流方案,储能装置并不仅仅是电池这一种方案,包
括电容(马自达i-Eloop)、液压装置、压缩空气(PSA技术)、飞轮(F1赛车)等等,
但是目前绝大多数都是采用电池作为储能装置进行混合动力方案设计。
2.2.混合动力的架构:
串联、并联、混联(串并联)
油-电两套动力系统不同组合方式带来三种架构。
混合动力汽车一般拥有汽油—>发
动机以及电池—>电动机两套动力系统,两套动力系统相互配合工作的不同模式就带来
了串联、并联以及混联(串并联)三种不同的动力架构。
2.2.1.串联架构
发动机与车轮及电动机解耦。
串联布置的能量流如下图所示,汽油—>发动机—>发
电机—>电池—>电机—>车轮,发动机与车轮之间无机械连接,且与电动机解耦,因此
发动机可以一直工作在最优工况下。
车速完全通过电动机转速进行调节,无需变速箱即
可解决调速问题。
图4:
串联架构示意图
图5:
串联架构动力传导
6/26
数据来源:
汽车之家,
数据来源:
汽车之家,
串联式动力架构有几种工作模式:
1)发动机带动发电机工作,同时电动机驱动车
辆前进,此时若驱动功率小于发电机功率,则电池表现为充电,若驱动功率大于发电机
功率,则电池表现为放电;2)发动机停止工作,电动机驱动车辆,此时一般电池电量充
足且低速城市工况。
3)发动机停止工作,电动机反向为电池充电,此时一般为下坡或减
速工况。
串联式布置的混合动力结构最为简单,易于布置和设计,因为发动机和电动机无机
械连接,理论发动机位置可以任意放置,但也有自己的不足:
a)发动机无法直接驱动车轮,需要经过发电机和电动机的两次损耗,在某些工况下
其实并不经济;b)电动机需要覆盖全工况驱动,因此功率要求较高,同时还需要一个小
功率的发电机,成本较高;c)发动机和发电机对于动力输出都没有帮助,存在一定程度
的功能浪费。
2.2.2.并联架构
发动机与电动机之间机械耦合。
并联架构不同于串联架构,发动机和电动机之间存
在机械连接,存在机械耦合,输出端和发动机、电机两个输入端的转速或者需要成固定
比例,如下图所示
图6:
并联架构示意图
图7:
并联架构动力传导
7/26
数据来源:
汽车之家,
数据来源:
汽车之家,
并联架构的混动工作模式比较多,以P2(后面会介绍)架构为例,分为以下几种:
1)在工作功率接近最佳工况区间时,发动机单独驱动汽车,电动机不参与工作;2)
在需要较大功率如急加速或上坡的时候,电动机和发动机共同输出扭矩,但优先保证发
动机工作在最优区间,电动机功率逐渐增加;3)当工作需要较小功率时,通过挡位变
化,使得发动机以最优状态工作,驱动汽车并且多余功率用于带动电动机给电池充电;
4)低速行驶时,功率要求低,电池若有电,则单独驱动汽车,发动机不工作;5)当下
坡或者减速的时候,发动机不工作,电动机反向给电池充电。
接近传统燃油车布置,有效降低电机成本,并联布置可以认为是在传统燃油车的基
础上,增加一套电机与电池设备。
因为电机不需要提供全部的驱动力,功率可以做的比
较小,成本下降;但同时因为电机与发动机机械耦合,需要变速箱对输出速度进行调节,
即使是单独电机驱动,动力也需要通过变速箱,这样存在较大的动力损失。
2.2.3.混联(串并联)架构
结合串联和并联架构特点,在不同的工况下实现模式切换。
通过离合器结构,可以
使得车辆在低速采用串联模式,使用发动机为电池充电,电池为电机供电,电机驱动车
轮;在高速时离合器连接,通过发动机直接驱动或者发动机和电机同步驱动。
图8:
混联(串并联)架构
8/26
数据来源:
汽车之家,
串并联架构,存在多种工作模式:
1)当行驶速度与发动机最佳工况范围一致时,一般是高速,离合器连接,由发动机
直接驱动车辆前进,当发动机功率大于所需功率时,给电池充电,当功率小于所需所需
功率时,由M2提供补充动力;2)当行驶速度低于或高于发动机最佳工况时,离合器断
开,成为串联模式,由发动机给电池充电,电机驱动车辆前进;3)当车辆处于下坡或者
制动时,离合器断开,电动机M2作为发电机给电池反向充电;4)当需要急加速或爬坡
等工况,单机和发动机单独无法提供足够动力时,离合器连接,发动机和电动机同时输
出动力。
无需单独变速箱,但电动机和离合器要求较高,混联模式与串联模式相似,不需要
