混合动力之道和内燃机的未来
混合动力之道和内燃机的未来
在电动化浪潮席卷全球的今天，内燃机是否真的走向了末路？混合动力汽车能否成为未来汽车市场的主流？本文将从动力总成技术的发展历程出发，深入探讨混合动力的优势及其在商用车领域的应用前景，同时分析内燃机如何在新时代实现重生。
动力总成的第四波浪潮
汽车动力总成的演变大致可以分为四个阶段：机械控制的内燃机时代、电子控制的内燃机时代、电控直喷增压的内燃机时代和动力总成多元化时代。
早期，汽车完全依赖机械驱动与控制的内燃机。到上世纪60年代末至70年代初，随着对汽车有害排放物控制的加强，电子控制技术推动汽车内燃机进入电子时代。上世纪末，汽车发动机进入电控直喷增压时代，通过涡轮增压提高进气量以提升发动机输出扭矩。
令人意外的是，这个机械美感接近巅峰的动力总成时代开始后，以丰田为代表的混合动力汽车和特斯拉为代表的纯电动汽车在本世纪初相继问世，汽车动力总成多元化的倪端开始出现。尽管有人提出当前的时代应该被命名为电动化时代，但这并不准确。确实，许多技术正朝着电动化方向发展且电动化趋势在未来十年都将持续，但并非大部分汽车都已经实现电动化，且混合动力系统的燃料还将逐步被氢气和甲醇等非化石燃料取代，再加上大规模合成燃料正在积极争取进入市场，这些零碳或碳中性燃料进入汽车同样是这个新纪元的重要标志。
优势明显的混合动力
与单一内燃机动力系统和纯电动汽车相比，混合动力至少有三个核心优势。
首先，与内燃机系统相比，混合动力系统能够实现能量回收而节省燃料。汽车在下坡行驶或刹车时会损失能量，混合动力系统配备的电机可以将这部分能量回收回来，内燃机则无法做到能量回收，这使后者节约能源的能力根本无法与前者相提并论。
第二个优势在于混合动力系统有“油箱加内燃机”和“电池加电机”两个动力源。这使得我们可以充分利用这两个动力装置的优势而避免其劣势，最高效地利用驱动系统。混合动力系统提供了将内燃机单独工作转变为内燃机与电机协同合作的机会，以达到最佳的效果，这就是其第二个优势。
第三个优势是，混合动力系统解决了纯电动汽车的“充电困难”问题，后者导致了电动车消费者的里程焦虑。虽然现在充电桩数量不断增加，但充电所需的时间仍然较长。燃油车加油只需几分钟，而电动车快充也需要30分钟。在假期出行时，充电站往往会排起长龙，进一步加剧了里程焦虑。虽然目前的电动车能够续航500公里，但充电焦虑不会在有电的时候产生，而是在电量即将耗尽的那一刻产生。无论车辆续航300公里还是500公里，总有需要充电的时候。因此，虽然较大的电池可以降低充电焦虑发生的频率，但不能彻底解决充电焦虑，混合动力系统则因其同时具备加油和充电两种补能方式而解决了这一问题。
理解这些基本物理原理后，就可以明白当前市场对混合动力汽车的青睐。从消费者角度上看，可“电”可“油”消除了里程焦虑，缩小的电池组帮助混合动力汽车建立起了相对于纯电动汽车的成本优势，这使得混合动力汽车在纯电动和燃油车的中间地带脱颖而出。
此外，增程式电动汽车也收到市场的欢迎。增程式电动汽车和纯电动汽车都是靠电机驱动，两者不同的地方是前者当配备一台增程器，即车载发电机组，当需要的时候，增程器里的发动机会启动并带动发电机发电，产生的电能可以直接输入给驱动电机，也可以为电池充电，这样就增加了电动汽车的行驶里程。增程式电动汽车能够既享受电动驾驶的乐趣，同时又解决充电焦虑的问题，犹如为电动汽车“购买了保险”，因此越来越受到消费者的喜欢。
值得注意的是，把增程式电动汽车划为混合动力汽车是错误的。从概念上讲，混合动力汽车的电机和发动机都要参与驱动汽车，而增程式电动汽车的驱动完全靠电机，发动机与驱动系统完全解耦，不参与汽车驱动。因此，增程式电动不能称为混合动力，我认为可以称为混合能量。从技术上讲，发动机在混合动力和混合能量这两个系统中的作用不一样，后者的发动机只用于发电，工作要求简单得多、转速范围小、扭矩特性不重要，发动机设计可以大幅度简化。从市场上讲，增程式电动汽车是纯电动汽车的延伸，混合动力是内燃机汽车的延伸，把增程式电动汽车称为混合动力很难理顺消费者的思维倾向和消费喜好。
