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清华大学车辆学院院长李建秋:新能源商用车的发展现状和趋势

作者:森林 2022-05-10 09:25:47 来源:新能源汽车网
李建秋

  李建秋,清华大学车辆与运载学院院长(图片摄于第七届中国电动汽车百人会论坛)

  【导语】:

  2022年3月25-27日,中国电动汽车百人会论坛(2022)在京召开。大会以“迎接新能源汽车市场化发展新阶段”为主题,深入探讨了我国新能源汽车由政策与市场双驱动转向以市场驱动为主的新阶段所面临的机遇与挑战。在27日召开的商用车可持续发展论坛上,清华大学车辆与运载学院院长李建秋就“新能源智能化商用车的发展现状和趋势”发表主题演讲,以下根据现场发言整理。

  我今天报告的题目是“新能源智能化商用车的发展现状和趋势”,将从下面五个方面来做介绍:第一、车辆运载行业的技术变革和发展趋势;第二、商用车电驱动技术的发展现状;第三、商用车电池快换系统的研发现状;第四、氢能源电池商用车的技术研发现状;第五、新能源商用车未来的发展趋势。

  01、车辆运载行业的技术变革和发展趋势

  目前我们人类的每一次变革都重构了社会形态。一百多年前,内燃机车辆的诞生使得人类出行出现了“汽车化”。最近这十年,电动化、智能化、网联化技术的发展,使得我们国家的新能源智能汽车发展非常快,在商用车领域,新能源智能化也正成为热点。

  车辆行业是我们国家整个公路、铁路、交通运输能力的重要保障。我们国家的公路、铁路运输占世界排名第一,车辆运输占全国99%的客运和84%的货运,总的来说,就是客运贡献率每年1000亿人次,货运贡献率每年380亿吨。

  同时,车辆行业也是保障我国能源安全和能源转型的重要途径。我国石油对外依存度超过70%,其中接近48%的石油用于道路交通的消耗。因此,减碳目标倒逼整个汽车行业也需要转型。

  推动车辆全产业链创新与国民经济的动能转换是非常重要的。目前车辆行业面临的新形势是,工业革命4.0叠加能源革命3.0。电动化、智能化、网联化和低碳化成为了技术变革后面的推动力,引发了整个车辆产业的调整与重构,包括价值链的调整重构、创新链的调整与重构。这也使得我们汽车行业的人才培养从以机械为主到多学科交叉融合,从专业型到复合型,从单一学科到多学科交叉,呈现出这样的融合发展趋势。

  汽车行业涉及到众多学科领域:动力、材料、机械以及电气、化工、电子电路、计算机、网络通讯等,这些现在都在新能源智能汽车上得到了体现。比如有车辆的系统动力学、也有车辆的动力系统学,还有车辆智能驾驶相关的领域,比如现在单车的有人驾驶,将来发展到单车的智能无人驾驶、车队的智能驾驶以及整个城市集群的智能驾驶系统。

  同时,各个学科之间也在发展和融合。比如动力系统跟底盘融合出现了滑板底盘技术,自动驾驶跟底盘融合,形成了智能移动的办公环境,这些都使得车辆学科加快技术变革和发展。

  02、商用车电驱动的发展技术与研发现状

  商用车有不同的驱动形式,包括轮毂轮边驱动、集中驱动等形式。目前国内外对这些形式进行了相关研究,比如现有的电驱动系统,它的电机通过减速器、传动轴,再通过主减到轮边减速器,综合传动效率只有82.3%。由于轮毂电机技术的发展,目前出现了轮毂电机直驱,即不带减速器直驱的方案,也出现了带有一级减速器、两级减速器,甚至轮边电机带一级减速器驱动的方案,这些方案都已经有企业做了相关的电动化改造。比如国外的Axle Tech,取消了上齿轮,采用平行轴电机跟车桥的轴平行驱动方案,这些现在都在开始慢慢产业化。

  那么能不能实现直接利用现有的车桥,用电机通过轮边减速一级到轮边这样的方案?我们提出了电动桥的概念。两个电机的电动桥现在的传动效率做到96%。其中的悬架自动机械接口是兼容传统桥的,它具有很好的兼容性,也具有很高的可靠性,这个现在正在跟企业做产业化。同时,也可以看到,这样的整体桥在60-80公里的车速下,电机工作效率可以到97%以上。这样,整个桥加电机的综合驱动效率到了93%-94%,比传统的82%提高了10个百分点左右。

  同时,能否实现将电机从现在的中置方案,即电机放在桥的中间,直接移到轮子里面去的轮毂电机方案?我们进行了相关尝试,推出基于轮毂电机的双胎电动桥,做到了轮边每个轮子16000扭米的峰值扭矩,传动效率仍然可以保持在96%,重量的扭矩密度、效率、成本都超过了国外指标。

  这些技术就使得我们在以电动轮和电动桥为核心的商用车重载电动化方面取得了新的进展。目前单轮的电动轮和整体电动桥都已经开始配套客户做相关的产业化。比如我们跟长春客车厂做的一个无轨电车,它用了6个轴、12个电动轮作为三节车厢,可以自由的转换,实现了不要轨道的有轨列车性能,这个现在在国内也是第一辆。在商用车电驱动方面,我们得到的结论是,基于高效的电动轮和电动桥技术,将会取代传统的集中驱动的电动桥技术或者电驱动技术,为什么?因为它的效率更高。

