上海交大许敏:要做到超低成本的增程器,就要在传统技术的基础上进行颠覆
3月28日-30日,以“夯实电动化推进智能化实现高质量发展”为主题的中国电动汽车百人会论坛(2025)在京隆重召开!本届论坛汇聚20+政府有关部门领导、30+院士专家、100+汽车及相关领域的企业代表,共议汽车产业变革新路径。在首日召开的增程论坛上,上海交通大学汽车工程研究院院长许敏发表精彩演讲。以下内容为现场发言实录:
谢谢百人会的邀请。首先看全球2022年—2024年发展的图,从这上可以看到具体情况,中国、欧盟、日本、美国市场都在发展新能源汽车,包括HEV,但是大家结果不一样,中国主要是纯电动、插混、增程,HEV并不是那么多,但日本这方面特别多,欧洲可能均衡一点,美国还是以纯内燃机为主,是这样的趋势。
看看中国2022—2024年的趋势,在这三年当中,实际两年不到的时间里中国的市场增长率发生了变化,一开始纯电涨得很快,后来PHEV、插电混,后来是REEV,REEV增长最快,为什么?这可能就是今天论坛的主要原因。
中国企业一开始干这个的是理想,后来是问界,新势力比较多。传统主机厂开始做混动,做的虽然是串并联混动,也是多档位变速的,后来基本是单档位的,增程基本每家都在做了,有的已经量产了,还在研发当中。中国不管传统汽车还是新势力都看到这个赛道,兵家必争之路,所以这块地方大有发展前途。
但是我们看市场到底怎么样?今天大家已经讲了,就是理想、问界这些大中型豪华车上用得多,主要原因是什么,也是因为有纯电体验以及动力配置,特别是冰箱、彩电、大沙发,还有NVH有很高要求。但在10万—15万,A级车上应用较少,但是中国现在主要市场还是A级市场,因为A级市场对成本太敏感,所以这种大电池+大发动机的路线是不是适合中国绝大部分市场的需求。
看国际上,刚才好多人都提了这些,有雪佛兰的Volt,还有宝马的i3、宝马的mini,日产的e—POWER,他们的电池功率,电池都是小电池,刚才e—POWER只有1.5度电,其他两个只有20度电以内,中国都是40度电以上,价格是不一样的,销量也非常好。理想已经卖了100万台;e—POWER也卖了150万台。外国这三个可能A型车比较典型的案例,人家用的都是小发动机、小电池,我们有没有必要在车上放两个全尺寸的动力系统,就是说全尺寸用电可以开那么快、那么久,电没了用油也可以开那么快、那么久,这个车上放两个动力系统肯定成本上是不行的。大型车是可以的,但其实在动力储备方面也是过剩的。
大电池和大增程器是真实的客户需求,还是我们的心理需求,或者是我们的市场部门既要又要还要需求。赛力斯的数据告诉我们,在100公里2%才用增程,所以并不是一直都需要高速,而且高速的时候也不是一直都需要增程器的。
以电为主的中国的增程器运行的概率到底是多少,馈电工况真的会发生吗?我问过理想,也问过赛力斯内部的人,基本上不会发生馈电的,为什么我们要考虑到馈电时候的油耗、馈电时候的车速能不能开140公里弄个大发动机呢,这是很明显的问题,难道不是浪费吗?为什么A0级、A级、B级做不了的原因,因为这个区域里面性价比是非常必要的,如果弄一个那么大的发动机,1.5T,这个上去就是受不了,所以这里面两套电动系统,如果都是考虑到单独可以实现整车性能,成本调节是很大的。
NVH,喜欢电动车的人就是纯电感受,无感增程是刚性需求,你的发动机一出来声音一响还是受不了。
效率,我们既然有了动力,电池和电机动力是充沛的,我只发电,所以我不需要在动力和效率之间做妥协,大家牺牲动力来追求效率,这是正确的,但是效率方面,油电转换效率应该是最重要的。
对于这个我们做了简单的分析,假如用特斯拉的车,它的正常工况达到这个要求的话,它是66度电没有增程器,如果变成40度电用10kW的增程器,成本就可以降11000元人民币,是按每度电500元算,还是比较激进的,如果用18kW的增程器,把电池降到20kWh,也可以达到这个性能,但是成本可以降到将近2万。
