许敏:增程专用发动机开发理念和实践

  2022年11月8日-10日,由中国汽车工业协会主办的第12届中国汽车论坛在上海嘉定举办。作为党的“二十大”召开后的汽车行业首场盛会,本届论坛以“聚力行稳 蓄势新程”为主题,共设置“1场闭门峰会+1个大会论坛+16个主题论坛”,以汽车产业的高质量发展为主线,与行业精英一起贯彻新精神,研判新形势,共商新举措。其中,在11月9日下午举办的“主题论坛5:多技术路线下的新能源汽车发展”上,上海交通大学汽车工程研究院院长、国际汽车工程师学会会士许敏发表“增程专用发动机开发理念与实践”的精彩演讲。以下内容为现场演讲实录:

  非常感谢大会的邀请,很高兴在这里跟大家分享我们的一些认识和实践。刚才张总关于增程式发动机讲得非常好。我们从07年开始一直在做增程式发动机。对于为什么要做增程式发动机,刚才张总已经讲得很清楚了,我这边主要是从技术角度分析一下。
  首先看一下行业背景,如图所示2010年以来新能源汽车的产量销量的增加,一开始很少,2014年是新能源汽车的元年,开始快速攀升。尤其是2020年之后增长的速度非常快,100%以上的年增长率,今年1~9月份已经420万辆的销售,刚才何秘书长提到年底可能会达到700万辆,的确是让人非常激动的变化。
  2004、2005年有一次汽车行业的井喷,现在新能源汽车井喷时代到来了。从去年6月份到今年9月份的销量来看,整个市场上的新能源汽车渗透率基本上达到20%~30%,尤其8~9月份达到30%,未来会进一步增长。所以,新能源汽车的确成为一个市场主力军,已经得到广大的用户的认可和青睐,不只靠政策推动,而是一种市场拉动所产生的效果。
  比较一下传统汽车和电动汽车在动力方面究竟有什么区别?首先从电机和内燃机能量转换效率来看。左图是内燃机、右图是电机的效率曲线。从内燃机角度来看,最高热效率可以达到40%~45%,中间深红色很小的区域。其他的区域越绿色效率越低,纯内燃机汽车绝大部分运行时间不是在效率最高的点,而是在中间20%~30%的效率点,怠速时更低。也就是说大多数情况下效率是较低的。内燃机的发展重点是提高热效率,40%提高到50%,现在当量比燃烧45%是极限,未来稀薄燃烧可到50%,甚至高一点。我们不仅要提高最高效率,我们还要把高效区域扩大,所以用很多可变技术,增压、可变气门、可变压缩比等等,这些都是技术上的难点,也是开发的重点。发动机做得越来越复杂,成本也越来越高。
  电机就不一样了,电机效率也是等高线,但绝大部分工况都是90%以上,能量转换效率很高,电从哪里来是另外一回事,化石燃料发电效率也不高。但是从电转化为动力的角度看效率是很高的,而且高效范围很广。
  另外是加速感受。电机在低速的加速比发动机好得多。如图所示,内燃机的扭矩和功率随着转速提高而提高,刚开始我们起步的时候很低,所以加速的感受不是很好。要想提高驾驶感受,要采用增压技术,或用大排量发动机,起步的时候扭矩很大,像很多跑车零百公里加速两秒、三秒,速度上来后大扭矩就用不上了,是一种浪费。但是电机不一样,电机一开始就输出最大扭矩,加速很快。刚才王秘书长说,电动车也有缺点,加速太快,有点驾驭不住的感觉。因为我们希望有人车合一的线性加速感受,所以电机控制要做得好的话,不能一开始把扭矩全部释放出来,要限制扭矩输出,线性的感觉会更好一点。电机高速的时候,扭矩会跟不上,高速的时候没有内燃机驾驶感受好。
  讲完了电机在效率和加速方面的优越性,电动车最大的弱点是电池。我们开车从A点到B点,要把能量装在车上,车载能量有多少,就取决于我们能跑多远。如图所示,不同形式的能源在质量和体积上的能量密度,基本上是线性的。最底下的是水力,能量密度最低,然后是电容器、铅酸电池、锂离子电池,到甲醇、汽油,最好的是核,是对数坐标,每一隔差100倍。油比电池高100多倍,这个差距很大。我们现在用的三元锂电池能量密度已经大大提高了,也差30~40倍。所以大的续航里程需要的电池包又大又重,不安全,成本也高,这就是电池最大的问题。
