上汽乘用车技术中心总监徐政:乘用车混合动力技术开发

10月18日-19日,2021第九届汽车与环境论坛&第13届全球汽车产业峰会隆重召开。本次论坛主要围绕中国汽车产业发展、动力总成电气化、ADAS与自动驾驶、芯片与汽车基础软件、智能座舱等行业热点话题展开,旨在共同探讨新形势下中国汽车产业有序发展的新思路。下面是上汽乘用车技术中心总监徐政在此次论坛上的演讲实录。

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各位嘉宾,大家下午好!今天跟大家分享的主题是《乘用车混合动力技术开发》,首先会跟大家介绍一下双碳背景下动力系统发展路线上的思考,之后我会用高效混合动力发动机技术开发以及混合动力传动系统开发案例,给大家介绍一下当下混合动力技术的状态,最后是结语。

前面几位专家也提到了,现在全球经济发展都要遵循减碳的规则,最大的背景是巴黎协定要求全球平均温升保持在2度之内,争取控制在1.5度以内,要求全球尽快实现温室气体排放达峰和本世纪下半叶实现温室气体净零排放。大家对中国的“双碳”比较清楚,国家交通运输部也提出了2028年碳达峰以及2035年进一步降低20%的目标。欧洲的绿色协议显示,到2050年气体净零排放,交通运输行业也将呈现非常大的降幅,到2050年下降90%,到2030年比较激进的车辆排放要求是45.7g/km。美国今年重返巴黎协定,也提出了35/50碳中和进程。

在这个宏观背景下,今年国际能源署IEA发布2050年净零排放报告,通过这一报告大家可以看到,全球各个行业领域都有2020-2050年如何实现净零排放的路线。交通领域要求是比较激进的,到2030年达到60%新售车辆是电动车,2035年提出了再没有新的内燃机车、纯燃油车的销售,2040年全球电力净零排放,各国需要设计自己的策略,这对我们的经济活动和各行各业技术发展都有较大的约束。

这对乘用车动力系统技术路线带来了怎样的影响?从目前来看,基本上还是基于限制车辆行驶期间的碳排放量来约束整车技术路线,驱动当下的动力总成电动化规划和电动车的快速发展。从欧洲多家机构的预测来看,他们到2035年是50%电动车,跟中国2035年50%新能源电动车、50%混动的中期目标预设也是比较趋于一致的。另外2021年美国拜登政府发布行政命令,2030年新车销售中电动车比例达到40-50%。可以说,全世界都在根据碳中和发布快速电动化的技术路线。

上面我们谈到,目前的政策还是基于车辆行驶期间的碳排放量作出的法规约束,而事实上,全生命周期碳排放才是跟全球变暖相关,也就是Cradle to Grave和Tank to Wheel的比较。

基于德国能源结构,德国交通协会ADAC用GOLF案例显示,EV碳排放比汽油机乘用车低约12%,其实并没有本质上的差异。2019年中国汽车工程学会也做了推演,可以看到,纯电动车全生命周期碳排放量比燃油车下降约20%,这里还不包括混合动力,从这个角度来看,基于现在的能源结构,纯电动车的全生命周期碳排放量与内燃动力产生的碳排放量并没有本质性的差异。

这是今年最新数据,2021年维也纳论坛上有机构汇总了多方计算结果显示,虽然基于各种假设条件不一样,整个变化的范围比较大,但是内燃动力产生的全生命周期碳排放和纯电动全生命周期碳排放仍然没有本质上的差异,差异是在全生命周期中不同的环节碳排放量分布不一样,比如说电动车在材料和制造环节碳排放量更高,而燃油车在车辆使用环节碳排放量更高。要真正实现全生命周期碳排放量的大幅降低,要使用绿电或者可再生能源形成的燃料。

谈到能源结构,可以看一下国际能源署最新发布的研究,为了达到1.5度温升要求,我们的能源结构需要如何来改变?最大的改变就是太阳能,光伏能源产生的电力和风能产生的电力。

