【分享】技术 | 碳中和背景下的汽车节能技术
摘要：汽车节能技术对于双碳目标十分重要，纯电、燃料电池和混合动力汽车对于减少全生命周期碳排放尤其显著，特别是混合动力技术将在未来一段时间内作为主要和长期的过渡产品，促使汽车企业陆续推出混合动力HEV和插电式混合动力PHEV产品。双电机P1+P3构型设计简洁、应用普及，其中最为典型的是本田汽车的i-MMD HEV/PHEV、以及比亚迪汽车的DM-i PHEV车型。
移动源国家工程实验室近期将逐步开展深度的数据对比分析，探索双碳目标下的典型低碳节能技术如何不断扩大市场份额，引领未来技术趋势。
2020年中国正式宣布力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和。2030年碳达峰是二氧化碳的达峰，2060年前要实现的碳中和包括全经济领域温室气体的排放。针对碳达峰和碳中和目标，中国提出了在十个领域开展转型和创新，其中构建绿色低碳交通运输体系和推动绿色低碳技术创新涉及了汽车节能技术，包括电动汽车、混合动力和氢燃料电池等汽车节能技术[1]。同时，《节能与新能源汽车技术路线图2.0》指出[2]，我国汽车行业的发展目标是“产业碳排放总量先于国家碳减排承诺于2028年左右提前达到峰值，到2035年排放总量较峰值下降20%以上”。
汽车的碳排放量与整备质量、燃油经济性（油耗与电耗）等因素密切相关。由于汽车电气化水平的提升及轻量化程度的不断提高，汽车全生命周期的碳排放量逐渐减少。根据全生命周期碳排放总量测算，纯电动、插电式混合动力和混合动力节能车（HEV）的减排效果显著。目前市场上同款车型的纯电版本和插电混动版本存在比较明显的价格差异，且主要来源于纯电版本的大电池成本。
通常，HEV混合动力、插电式混合动力和纯电动车的电池是从小到大，重量也是逐步增加。混合动力车辆中一般采用了阿特金森循环的发动机，虽然相比传统发动机有很大的技术创新，但基本上没有在产业链方面带来成本的压力。
以本田汽车CRV PHEV与HEV为例，前者相比后者，动力电池从1.4kWh增加至16kWh，整车整备质量增加约357kg，百公里加速时间增加1.2s，售价增加约5万元，两个车型除了电池方面的差异，它们在低碳节能技术配置方面几乎相同（能量管理策略可能存在差异，需要开展具体技术数据分析）。此外，两个车型都采用了阿特金森循环发动机，发动机燃油消耗率最低可以达到208.1g/kWh（常规发动机≈230-240g/kWh），发动机运行工况分布主要集中在高效率区域。
图1 本田CRV混合动力车型阿特金森循环发动机特性示意图
图2 本田Clarity PHEV的运行模式[5]
《节能与新能源汽车技术路线图2.0》提出，到2025、2030和2035年混动乘用车新车销量占传统能源乘用车的比例分别达到50-60%、75-85%、和100%。混合动力车型的能耗明显低于燃油车，其占比不断提升至100%，将显著降低汽车行业的碳排放水平。不仅如此，2021年开始实施的新版双积分政策也推动了混合动力（HEV）汽车的发展[3]。
按照该政策要求，插电式混合动力汽车享受1.6个新能源积分，电池较小的HEV混合动力汽车的产量打折计入传统能源乘用车核算，2021年、2022年和2023年的低油耗乘用车生产量或者进口量分别按照其数量的0.5倍、0.3倍和0.2倍计算，即10辆混动汽车分别按照5辆、3辆和2辆传统能源乘用车纳入计算，由此减少了车企为了获得新能源正积分必须生产新能源汽车的数量。
目前，混合动力汽车的主流方案采用双电机方案，主流构型为P1+P3架构，包括已有多款车型上市的本田汽车i-MMD、比亚迪汽车DM-i、广汽集团GMC，其他还包括目前发布了DHT但还没有车型上市的长城汽车柠檬DHT和奇瑞汽车鲲鹏DHT等。P1+P3是一种简单、高效的混动架构。离合器断开，发动机驱动发电机发电，牵引电机通过齿轮组驱动车轮，实现纯电、串联模式；离合器闭合，发动机通过传动机构与牵引电机同时驱动车轮，实现并联模式。
图3 P1+P3构型的架构示意图
P1+P3构型的混合动力汽车的典型代表产品是本田汽车的i-MMD（2013年雅阁首次面世）[4]，2016年，雅阁锐·混动（采用i-MMD系统）正式进入中国市场。2020年雅阁锐·混动、奥德赛锐·混动、皓影锐·混动和凌派锐·混动陆续上市。截止今年上半年，本田锐·混动在中国累计销量已经超过50万辆。据本田中国披露数据，2020年本田在华销量的混合动力车型为20.15万辆，占其在华销量的12.4%；今年上半年本田在华累计销量11.68万辆，销量比例提升至14.9%（与丰田汽车相当）。今年上半年，本田汽车的i-MMD插电式混合动力车型正式上市，该产品纯电续航里程85km，基本上覆盖了日常用车的中低车速工况，综合工况油耗16.2kWh/100km，馈电油耗4.6L/100km。
