非標機械設計菌：內燃機都發展一百多年了，但是和電機比，究竟哪個更有潛力？你是不是經常能看到網上流傳

你是不是經常能看到網上流傳著一句話：“內燃機都發展一百多年了，已經基本到頭了，沒什么提升空間了。 ”

未必一模一樣的原話，但大概類似的意思。而且通常說完這句話之后的臺詞就是：“電動好、電動機/電動車才是未來”之類的。

但實際情況真的是這樣的嗎？咱們來回顧一下內燃機和電動機的發展歷程好了。

首先，如果說二者的誕生，至今都有近兩百年的歷史了，而且電機比內燃機還被早發明了幾十年。也就是說電機其實是比內燃機歷史更悠久的產物。

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電機分為直流和交流，雖然二者都是19世紀發明的，但它們在早期都各存在一些難以解決的問題：

直流電機的調速特性好，控制簡單。但由于存在與換向器摩擦的電刷，會降低效率、壽命和可靠性，并帶來較高的維護成本。

交流電機沒有電刷，運轉效率高、維護成本低、可靠性高，但存在調速困難的缺點。

因此早期的功率型產品，大多采用直流電機驅動。

而這一局面直到近三十年才發生了改變。也將交流電機推向了高光時刻，盡管這個成果其實并非來自于交流電機本身。

早期交流電機調速困難的原因在于：人類尚未掌握高效靈活自如控制的交流變頻技術。如果無法控制交流電的頻率，那交流電機的調速完全是泡影。

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上個世紀后半葉，半導體技術取得了巨大發展，由電流驅動導通的晶閘管及衍生產品問世，交流變頻成為了可能，交流電機的調速能力也終于能夠與直流電機相匹敵。

再到世紀末，效率更高、損耗更小的電壓驅動型半導體開關元件——場效應管（MOSFET）和絕緣柵極雙極晶體管（IGBT）相繼問世并實現了大規模商業應用，交流電機的變頻調速能力和運轉效率達到了前所未有的高度。

進入21世紀，在更優化的變頻調速系統和霍爾傳感器的加持之下，除傳統永磁同步交流電機和異步感應交流電機以外，多種更新型的電機也相繼問世：比如無刷直流電機、開關磁阻電機等等。但實際上從效率角度來講，它們并未比傳統交流電機有太大的提高。

在目前，交流電機+變頻器的綜合效率已經能夠實現大范圍達到甚至超過90%的程度，所以在這方面實際上電機的優化空間已經不大。

反觀內燃機，至少是量產車用汽油機，目前的最高效率也只有百分之四十。但是，隨著材料科學、流體力學、熱力學等的技術進步，在此基礎上再提高百分之二十（40%基礎上提高的20% ，而不是20%絕對值的提高）也就將是幾年之內的事情。

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我沒開玩笑，許多汽車大廠目前規劃中的未來兩代試驗機已經可以將熱效率推到44%和48%左右的水平，這還是在非理想絕熱的前提下。而且在可見的未來，這些干凈清潔高效的新技術汽油機都將實現量產。而電機的現有基礎連10%的優化空間都不到了。你覺得誰更有潛力？

當然我相信很多人會說：內燃機即便提高的潛力很大，但仍在許多方面與電機存在本質性差距。這一點我認同，嚴格意義上來講它們二者其實各有優劣。

電機作為驅動機構有許多優點，比如零起特性、電能/動能的雙向轉化特性、寬范圍的恒功率調速特性、廣域的高效萬有特性、安靜和平穩的運轉品質等。所以將電機作為車輛的直接驅動形式是很好的方案。或者說電動化是絕對的未來大趨勢。

但這并不意味著純電動車是電動化的最優解決方案，至少目前來看不是。雖然電機和變頻器相當優秀，但電動車最大的瓶頸——作為車輛供能裝置的鋰電池現在仍然難以擺脫許多固有的缺陷：成本高、功率密度低、充電慢、壽命短、工況受環境溫度影響明顯。而且最重要的一點在于從技術角度來看，鋰電池在短期內也難以實現革-命性的技術突破，即純電動車最大的瓶頸不在于電驅動部分，而是電池。所以如果以鋰電池作為車輛的單一供能裝置的話，面臨的困境就是：消費者使用不便、廠家賺不到錢。