实际上,2020年之前,虽然风电和光伏电有所增加,但是在总的占比里面还是相对比较小的,为了实现巴黎协定碳中和,全球规划的最大的依赖就是要完成能源结构清洁化,这使风电和太阳能电大幅增长,比如2020-2030-2050年从约8%增长到40%再增长到68%,这是巨大的变化,可再生电力由2020年29%提升到2050年90%。

但是大家知道,太阳能和风能的传输和使用需要电力系统技术、储能技术快速发展,考虑成本、投资、经济影响,在可见未来完全取代化石能源发电挑战还是巨大的,最终图景是很漂亮,但是实际上过程当中充满着挑战,因为这是巨大的变化。

内燃机只是一种能源转换装置,现在内燃机所产生的碳排放是因为我们使用了化石燃料,如果改变燃料,燃料形成低碳或者碳中和性燃料的时候,内燃机作为能量转换角度减碳也是没有问题的,这也是大家努力的方向之一。

可再生柴油,这个实际上市场上已经在用,Neste公司在北美加油站是有充加的,还有Bosch跟主机厂在做 Blue Gasoline燃油,当然如果我们采用可再生电力形成的E-Fuel,那个降幅就非常非常巨大了,完全可以达到碳中和的目标。

所以我们需要更为稳妥平衡的产业政策,以全生命周期碳排放为统一标准,根据市场能源结构和实际发展国情规划驱动动力系统技术路线型谱。

既是从长期碳排放或者碳中和角度来讲,我们也需要两条腿走路。现在主流趋势是电动化,尤其是纯电动电动化的趋势。这里面我们也要快速来解决所面临的问题,比如说上午王教授提到动力电池安全性,充电快速和低温下的性能问题,另外是基础充电设施推广,解决用户痛点问题,三是从碳排放角度来讲实现电力清洁化。从内燃动力角度来讲,一方面是快速电动化与混合动力,电机加持来帮助我们提高效率。另一方面更重要的是混动系统里面各个效率的提升,内燃机热效率提升。低碳和碳中和燃料应用,这两条路才是整个社会实现碳中和的一个路径。

德国汽车工业协会今年提出的2050年气候战略也谈到了这一点,只有推动电动车和节能车两种路线并行,交通运输领域的脱碳才能成功,这跟我们的观点是比较类似的。从内然动力角度,现在混合动力技术将会比较广泛的推向市场,各家都在做,今年已有非常好的产品在市场上,这是目前主流的技术方向。混合动力毫无疑问会带来油耗和碳排放的收益,同时给用户带来更为敏捷和愉悦的驾驶体验,这是目前我们认为应对挑战满足各方需求的解决方案。

下面是用核心要素技术开发优化案例给大家介绍一下当前混合动力发动机和混合动力变速箱的技术要点。

谈到效率,内燃机原理并没有发生变化,并不是说我们现在做45%热效率、50%热效率就有本质的变化。这是四年前在论坛上我引用马自达提出的一个比较典型的内燃机效率,无非是我们想办法降低各类损失,排气损失、冷却热耗散、摩擦损失等等来实现更高的有效功率,有4个方面7项控制因素把它优化到理想状态,混合动力专用发动机也在做这方面的事情,原理上并没有真正的改变。

现在主流混合动力专用发动机产品基本特征是,要有高滚流燃烧系统和高缸内湍动能快速燃烧。尤其是混合发动机一般做到16:1压缩比,这是非常大幅的增加,长冲程比也都做到了冲程缸径比约1.3,因为有了高压缩比,为了燃烧效率,主流发动机都会有外部冷却EGR,抑制爆震,提高比热比降低燃烧温度减少冷却热耗散,还有深度特金森循环,热管理,电子水泵,降低热耗散。

这是高滚流燃烧系统、燃烧室挤流和masking帮助滚流,同时又非常高的压缩比,要有非常紧凑的夹角,比较小的燃烧室来实现高压缩比,从气道喷射的发动机,缸内直喷同样有油束优化的问题。