图4 移动源国家工程实验室针对本田CRV HEV开展的技术分析
在自主品牌产品中，P1+P3构型的典型代表是比亚迪汽车的DM-i插电式混合动力产品[6-7]。比亚迪汽车的DM-i混动的特点包括：
1）发动机热效率达到43%，其主要通过采用压缩比15.5的阿特金森循环发动机，取消了前端轮系，采用电驱系统驱动替代电动附件工作（发电机、空调压缩机、机械真空泵、机械水泵等），采用了分体式冷却技术；
2）DHT变速器采用单级减速器，传动效率高，通常情况下发动机只在高速巡航时才直驱，占车辆运行工况比例≈6%，其余时间主要按照纯电模式和增程模式运行。
3）其他还包括针对三电系统，采用扁线电机、转子油冷、冷媒直触散热、脉冲自加热等技术。
4）比亚迪汽车DM-i的上市车型宋Plus DM-i的综合工况能耗18kWh/100km，馈电油耗4.5L/100km。
近期，移动源国家工程实验室将通过联合对标的形式开展针对比亚迪汽车DM-i车型的整车能量流和能量管理的技术数据分析，通过与本田汽车i-MMD产品数据的标杆对比，深入分析P1+P3典型代表的合资和自主产品在碳排放和能量管理策略设计方面的异同点，展示它们如何以其简洁的构型设计，引领当前汽车低碳节能技术趋势。
参考文献
1 中国气候变化事务特使解振华：碳中和不只包括二氧化碳.
2 节能与新能源汽车技术路线图战略咨询委员会，中国汽车工程学会.节能与新能源技术路线图2.0[M].北京:机械工业出版社.2020
3 中华人民共和国工业和信息化部,中华人民共和国财政部,中华人民共和国商务部,中华人民共和国海关总署,国家市场监督管理总局.关于修改〈乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法〉的决定.2020.
4 Machida, J., Madoka, N., and Hayase, S., “Development of Intelligent Power Unit for 2018 Model Year Accord Hybrid,”SAE Technical Paper 2019-01-0592, 2019.
5 Yamagishi, T. and Ishikura, T., "Development of Electric Powertrain for CLARITY PLUG-IN HYBRID," SAE Technical Paper2018-01-0415,2018.
6Yang, D., lu, G., Gong, Z., Qiu, A. et al., "Development of 43% Brake Thermal Efficiency Gasoline Engine for BYD DM-i Plug-in Hybrid," SAE Technical Paper 2021-01-1241, 2021.
7 lu, G., Yang, D., Rong, Y., Gong, Z. et al., "Development of An Intelligent Thermal Management System for BYD DM-i Hybrid Engine," SAE Technical Paper 2021-01-1153, 2021.
移动源国家工程实验室动力与节能团队简介
负责人杨建军，天津大学博士，中国汽车技术研究中心高级工程师，学科带头人、全国标准化委员会节能分标委委员，天津市“项目+团队”重点培养专项负责人，天津市131第二层次人选，获得省部级二等奖1项，主持或参与国家863课题1项，国家新能源汽车重点专项1项，获得授权发明专利5项。
团队拥有工程技术人员20人，其中博士2人，硕士12人，长期致力于节能前瞻共性技术开发与应用，从2013年开始围绕国家乘/商用车节能目标的需要，持续开展基于NEDC/WLTC/C-WTVC/用户工况的节能与新能源车型仿真和整车能量流分析，能量管理策略优化，基于驾驶风格、道路交通状态、车辆实时载荷、高低温环境的全工况和全要素节能技术研究，建立了基于“人-车-路”的完整的能量流管理平台和具有国际先进水平的智慧节能创新技术平台，项目成果广泛应用于吉利、广汽、上汽、奇瑞、江淮、潍柴等30多家汽车企业的相关产品，极大促进了相关学科、行业和产业的发展。
