混动是不是当前节能减排的最优解?

别猜心 2021-03-19 11:10:05

全球范围内,有关新能源汽车路线的走向和探索一直是个颇为热门的话题。到目前为止,关于新能源车的终极方向究竟是纯电动车(包括固态电池),还是氢燃料电池车,抑或是其他全新的能源材料车,目前尚无定论,但是眼下却有一个普遍关注的问题,那就是“节能减排”。


混动是不是当前节能减排的最优解?


我国《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》中提出“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路,是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措”。并进一步提出“2030年前中国力争实现碳达峰,2060年前力争实现碳中和”。 从理论上来讲,实现碳中和的最佳路径就是用电动汽车取代传统燃油车,让车不烧油;大幅提高新能源车占比,让新能源车成为最主流。


根据公安部交通管理局发布的数据,截至2020年底,全国机动车保有量达3.72亿辆,其中汽车2.81亿辆,新能源汽车保有量492万辆,占汽车总量的1.75%。如果其中的2亿辆燃油车都替换为电动汽车,每年可以减少4亿吨的石油消耗,直接减少碳排放12亿吨。所以,上面提到“发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路,是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措”,这绝不是一句简单的话。


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但是作为一个涉及产业链极为广泛的行业,减少碳排放应该是从整个产业链和产品生命周期去考虑,因此,减少碳排放量应该从控制汽车全生命周期的碳排放量入手。也就是不光在产品使用环节,同时也要将生产制造环节纳入进来。可以预见的是,今后碳排放管理对产业的影响将逐步呈现,减碳技术将在政策管理下迎来重大发展机遇,不管是发动机减碳技术,还是电动化、氢能等零碳技术,都会成为各大车企必须研究也必须考虑的重点。总而言之一句话:碳达峰碳中和落地政策将成为新能源(电动化)的又一重大推力,而其影响周期甚至远超补贴、双积分。


既然新能源汽车已经一锤定音,就目前而言,纯电动车是实现“节能减排”最好的方式吗?还不是!虽然电动汽车的规模化发展减少了碳排放,但是目前在我国电动汽车充的电70%还是来自燃煤发电,所以,电动汽车发展接下来就是要着力解决新能源车充新能源电的问题,比如用光伏、风电、水电等替代燃煤发电。但新能源发电具有波动性和无序性,如何解决大规模可再生能源发电产生的弃风、弃光、弃水、消纳,也是一个长期的难题。


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而眼下的问题是,汽车行业作一个碳排放“大户”,如何最快的减少碳排放却迫在眉睫;加上全球各区域经济发展的不平衡、各国法规及社会文化的差异,决定了没有任何一条单一的技术路线可以解决所有问题。因此,作为主机厂,最好可以提供多样化的产品组合以便消费者从中选择适合自己的车型。其中混动路线是可以更好的满足全球不同市场的需求,并提供最适合当下发展的技术解决方案。


比如,像我国大多数的内陆地区,发电方式为碳排放密集型(燃煤发电),可以选择一款油电混动车型以兼顾使用便利性以及减少碳排放;尤其对于充电设施不太便利的用户。如果日常通勤在50公里左右,且中充电方便,尤其是自有车位,可以安装充电桩,那么,一款插电式混动车也是减少碳排放的最佳方式。


那么,纯电动车不是可以更好地降低碳排放吗?这个问题,除了上面提及的燃煤发电,以及在生产制造过程中所消耗的大量能源外,还有一个问题,那就是如果你购买的纯电动车续航里程远超日常通勤里程,那么最终你在开车时大部分电池性能都在闲置。也就是说,电池越大,汽车越重,你就像是载道很多的“砖块”在开车,而这些都是非常昂贵的“砖块”,并且它们不仅成本昂贵,而且在生产过程中也会产生大量碳排放。不过,目前来看,纯电动车中的电池包都比较大,所以纯电动车更适用于采用可再生能源发电的地区。


所以,新能源车发展这几年,更像是在探索,而目前基本上一致的结论是:内燃机还远未到寿中正寝的时候。但是随着各国政府对于油耗和排放的要求日趋严格,混动化几乎成为了给“内燃机”续命的唯一方法,尤其是在电池能量量密度、价格、充电技术、充电设施建设尚未成熟之前,发展混合动力技术实有必要。且从短期看来,推广常规混合动力可以带来更显著的效果:混动技术路线比较成熟、不完全依赖充电桩、用户无里程焦虑……如是政策上还有偏向,甚至有补贴等,可能会带来更大的节能减排效果。


