2022汽车论坛 | 上海交通大学许敏：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：

【资料图】

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）