專論 || 楊裕生：進(jìn)一步提高增程式車技術(shù)水平
當(dāng)前，增程式車在市場(chǎng)上受到消費(fèi)者青睞，除了理想、問(wèn)界等品牌推出多款爆款車型，長(zhǎng)安、東風(fēng)、廣汽等車企也在增程式車型上加快布局。筆者多年來(lái)一直為增程式車鼓與呼，如今在為其感到高興的同時(shí)，也認(rèn)為增程式車要想進(jìn)一步發(fā)展，還需在技術(shù)水平上繼續(xù)下功夫。
做好增程器 提高節(jié)油率
1．要將增程器做到極致
增程式車之所以有較好的節(jié)能效果，是因?yàn)樗鼘㈦姵毓╇姾蛙嚿习l(fā)電相并聯(lián)，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了雙方的不足。在電池并聯(lián)的前提下，增程器的節(jié)能作用來(lái)自如下三方面：一是使用小排量發(fā)動(dòng)機(jī)；二是發(fā)動(dòng)機(jī)采用阿特金森循環(huán)，在恒定功率下運(yùn)行，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在最高的熱效率區(qū)間（最佳燃耗點(diǎn)）；三是不同路況和行駛速度需要的不同功率靠電池調(diào)節(jié)，電池回收剎車的能量。
有人提出，增程器不應(yīng)是增程式汽車的主角，其最大作用就是一個(gè)“充電寶”。筆者認(rèn)為這一觀點(diǎn)是片面的。相反，應(yīng)該充分重視增程器的主角作用，精心研究、合理設(shè)計(jì)、精密加工，將增程器做到極致，為車輛節(jié)能減排奠定基礎(chǔ)。
2．發(fā)動(dòng)機(jī)的功率要合理
在電池供電和車上發(fā)電相并聯(lián)的技術(shù)路線下，不同路況和行駛速度需要的不同動(dòng)力功率靠電池調(diào)節(jié)，上坡、加速時(shí)由電池補(bǔ)足發(fā)電機(jī)功率，下坡、減速時(shí)由電池接收多余的電能。所以，增程式車上發(fā)動(dòng)機(jī)的排量較同級(jí)別燃油車可大大減小，從而減輕重量，“雙減”因素使得增程式車能大幅節(jié)油并減少有害氣體排放。
我國(guó)燃油車的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)師承歐美，習(xí)慣于按時(shí)速180公里甚至200公里以上設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率，冗余量過(guò)大。而我國(guó)高速公路的限速是120公里／小時(shí)，公安部做此限速的依據(jù)是：車輛時(shí)速超過(guò)120公里，如果出車禍，死亡概率極高。在其他道路上，更不允許如此高速行駛。筆者希望從增程式電動(dòng)車開(kāi)始，走出一條節(jié)能、安全、先進(jìn)的中國(guó)特色發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)道路。
3．要拋棄功率跟隨器
現(xiàn)在有些增程式車是依靠所謂“功率跟隨器”控制發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，以滿足不同路況和行駛速度的需要。這顯然未利用增程式“電池供電和車上發(fā)電相并聯(lián)”的基本優(yōu)點(diǎn)，與同級(jí)別燃油車相比，節(jié)油率很難超過(guò)20％。因此筆者建議，那些仍在使用“功率跟隨器”的增程式車企能夠盡快拋棄這種方法，認(rèn)真考慮采取正確的控制策略，將節(jié)油率提上去。
4．提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率
發(fā)動(dòng)機(jī)使用阿特金森循環(huán)和自然吸氣，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、成本降低，而且可選用最高效轉(zhuǎn)速在固定工況下工作，發(fā)動(dòng)機(jī)可有約45％的熱效率。汽油的熱值為44000kJ/kg，1公斤汽油可發(fā)5.5度電（或1升汽油最大可發(fā)4.3度電）。因此，3升汽油發(fā)的電足夠緊湊型車輛行駛100公里。國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)壓燃汽油的實(shí)驗(yàn)室熱效率已達(dá)51.5％，1升汽油最大可發(fā)4.9度電。希望類似壓燃汽油這樣的技術(shù)盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用于增程式車。此外還要努力創(chuàng)新，研發(fā)熱效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)。
做大做強(qiáng)增程器產(chǎn)業(yè)