理想现在的方案,42.8度电,用了113kW的发动机,达到它这个性能只用36kW就够了,如果变成40kW的发动机,用20kWh的电池,可以降1500元钱,这个成本空间还是很大的,如果我们把所谓的增程式车里面还考虑不考虑馈电这个问题这个魔咒去掉,实际空间是很大的,对我们现在内卷这么厉害的市场还是要求很高的。
如果我们是30kW的增程器,在一个中大级的SUV,1.5吨重的,风阻系数也比较大的,按照我们这个算,如果30kW的,是高速持续的100公里、110公里、120公里、130公里、140公里,一直到170公里的速度匀速行驶,如果有30kW的增程器提供,需要多少电池?电池需要很少,如果只开120公里,33kW的电机功率只要有3kW功率是从电池上来就行了。即使到了170公里只需要有53.65的功率从电池上来就可以了。如果考虑这个,如果增程器一直在用,这样的电池不需要那么大,当然可以再算,到底我们开多少公里用什么速度开需要多少度电,你们算一下就清楚了,实际是不需要那么大的。
我们用个简单的模型算了一下,A0级车、A级车、大SUV和越野,这样的增程器功率和电池功率就够了,增程器的成本,微型车大概在10—20kW的增程器,电池容量15—30度电,日均里程如果50公里,5000元以下的成本就够了,到A级车8000元以下的成本就够了,这个成本跟取代电池相比太便宜了,这个成本包含发动机、发电机和电控。
首先讲一下别人做的,然后再讲交大我已经做了整整18年的增程器,我稍微介绍一下。
增程系统在纯电平台上是完全可以通用的,而且由于有智能化的技术、AI技术,如果我们能够做很好的能量管理,实际这里面两个系统都不要做到那么大,可以很好地进行发动机和电池耦合,在PHEV平台上有很大的零部件的通用性。还有刚才大家反复提到碳中和,如果用增程式,用这些燃料,可再生燃料无论是绿色甲醇还是电子燃料、氢、氨的零碳燃料,都可以实现碳中和,也是在增程器上最容易实现,因为增程器对动力没有太大需求,发动机用这些燃料动力都要下降,因为他们的能量密度低,对动力要求比较高,但是增程用它就非常好。
这是吉利绿色甲醇在商用车上试用,今天好多嘉宾提了吉利、也提了甲醇,他们发动机是从1.8L到15L,从50kW到450kW的发动机范围,整个商用车的,这里面有当量比燃烧也有稀燃,达到50%热效率的都有,跟纯电汽车的构架相比有什么好处,续航里程到1300公里,跟600度电的纯电相比减少了3—5吨的重量,5年之内回收18万元。跟柴油相比也有类似的好处,节约燃油成本35%,5年回收可以增加40万元,在商用车上他们用这种思路也可以做到。
重点想花点时间介绍上海交通大学我们这么多年做了哪些工作。我们所推的就是水平对置两缸增程专用发动机。
我2007年离开奇瑞到交大,上海市科委问我你有什么项目想做我们支持一下,我说未来肯定是电动车时代,肯定电池是最大的问题,能量密度燃油肯定是比电池好得多,我们要用发动机发电是最好的,要重新做,一是不能有噪音,无论是宝马的还是日产的两缸、三缸噪音是很大的问题,现在马勒的两缸发动机,也是要用很大的曲轴箱系统才能够平衡掉,两缸水平对置可以抵销掉了,这是最好的思路,而且我刚开始说,两冲程也可以,两冲程能量密度大、体积小,一开始是两冲程水平对置的样机做出来,很遗憾油耗和排放都不行。后来2018年湖南省科技厅的项目,我做了四冲程两缸的,在奇瑞的项目里面,去年年底demo准备计划量产,这个做成了,奇瑞商用车做的是更加小的6kW的水平对称塑料增程器,这是全新的创新,这里面基本上实现的是跟常用的直列四缸直喷增压发动机相比是1/3的成本,我是气道喷射,自然吸气,没有增压器,没有直喷,汽缸少了一半,再加上没有那个玩意,1/3的成本。40%的油电转化效率,我们用最好的燃烧系统,40%的热效率。无感增程,一点噪音没有,用AI控制。
要做到超低成本的增程器,比现在还要便宜很多的叫超低成本,怎么做到这点?
