专论 || 杨裕生：进一步提高增程式车技术水平
当前，增程式车在市场上受到消费者青睐，除了理想、问界等品牌推出多款爆款车型，长安、东风、广汽等车企也在增程式车型上加快布局。笔者多年来一直为增程式车鼓与呼，如今在为其感到高兴的同时，也认为增程式车要想进一步发展，还需在技术水平上继续下功夫。
做好增程器 提高节油率
1．要将增程器做到极致
增程式车之所以有较好的节能效果，是因为它将电池供电和车上发电相并联，充分发挥了两者的优势，弥补了双方的不足。在电池并联的前提下，增程器的节能作用来自如下三方面：一是使用小排量发动机；二是发动机采用阿特金森循环，在恒定功率下运行，转速调节在最高的热效率区间（最佳燃耗点）；三是不同路况和行驶速度需要的不同功率靠电池调节，电池回收刹车的能量。
有人提出，增程器不应是增程式汽车的主角，其最大作用就是一个“充电宝”。笔者认为这一观点是片面的。相反，应该充分重视增程器的主角作用，精心研究、合理设计、精密加工，将增程器做到极致，为车辆节能减排奠定基础。
2．发动机的功率要合理
在电池供电和车上发电相并联的技术路线下，不同路况和行驶速度需要的不同动力功率靠电池调节，上坡、加速时由电池补足发电机功率，下坡、减速时由电池接收多余的电能。所以，增程式车上发动机的排量较同级别燃油车可大大减小，从而减轻重量，“双减”因素使得增程式车能大幅节油并减少有害气体排放。
我国燃油车的设计传统师承欧美，习惯于按时速180公里甚至200公里以上设计发动机功率，冗余量过大。而我国高速公路的限速是120公里／小时，公安部做此限速的依据是：车辆时速超过120公里，如果出车祸，死亡概率极高。在其他道路上，更不允许如此高速行驶。笔者希望从增程式电动车开始，走出一条节能、安全、先进的中国特色发动机设计道路。
3．要抛弃功率跟随器
现在有些增程式车是依靠所谓“功率跟随器”控制发动机的功率输出，以满足不同路况和行驶速度的需要。这显然未利用增程式“电池供电和车上发电相并联”的基本优点，与同级别燃油车相比，节油率很难超过20％。因此笔者建议，那些仍在使用“功率跟随器”的增程式车企能够尽快抛弃这种方法，认真考虑采取正确的控制策略，将节油率提上去。
4．提高发动机热效率
发动机使用阿特金森循环和自然吸气，不仅结构简化、成本降低，而且可选用最高效转速在固定工况下工作，发动机可有约45％的热效率。汽油的热值为44000kJ/kg，1公斤汽油可发5.5度电（或1升汽油最大可发4.3度电）。因此，3升汽油发的电足够紧凑型车辆行驶100公里。国内内燃机压燃汽油的实验室热效率已达51.5％，1升汽油最大可发4.9度电。希望类似压燃汽油这样的技术尽快实现产业化，应用于增程式车。此外还要努力创新，研发热效率更高的发动机。
做大做强增程器产业
增程器包括发动机、发电机和控制器三部分，将三者一体化，构件简化，体积减小，重量减轻，效率提高，成本降低，这是增程器的发展趋势。对于增程式车来说，整车固然重要，但作为关键部件的增程器重要性也毫不逊色。正如燃油车发动机拥有像康明斯这样的国际大品牌，增程器进行专业化生产或许也会创出这一方面的知名品牌。笔者将整车与增程器这两个产业的关系概括如下：分道扬镳，并驾齐驱；各尽其责，相得益彰。
笔者曾设想，我国将来能建成年产百万台增程器的工厂约20家，将中国的高质量增程器销往全球。希望这一美好愿景能够在笔者的有生之年实现。
增程式节能的关键部件是可快充电池
增程式电动车销量的增加，带动了为之配套的动力电池发展，如宁德时代为长安深蓝、问界M5和理想旗下车型提供电池，中创新航为长安深蓝SL03、长安深蓝S7、零跑C11等车型提供电池，亿纬锂能为哪吒S配套，力神和欣旺达为吉利旗下英伦TX、英伦LX等车型配套。笔者认为，动力电池企业在增加电池产销量的同时，还应进一步关注增程式车辆对电池性能的特殊需求。
1．增程式车要求电池能快充
增程式电动车的电池除提供车辆行驶一定里程需要相应的比能量之外，还应该从减少电池用量、扩大车辆使用范围等特点出发，考虑与纯电动车电池的不同特点。
电动汽车在城市中行驶，会频繁遇到红灯，吸收减速时动能转换来的电能，可以为电动汽车节能15％左右。这部分能量主要发生在刹车最初几秒、车速较高的时段中，功率高、电流大。对于纯电动车来说，由于电池组的容量很大，可以“分担”吸收此大电流。而增程式车的纯电行驶里程如以50公里计，其电池总容量只有纯电动车的1/8至1/10，如想要达到与纯电动车相同的吸收电能的效果，则需提高充电倍率若干倍，好在当前纯电动车的“超快充”为此奠定了基础。
