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      清華大學車輛學院院長李建秋:新能源商用車的發展現狀和趨勢

      作者:森林 2022-05-10 09:25:47 來源:新能源汽車網
      李建秋

        李建秋,清華大學車輛與運載學院院長(圖片攝于第七屆中國電動汽車百人會論壇)

        【導語】:

        2022年3月25-27日,中國電動汽車百人會論壇(2022)在京召開。大會以“迎接新能源汽車市場化發展新階段”為主題,深入探討了我國新能源汽車由政策與市場雙驅動轉向以市場驅動為主的新階段所面臨的機遇與挑戰。在27日召開的商用車可持續發展論壇上,清華大學車輛與運載學院院長李建秋就“新能源智能化商用車的發展現狀和趨勢”發表主題演講,以下根據現場發言整理。

        我今天報告的題目是“新能源智能化商用車的發展現狀和趨勢”,將從下面五個方面來做介紹:第一、車輛運載行業的技術變革和發展趨勢;第二、商用車電驅動技術的發展現狀;第三、商用車電池快換系統的研發現狀;第四、氫能源電池商用車的技術研發現狀;第五、新能源商用車未來的發展趨勢。

        01、車輛運載行業的技術變革和發展趨勢

        目前我們人類的每一次變革都重構了社會形態。一百多年前,內燃機車輛的誕生使得人類出行出現了“汽車化”。最近這十年,電動化、智能化、網聯化技術的發展,使得我們國家的新能源智能汽車發展非???,在商用車領域,新能源智能化也正成為熱點。

        車輛行業是我們國家整個公路、鐵路、交通運輸能力的重要保障。我們國家的公路、鐵路運輸占世界排名第一,車輛運輸占全國99%的客運和84%的貨運,總的來說,就是客運貢獻率每年1000億人次,貨運貢獻率每年380億噸。

        同時,車輛行業也是保障我國能源安全和能源轉型的重要途徑。我國石油對外依存度超過70%,其中接近48%的石油用于道路交通的消耗。因此,減碳目標倒逼整個汽車行業也需要轉型。

        推動車輛全產業鏈創新與國民經濟的動能轉換是非常重要的。目前車輛行業面臨的新形勢是,工業革命4.0疊加能源革命3.0。電動化、智能化、網聯化和低碳化成為了技術變革后面的推動力,引發了整個車輛產業的調整與重構,包括價值鏈的調整重構、創新鏈的調整與重構。這也使得我們汽車行業的人才培養從以機械為主到多學科交叉融合,從專業型到復合型,從單一學科到多學科交叉,呈現出這樣的融合發展趨勢。

        汽車行業涉及到眾多學科領域:動力、材料、機械以及電氣、化工、電子電路、計算機、網絡通訊等,這些現在都在新能源智能汽車上得到了體現。比如有車輛的系統動力學、也有車輛的動力系統學,還有車輛智能駕駛相關的領域,比如現在單車的有人駕駛,將來發展到單車的智能無人駕駛、車隊的智能駕駛以及整個城市集群的智能駕駛系統。

        同時,各個學科之間也在發展和融合。比如動力系統跟底盤融合出現了滑板底盤技術,自動駕駛跟底盤融合,形成了智能移動的辦公環境,這些都使得車輛學科加快技術變革和發展。

        02、商用車電驅動的發展技術與研發現狀

        商用車有不同的驅動形式,包括輪轂輪邊驅動、集中驅動等形式。目前國內外對這些形式進行了相關研究,比如現有的電驅動系統,它的電機通過減速器、傳動軸,再通過主減到輪邊減速器,綜合傳動效率只有82.3%。由于輪轂電機技術的發展,目前出現了輪轂電機直驅,即不帶減速器直驅的方案,也出現了帶有一級減速器、兩級減速器,甚至輪邊電機帶一級減速器驅動的方案,這些方案都已經有企業做了相關的電動化改造。比如國外的Axle Tech,取消了上齒輪,采用平行軸電機跟車橋的軸平行驅動方案,這些現在都在開始慢慢產業化。

        那么能不能實現直接利用現有的車橋,用電機通過輪邊減速一級到輪邊這樣的方案?我們提出了電動橋的概念。兩個電機的電動橋現在的傳動效率做到96%。其中的懸架自動機械接口是兼容傳統橋的,它具有很好的兼容性,也具有很高的可靠性,這個現在正在跟企業做產業化。同時,也可以看到,這樣的整體橋在60-80公里的車速下,電機工作效率可以到97%以上。這樣,整個橋加電機的綜合驅動效率到了93%-94%,比傳統的82%提高了10個百分點左右。

        同時,能否實現將電機從現在的中置方案,即電機放在橋的中間,直接移到輪子里面去的輪轂電機方案?我們進行了相關嘗試,推出基于輪轂電機的雙胎電動橋,做到了輪邊每個輪子16000扭米的峰值扭矩,傳動效率仍然可以保持在96%,重量的扭矩密度、效率、成本都超過了國外指標。

        這些技術就使得我們在以電動輪和電動橋為核心的商用車重載電動化方面取得了新的進展。目前單輪的電動輪和整體電動橋都已經開始配套客戶做相關的產業化。比如我們跟長春客車廠做的一個無軌電車,它用了6個軸、12個電動輪作為三節車廂,可以自由的轉換,實現了不要軌道的有軌列車性能,這個現在在國內也是第一輛。在商用車電驅動方面,我們得到的結論是,基于高效的電動輪和電動橋技術,將會取代傳統的集中驅動的電動橋技術或者電驅動技術,為什么?因為它的效率更高。