1、不采用传统内燃机的铸造和数控机床加工工艺,你们都知道发动机制造需要多少机床,上百个,不需要的,开发更加简单、低成本的智能制造的工艺,大幅降低制造成本。不用任何铸造,不用任何机加,而且是全自动化装配的发动机。
2、不采用缸内直喷、涡轮增压、可变气门等先进技术,大量降低技术成本。
3、以塑料机身取代金属机身,最大程度减少金属用量,既减重又降成本。
4、高度集成,油、气、水附件等多个系统整个变成一个模块,内置冷却系统,水箱、水泵包括散热器,全部都在里面,散热器水在发电机的前面有个风扇,没有外循环,所以全部都是高度集成。
跟我们上海交大开发的1.2L的传统水平对置增压相比成本又降低了50%,重量减掉了60%,零部件数量减掉50%,开发周期减50%,NVH大幅提高。
现在讲燃烧,燃烧不用直喷怎么办。我们知道,燃烧如果是传统的PFI优缺点,冷启动的时候大量要喷油,气道要积油,排放特别差,油耗也差,所以要用直喷,因为直喷可以做到精确循环控油,雾化的时候可以吸热,压缩比可以提高2—3。好处就是,缸内混合均匀,关键是成本低,高压喷射对我们来讲还是“卡脖子”的。
我们做的不加压,加温,我在交大2008年开始做到现在一直没有停过,用温度代替压力,让燃油在喷孔里面产生气泡,出来的喷雾跟上面的高压喷雾相比是完全不一样的,50%以上已经气化了,剩下的喷油非常少,这样不但可以每次在气道上喷100%进气缸,而且冷却产生的热也是在工质里面进去,所以完全达到了GDI的效果。另外,根本没有碳烟,现在国七、欧七都是碳烟,我们各种各样的燃油试验完全是无碳烟排放。并不是说怎样把热效率提高花那么多钱,这个热效率是等同的,根本不要花那么多钱,我们自己的PFI加热就行了,这是一种在燃烧技术上的突破,也是一种颠覆,就是把高压喷射这么多年无论汽油机、柴油机必须依赖的技术完全突破掉,这个地方用这个来做。
关于怎么把振动抵消掉,这是最难的,刚才段总也说这个挑战性巨大。
1、水平对置活塞布置,活塞连杆往复惯性力完全抵平衡。
2、我们用的是无缸心距双活塞布局,活塞连杆往复惯性力矩完全平衡。
3、发动机和发动机的联调,因为发动机两个缸转两转,每个缸发动一次是360度间隙,旋转扭矩是有波动的,转速是有波动的,这个时候电机产生的扭矩抵消,这样把发动机天生三个方向的振动完全消除掉。
4,还有燃烧发生的噪音怎么办?传统发动机里面是通过金属缸体辐射出来的,我们是用塑料机身,所以辐射不出来,也把它盖住了。排气当然是问题,用消声器。
5、如果消声器不行怎么办?我们这个机身是非常扁平的,放在前舱后舱上面都可以放行李箱,行李箱盖板可以再次搁置,这里面可以旋置,我们再次做到无感的增程器,这是NVH大概能做到的最好的方法了。
最后,控制。我们知道增程发动机可能就那几种工况,启动的时候,中间一个常用工况,再加上几个功率点,这几种工况之间作为一种舒适化控制就行了,所以发动机控制策略也是我们国内主机厂好多年“卡脖子”的东西,非常难,他要考虑各种各样的气候条件、各种各样的道路情况、各种各样的瞬态工况,非常复杂,好多公司勇敢尝试,还是有很多不足,但是如果搞了增程了我们没有必要这么干了,就在这几个工况之间切换就行了,如果做这一点我们完全可以通过AI的方式,不需要控制策略,也不需要去花那么多时间“三高”试验、几高试验去做大量的标定,我们就让它自己学习,这个就是我们现在正在开发学习的一个东西,用虚拟的发动机+真实的发动机+评价网络,再进行这样的机器学习,可以做到实时学习、实时标定,而且关键成本和开发时间大幅减少。
所以我反复强调一点,成本、成本、成本,因为我是从企业出来的,我也知道现在中国内卷卷成了什么样,是成本,所以作为大学老师,我们既要追求技术上面高尖端的东西,但千万不要忘记了成本,我觉得这些东西就是在传统技术的基础上进行颠覆,不只是性能和各方面能够达到要求而且超过传统的,而是成本方面做到了别人做不到的事情。
时间关系就不做总结了,非常感谢,不对的地方请批评指正。
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