而內燃機驅動布局的優勢則正好彌補了電動車的不足：能量密度高、補能快速而無續航焦慮、環境溫度適應性好、壽命長、成本低。

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如果說前面幾項屬于大家都已經充分了解，關于成本部分，如果把一臺同級別的汽油車和電動車的驅動相關部件進行成本比較的話，即：

電機+變頻器+動力電池+充電機vs汽油機+進排氣系統+油箱+變速箱

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后者的成本通常只有前者的幾分之一甚至十幾分之一，就差這么多。所以這就是為什么造純電動車很難賺到錢的原因。

所以你會發現，內燃機相對于一輛車的優勢主要在于前端：供能方式。而電機的優勢主要在于后端：驅動特性。

既然如此，為什么一定要讓電機和內燃機高度對立呢？二者共存取長補短不是更好嗎？

Bingo！這種方案就是混合動力，它集成了內燃機、電機、和一個較小的動力電池。由內燃機作為主要或備份時的車輛能源提供機構，并以電機直接參與驅動，以彌補內燃機的那些低效的工況。

無論是油電混動HEV、插電混動PHEV還是增程式REEV都屬于內燃機和電機共存的方案。或者說這是一種目前階段將電動化運用的最優解。

混合動力車相比于純汽油車，它能夠在內燃機不擅長的工況大幅提高效率，比內燃機直接驅動的效率更高、運轉品質更好。同時與純電動車相比，內燃機+電機+小動力電池的組合仍然比電機+大動力電池的綜合成本更低，而且用戶在使用過程中也不會出現續航焦慮。

可能有人會質疑說為什么要讓電機參與驅動， “先發電再用電”或“一邊發電一邊用電”的方式不是“脫了褲子放屁”嗎？為什么效率還會更高呢？

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這是因為三個原因：

1 ，內燃機的高熱效率區分布很窄，如果作為直接驅動方式的話，在實際道路走走停停加速減速的各種工況中，很難用到高效區。而電機因其零起特性和自身的高效率工況分布，將之作為輔助驅動形式可以很大程度提高內燃機的“效率利用率” ，即把內燃機不高效的工況也“拉到”高效狀態，要么不運轉，運轉就盡量高效運轉。

2 ，內燃機只能將燃料和空氣的化學能轉化為熱能之后再部分變為機械能驅動車輛。這是一個能量的二次轉化過程。所以內燃機的能量轉化具有方向性，不能把動能反過來變成汽油的化學能。而電機則具有電能和動能的雙向轉化能力，既當電動機又當發電機。因此在滑行、減速、下坡等工況，電機可以把多余的動能部分轉化為電能存儲到電池中，下次再用來驅動車輛。使能量的利用率大大提高。

3 ，如果把兩套電機系統整合在一起，它們本身也可以作為很好的傳動介質替代傳統的變速箱。無論是前后端等功率的電傳動，還是不等功率的混合動力系統。都可以依靠調整主發電機的勵磁特性來改變內燃機的加載率；同時調整牽引電機的勵磁特性來實現更寬速度范圍的運轉和牽引——這是傳統等功率電傳動系統的原理。而在混合動力車型上面，由于連傳輸功率和內燃機/電機的組合方式都是靈活可變的，綜合效率和性能可以得到更大提升。

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說了很多，最后做一個總結吧：

1 ，以電機為驅動方式的“電動化”是絕對的高效大趨勢，電動化可以以純電動車、混合動力車、燃料電池車等多種供能方式來實現。即電動化不等于純電動車。

2 ，純電動車上最大的優勢就是電動化驅動單元，但電動化驅動平臺卻并非純電動車專屬。電動車現階段最大的瓶頸在于動力電池。所以電動化方面的優勢并不能抵消電池的缺陷。

3 ，純電動車除了給用戶帶來續航焦慮和使用不便以外，還給生產廠家帶來了巨大的成本壓力，難賺錢。

4 ，電動機和變頻器的效率提升空間較小，內燃機的優化空間仍很大。

5 ，內燃機和電機不是對立的存在，反而可以成為一對互助互利互補共贏的“好朋友” 。

6 ，以現階段的技術水平而言，在動力、效率、綜合成本等各個方面，內燃機+電機+小動力電池共存的方案屬于最優解。 ????