混合动力汽车是对电动化的积极拥抱。特别是插电式混合动力具备“可电可油”的特点。如果坚持有规律的充电，甚至可以完全不用燃油。当然，使用燃油则能够提供更多的便利。
混合动力还将有更大的空间
插电式混合动力汽车是中国汽车工业的特色技术，中国车企已经独创了好几个双电机混合动力构型，这使得中国汽车企业在全球范围内处于领先地位。当然，这些技术还有进一步提升的空间，包括系统效率、电池安全性等。混合动力系统仍然依赖于电池，因此确保其安全性至关重要。未来的技术发展应当是不断改进系统效率、安全性以及降低成本。
在可预见的未来，混合动力汽车的优势将继续放大。再加上国家也在大力推广电动化汽车——包括纯电动和插电式混合动力车——的补贴和路权优惠政策，这将进一步推动电动汽车市场的发展。传统内燃机汽车将逐渐向混合动力汽车转变。在充电基础设施尚不完善的偏远地区或城市的老旧小区里，充电不方便，非插电的混合动力汽车以其节能优势将受到欢迎。
未来十年的乘用车市场，纯电动、插电式混合动力和非插电式混合动力之间三架马车并驾齐驱的格局必将形成。预计到2030年，新上市车型中约40%的市场份额为纯电动车，40%为插电式混合动力，20%则是非插电式混合动力，单独内燃机驱动的汽车将变得很少。
商用车市场则完全不同。通常而言，商用车市场可分为轻型车和重型车两类。轻型货车和轻型客车将较快实现电动化，但重型卡车包括干线物流车辆的主要发展方向是混合动力。我们的研究表明，重卡的混合动力化不仅在节能方面表现突出，也可以减少全生命周期的总拥有成本。这是因为纯电动汽车在续航里程和电池重量方面面临挑战，而燃料电池动力的总拥有成本又较高。混合动力重卡优势明显，但仍需要创新思维来推动其发展。我们最近研发了一种重卡电动挂车的概念技术，电动挂车和内燃机牵引车结合就形成了混合动力系统，节油率可达20%以上，总拥有成本节省几十万元。这一技术的突出优点之一就是可以用于在用重卡，而不仅仅用于新产车辆。在重型卡车领域里，混合动力将展现出非常广阔的前景。
内燃机终将重生
前几年，尤其是2018~2019年，伴随着电动汽车的高歌猛进，业内对内燃机的前景普遍不看好，很多人甚至非常悲观地认为内燃机正在走向它生命历程的末尾，消亡已经是这类构造精巧的机器的近期宿命。
但我一直认为，这种悲观预言绝无可能在近期变成现实，大趋势判断可以支撑这个观点。在乘用车市场，假设到2030年有40%的乘用车是纯电动，40%的乘用车是插电式混动，20%是非插电式混动，这意味着60%的乘用车仍需要内燃机。如果届时中国汽车年产销量达到3500万辆，其中就有2100万辆需要内燃机。在商用车领域，年销量达到数百万辆的重型卡车和其他商用车中预计也有80%需要内燃机。因此，内燃机不可能被淘汰，需求量还会很大。
不过，内燃机不会被淘汰并不意味着未来的汽车用内燃机市场不会发生结构性变化。即便是在最乐观的估计中，我们也会看到传统意义上的内燃机单一驱动确实会在电动化浪潮中逐步退出乘用车舞台。但这绝不意味着内燃机的消亡，后者会迎来重生并成为适应电动化技术和新燃料需求的“新内燃机”。
重生的新内燃机至少会呈现出两个鲜明的时代特征。首先，重生的内燃机将主要用于混合动力系统，成为混合动力或者混合能量系统（增程电动）专用发动机。未来的内燃机将不再是单独的“独唱歌手”，而是混合动力系统中的一部分，与电机共同发挥作用，成为“二重唱歌手”之一。混合动力专用发动机，特别增程器专用发动机工作范围减小，一些复杂的和高油耗工况可以由电机承担。专用发动机的热效率将大幅提升，系统设计也会更加简化。其次，重生的内燃机将不再依赖传统的汽油，而能够使用甲醇、氢气、合成燃料等新的低碳或零碳燃料。因此，内燃机将面临重新设计与优化，以适应这些新燃料的特性。
未来绿色氢气的大规模生产可以通过太阳能和风能发电来电解水实现。绿色甲醇可以通过收集工业排放二氧化碳与电解水获取的氢气合成生产。人们还可以利用氢气和在环境中捕捉的二氧化碳合成生产出所谓e-fuel（电子燃料，或者合成燃料），包括汽油，柴油，甲烷等。燃用上述燃料而实现二氧化碳的大幅度降低或者净零排放。
总之，未来的内燃机将在技术上不断创新，使用新型燃料和更优化的设计，根本目的仍然是节能加减排，为消费者提供良好的性能，助力整个汽车行业向绿色和循环利用方向转型。