2022年11月8日-10日,由中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)主辦的第12屆中國(guó)汽車論壇在上海嘉定舉辦。作為黨的“二十大”召開后的汽車行業(yè)首場(chǎng)盛會(huì),本屆論壇以“聚力行穩(wěn)
蓄勢(shì)新程”為主題,共設(shè)置“1場(chǎng)閉門峰會(huì)+1個(gè)大會(huì)論壇+16個(gè)主題論壇”,以汽車產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展為主線,與行業(yè)精英一起貫徹新精神,研判新形勢(shì),共商新舉措。其中,在11月9日下午舉辦的“主題論壇5:多技術(shù)路線下的新能源汽車發(fā)展”上,上海交通大學(xué)汽車工程研究院院長(zhǎng)、國(guó)際汽車工程師學(xué)會(huì)會(huì)士許敏發(fā)表“增程專用發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)理念與實(shí)踐”的精彩演講。以下內(nèi)容為現(xiàn)場(chǎng)演講實(shí)錄:
非常感謝大會(huì)的邀請(qǐng),很高興在這里跟大家分享我們的一些認(rèn)識(shí)和實(shí)踐。剛才張總關(guān)于增程式發(fā)動(dòng)機(jī)講得非常好。我們從07年開始一直在做增程式發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)于為什么要做增程式發(fā)動(dòng)機(jī),剛才張總已經(jīng)講得很清楚了,我這邊主要是從技術(shù)角度分析一下。
首先看一下行業(yè)背景,如圖所示2010年以來新能源汽車的產(chǎn)量銷量的增加,一開始很少,2014年是新能源汽車的元年,開始快速攀升。尤其是2020年之后增長(zhǎng)的速度非常快,100%以上的年增長(zhǎng)率,今年1~9月份已經(jīng)420萬輛的銷售,剛才何秘書長(zhǎng)提到年底可能會(huì)達(dá)到700萬輛,的確是讓人非常激動(dòng)的變化。
2004、2005年有一次汽車行業(yè)的井噴,現(xiàn)在新能源汽車井噴時(shí)代到來了。從去年6月份到今年9月份的銷量來看,整個(gè)市場(chǎng)上的新能源汽車滲透率基本上達(dá)到20%~30%,尤其8~9月份達(dá)到30%,未來會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。所以,新能源汽車的確成為一個(gè)市場(chǎng)主力軍,已經(jīng)得到廣大的用戶的認(rèn)可和青睞,不只靠政策推動(dòng),而是一種市場(chǎng)拉動(dòng)所產(chǎn)生的效果。
比較一下傳統(tǒng)汽車和電動(dòng)汽車在動(dòng)力方面究竟有什么區(qū)別?首先從電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率來看。左圖是內(nèi)燃機(jī)、右圖是電機(jī)的效率曲線。從內(nèi)燃機(jī)角度來看,最高熱效率可以達(dá)到40%~45%,中間深紅色很小的區(qū)域。其他的區(qū)域越綠色效率越低,純內(nèi)燃機(jī)汽車絕大部分運(yùn)行時(shí)間不是在效率最高的點(diǎn),而是在中間20%~30%的效率點(diǎn),怠速時(shí)更低。也就是說大多數(shù)情況下效率是較低的。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展重點(diǎn)是提高熱效率,40%提高到50%,現(xiàn)在當(dāng)量比燃燒45%是極限,未來稀薄燃燒可到50%,甚至高一點(diǎn)。我們不僅要提高最高效率,我們還要把高效區(qū)域擴(kuò)大,所以用很多可變技術(shù),增壓、可變氣門、可變壓縮比等等,這些都是技術(shù)上的難點(diǎn),也是開發(fā)的重點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)做得越來越復(fù)雜,成本也越來越高。
電機(jī)就不一樣了,電機(jī)效率也是等高線,但絕大部分工況都是90%以上,能量轉(zhuǎn)換效率很高,電從哪里來是另外一回事,化石燃料發(fā)電效率也不高。但是從電轉(zhuǎn)化為動(dòng)力的角度看效率是很高的,而且高效范圍很廣。