单独的变速箱结构,发动机和电动机均可参与动力输出,增加了传动效率。
但因为对于
电动机M2和离合器的要求较高,且驱动模式较为复杂,因此成本较串联式要高
表2:
不同架构代表技术及车型
不同架构代表技术及车型
混动架构
优点
串联式
结构简单
并联式
串并联式
传动效率提升
驱动模式较为复杂
雅阁混动
接近传统车布局
变速箱造成动力损耗
本田Insight
缺点
能量转化效率低
BMWi3
代表车型
数据来源:
汽车之家,
2.3.混合动力不同的电机位置方案(P0/P1/P2/P2.5/P3/P4)
根据电机的布置方式不同,混动可以分为P0/P1/P2/P2.5/P3/P4等多种布置方案。
图9:
电机位置分布
数据来源:
盖世汽车,
2.3.1.P0/P1方案(适合48V轻混及中混系统)
P0用于轻混,P1用于轻混和中混。
P0将电机放置在原有发电机的位置,通过张紧
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皮带与发动机曲轴前端进行柔性连接,采用BSG(Belt-drivenStarter/Generator)电机;
而P1是将电机放置在离合器之前,与曲轴后端进行刚性连接,采用ISG(IntegratedStarter
Generator)电机取代了传统的飞轮。
P1的传动效果及扭矩强于P0,不仅可以用于轻混,
也可以用于中混系统。
图10:
P0及P1方案
数据来源:
盖世汽车,
P0及P1均无法实现纯电驱动模式。
P0和P1方案有共同的缺点,即与发动机曲轴
耦合,无法脱离发动机独立驱动车轮,也就是无纯电驱动模式。
2.3.2.P2方案
位置在离合器之后。
电机能够直接与变速箱输入轴相连或者通过齿轮及皮带与变速
箱输入轴相连,发动机和电机之间有离合器。
图11:
P2方案
数据来源:
盖世汽车,
相较于P0/P1方案,P2方案的优势在于:
1)因为离合器的存在,使得电机能够与发动机解耦,可以单独驱动车辆前进;2)
如果电机与变速箱输入轴采取齿轮连接的方式,因为传动比的存在,使得电机的驱动扭
矩可以不用非常大,降低电机的体积和成本。
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缺点在于:
1)只有变速箱处于空挡位置的时候,电机才能够与车轮解耦,从而用于启动发动
机,否则必须在发动机端再增加一个BSG电机,用于自动启停功能;2)对于横置发动
机来说占机舱轴向尺寸,导致整车布置更加困难
2.3.3.P3/P2.5方案
P3方案电机与变速箱的输出轴耦合,通过输出轴与车轮直接连接,因此它的优点
在于电机动力输出不用经过变速箱的损耗,纯电驱动和制动能量回收的效率较高。
缺点
同样比较明显,因为没有离合器的存在,无法和车轮解耦,导致单电机无法实现驻车充
电功能,需要在发动机位置再增加BSG电机来满足驻车充电功能,形成P0-P3架构。
图13:
P2.5方案
图12:
P3方案
数据来源:
盖世汽车,
数据来源:
盖世汽车,
P2.5方案通过双离合变速器实现,利用双离合变速箱可以在两根输入轴之间切换的
特点,将电机与其中一根输入轴进行耦合,通过离合器的开合,在多种模式下进行驱动:
1)两个输入轴的离合器均松开,发动机与变速箱解耦,电驱动,在低速工况;2)
电机所在轴的离合器耦合,电动+发动机驱动,类似于直连输入轴的P2方案;3)另一
侧轴的离合器耦合,电动机+发动机驱动,类似于通过齿轮耦合P2方案。
2.3.4.P4方案
P4方案可以用于实现四驱,它的特点在于发动机和电动机不驱动同一根轴,功能
上与P3相似,都能够实现纯电驱动以及制动回收等,发动机和电动机之间不存在机械
连接,通过地面来耦合。
图14:
宝马i8混动布置结构
11/26
数据来源:
盖世汽车,
以宝马i8为例,前桥通过电动机进行驱动,后桥通过发动机进行驱动。
在纯电行驶
的时候以电机前驱为主,而在混动模式下则以发动机驱动的后轴为主要驱动轴。
大部分
P4布局(只有一个P4电机接了高压电)不能随意在纯电驱和纯发动机驱动之间切换,
这意味着前后驱的切换,不利于车辆操控性和舒适性。
表3:
电机布置方案比较