混动专用发动机面临比较大的挑战是所谓的爆震抑制,因为压缩比提到16,甚至更往上提,爆震无疑是限制性能和效率的一个瓶颈,这就需要在设计端有些分析手段,能够预测对爆震时刻和爆震发生的位置,这样在设计上可以帮助我们优化,比如说冷却系统,甚至对各缸均匀性都能够作出准确的判断,来帮助我们进行优化系统设计,比较好的抑制爆震。

混合专用发动机现在主流技术是外部冷却EGR,这是目前提高压缩比有效技术之一,能够有以下几个方面作用:降低泵气损失,通过改变混合气组分影响化学反应,抑制爆震,改善燃相位,降低燃烧温度,降低冷却热耗散。为了实现外部冷却EGR系统,一方面我们要做到各缸EGR均匀性才能保证真正四个缸燃烧的稳定性,同样我们有这些手段也可以评估各种其他的设计参数,对三维瞬态流动、波动性、各缸燃烧准确性作出准确的判断。

如果仅仅有高压缩比,对热效率的提升实际上是比较有限的,大概是1%的样子,因为这个时候受限于爆震,燃料相位不够优化,它的收益并不能获取。当我们进一步外部冷却EGR的时候,这个燃烧相位更好,同时可以降低燃烧温度,使得4-5%燃料效率的提升得以实现。

所有这些先进的发动机都有智能热管理系统,来支撑缸内燃烧、冷却和热耗散的更为精细化的管理,现在基本特征,一个是热管理模块TMM,它有三个回路对于水流量到机体缸盖各处精准的控制,另一方面有电子水泵加持,电子水泵跟机械水泵相比,发动机转速解耦,这样选型的时候不限于低速流量制热流量的需求,否则机械泵因为受限于低速流量的选型会使得有一部分能量损失。在中等低速或者低负荷下高效区燃烧的时候,我们可以用更高缸内金属温度和水温实现更好的油耗,在高负荷的时候切换降低水温控制爆震,这都是热管理使得发动机在各个场景下运行在自己最佳的温度下。

减摩擦,这是一个永恒的话题,现在先进发动机不断有新的减摩技术应用。新的发动机做出来比上一代发动机降幅31%,最新摩擦功,我们做出来的基本上是行业里面最低的。通过这些技术措施,典型混动专用发动机,最高热效率目前这些技术可以做到42%+的程度,而当配以混合动力系统的时候,WLTC工况下,发动机运行,大部分工况点基本上都保持在非常高效的区域,这也是混动系统在运行工况里面比较大幅度降低油耗或者碳排放的机理。现在市场上有串联、并联、串并联、功率分流的类型,各有优缺点,以上四类里面都有市场化的产品。

目前市场上比较主流的构型之一就是双电机多模式混动系统,通过能量管理策略来实现在驾驶区域里面多模式实时切换,这样实现各种需求但同时保障效率的提升。

传动系统效率,整个系统效率提升要考虑传统系统的效率、电机的效率,电机和电池通过热管理如何保持在不同温度场景下的控制,使得效率得以发挥。当传统动力WLTC工况下大部分时间运行在低负荷或者非高效区的时候,用DHT取代传动系统的时候,高效区运行的范围就大幅度增加,比如说35%BTE以上占比增加,当我们进一步用DHE来代替,整个高效区(38%BTE)以上也大幅度提升,这是带来了油耗收益根本性的机理。

总结一下,在双碳背景下,从全生命周期碳排放降低角度,能源结构及供给的发展驱动动力系统的技术路线型谱更为稳妥,需要推动电动车和节能车两种路线并行。混合动力xHEV带来油耗/碳排放收益的同时,也为用户带来更为愉悦的驾驶体验,是目前应对挑战,满足各方需求的right powertrain。系统效率提升取决于各核心要素中先进技术应用和设计优化及系统匹配优化。

谢谢大家!

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