  当然在此基础上我们也发展了基于商用车整车的分层控制架构。上层转矩能够分配到多个驱动桥,并且多个驱动桥每个轮子的滑移率能够实时反馈和检测,实现分布式驱动的整车控制系统。这个整车控制系统能很好地与动力、柴油发电机、燃油电池发电系统、纯电动相匹配,并且能够进一步与上层的自动驾驶系统相结合。

  03、商用车电池快换系统的研发现状

  纯电动在短途小型的商用车上已经开始产业化。模块化的纯电动系统不仅可以快速充电,也能够实现快速换电。针对重载商用车,为了实现快速换电,我们专门研发了相应的快换系统,它可以实现购车成本的有效降低。在运营效率方面,由于只是换电,不需要等时间充电,效率也有效的提高了。而且车辆如果不包括电池,销售成本也比较低。这套快换系统现在已经开始在国内推广应用,众多整车企业经过验证开始使用重卡换电业务。

  04、氢能源电池商用车的技术研发现状

  下面介绍一下在长途重载商用车领域占主流的氢燃料技术发展现状和趋势。

  目前,国际上(代表企业)有丰田、日野,美国Nikola公司以及通用汽车,戴姆勒奔驰,韩国现代等。其中,戴姆勒奔驰推出了单车一次加氢80公斤能够达到1000公里续驶里程的液氢重卡,代表了长途物流领域的电动化取得了显著进展。

  我们团队也在长期聚焦燃料电池商用车的研究,从事了液氢重卡相关的研发,并且培育了燃料电池商用车发动机企业亿华通。轻型商用车方面,在年产2万台的规模下,燃料电池轻卡已经具备了跟柴油车竞争的实力。重型商用车板块,重点是要突破800—1000公里以上的(车型),因为500公里以下纯电动基本上已经可以商业化了,比如49吨的半挂牵引车的商用化问题。为了解决这个问题,燃料电池还面临一些技术的瓶颈,一个是储氢密度,就是车载储氢系统的储氢密度;一个是燃料电池的耐久性、功率密度和成本,我们正在展开攻关。

  05、新能源商用车未来的发展趋势

  首先,燃料电池的寿命需要突破25000小时,做到整车的同寿命。其次是整车的能效,尤其是散热需要突破,能够保证燃料电池发动机持续100公里/小时的散热能力。第三是储氢系统,在5万套的产能下,要做到80公斤储氢(成本)3万块钱,这是三大关键技术。如果这三大关键技术得以突破,那么预计在2025年前后就能够实现燃料电池商用车的大规模产业化。

  介绍一下具体的技术实现路径。

  首先,要选择高效的燃料电池发动机,也就是燃料电池发动机正常工作时的效率要高达60%—65%。这需要提高发电效率、降低空压机能耗,同时电堆的功率密度要保证在一个适当的范围。

  当前我们国家燃料电池膜电极的水平是,大概在0.8V时能够发0.4—0.5安倍/平方厘米的电流密度。将来通过材料的改进,希望能够做到0.8V可发1安培/平方厘米的电流密度。同时,在耐久性方面将有一系列的突破,到2025年实现2万—2万5千小时的耐久性,也就是能够实现跟整车同寿命。

  在整车散热方面,我们将持续推动整车的能耗下降。这里主要是四项关键技术:第一,把整车的迎风面积和风阻系数有效降低。就是通过高效的电动化技术,使得电传动的效率提高10%,相应对燃料电池的发动机效率也会降低。其次,是通过整车的风阻系数的下降。比如现在的平头车的风阻系数大概在0.55左右,将来可以降到0.35,未来还可以进一步下降到0.2几。现在轿车方面,有很多电动化的新能源轿车风阻系数已经降到0.2几了。

  第三项技术是智能网联技术。智能网联的技术能够带来什么好处呢?举一个例子,在高速公路上,如果两辆车连着开,它们的间距可以是0.5米、2米、4米或者8米。当车和车之间的间距是4米时,两辆车连着开,第一辆车能够比单个车开节省18.9%的风阻系数,第二辆车能够节省75%的风阻系数,两辆车综合下来平均节能超过10%。通过这样的智能化车队的技术,能够显著节省在长途高速工况下的重载车辆能耗。

  假设三辆车连在一起开,它的能耗仅仅是每辆车单独开的75%,节能效率可以达到25%以上。通过这样的技术,大幅度降低了燃料电池发动机整车的功率,从而解决了整车散热的问题。预计到2025年前后,如果把重卡的风阻系数降到0.35,燃料电池的效率从现在的45%提高到52%,那么由于队列驾驶和智能驾驶技术,在每小时100公里的时速下,单车能耗将从现在的13.87公斤下降到队列驾驶环境下的6.8公斤。也就是原来的14公斤氢现在能够跑原来2倍的航程,续驶里程提高100%,这是非常显著的。所以商用车目前面临着的技术变革,是未来推动新能源智能商用车发展的基础。

  最后一点,储氢方面的成本将取得明显突破。跟LNG一样,一个80公斤的液氢的储氢罐,在5万套的量产情况下,成本只需要3万块钱人民币。通过这样的技术,能够大幅度降低整车成本,从而实现燃料电池智能商用车的产业化。预计我国2025年-2030年间,燃料电池重卡会迎来爆发式的增长。

  这是今天报告的主体内容,谢谢大家。

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