电机放置位置方案
方案
位置
P0
P1
P2
P2.5
P3
P4
原发电机位置
成本最低
离合器前
变速箱输入轴
电机功要求低
可单独驱动
横向布置
双离合变速箱内
借助变速箱位
置,便于布局
变数箱输出轴
无变速箱损耗,
驱动高效
与发动机异轴
刚性连接
优点
缺点
结构简单
传输效率高
成本和技术难度
相对P0更高
一般用于实现四
驱方案
柔性连接
传动效率相对较单电机无法驻车
传输效率低
空间要求高
低,易顿挫
充电,一般与其
它电机搭配组合
本田i-MMD
P0/P1均无法实现纯电驱动功能
马自达i-Eloop本田insight
代表车型
AudiA3e-tron
吉利ePro
宝马i8
数据来源:
汽车之家,
2.4.降本+减重+效率优势,HEV强混或成节能车最优选择
根据电池容量及电机功率对混动进行分级,可以分为微混、轻混、中混、强混、插
电混动以及增程式混动这六个级别,从低到高,电池的容量和电机的输出功率越高,更
接近于全电驱动模式。
图15:
微混—增程式混动区别划分
12/26
数据来源:
盖世汽车,
微混是燃油车的加强版,增程式(EREV)与插电混动(PHEV)可以看作纯电车型的
过渡方案。
处于中间部分的轻混、中混、强混这三大类型可以看作真正的混合动力方案,
燃油经济性逐次提升。
降本+减重+节能要求,HEV强混或成为最佳选择。
在目前用户充电条件普遍不够
成熟的情况下,HEV技术方案采用小容量动力电池不仅带来成本的下降,也令整车重量
下降,从而带来燃油经济性的提高。
基于《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中的规划
和要求,要求2035年燃油经济性达到4L/100km,仅依靠48V轻混技术难以达到相关节
能要求,因此采取HEV强混技术路线,降低纯电行驶里程,减小动力电池容量,或成
为节能车技术路线中最佳的选择。
表4:
HEV强混方案与PHEV插电方案整备质量对比
HEVVSPHEV
丰田雷凌
10.5kwh
1535
丰田卡罗拉本田CRV
本田皓影
17kwh
2022
PHEV动力电池容量
PHEV整备质量(kg)
HEV整备质量(kg)
重量差值(kg)
10.5kwh
1535
1420
115
17kwh
2018
1653
365
1360
1640
175
382
价格差距(万元)
5.6
5.4
3(预计)暂未上市
数据来源:
汽车之家,
3.为何“柠檬DHT”足以撬动市场格局?
3.1.日系占据垄断地位,“柠檬DHT”有望树立新标杆
图16:
主要自主品牌+日系混合动市场竞争格局
13/26
数据来源:
汽车之家,
当前市场竞争格局,强混市场日系占据垄断。
2020年1-11月HEV强混总销量为
39.4万辆,占混动销量比例为52%,48V轻混销售占比约为48%左右,HEV强混中99%
以上由日系两强(本田、丰田)占据,日系基本成为HEV强混的代名词。
2020年1-11
月PHEV市场销量为15.17万辆,比亚迪DM系统主要着力于PHEV市场,目前在PHEV
市场中占比约为21%。
图17:
主要自主品牌+日系PHEV车型市场竞争格局
数据来源:
汽车之家,
“柠檬DHT”新架构混动技术,经济性及动力性超越合资品牌。
“柠檬DHT”
混动技术,作为自主品牌首次推出的双电机拓扑混架构,实现全速域、全场景下的经济
性和动力性的平衡,打破合资品牌技术垄断。
以“1-2-3”动力组合的前瞻性技术理念,
搭建多样化动力组合,满足市场的多样化需求,经济性和动力性指标超越合资品牌。
图18:
主流混合动力技术方案对比
14/26
数据来源:
企业官网,汽车之家,
3.2.精密高效行星齿轮组铸就专利壁垒—丰田THS系统
历经四代升级,丰田THS是目前应用最广泛、最成熟的混合动力系统。
丰田1997
年通过普锐斯推出第一代THS技术(P111),经历第二代(P112)、第三代(P410)的迭
代,目前已经发展到第四代(P610),于2015年首次上市,目前国内销售的卡罗拉双擎、
雷凌双擎以及凯美瑞、亚洲龙均搭载的P610系统。
图19:
THS系统结构及性能特性
数据来源:
太平洋汽车,