另外是加速感受。電機(jī)在低速的加速比發(fā)動(dòng)機(jī)好得多。如圖所示,內(nèi)燃機(jī)的扭矩和功率隨著轉(zhuǎn)速提高而提高,剛開始我們起步的時(shí)候很低,所以加速的感受不是很好。要想提高駕駛感受,要采用增壓技術(shù),或用大排量發(fā)動(dòng)機(jī),起步的時(shí)候扭矩很大,像很多跑車零百公里加速兩秒、三秒,速度上來后大扭矩就用不上了,是一種浪費(fèi)。但是電機(jī)不一樣,電機(jī)一開始就輸出最大扭矩,加速很快。剛才王秘書長(zhǎng)說,電動(dòng)車也有缺點(diǎn),加速太快,有點(diǎn)駕馭不住的感覺。因?yàn)槲覀兿M腥塑嚭弦坏木€性加速感受,所以電機(jī)控制要做得好的話,不能一開始把扭矩全部釋放出來,要限制扭矩輸出,線性的感覺會(huì)更好一點(diǎn)。電機(jī)高速的時(shí)候,扭矩會(huì)跟不上,高速的時(shí)候沒有內(nèi)燃機(jī)駕駛感受好。
講完了電機(jī)在效率和加速方面的優(yōu)越性,電動(dòng)車最大的弱點(diǎn)是電池。我們開車從A點(diǎn)到B點(diǎn),要把能量裝在車上,車載能量有多少,就取決于我們能跑多遠(yuǎn)。如圖所示,不同形式的能源在質(zhì)量和體積上的能量密度,基本上是線性的。最底下的是水力,能量密度最低,然后是電容器、鉛酸電池、鋰離子電池,到甲醇、汽油,最好的是核,是對(duì)數(shù)坐標(biāo),每一隔差100倍。油比電池高100多倍,這個(gè)差距很大。我們現(xiàn)在用的三元鋰電池能量密度已經(jīng)大大提高了,也差30~40倍。所以大的續(xù)航里程需要的電池包又大又重,不安全,成本也高,這就是電池最大的問題。
除此之外,電池還有很多其他痛點(diǎn),由于我們想努力提高能量密度,電池安全就有問題,現(xiàn)在有很多電動(dòng)車自燃的事故發(fā)生。隨著市場(chǎng)保有量增多,電池安全問題越來越引起大家重視。另外是低溫和高速續(xù)航縮水。電池放電是一個(gè)化學(xué)過程,溫度低的時(shí)候電池容量大幅度縮小,高速駕駛時(shí)的大電流放電使電池容量快速下降,不像燃油車那樣線性消耗。充電難、充電時(shí)間長(zhǎng)也是一個(gè)問題,需要增加樁和快充技術(shù)來解決,但是快充對(duì)電池壽命可能有影響。另外是電池?fù)Q新成本高,電動(dòng)二手車殘值很低,換車成本高。電池回收難,電池回收也有污染。電池最大的問題是體積大、重量重、成本高。大一點(diǎn)的電動(dòng)車電池要十萬元以上,這樣的成本是很大的負(fù)擔(dān)。
什么是最佳的解決方案?有很多技術(shù)路線的爭(zhēng)論,要么是純電動(dòng),要么是純?nèi)加?,為什么不能兩者結(jié)合起來取長(zhǎng)補(bǔ)短?車載能源采用能量密度高的液態(tài)燃料,如汽油、柴油、甲醇、乙醇等,但是氫氣能量密度低,跟電池是一樣的問題,也有安全問題,所以氫氣沒有優(yōu)勢(shì)。車輛驅(qū)動(dòng)采用電機(jī)更好。加上一塊小電池,混合動(dòng)力2度電以下,插電式的20度電以下,增程式純電200公里大概40度電,電池比純電動(dòng)小多了,從成本、體積各方面都好得多?;靹?dòng)構(gòu)架形式有很多,主要有兩種,一個(gè)是串并聯(lián)形式的混動(dòng),代表的是比亞迪的DM-i,很多企業(yè)在做,各有特色。發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)要參與驅(qū)動(dòng),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求比較高。發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率要高,高效區(qū)要大,成本是問題。另外兩個(gè)動(dòng)力之間的機(jī)電耦合專用變速箱的結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜,控制就更難。相對(duì)來講,技術(shù)上做減法的是增程式,發(fā)動(dòng)機(jī)只發(fā)電,可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),不需要兩個(gè)動(dòng)力在一起耦合,不需要復(fù)雜的變速箱,控制也很簡(jiǎn)單。
增程式工作狀態(tài)不受輪端扭矩需求約束,可以持續(xù)在高效區(qū)工作發(fā)電。增程式電動(dòng)汽車只需要減速器,不需要機(jī)電耦合式多檔混動(dòng)專用變速箱,簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低了車重及成本。增程式工作模式較串并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)工作模式少,控制策略更加簡(jiǎn)單。前面等于是充電寶,充電寶取代了一大堆電池,從車的角度來講,和純電動(dòng)車有很多通用性,便于模塊化設(shè)計(jì)。