        當然在此基礎上我們也發展了基于商用車整車的分層控制架構。上層轉矩能夠分配到多個驅動橋,并且多個驅動橋每個輪子的滑移率能夠實時反饋和檢測,實現分布式驅動的整車控制系統。這個整車控制系統能很好地與動力、柴油發電機、燃油電池發電系統、純電動相匹配,并且能夠進一步與上層的自動駕駛系統相結合。

        03、商用車電池快換系統的研發現狀

        純電動在短途小型的商用車上已經開始產業化。模塊化的純電動系統不僅可以快速充電,也能夠實現快速換電。針對重載商用車,為了實現快速換電,我們專門研發了相應的快換系統,它可以實現購車成本的有效降低。在運營效率方面,由于只是換電,不需要等時間充電,效率也有效的提高了。而且車輛如果不包括電池,銷售成本也比較低。這套快換系統現在已經開始在國內推廣應用,眾多整車企業經過驗證開始使用重卡換電業務。

        04、氫能源電池商用車的技術研發現狀

        下面介紹一下在長途重載商用車領域占主流的氫燃料技術發展現狀和趨勢。

        目前,國際上(代表企業)有豐田、日野,美國Nikola公司以及通用汽車,戴姆勒奔馳,韓國現代等。其中,戴姆勒奔馳推出了單車一次加氫80公斤能夠達到1000公里續駛里程的液氫重卡,代表了長途物流領域的電動化取得了顯著進展。

        我們團隊也在長期聚焦燃料電池商用車的研究,從事了液氫重卡相關的研發,并且培育了燃料電池商用車發動機企業億華通。輕型商用車方面,在年產2萬臺的規模下,燃料電池輕卡已經具備了跟柴油車競爭的實力。重型商用車板塊,重點是要突破800—1000公里以上的(車型),因為500公里以下純電動基本上已經可以商業化了,比如49噸的半掛牽引車的商用化問題。為了解決這個問題,燃料電池還面臨一些技術的瓶頸,一個是儲氫密度,就是車載儲氫系統的儲氫密度;一個是燃料電池的耐久性、功率密度和成本,我們正在展開攻關。

        05、新能源商用車未來的發展趨勢

        首先,燃料電池的壽命需要突破25000小時,做到整車的同壽命。其次是整車的能效,尤其是散熱需要突破,能夠保證燃料電池發動機持續100公里/小時的散熱能力。第三是儲氫系統,在5萬套的產能下,要做到80公斤儲氫(成本)3萬塊錢,這是三大關鍵技術。如果這三大關鍵技術得以突破,那么預計在2025年前后就能夠實現燃料電池商用車的大規模產業化。

        介紹一下具體的技術實現路徑。

        首先,要選擇高效的燃料電池發動機,也就是燃料電池發動機正常工作時的效率要高達60%—65%。這需要提高發電效率、降低空壓機能耗,同時電堆的功率密度要保證在一個適當的范圍。

        當前我們國家燃料電池膜電極的水平是,大概在0.8V時能夠發0.4—0.5安倍/平方厘米的電流密度。將來通過材料的改進,希望能夠做到0.8V可發1安培/平方厘米的電流密度。同時,在耐久性方面將有一系列的突破,到2025年實現2萬—2萬5千小時的耐久性,也就是能夠實現跟整車同壽命。

        在整車散熱方面,我們將持續推動整車的能耗下降。這里主要是四項關鍵技術:第一,把整車的迎風面積和風阻系數有效降低。就是通過高效的電動化技術,使得電傳動的效率提高10%,相應對燃料電池的發動機效率也會降低。其次,是通過整車的風阻系數的下降。比如現在的平頭車的風阻系數大概在0.55左右,將來可以降到0.35,未來還可以進一步下降到0.2幾?,F在轎車方面,有很多電動化的新能源轎車風阻系數已經降到0.2幾了。

        第三項技術是智能網聯技術。智能網聯的技術能夠帶來什么好處呢?舉一個例子,在高速公路上,如果兩輛車連著開,它們的間距可以是0.5米、2米、4米或者8米。當車和車之間的間距是4米時,兩輛車連著開,第一輛車能夠比單個車開節省18.9%的風阻系數,第二輛車能夠節省75%的風阻系數,兩輛車綜合下來平均節能超過10%。通過這樣的智能化車隊的技術,能夠顯著節省在長途高速工況下的重載車輛能耗。

        假設三輛車連在一起開,它的能耗僅僅是每輛車單獨開的75%,節能效率可以達到25%以上。通過這樣的技術,大幅度降低了燃料電池發動機整車的功率,從而解決了整車散熱的問題。預計到2025年前后,如果把重卡的風阻系數降到0.35,燃料電池的效率從現在的45%提高到52%,那么由于隊列駕駛和智能駕駛技術,在每小時100公里的時速下,單車能耗將從現在的13.87公斤下降到隊列駕駛環境下的6.8公斤。也就是原來的14公斤氫現在能夠跑原來2倍的航程,續駛里程提高100%,這是非常顯著的。所以商用車目前面臨著的技術變革,是未來推動新能源智能商用車發展的基礎。

        最后一點,儲氫方面的成本將取得明顯突破。跟LNG一樣,一個80公斤的液氫的儲氫罐,在5萬套的量產情況下,成本只需要3萬塊錢人民幣。通過這樣的技術,能夠大幅度降低整車成本,從而實現燃料電池智能商用車的產業化。預計我國2025年-2030年間,燃料電池重卡會迎來爆發式的增長。

        這是今天報告的主體內容,謝謝大家。

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