面临变革的汽车发动机行业

对于莱茵金属汽车集团而言,电动汽车并不陌生

凭借高难度部件和机电一体化两大部门的高水准表现,莱茵金属汽车集团因其创新的内燃机产品而为人们所熟知。但是,这家位于内卡苏姆的企业如今也越来越注重新能源动力系统的开发。莱茵金属汽车集团目前已经能够提供众多的解决方案,用以满足汽车行业越来越多的驱动需求。借助这一系列的系统解决方案,企业为电动机、混合动力系统等技术的推广开辟了道路。

就目前而言,纯电动汽车走向辉煌还需假以时日,汽油和柴油动力的汽车在可预见的未来还将是市场上的主流。尽管如此,电动机和其它的新能源动力系统如今已经是我们现实生活中的一部分,行驶在大街小巷上。电动汽车目前遭到诟病的最主要原因和缺陷在于续航里程的不足。蓄电池价格昂贵、而且重量大,在结构上已经完全限制了车内可用电量。也正是由于这个原因,路上行驶的混合动力汽车比纯电动汽车要多得多。车如其名,“混合动力”系统由多个驱动装置组合而成,比如一辆混合动力汽车由一台柴油发动机和一台电动机构成。汽车利用了两种驱动方式的优点。简而言之:如果路途较短,可选择电力驱动方式,成本低又无排放;如果需要更长的续航里程,驾驶者可完全或者部分采用内燃机驱动方式。

时而电力驱动,时而燃油驱动

如果汽车完全使用电力驱动行驶,内燃机只提供电能,则称之为串联式混合动力。这种动力系统的电动机具有足够大的功率,无需任何其它辅助设备就可以实现车辆行驶。电力驱动所需的电力在内燃机运行时由发电机产生,车辆从蓄电池提取电能。相反,如果一条传动系统上的电动机和内燃机动力组合起来,则称之为并联式混合动力。这种情况下,两个发动机的功率可比串联式混合动力系统的发动机设计地低一些。蓄电池借助回收制动能量充电。此外,对于可分配动力的混合动力系统,无论行驶状态如何,内燃机皆可运行。车辆在行驶过程中仍能给蓄电池充电。很多专家预计,在该技术领域,未来的电动机和内燃机功率比例将会发生很大的变化。如今的汽油或者柴油发动机在整个混合动力系统中仍属于功率较大的组件,但是今后电动机在系统功率中所占的比例将变得越来越大(参见示意图)。如果车辆通过插座由电网给蓄电池充电,无论驱动方式如何,都称之为插电式混合动力系统。

在制动时回收能

我们常常在不经意间使用电力驱动,使汽车在行驶过程中具有更高的能源利用率。很多先进的车型配备了制动能量回收系统。这个系统的工作方式是:在制动时,动能转化为热能。通常情况下,热能未经利用就已消散。制动能量回收系统对制动能量(以及汽车在滑行时产生的能量)加以利用,从而提高了发电机的电压,同时给车载蓄电池充电。如果汽车在制动后重新加速,之前所储存的电能可减轻发电机的负荷,同时还可降低油耗。

借助增程器 REx增加行驶距离

混合动力和制动能量回收这两项技术在莱茵金属汽车集团的增程器(缩写:REx)中起到了重要作用。增程器弥补了电动汽车如今的两大缺点,即续航里程不足和充电时间过长。大多数电动汽车目前的续航里程在100到200公里之间,而且这一续航里程只有在理想条件下才能达到。如果行驶过程中产生了额外的电力消耗(例如空调的使用),或者驾驶风格比较彪悍,那么续航里程将出现明显的下降。因此,对于很多消费者而言,蓄电池电量无法满足行程计划的担忧(“续航里程担忧”)是电动汽车购买意愿的最大障碍。在这方面,增程器 REx 能发挥一定的作用。增程器是一个双缸汽油发动机,只有当车载蓄电池的电量即将耗尽时才会启动。增程器在启动后借助发电机产生新的电能。我们测试了一台菲亚特500 型的电动车,借助増程器,这辆车的续航里程在原本70 公里的基础上又增加了 430 公里。目前,电动汽车在长途行驶过程中须预留较长的停车时间,用来给蓄电池充电。而配备了增程器 REx后,情况就完全不同了。增程器 REx 在行驶过程中就可以给蓄电池充电,并且可以和普通的电动汽车一样在充电站充电。驾驶者对所有这一切几乎毫无察觉,因为增程器 REx工作时所产生的噪音和震动非常小。

