内燃机和电机究竟哪个更有潜力?

内燃机和电机究竟哪个更有潜力?

你是不是经常能看到网上流传着一句话:“内燃机都发展一百多年了,已经基本到头了,没什么提升空间了。”

未必一模一样的原话,但大概类似的意思。而且通常说完这句话之后的台词就是:“电动好、电动机/电动车才是未来”之类的。

但实际情况真的是这样的吗?咱们来回顾一下内燃机和电动机的发展历程好了。

首先,如果说二者的诞生,至今都有近两百年的历史了,而且电机比内燃机还被早发明了几十年。也就是说电机其实是比内燃机历史更悠久的产物。

电机分为直流和交流,虽然二者都是19世纪发明的,但它们在早期都各存在一些难以解决的问题:

直流电机的调速特性好,控制简单。但由于存在与换向器摩擦的电刷,会降低效率、寿命和可靠性,并带来较高的维护成本。

交流电机没有电刷,运转效率高、维护成本低、可靠性高,但存在调速困难的缺点。

因此早期的功率型产品,大多采用直流电机驱动。

而这一局面直到近三十年才发生了改变。也将交流电机推向了高光时刻,尽管这个成果其实并非来自于交流电机本身。

早期交流电机调速困难的原因在于:人类尚未掌握高效灵活自如控制的交流变频技术。如果无法控制交流电的频率,那交流电机的调速完全是泡影。

上个世纪后半叶,半导体技术取得了巨大发展,由电流驱动导通的晶闸管及衍生产品问世,交流变频成为了可能,交流电机的调速能力也终于能够与直流电机相匹敌。

再到世纪末,效率更高、损耗更小的电压驱动型半导体开关元件——场效应管(MOSFET)和绝缘栅极双极晶体管(IGBT)相继问世并实现了大规模商业应用,交流电机的变频调速能力和运转效率达到了前所未有的高度。

进入21世纪,在更优化的变频调速系统和霍尔传感器的加持之下,除传统永磁同步交流电机和异步感应交流电机以外,多种更新型的电机也相继问世:比如无刷直流电机、开关磁阻电机等等。但实际上从效率角度来讲,它们并未比传统交流电机有太大的提高。

在目前,交流电机+变频器的综合效率已经能够实现大范围达到甚至超过90%的程度,所以在这方面实际上电机的优化空间已经不大。

反观内燃机,至少是量产车用汽油机,目前的最高效率也只有百分之四十。但是,随着材料科学、流体力学、热力学等的技术进步,在此基础上再提高百分之二十(40%基础上提高的20%,而不是20%绝对值的提高)也就将是几年之内的事情。

我没开玩笑,许多汽车大厂目前规划中的未来两代试验机已经可以将热效率推到44%和48%左右的水平,这还是在非理想绝热的前提下。而且在可见的未来,这些干净清洁高效的新技术汽油机都将实现量产。而电机的现有基础连10%的优化空间都不到了。你觉得谁更有潜力?

当然我相信很多人会说:内燃机即便提高的潜力很大,但仍在许多方面与电机存在本质性差距。这一点我认同,严格意义上来讲它们二者其实各有优劣。

电机作为驱动机构有许多优点,比如零起特性、电能/动能的双向转化特性、宽范围的恒功率调速特性、广域的高效万有特性、安静和平稳的运转品质等。所以将电机作为车辆的直接驱动形式是很好的方案。或者说电动化是绝对的未来大趋势。

但这并不意味着纯电动车是电动化的最优解决方案,至少目前来看不是。虽然电机和变频器相当优秀,但电动车最大的瓶颈——作为车辆供能装置的锂电池现在仍然难以摆脱许多固有的缺陷:成本高、功率密度低、充电慢、寿命短、工况受环境温度影响明显。而且最重要的一点在于从技术角度来看,锂电池在短期内也难以实现革-命性的技术突破,即纯电动车最大的瓶颈不在于电驱动部分,而是电池。所以如果以锂电池作为车辆的单一供能装置的话,面临的困境就是:消费者使用不便、厂家赚不到钱。

