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更省油,關于LY混動車增程系統發動機燃油效率的討論

放大字體??縮小字體 發布日期:2019-04-15 16:02:51 ??來源:新能源汽車網??編輯:全球新能源汽車網??瀏覽次數:399
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摘要:

A LY混動車的增程系統核心是小排量內燃發動機。其燃油熱效率較低,但不會對LY混動車整體效率有決定性影響。

B 增程系統小排量發動機效率的提升,可再生燃料獲得成本的降低。這兩個方向將使得LY混動車更具競爭力

C LY混動車增程系統的STS(太陽能到服務人類生產生活solar to service)的有效效率更高。是符合能源發展規律的。

一直以來人們覺得,增程式電動車最沒效率。增程式,混動車只是中間過度車型,純電動車氫燃料才是未來發展方向。

這些似是而非、自以為是的觀點阻礙了電動車設計。

為了用最通俗的方式說明這個話題,我們先確定一個觀點。不管什么形態的交通能源,什么結構的車輛。判斷其是否有競爭力,至少滿足以下內容:

①從A 地點到B地點的轉移能量

②經濟成本。

③工程實現難易程度。

④單位能量轉化為車輛移動能力的效率。

⑤補能方式。

⑥重中之重的安全。

本文從這六個方面去說明LY混動車的小排量發動機盡管燃油效率更低,但整體效率(即燃料轉化為車輛移動能力的效率)卻更高。LY結構混動車的增程式車輛結構優于大電池容量的電動車,氫能源汽車。

①②⑥這三個衡量標準在本文內暫時擱置。

從工程實現上說,氫能源高壓低溫,能源形態多次變換。氫能車輛,不管是燃料電池,還是氫能內燃機的或其他的形式。在作者看來都是沒有優勢。故本文直接忽略氫能量。

下面從電池車、傳統燃油車、各種混動車這三個車輛形式去論述LY混動車才是有效率的。

在當前工程技術水平下,從A地點到B地點相同質量車輛轉移需求能量是一定的。折算為電能設為y度:

y=與能源轉化無關質量消耗能量+與能源轉化有關質量消耗能量。

如車身結構,車上載荷,儀表,安全配置等等是與能源轉化無關的,相對來說這一部分質量是固定,或相差無幾的。這是一個穩定因子。

設y1=能源轉化相關質量消耗能量。先看清楚能量轉化有關部件、則有電池車為電池、電機、電控、熱控、減速箱、傳動等等。燃油車為發動機、油箱、燃料、變速器、傳動和機械控制等等。混動車的相關質量為電池車、燃油車的綜合。

就實際情況而言,這些部件都是無法直接比較的,因為不是同類項。

為此,我們將電池車、燃油車、混動車抽象化。全部抽象為混動車。這個混動車含有兩個儲能部件 電池系統、油箱燃料系統。兩個能量轉換裝置:電機系統、發動機系統,一個機械裝置:變(減)速箱+傳動裝置。總共是5個子系統。

這5個系統的總質量,及綜合轉換效率。

一種新的數學工程方法“區間流”。區間流工程數學方法可以定義為,1到n個同質因子,通過不同路徑到達同一結果。每個路徑對不同因子的影響不同,流動通過率是比例關系或特定數學關系,只有減弱,存儲,或消耗作用。每個因子之間相互獨立,但流動通過率可以相互影響。利用這些數學關系,求一個最優通過率、通過總量稱為區間流工程數學方法。

利用區間流。優化混動車效率。如下圖1。

更省油,關于LY混動車增程系統發動機燃油效率的討論

圖 1 電能、燃料車的綜合區間流效率優化系統

這個區間流系統的輸入是兩個因子:電能、燃料。輸出是車輛移動能量耗能。

我們優化的目標是5個系統的總質量最低,兩個因子的綜合轉換效率最高。

圖1的系統過程,每一個環節都能建立一個準確的數學表達,然后設定工況、通過計算機模擬方式計算出一個非常優化的解。圖一還可以進一步簡化為圖2的抽象簡化圖。我們知道當混動能量整合輸出匹配車輛能源需求時,混動車最為有效。舉例說明,當車輛需求平均能量功率為14KW,我們使用15KWe的小型發電機用燃料發電,波動的能量需求由電池來平航。因燃料能量密度更高,我們將會得到最低5個系統總質量。

更省油,關于LY混動車增程系統發動機燃油效率的討論

圖 2 混動車能量流抽象簡化圖

這個優化過程是非常大工作量的。我試圖使用簡單數據證明,但缺乏可靠數據,并且計算量較大,半個多月也無法完成。即便使用數學方法表達出來,在自媒體上的讀者估計沒有幾個人能看明白。

