混合动力之道和内燃机的未来

  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，但这并不代表内燃机消亡。相反，内燃机将迎来重生，成为适应电动化技术和新燃料需求的“新内燃机”。

  推动汽车用能源变革的根本原因当然是降低二氧化碳的排放。自上世纪末开始，全球变暖开始受到全球的普遍关注，此起彼伏的极端天气则加剧了人们对气候变化及其后果的普遍担忧。追根溯源的过程中，科学家和各国政府一致认为全球变暖与地球环境中以二氧化碳为主的温室气体含量增加紧密关联，并进一步将遏制全球变暖的重心集中在二氧化碳上。

  交通运输业是温室气体减排的关键。联合国政府间气候平均状态随时间的变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告说明，交通部门在2010~2019年间的排放量以平均每年2%的速度增长，2019年直接温室气体排放量达到8.7 G吨二氧化碳，占全球能源相关二氧化碳排放量总的23%。

  在汽车领域，降低二氧化碳最有效的办法是用可循环利用的非化石燃料替代化石燃料，因为煤、石油和天然气等化石燃料的核心成分都是碳，只是含量略有不同，以此为主要动力来源必然导致二氧化碳的不断排放，汽车工业也确实因此在过去一段时间承受了相当大的压力。为此，以低碳电力和燃料（比如氢气）为能源的汽车开发和应用就成为了时代的强音。

  这中间的核心就是动力总成技术。在汽车的六大性能指标中，有五个一一动力性、燃油经济性、尾气排放、舒适性以及驾驶操控性都受到动力总成直接影响，并自汽车诞生以来就随着动力总成的改进而提升。可以说，汽车演变史在很大程度上就是动力总成的进化史。

  如今，汽车的形态已发生了巨大变化，众多此前几年还很难来想象的元素深刻改变了这个庞大的产业。站在十字路口展望这个产业的未来，我们也许能够获得更多有意义的启示。

  【对动力总成技术来说，这必然是一个百花齐放的时代，其中不仅包括传统的内燃机技术，还有纯电驱动技术和油－电混合动力技术，未来还可能将迎来燃料电池的商业化】

  汽车动力总成的演变大概能分为四个阶段，即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，汽车由内燃机驱动。产业界虽然也曾在短时间内尝试使用电动机，但因为种种原因，后者未能成为主流。到上世纪初，随着石油的大规模应用，以石油燃料为基础的内燃机时代开始兴起，完全依赖机械驱动与控制的机械控制内燃机时代至此到来。

  到上世纪60年代末至70年代初，因为西方国家对汽车有害排放物的控制越来越严格，可以通过精确控制内燃机喷油与点火进而降低有害物排放的电子控制技术受到慢慢的升高的重视，因此成熟起来的电子芯片控制技术随之推动汽车内燃机进入到了电子时代。

  等到上世纪末，汽车发动机开始步入电控直喷增压时代。这一阶段的特点是将燃油直接喷入发动机气缸而更加精确地管理供油，通过涡轮增压提高进气量而提高发动机的输出扭矩。此阶段的驱动力是燃油经济性，人们希望能够通过发动机小型化来达到节油的目的。

  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慢慢的出现。对动力总成技术来说，这必然是一个百花齐放的时代，其中不仅包括传统的内燃机技术，还有纯电驱动技术和油－电混合动力技术，未来还可能将迎来燃料电池的商业化。

  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。

  在这个多元动力的时代中，混合动力将占了重要的地位。近两年的中国以及全球范围内的混合动力汽车都在迅速增加。那么混合动力具备什么样的优势？从第一性原理来看，混合动力的好处究竟是什么？我们应该从科学的角度明确回答混合动力的基本物理优势。

  首先，与内燃机系统相比，混合动力系统可以在一定程度上完成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，内燃机则没办法做到能量回收，这使后者节约能源的能力根本没办法与前者相提并论。

  第二个优点是混合动力系统有“油箱加内燃机”和“电池加电机”两个动力源。这使得我们大家可以充分的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。我曾在2018年提出一个类比：传统的单一内燃机驱动可以被视为“独唱”，而如今的混合动力驱动则类似于“二重唱”。一般而言，对独唱演员的要求很高，其音域需要跨越三个八度；而二重唱组合则可以分工，一个人负责高音部，一个人负责低音部，二人还可以产生美妙的和声，充分的发挥二人的演唱技能。因此，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持续不断的增加，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—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，虽然较大的电池能够更好的降低充电焦虑发生的频率，但不能完全解决充电焦虑，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”，因此慢慢的受到消费者的喜欢。

  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与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，还可以完全不用燃油。当然，使用燃油则可提供更多的便利。

  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世界内处于领头羊。当然，这些技术还有进—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一直在改进系统效率、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一一包括纯电动和插电式混合动力车一一的补贴和路权优惠政策，这将逐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%的市场占有率为纯电动车，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趋势是混合动力。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，也能够大大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。混合动力重卡优势显著，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应该用于在用重卡，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。

  因此，混合动力拥有一个确定性十足的未来，这可能符合很多人的预期。但当我们站在这个假设前提下看内燃机时，情况却会有很大的不同，这些精密的机械仍将有自己的空间。

  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—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，这在某种程度上预示着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代表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，重生的内燃机将大多数都用在混合动力系统，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度的提高，系统模块设计也会更加简化。其次，重生的内燃机将不再依赖传统的汽油，而可使用甲醇、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能够最终靠太阳能和风能发电来电解水实现。绿色甲醇能够最终靠收集工业排放二氧化碳与电解水获取的氢气合成生产。人们还可通过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停地改进革新，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，为广大购买的人提供良好的性能，助力整个汽车行业向绿色和循环利用方向转型。

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