莱茵金属汽车集团的增程器 REx

在一定温度范围内,蓄电池充电和放电时的工作效率不佳,增程器此时还可以起到加热或者制冷作用,从而优化蓄电池的工作效率。莱茵金属汽车集团的测试车还可以回收制动能量:当驾驶员松开油门时,车辆最多可以回收10千瓦的电能。该技术还拥有其它一系列的优点:除了油箱和冷却器,所有组件都是预先安装好的预制模块。结构紧凑的增程器 REx 也可以安装在车身底部或者备胎槽中。此外,我们能够简单便捷地将该设备集成到车身上。不久之后,增程器 REx 会变得更加“绿色环保”。莱茵金属汽车集团正与几位合作伙伴共同研制一种使用可再生天然气的增程器。这一款増程器将首先应用在一辆完全使用可再生能源驱动的小型货车上。这辆货车配备了电力驱动系统和增程器。“Green REx”绿色增程器项目在降低二氧化碳排放方面具有巨大潜力,也因此获得了德国联邦经济和技术部的资助。

有效利用运行温度

如果电动汽车车内正在使用加热或者冷却功能,可用电量会相应下降。为了使电动汽车的续航里程不受此影响,莱茵金属汽车集团研制了一个热量管理模块。模块通过热泵大幅降低了加热和冷却所需的电能。这个模块是空调系统的主要组成部分。汽车行驶时,该模块根据正在产生的热量,将所有的组件调整到最佳的运行温度。再结合车内热量循环的智能化调节,这个加热和冷却模块能够显著提高续航里程。该模块的车内安装灵活简便,只需很少的安装工时。此外,由于冷却剂循环回路几乎完全密封,连接元件很少,冷却剂填充量也较低,这个系统还可以减少周围环境的热损失。 

燃料电池面临突破

谈到新能源动力系统,自然不能忽略燃料电池的问题。燃料电池是一种自发电池,利用一种燃料(通常是氢气)和一种氧化剂(通常是氧气)的化学反应产生能量。燃料电池将这种反应能量转化为电能。在实践中,燃料电池汽车的续航里程可以与传统动力的汽车相媲美。而在生态决算方面,我们主要依据氢气的来源来评判环保与否,主要考察氢气是否由可再生能源生成。目前在汽车行业内,专家们还在用测试车对这种技术进行多方面的测试。另一方面,燃料电池技术已经成功地应用于军用领域。例如,德国212A级潜艇就已成功使用燃料电池多年。人们可能很快就会经常在街道上看到燃料电池驱动的汽车了:今后几年,氢气充气站网络将得到大规模的扩建。丰田、现代、本田的第一款量产型燃料电池汽车已经部分上市,另一部分也即将在欧洲问世。出于这个原因,莱茵金属汽车集团也将燃料电池技术纳入了企业的考量范围。集团在该领域的第一项创新技术目前处于实验阶段:氢气循环风机,这一款新产品的名字读起来十分拗口,却清楚地告诉我们这个系统的构成,其结构类似于内燃机中的燃油泵。氢气循环风机不断向由单个燃料电池组成的电池堆供应氢气。泵从电池堆中抽走多余的氢气,然后重新向其输送。该系统提高了反应效率,延长了续航里程。另外,通过不断循环的送气吸气,电池堆的使用寿命也得到了提高。

该系统提高了反应效率,延长了续航里程

如果没有这样的一个泵,我们只能通过成本高昂的措施来提高反应效率,例如通过提高电池堆中的铂含量。这里所介绍的解决方案只是莱茵金属汽车集团众多类型产品中的冰山一角。这些产品和技术表明:无论在混合动力系统、电动机还是燃料电池领域,公司正致力于开发针对未来驱动技术的智能型解决方案。

 

 

海因利希·迪斯蒙(Heinrich Dismon),莱茵金属汽车集团科研和技术部负责人

访谈

面对源源不断的石油资源,我们是否真的需要电动汽车?

目前看来,资源问题肯定不是电动汽车发展的最重要推手。但事实是,如今所有的汽车生产商都在致力于“动力系统电动化”方面的研究。另外,企业发展还须着眼于“碳中和”的问题。在这方面,立法机构对二氧化碳的排放制定了明确的规定。

对于莱茵金属汽车集团而言,新能源动力系统意味着什么?

 

我们将迎来电动化的时代,但这不是一蹴而就的发展过程。电动化意味着乘用车中的内燃机将从电动机处得到越来越多的动力支持。我认为电动化的第一步首先是采取一系列提高能效的措施,例如增强对预热和热损的利用、开发结合制动能量回收的弱混合动力系统

将来将有怎样的发展?

将来会有越来越多的汽车实现部分电动化。对于我们而言,这意味着必须要将汽车外围组件电气化,并在这个过程中使用 48 伏车载电网。可以预见的是,将来会有多种不同驱动形式的汽车。这些驱动系统必须能够愈发灵活地适应当地交通的需求,这里也包括了纯电动的驱动系统。

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