  除此之外,电池还有很多其他痛点,由于我们想努力提高能量密度,电池安全就有问题,现在有很多电动车自燃的事故发生。随着市场保有量增多,电池安全问题越来越引起大家重视。另外是低温和高速续航缩水。电池放电是一个化学过程,温度低的时候电池容量大幅度缩小,高速驾驶时的大电流放电使电池容量快速下降,不像燃油车那样线性消耗。充电难、充电时间长也是一个问题,需要增加桩和快充技术来解决,但是快充对电池寿命可能有影响。另外是电池换新成本高,电动二手车残值很低,换车成本高。电池回收难,电池回收也有污染。电池最大的问题是体积大、重量重、成本高。大一点的电动车电池要十万元以上,这样的成本是很大的负担。
  什么是最佳的解决方案?有很多技术路线的争论,要么是纯电动,要么是纯燃油,为什么不能两者结合起来取长补短?车载能源采用能量密度高的液态燃料,如汽油、柴油、甲醇、乙醇等,但是氢气能量密度低,跟电池是一样的问题,也有安全问题,所以氢气没有优势。车辆驱动采用电机更好。加上一块小电池,混合动力2度电以下,插电式的20度电以下,增程式纯电200公里大概40度电,电池比纯电动小多了,从成本、体积各方面都好得多。混动构架形式有很多,主要有两种,一个是串并联形式的混动,代表的是比亚迪的DM-i,很多企业在做,各有特色。发动机和电机共同驱动,发动机要参与驱动,对发动机的要求比较高。发动机热效率要高,高效区要大,成本是问题。另外两个动力之间的机电耦合专用变速箱的结构也很复杂,控制就更难。相对来讲,技术上做减法的是增程式,发动机只发电,可以大大简化设计,不需要两个动力在一起耦合,不需要复杂的变速箱,控制也很简单。
  增程式工作状态不受轮端扭矩需求约束,可以持续在高效区工作发电。增程式电动汽车只需要减速器,不需要机电耦合式多档混动专用变速箱,简化了系统结构,降低了车重及成本。增程式工作模式较串并联式混合动力系统工作模式少,控制策略更加简单。前面等于是充电宝,充电宝取代了一大堆电池,从车的角度来讲,和纯电动车有很多通用性,便于模块化设计。
  比亚迪秦上面如果用搭载增程式的电驱动与比亚迪DM-i混动来比,车重一样,用的电池也差不多,里面的驱动电机大小也差不多,模拟计算结果显示,百公里加速增程式要稍好一点。NEDC工况分别在满电和馈电的情况下,百公里电耗以及续航里程增程式稍差一点,两者基本上差不多。所以,从性能上来讲,发动机参与驱动的混动和不参与驱动的增程差不多,这个计算局限于用同样大小的电机和电池,如果电机大一点,电池多一点的话,增程的性能可以进一步提升。
  上海交通大学从2007年开始看重增程专用发动机的研究,因为发动机结构可以大幅度做减法,做得很小、很低成本。我们做了三代水平对置的增程发动机,和常用的直列式发动机相比,体积和重量减少到二分之一、零部件数量为三分之一、整机成本只有四分之一。因为很多昂贵的技术如燃油直喷、涡轮增压、可变VVT等都不需要,就在运行点把发动机设计做得最好就行了。我们的优势是结构简单。另外是低振机构,水平对置双活塞振动抵消。控制比较简单,不需要复杂的控制策略。
  我们开发的第三代的产品,对所有子系统和专用零部件进行了正向开发。在实验室做的实验开发包括增程式发动机性能优化、NVH性能测试以及增程式系统优化。由于采用水平对置的机构和平衡轴,消除了一、二级振动,很低的振动噪音。目前油耗218g/千瓦时,正在进一步优化燃烧系统,可达到40%的热效率。更多的轻量化,除了结构简单,用了很多塑料件。更低的成本,没有用很贵的零部件。这是我们的一些主要参数,0.82升,14:1的压缩比、34千瓦的输出功率、重量只有50千克。
  目前开发的是适合产业化量产的样机,这种新概念发动机可以在多种车型上扩展,这是一个型谱规划。现在开发的0.8L/0.8T增程器+100千瓦三合一电驱系统,可用与A0和A级车型;中间也是两缸的扩缸到1.2升, 1.2自然吸气和1.2增压的,可以适用于A和B车型;像理想汽车那样比较大的SUV可以用四缸的1.6~2.0升加增压,和200千瓦电机,就可以满足更高的动力要求。
  除此之外,我们也可以把这个概念推广到其他应用场景,我们现在开发一个40cc的,准备用到无人机上,年底之前完成样机试制。其他应用领域,如轻型商用车、物流小车、摩托车、沙滩车、无人机、轮椅等都可以采用这个概念的增程系统,作为增程式的混合动力或者充电宝形式的技术概念,我认为还是很有前景的,谢谢大家!
  (注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)


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