這樣做法也沒有必要。不只是因為這個計算,仿真過于復雜。而是因為實際工程中,是批次,逐個型號來選型的。確定了產品,就可以通過定向、定性地優化。

下面我們仍舊以比亞迪純電元,和燃油版元為例說明LY混動車才是最有效的。

更省油,關于LY混動車增程系統發動機燃油效率的討論

表 1 比亞迪元 純電 燃油車型數據

更正:2017款 1.5L 自動酷炫互聯型車自重1325KG。2017款 1.5L 自動酷炫時尚型車自重1395KG。2017款 1.5TID 自動運動版 1430KG。(不同車型重量差別還是挺大,但為了更好說明,我們必需設定除了這五個系統以外的車體質量是完全相同的。)

為了更好說明,我們將純電與性能最好的2017款 1.5TID 自動運動版進行優化。

元EV535動力電池總成能量密度160Wh/kg。可以計算出,電池系統重量為約340KG。當純電車型與燃油車型總質量相同,為1430KG時。電池重量為120KG。

有沒有可能造成一個混動車使得車輛的有效能源密度最大呢?而且車輛自重還要低于純電、燃油版?

混動車有很多分類,如電動機位置分為P0~P4,按電池燃油系統分串聯、并聯和混聯,按能源占比分強-中-弱混動。

這些劃分各有好處,這里只需要從部件自重這個角度去考慮。混動車的5個能源部件質量最低,就是最優的混動車。

因燃油的能量密度最大,我們必需要盡可以將燃油作為主要的能源。元EV535 百公里耗電13.5度。如果我們使用一個12KWe的增程系統。市面上的蘇州達思靈12KWe的增程器(完整包含油箱、發電機、發動機)自重102KG。其中發電機和控制器重42KG。如果我們將元EV535原本的120KW動力或70kw,改為70KW電動機+15KWe發電電動機。那么車輛動力性能更好,發電機功能上得到分時復用。增加了減掉發電電動機質量后增程系統質量為60KG,設LY混動車為1430仍有60KG用來增加電池組,電量為9.6度。

在這樣的情況。LY混動車整體質量與燃油車相當。其續航里程已經超過了元EV535。

當然我們仍可以將LY混動車重量增加到純電版1650KG。那么電池電容量為44度。足夠形式330公里。LY混動車的增程系統,一直放在車上。在這樣的配置情況下,LY混動車使用35L油箱,其綜合續航也比50L的元燃油版續航高。超過850公里

上面我們從混動車的能量配置,及儲能相關部件輕量化的角度說明。LY混動車的增程系統是有效率的。

接下來我們還需要從增程系統的熱效率上去說明。即便增程發動機熱效率低于傳統燃油的熱效率。但在LY混動車上,小排量發動機仍然有優勢。

我們知道中國大部分國土在北回歸線以北,也就是說會有寒冷的冬天。冬天車輛必須要取暖,大排量燃油車的余熱,給車輛供暖已經超過了車輛需求,而小排量的LY混動車,可以通過控制發動機的啟停。調節合適的供暖。在所有的熱電聯產中,熱效率可以高達60%以上,也就是說小排量的LY混動車在這樣的應用場景下。效率遠高出傳統燃油,高了將近一倍。

此外,大排量的燃油車較小排量增程發動機效率高,是近百年不斷工程優化的結果。也許,未來數年,小排量發動機的熱效率也會隨著不斷優化而達到當前燃油車的效果,并且小排量增程發動機工作工況更穩定。其效率超過傳統燃油車是可以期待的。

至于,LY混動車發動機的燃料問題,有人會說,石油總會耗盡。LY混動車有可能將交通消耗的石油總量降低到15%以內,根據BP公司能源年報,已探明石油儲量按2018年消耗量將會在41年耗盡,一旦石油消耗總量降低到2018年的15%,石油就足夠使用250年以上。這還沒算上儲量數倍于常規石油的頁巖油儲量。而使用生物質為原料、太陽能為能量源的光液技術成熟,將解決太陽能的儲能問題,并使得甲醇、二甲醚的生產成本大幅降低。燃料的來源有足夠多的保證。

LY混動車增程系統的STS(太陽能到服務人類生產生活solar to service)的有效效率更高。這才是LY混動車的增程發動機最大的優勢,其應用場景有,白天使用聚光光熱加熱導熱油到400℃,并存儲起來。夜晚使用增程發電機、增程發動機及甲醇200℃熱重整得到一氧化碳、氫氣復合氣體。燃燒發電,其太陽能凈發電效率可以非常高。而且只是利用了LY混動車的閑置時間,成本也是非常低廉的。

基于以上分析,可以得出一個結論,LY混動車即便在當前技術條件下,因其帶來整車輕量化貢獻高,可以進行余熱利用等等優點,LY混動車增程發動機即便在較低熱效率的情況下。仍比純電動車、傳統燃油車更有效率。

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