比亞迪秦上面如果用搭載增程式的電驅(qū)動(dòng)與比亞迪DM-i混動(dòng)來比,車重一樣,用的電池也差不多,里面的驅(qū)動(dòng)電機(jī)大小也差不多,模擬計(jì)算結(jié)果顯示,百公里加速增程式要稍好一點(diǎn)。NEDC工況分別在滿電和饋電的情況下,百公里電耗以及續(xù)航里程增程式稍差一點(diǎn),兩者基本上差不多。所以,從性能上來講,發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)的混動(dòng)和不參與驅(qū)動(dòng)的增程差不多,這個(gè)計(jì)算局限于用同樣大小的電機(jī)和電池,如果電機(jī)大一點(diǎn),電池多一點(diǎn)的話,增程的性能可以進(jìn)一步提升。
上海交通大學(xué)從2007年開始看重增程專用發(fā)動(dòng)機(jī)的研究,因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可以大幅度做減法,做得很小、很低成本。我們做了三代水平對(duì)置的增程發(fā)動(dòng)機(jī),和常用的直列式發(fā)動(dòng)機(jī)相比,體積和重量減少到二分之一、零部件數(shù)量為三分之一、整機(jī)成本只有四分之一。因?yàn)楹芏喟嘿F的技術(shù)如燃油直噴、渦輪增壓、可變VVT等都不需要,就在運(yùn)行點(diǎn)把發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)做得最好就行了。我們的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。另外是低振機(jī)構(gòu),水平對(duì)置雙活塞振動(dòng)抵消。控制比較簡(jiǎn)單,不需要復(fù)雜的控制策略。
我們開發(fā)的第三代的產(chǎn)品,對(duì)所有子系統(tǒng)和專用零部件進(jìn)行了正向開發(fā)。在實(shí)驗(yàn)室做的實(shí)驗(yàn)開發(fā)包括增程式發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)化、NVH性能測(cè)試以及增程式系統(tǒng)優(yōu)化。由于采用水平對(duì)置的機(jī)構(gòu)和平衡軸,消除了一、二級(jí)振動(dòng),很低的振動(dòng)噪音。目前油耗218g/千瓦時(shí),正在進(jìn)一步優(yōu)化燃燒系統(tǒng),可達(dá)到40%的熱效率。更多的輕量化,除了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,用了很多塑料件。更低的成本,沒有用很貴的零部件。這是我們的一些主要參數(shù),0.82升,14:1的壓縮比、34千瓦的輸出功率、重量只有50千克。
目前開發(fā)的是適合產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)的樣機(jī),這種新概念發(fā)動(dòng)機(jī)可以在多種車型上擴(kuò)展,這是一個(gè)型譜規(guī)劃。現(xiàn)在開發(fā)的0.8L/0.8T增程器+100千瓦三合一電驅(qū)系統(tǒng),可用與A0和A級(jí)車型;中間也是兩缸的擴(kuò)缸到1.2升,
1.2自然吸氣和1.2增壓的,可以適用于A和B車型;像理想汽車那樣比較大的SUV可以用四缸的1.6~2.0升加增壓,和200千瓦電機(jī),就可以滿足更高的動(dòng)力要求。
除此之外,我們也可以把這個(gè)概念推廣到其他應(yīng)用場(chǎng)景,我們現(xiàn)在開發(fā)一個(gè)40cc的,準(zhǔn)備用到無人機(jī)上,年底之前完成樣機(jī)試制。其他應(yīng)用領(lǐng)域,如輕型商用車、物流小車、摩托車、沙灘車、無人機(jī)、輪椅等都可以采用這個(gè)概念的增程系統(tǒng),作為增程式的混合動(dòng)力或者充電寶形式的技術(shù)概念,我認(rèn)為還是很有前景的,謝謝大家!
(注:本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)速記整理,未經(jīng)演講嘉賓審閱)
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