而内燃机驱动布局的优势则正好弥补了电动车的不足:能量密度高、补能快速而无续航焦虑、环境温度适应性好、寿命长、成本低。

如果说前面几项属于大家都已经充分了解,关于成本部分,如果把一台同级别的汽油车和电动车的驱动相关部件进行成本比较的话,即:

电机+变频器+动力电池+充电机

vs

汽油机+进排气系统+油箱+变速箱

后者的成本通常只有前者的几分之一甚至十几分之一,就差这么多。所以这就是为什么造纯电动车很难赚到钱的原因。

所以你会发现,内燃机相对于一辆车的优势主要在于前端:供能方式。而电机的优势主要在于后端:驱动特性。

既然如此,为什么一定要让电机和内燃机高度对立呢?二者共存取长补短不是更好吗?

Bingo!这种方案就是混合动力,它集成了内燃机、电机、和一个较小的动力电池。由内燃机作为主要或备份时的车辆能源提供机构,并以电机直接参与驱动,以弥补内燃机的那些低效的工况。

无论是油电混动HEV、插电混动PHEV还是增程式REEV都属于内燃机和电机共存的方案。或者说这是一种目前阶段将电动化运用的最优解。

混合动力车相比于纯汽油车,它能够在内燃机不擅长的工况大幅提高效率,比内燃机直接驱动的效率更高、运转品质更好。同时与纯电动车相比,内燃机+电机+小动力电池的组合仍然比电机+大动力电池的综合成本更低,而且用户在使用过程中也不会出现续航焦虑。

可能有人会质疑说为什么要让电机参与驱动,“先发电再用电”或“一边发电一边用电”的方式不是“脱了裤子放屁”吗?为什么效率还会更高呢?

这是因为三个原因:

1,内燃机的高热效率区分布很窄,如果作为直接驱动方式的话,在实际道路走走停停加速减速的各种工况中,很难用到高效区。而电机因其零起特性和自身的高效率工况分布,将之作为辅助驱动形式可以很大程度提高内燃机的“效率利用率”,即把内燃机不高效的工况也“拉到”高效状态,要么不运转,运转就尽量高效运转。

2,内燃机只能将燃料和空气的化学能转化为热能之后再部分变为机械能驱动车辆。这是一个能量的二次转化过程。所以内燃机的能量转化具有方向性,不能把动能反过来变成汽油的化学能。而电机则具有电能和动能的双向转化能力,既当电动机又当发电机。因此在滑行、减速、下坡等工况,电机可以把多余的动能部分转化为电能存储到电池中,下次再用来驱动车辆。使能量的利用率大大提高。

3,如果把两套电机系统整合在一起,它们本身也可以作为很好的传动介质替代传统的变速箱。无论是前后端等功率的电传动,还是不等功率的混合动力系统。都可以依靠调整主发电机的励磁特性来改变内燃机的加载率;同时调整牵引电机的励磁特性来实现更宽速度范围的运转和牵引——这是传统等功率电传动系统的原理。而在混合动力车型上面,由于连传输功率和内燃机/电机的组合方式都是灵活可变的,综合效率和性能可以得到更大提升。

说了很多,最后做一个总结吧:

1,以电机为驱动方式的“电动化”是绝对的高效大趋势,电动化可以以纯电动车、混合动力车、燃料电池车等多种供能方式来实现。即电动化不等于纯电动车。

2,纯电动车上最大的优势就是电动化驱动单元,但电动化驱动平台却并非纯电动车专属。电动车现阶段最大的瓶颈在于动力电池。所以电动化方面的优势并不能抵消电池的缺陷。

3,纯电动车除了给用户带来续航焦虑和使用不便以外,还给生产厂家带来了巨大的成本压力,难赚钱。

4,电动机和变频器的效率提升空间较小,内燃机的优化空间仍很大。

5,内燃机和电机不是对立的存在,反而可以成为一对互助互利互补共赢的“好朋友”。

6,以现阶段的技术水平而言,在动力、效率、综合成本等各个方面,内燃机+电机+小动力电池共存的方案属于最优解。​​​​

发布于 2019-09-19