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而在我国《节能与新能源汽车技术路线图2.0》中,明确提出未来15年传统汽车要全面“混动化”。即便到了2035年,在仍占市场一半份额的非新能源车型中,混合动力将成为其中的主导力量。所以,接下来,会有越来越多的厂商投入更多的资源研发混合动力技术,未来一段时间,混动汽车或可以遍地开花。到那时,跟今天的车迷热衷于讨论发动机缸数和形式、变速箱类型、以及整车发动机和驱动布置方式一样,未来的车迷很可能对混动的各种技术形式耳熟能详。


以上汇总成一句话:目前对于混合动力的积极研发和产品布局,既是汽车行业发展方向或对政策的积极响应,也是从汽车全生命周期(LCA)碳排放考虑的技术解决方案,推进汽车行业的清洁化、低碳化方向发展,是对能源、环境、人车生活-责任协同发展的思考。


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混动汽车如何节能减排?


所谓的混动汽车,不管是油电混动、插电混动、增程混动,其实并没有“混合能量”,而只是混合了“驱动系统”,但驱动电机的电力并非凭空而来,而是由外部补充或发动机提供。但如果全部由发动机提供,则能量的输出是经过了发电机和电动机两步的额外损耗,总效率实际上还比不上直接驱动车型,同时燃油经济性也不见得好。而想要节能减排,唯一的途径就是降低油耗。而降低油耗对于整套混动系统来讲,首先是发动机热效率越高越好;其次是尽量不用发动机;再者是尽量使发动机在最优或接近最优工况区间运行。


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混动系统通常由发动机与电动机共同组成,这其中,电动机在绝大多数转速和负荷区间效率都可以达到85%甚至更高,而内燃机目前的热效率能达到40%以上的并不多,并且更糟的是内燃机的高效工作区间非常狭窄,往往只局限在中低转速、中高负荷的狭小范围内。因此,要让内燃机永远(或在更多情况下)工作在最优或接近最优的区间,就必须得到电动机的协助。


所以,混动系统高效的关键,或者说节能减排的关键,并不在于电机,而是在于拥有一个峰值能量存储装置PPS(peaking power source),这个装置在混动系统中主要通过三个方面来提升效率:


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首先,汽车日常行驶功率需求远比最佳区间低,而激烈驾驶或爬坡时,转速和负荷又高于最佳工况区间,导致效率也不高,所以PPS的存在就起到了“削峰填谷”的作用。发动机最优工况高于实际路况需求功率时,多余功功率通过电机转化为电能储存在电池中;而如果低于路况需求功率时则电池中储存的电能驱动电机与发动机共同驱动车辆。这样一来,内燃机就可以永远(或在更多情况下)工作在最优或接近最优的区间。


其次,由于电机可以在短时间或一定时间内脱离发动机独立完成工作,所以内燃机的设计可以走极端,只考虑在最优工况工作时的热效率和NVH性(振动、噪音、平顺性),而不用像传统燃油车发动机那样兼顾其他工况。比如丰田、本田以及国内长城柠檬混动DHT技术、比亚迪DM-i的混合动力发动机普遍采用阿特金森循环技术或米勒循环技术,并且拥有高压缩比,这样的发动机在低转速时扭矩较差,所以必须有低转速高扭矩的电机进行补充。


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再次,PPS机构的存在也使得动力回收成为现实。比如,传统汽车在下坡、减速、制动时,动力转为热能白折浪费,而混动车因为有储能结构,就可以将这些动能转化成电能回收储存,并在需要时用来驱动车辆。当然了,PPS机构可不光是电池组,还有电容、飞轮甚至是液压装置等,只不过形式不同,工作原理和使用场景也有所区别。


写在最后:可以说,在当前技术条件下,混动的确是一条节能减排的最优路线,尤其是自主品牌中的长城汽车、比亚迪等已经解决了混动的技术问题,这更加令人坚信,混动在未来必将成为市场主流。加上消费者环保意识的崛起,践行低碳环保生活的升级消费需求,以及对更美好的科技动力技术体验的向往,混动必将在未来几年大放异彩。


来源:车业杂谈

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