增程器包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制器三部分，將三者一體化，構(gòu)件簡(jiǎn)化，體積減小，重量減輕，效率提高，成本降低，這是增程器的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于增程式車來(lái)說(shuō)，整車固然重要，但作為關(guān)鍵部件的增程器重要性也毫不遜色。正如燃油車發(fā)動(dòng)機(jī)擁有像康明斯這樣的國(guó)際大品牌，增程器進(jìn)行專業(yè)化生產(chǎn)或許也會(huì)創(chuàng)出這一方面的知名品牌。筆者將整車與增程器這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)的關(guān)系概括如下：分道揚(yáng)鑣，并駕齊驅(qū)；各盡其責(zé)，相得益彰。
筆者曾設(shè)想，我國(guó)將來(lái)能建成年產(chǎn)百萬(wàn)臺(tái)增程器的工廠約20家，將中國(guó)的高質(zhì)量增程器銷往全球。希望這一美好愿景能夠在筆者的有生之年實(shí)現(xiàn)。
增程式節(jié)能的關(guān)鍵部件是可快充電池
增程式電動(dòng)車銷量的增加，帶動(dòng)了為之配套的動(dòng)力電池發(fā)展，如寧德時(shí)代為長(zhǎng)安深藍(lán)、問(wèn)界M5和理想旗下車型提供電池，中創(chuàng)新航為長(zhǎng)安深藍(lán)SL03、長(zhǎng)安深藍(lán)S7、零跑C11等車型提供電池，億緯鋰能為哪吒S配套，力神和欣旺達(dá)為吉利旗下英倫TX、英倫LX等車型配套。筆者認(rèn)為，動(dòng)力電池企業(yè)在增加電池產(chǎn)銷量的同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步關(guān)注增程式車輛對(duì)電池性能的特殊需求。
1．增程式車要求電池能快充
增程式電動(dòng)車的電池除提供車輛行駛一定里程需要相應(yīng)的比能量之外，還應(yīng)該從減少電池用量、擴(kuò)大車輛使用范圍等特點(diǎn)出發(fā)，考慮與純電動(dòng)車電池的不同特點(diǎn)。
電動(dòng)汽車在城市中行駛，會(huì)頻繁遇到紅燈，吸收減速時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的電能，可以為電動(dòng)汽車節(jié)能15％左右。這部分能量主要發(fā)生在剎車最初幾秒、車速較高的時(shí)段中，功率高、電流大。對(duì)于純電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，由于電池組的容量很大，可以“分擔(dān)”吸收此大電流。而增程式車的純電行駛里程如以50公里計(jì)，其電池總?cè)萘恐挥屑冸妱?dòng)車的1/8至1/10，如想要達(dá)到與純電動(dòng)車相同的吸收電能的效果，則需提高充電倍率若干倍，好在當(dāng)前純電動(dòng)車的“超快充”為此奠定了基礎(chǔ)。
減少電池用量既可以減輕車重，又可減少電池生產(chǎn)過(guò)程的碳排放量，符合實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的大方向。隨著社會(huì)上“雙碳”觀念的加強(qiáng)和碳稅的實(shí)施，增程式電動(dòng)車應(yīng)該向少用電池的方向發(fā)展，電池的充電倍率則有相應(yīng)的提高。鋰離子電池的一個(gè)特點(diǎn)是“充電難、放電易”，只要充電倍率夠了，放電倍率滿足車輛快速啟動(dòng)將不成問(wèn)題。
2．增程式要求電池淺充放、壽命長(zhǎng)
此外，考慮到電動(dòng)汽車在城市中行駛會(huì)經(jīng)常遇到紅燈，如果每天按20次啟動(dòng)和剎車計(jì)算，15年使用期將有10萬(wàn)次充放電循環(huán)。當(dāng)然，這種充放電循環(huán)是淺充淺放模式。故而，增程式電動(dòng)車的電池設(shè)計(jì)和制造，應(yīng)該滿足大倍率、淺充淺放長(zhǎng)壽命要求。
磷酸鐵鋰電池壽命較長(zhǎng)，如今也已經(jīng)有相應(yīng)的技術(shù)可使其倍率性能提高，再加上安全性和資源、價(jià)格等優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)其在增程式車上有良好的應(yīng)用前景。電池企業(yè)要抓住大好時(shí)機(jī)，加緊布局增程式電動(dòng)車所需特色電池的研發(fā)和生產(chǎn)，并努力帶動(dòng)所需正極、負(fù)極材料和電解液的發(fā)展。
3．增程式不要求電池有過(guò)高比能量
增程式電動(dòng)車在高速公路上行駛，為了補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)功率冗余量較小之需，電池要儲(chǔ)備一定的能量，大概12kWh即可。如果電池比能量150Wh/kg，總重量不超過(guò)100公斤，那么車輛完全可以承擔(dān)。對(duì)于50公里純電行駛里程的要求而言，此電池量也綽綽有余。
綜上所述，增程式電動(dòng)車電池的設(shè)計(jì)原則應(yīng)該是在提高大倍率、延長(zhǎng)淺充淺放壽命的前提下，盡量提高比能量。
4．電池指標(biāo)主次分明，均衡提高