减少电池用量既可以减轻车重，又可减少电池生产过程的碳排放量，符合实现“双碳”目标的大方向。随着社会上“双碳”观念的加强和碳税的实施，增程式电动车应该向少用电池的方向发展，电池的充电倍率则有相应的提高。锂离子电池的一个特点是“充电难、放电易”，只要充电倍率够了，放电倍率满足车辆快速启动将不成问题。
2．增程式要求电池浅充放、寿命长
此外，考虑到电动汽车在城市中行驶会经常遇到红灯，如果每天按20次启动和刹车计算，15年使用期将有10万次充放电循环。当然，这种充放电循环是浅充浅放模式。故而，增程式电动车的电池设计和制造，应该满足大倍率、浅充浅放长寿命要求。
磷酸铁锂电池寿命较长，如今也已经有相应的技术可使其倍率性能提高，再加上安全性和资源、价格等优势，可以预见其在增程式车上有良好的应用前景。电池企业要抓住大好时机，加紧布局增程式电动车所需特色电池的研发和生产，并努力带动所需正极、负极材料和电解液的发展。
3．增程式不要求电池有过高比能量
增程式电动车在高速公路上行驶，为了补充发动机功率冗余量较小之需，电池要储备一定的能量，大概12kWh即可。如果电池比能量150Wh/kg，总重量不超过100公斤，那么车辆完全可以承担。对于50公里纯电行驶里程的要求而言，此电池量也绰绰有余。
综上所述，增程式电动车电池的设计原则应该是在提高大倍率、延长浅充浅放寿命的前提下，尽量提高比能量。
4．电池指标主次分明，均衡提高
提高电池倍率性能的主要技术策略是降低电池内阻，具体措施不一而足。但是，总的效果是不可避免地牺牲比能量。再加上延长电池的循环寿命也与维持高比能量和高比功率有矛盾，所以要做好增程式车的电池是有一定难度的。电池企业要与整车单位共同探讨如何兼顾各项综合指标，取得合理的平衡，再在使用中磨合，不断提高技术水平。
一提到降低电池内阻，往往偏重于提高电子电导。这固然十分重要，但改善离子传输，也应同等重视。顺便说一句，已有超级电容企业研发出电池型电容器，取得了兼顾电池和电容性能的良好效果。参考此思路，偏重于电池方向研发电容型电池，或许是一条可以探索的路径。
增程式发动机慎用有毒的液氨
可再生能源发电制得的氢气难以储存运输，转化为液态燃料是一种出路。这主要有两条路线：一是氢气加压还原二氧化碳，不同的催化剂分别生成甲醇、乙醇或汽油，如今已从中试进入产业化生产；二是按化肥生产的成熟工艺合成氨气，再加压液化成液氨。上述两条路线的能量转换效率相近，而生产技术成熟度目前以后者为高，定点使用液氨的运送问题也已解决。正因如此，在作为长时储能应用时，有些人想将液氨路线作为选择对象，却忽视了液氨的其他性质，尤其是危险性。
1．液氨和氨具有毒性
气态氨气通过加压-冷却得到液态氨，为无色液体。液氨和氨气有强烈刺激性气味，有腐蚀性，还有毒性。液氨容易挥发，20℃时的蒸汽压为882kPa，因此需储存于耐压钢瓶或钢槽中，其化学事故发生率很高。
液氨一旦泄漏非常危险，其危害包括气化扩散、中毒伤亡、燃烧爆炸、污染环境、发生次生事故等，所以需要加强防范确保安全。至于其毒性，氨进入人体后会阻碍三羧酸循环，降低细胞色素氧化酶的作用，致使脑氨增加，可产生神经毒作用，高浓度氨可引起组织溶解坏死。空气中氨的浓度达到0.5％～0.6％（按体积计算）时，人在其中停留半小时即可中毒，浓度超过0.6％～1％时可能会造成死亡事故。而且，氨是一种可燃气体，浓度达到11％～14％时可以点燃，达到16％～25％时如遇明火会引起爆炸（爆炸极限为16％～25％），最易引燃浓度为17％，产生最大爆炸压力时的浓度为22.5％。氨泄漏不仅会对大气造成污染，而且对动植物具有相当的危害力。
本世纪以来，我国冷库行业发生导致人员死亡的液氨泄漏事故的城市就有10余个，包括北京和上海，多数事故的伤亡是由氨中毒引起的，少数是燃烧爆炸伴生中毒。此外啤酒行业和化工行业都发生过液氨泄漏事故，造成人员伤亡。
2．汽车如使用液氨，危险性不容小视
液氨储存在压力容器中，常温下储罐中的气压近9个大气压，这在汽油储罐中是不存在的。液氨的毒性也是汽油望尘莫及的。液氨的含能量虽不及汽油，但终究是易燃易爆物。如果汽车使用液氨，就要建造加氨站，其单站的液氨保有量远大于冷库，而与化工企业相当，这些危险的化工装置若林立于城市、乡村，如果出现事故不可想象。此外，还要用液氨储罐车给充氨站补液氨，燃氨汽车又要带着高压液氨瓶行驶，还需经常充氨。如果燃氨汽车普及，每天成百万吨有毒、易燃的液氨从生产厂运到充氨站，几千万辆的汽车到充氨站充氨。这种纷繁的转运、分布行动中的泄漏事故，要比现在合成氨和化肥生产中集中式、管道密闭式运行发生的几率和次数大得多。
近两年，一些车企的燃氨发动机和氨氢融合发动机研制成功，有可能带起一股“氨风”。基于当前液氨存在的问题尚未得到有效解决，笔者认为还是要慎重使用这类发动机，毕竟在发动机领域比这值得做的事还有很多。
（作者杨裕生系中国工程院院士）