丰田THS系统的核心在于一套精密的行星齿轮系统,如下图所示
图20:
THS行星齿轮系统
15/26
数据来源:
太平洋汽车,
THS的工况如下所示:
1)当起步及低速行驶的时候,发动机在该区域效率低而电动机效率高,此时2号
电机带动齿圈独立驱动车辆,发动机不工作;2)当车速上升至某一临界值(40Km/h)
时,发动机开始介入工作,此时发动机作为主要动力源进一步提升车速;3)在正常行驶
工况下,若发动机能量过剩或电池电量过低,则发动机能量通过1号电机转为电能,存
储在蓄电池内;4)若急加速或爬坡工况,发动机功率不足,则发动机和2号电机共同
通过行星齿轮系统为车辆提供驱动力,此时为并联工况;5)当松开油门或踩下刹车时,
发动机停止运转,车轮惯性带动2号电机运动,逆向为蓄电池充电。
行星齿轮系统提升系统传动精度、刚度及寿命,专利壁垒保护。
从传动精度与零件
强度来说,行星齿轮减速器与普通的平行轴式齿轮减速器相比优势巨大,首先,因为其
紧密的结构形式可保证在传动过程中保持相当高的精度并且对外输出扭矩,这样一来便
减少了因为传动误差而引起的材料磨损,保证了减速器的寿命与可靠性。
其次,三个以
上的行星齿轮数目并没有增加减速器的体积尺寸,反而会大大减小工作运转时零件的载
荷,另外还增加了机构的刚性,使整个机构“精致强悍”。
丰田为整套行星轮系统及相关
结构均申请了专利,因此其他厂商需要通过其它的方式来绕过丰田的技术壁垒才能实现
高效的强混方案。
3.3.另辟蹊径设立混合动力新标杆—本田i-MMD系统
绕过丰田专利壁垒,达到媲美THS的燃油效率及更加优秀的动力性能。
2014年,
搭载本田混动技术i-MMD(IntelligentMultiModeDrive)的雅阁九代正式上市,成为丰田
之外,强混领域的另一强者。
通过双电机三种模式的布局,绕过了丰田行星齿轮组的专
利壁垒,达到了媲美丰田的燃油效率及更佳的动力表现,2017年,本田推出第三代i-
MMD技术,发动机热效率从38.9%提升到40.6%。
图21:
第三代i-MMD技术参数及工作模式
16/26
数据来源:
本田官网,
本田i-MMD混动系统有三种驱动模式:
1)当车辆处于低速模式时,车辆进入电机驱动模式,发动机停止工作,电机驱动车
辆前进;2)当急加速或爬坡时,车辆进入混合驱动模式,发动机为电池充电,电池最大
功率驱动电机工作;3)当车辆进入高速巡航时,车辆进入发动机驱动模式,发动机通过
离合器的结合,直接驱动车辆前进;4)当车辆减速或下坡时,车轮带动行驶用电机给电
池反向充电,进行能量回收。
结构简单,可靠性提升,整车成本大大降低。
i-MMD系统使得发动机始终工作在最
佳的工作区域,只有在高速巡航时才会介入直接驱动车辆,整车架构接近于串并联混合
结构。
并且由于发动机和车轮通过离合器直接连接,没有传统变速器的存在。
高速电机扭矩衰减,高速再加速性能下降。
i-MMD与THS相比,发动机很少直接
参与动力输出,更多时候通过电动机来进行动力输出,在高速巡航时,根据电池电量在
发动机驱动模式和纯电机驱动模式之间切换。
在高速巡航时若需要进行急加速超车时,
会采用混动驱动模式,即发动机为电池全力充电,而电动机以最高功率全力输出。
图22:
第一代i-MMD电机动力输出特性
数据来源:
汽车之家,
因为电动机的动力输出特性,如下图所示(第一代i-MMD电机参数,相关参数略
17/26
有不同):
电动机在达到最大功率输出124Kw之后,随着转速的不断提升,扭矩不断下
降。
根据官方的电机齿比数据,雅阁车速在96km/h时,电动机转速对应为6563/min,
此时若全力踩下加速踏板急加速,进入混动行驶模式,电机扭矩仅为181Nm左右,远
低于峰值扭矩307Nm,这也是i-MMD技术被抱怨高速巡航再加速性能差的主要原因。
3.4.通过双离合变速箱实现的P2.5单电机方案—吉利ePro技术
不同于丰田THS系统的动力分流以及本田的双电机串并联混动,吉利ePro技术利
用双离合变速器自身的耦合特性,通过单电机与偶数挡位耦合的P2.5架构来实现混动
方案。
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