提高電池倍率性能的主要技術(shù)策略是降低電池內(nèi)阻，具體措施不一而足。但是，總的效果是不可避免地犧牲比能量。再加上延長(zhǎng)電池的循環(huán)壽命也與維持高比能量和高比功率有矛盾，所以要做好增程式車的電池是有一定難度的。電池企業(yè)要與整車單位共同探討如何兼顧各項(xiàng)綜合指標(biāo)，取得合理的平衡，再在使用中磨合，不斷提高技術(shù)水平。
一提到降低電池內(nèi)阻，往往偏重于提高電子電導(dǎo)。這固然十分重要，但改善離子傳輸，也應(yīng)同等重視。順便說(shuō)一句，已有超級(jí)電容企業(yè)研發(fā)出電池型電容器，取得了兼顧電池和電容性能的良好效果。參考此思路，偏重于電池方向研發(fā)電容型電池，或許是一條可以探索的路徑。
增程式發(fā)動(dòng)機(jī)慎用有毒的液氨
可再生能源發(fā)電制得的氫氣難以儲(chǔ)存運(yùn)輸，轉(zhuǎn)化為液態(tài)燃料是一種出路。這主要有兩條路線：一是氫氣加壓還原二氧化碳，不同的催化劑分別生成甲醇、乙醇或汽油，如今已從中試進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；二是按化肥生產(chǎn)的成熟工藝合成氨氣，再加壓液化成液氨。上述兩條路線的能量轉(zhuǎn)換效率相近，而生產(chǎn)技術(shù)成熟度目前以后者為高，定點(diǎn)使用液氨的運(yùn)送問(wèn)題也已解決。正因如此，在作為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用時(shí)，有些人想將液氨路線作為選擇對(duì)象，卻忽視了液氨的其他性質(zhì)，尤其是危險(xiǎn)性。
1．液氨和氨具有毒性
氣態(tài)氨氣通過(guò)加壓-冷卻得到液態(tài)氨，為無(wú)色液體。液氨和氨氣有強(qiáng)烈刺激性氣味，有腐蝕性，還有毒性。液氨容易揮發(fā)，20℃時(shí)的蒸汽壓為882kPa，因此需儲(chǔ)存于耐壓鋼瓶或鋼槽中，其化學(xué)事故發(fā)生率很高。
液氨一旦泄漏非常危險(xiǎn)，其危害包括氣化擴(kuò)散、中毒傷亡、燃燒爆炸、污染環(huán)境、發(fā)生次生事故等，所以需要加強(qiáng)防范確保安全。至于其毒性，氨進(jìn)入人體后會(huì)阻礙三羧酸循環(huán)，降低細(xì)胞色素氧化酶的作用，致使腦氨增加，可產(chǎn)生神經(jīng)毒作用，高濃度氨可引起組織溶解壞死?？諝庵邪钡臐舛冗_(dá)到0.5％～0.6％（按體積計(jì)算）時(shí)，人在其中停留半小時(shí)即可中毒，濃度超過(guò)0.6％～1％時(shí)可能會(huì)造成死亡事故。而且，氨是一種可燃?xì)怏w，濃度達(dá)到11％～14％時(shí)可以點(diǎn)燃，達(dá)到16％～25％時(shí)如遇明火會(huì)引起爆炸（爆炸極限為16％～25％），最易引燃濃度為17％，產(chǎn)生最大爆炸壓力時(shí)的濃度為22.5％。氨泄漏不僅會(huì)對(duì)大氣造成污染，而且對(duì)動(dòng)植物具有相當(dāng)?shù)奈：αΑ?br style="box-sizing: border-box; text-indent: 2em;"/> 本世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)冷庫(kù)行業(yè)發(fā)生導(dǎo)致人員死亡的液氨泄漏事故的城市就有10余個(gè)，包括北京和上海，多數(shù)事故的傷亡是由氨中毒引起的，少數(shù)是燃燒爆炸伴生中毒。此外啤酒行業(yè)和化工行業(yè)都發(fā)生過(guò)液氨泄漏事故，造成人員傷亡。
2．汽車如使用液氨，危險(xiǎn)性不容小視
液氨儲(chǔ)存在壓力容器中，常溫下儲(chǔ)罐中的氣壓近9個(gè)大氣壓，這在汽油儲(chǔ)罐中是不存在的。液氨的毒性也是汽油望塵莫及的。液氨的含能量雖不及汽油，但終究是易燃易爆物。如果汽車使用液氨，就要建造加氨站，其單站的液氨保有量遠(yuǎn)大于冷庫(kù)，而與化工企業(yè)相當(dāng)，這些危險(xiǎn)的化工裝置若林立于城市、鄉(xiāng)村，如果出現(xiàn)事故不可想象。此外，還要用液氨儲(chǔ)罐車給充氨站補(bǔ)液氨，燃氨汽車又要帶著高壓液氨瓶行駛，還需經(jīng)常充氨。如果燃氨汽車普及，每天成百萬(wàn)噸有毒、易燃的液氨從生產(chǎn)廠運(yùn)到充氨站，幾千萬(wàn)輛的汽車到充氨站充氨。這種紛繁的轉(zhuǎn)運(yùn)、分布行動(dòng)中的泄漏事故，要比現(xiàn)在合成氨和化肥生產(chǎn)中集中式、管道密閉式運(yùn)行發(fā)生的幾率和次數(shù)大得多。
近兩年，一些車企的燃氨發(fā)動(dòng)機(jī)和氨氫融合發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功，有可能帶起一股“氨風(fēng)”?；诋?dāng)前液氨存在的問(wèn)題尚未得到有效解決，筆者認(rèn)為還是要慎重使用這類發(fā)動(dòng)機(jī)，畢竟在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域比這值得做的事還有很多。
（作者楊裕生系中國(guó)工程院院士）