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        2020全球汽车产业峰会 | 一汽新能源赵慧超:未来混动动力技术发展与总成选择

        2020-11-03 来源:盖世直播 

        10月28日-29日,由嘉定政府支持,国家特聘专家汽车组及盖世汽车联合主办的“2020第十二届全球汽车产业峰会暨第八届汽车与环境创新论坛”隆重召开。此次论坛以“思辨谋局,创新落地”为主题邀请百名权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在新形势、新格局和常态化疫情防控下,有序发展的思路举措。会议期间,中国一汽新能源开发院副院长赵慧超发表了题为“未来混动动力技术发展与总成选择”的主旨演讲。

        电池,全球汽车产业峰会

        以下为演讲实录:

        大家好!谢谢蔡博士的介绍,今天我们讨论的话题是“未来”混动,而不是“下一代”,因此需要是适当地发散思维,今天我将会把针对“未来”混动的一些设想和解决方案提出来,希望能够给大家提供参考。

        目前混动的技术路线还是多元化的,百家争鸣。这是因为现阶段各个公司根据自身情况,诸如资源和技术掌握情况、成本的控制情况有不同的选择,同时,很多公司已有成熟的变速箱和发动机产业链,不能一下子放弃原有的产业基础。

        针对“未来”,我们应该从真正的汽车属性和用户需求的角度去分析混合动力技术路线。    

        本次汇报共分四个部分,首先为大家介绍一下大的背景,然后是混动技术的现状,之后设想未来对于混动系统在发动机、电池、电驱动这几个方面可能的需求和解决方案,最后有一些观点供大家参考。

        从乘用车及动力总成市场预测来看,未来仍会是节能汽车和新能源汽车长期并存的状态,但电气化的比例会逐渐提高。国际范围内48V和混动占比略高于国内,国内的发展重心是EV和xHEV,随着补贴政策变化以及市场需求的双重驱动,高效节能HEV已经成为新的重点。前两天发布的《技术路线图2.0》进一步明确了油耗目标,2030年的需求是百公里3.2L,2035年就是2.0L了,用传统的技术是难以实现的,目前市场上表现较好的产品也达不到3.2L的水平,因此所有的技术都要进行升级。

        从上半年全球混动乘用车市场热销车型及动力总成技术特点调研中可以发现两点:一是HEV的销量远大于PHEV,丰田的产品在前十位中占据七席,丰田之所以在市场有这么好的表现,得益于丰田从90年代起就面向节能需求进行顶层设计、开发专用技术,使其做到了极致的节能;二是紧凑型、经济型车以HEV居多,中大型、高性能、豪华车以PHEV居多。

        通过对国内市场上主要的混动动力技术构型及分布进行调研,不难发现,混动技术多种多样,百家争鸣。但是经过这些年大家不断的摸索以及在市场上的实践,混动技术路线正在逐渐收敛为单电机驱动和双电机驱动两大类。单电机构型一般通过负载率调整提升发动机效率,节油效果有限,多搭配PHEV方案,动力叠加使其动力性较好。双电机构型有利于提升能量转换效率,工况油耗普遍更佳,驱动更多依靠电机,对动力性要求不高以控制成本。丰田已经明确了这条技术路线,并且没有为了追求更高的动力性增加成本,而基本维持与传统车相当或略好的水平。

        据我了解,在混动技术上,尤其是节能效果方面,国内大多数公司的混动产品与日本丰田、本田还有差距,原因主要有以下几个方面:

        第一,相对缺乏基于节能需求的系统层面的顶层设计和针对各总成的需求分解以及产品实现;

        第二,混动系统非常复杂,目前国内各个行业之间,如发动机、变速箱、电机、电池,交流不是特别紧密,难以擦出创新的火花。此外,在某些关键技术上存在短板,想要做一个理想的整体方案是比较难的,一旦有一个短板,整套方案就不完美了。

        第三,现在大部分的公司都有传统车的基础,有传统发动机和变速箱的业务,很难把它们舍弃掉,所以大多在进行小步骤的电动化升级,这种升级与完全正向设计的丰田公司相比竞争力不强。

        接下来展望一下未来汽车产品对混动系统的需求。

        首先,从产品需求来讲,HEV会与EV和PHEV长期并存。HEV生存的关键是要能与EV竞争,因此必须要极致的节能,成本也必须可控,动力要够用,不同车型的动力需求不同,豪华品牌有品牌溢价能力,可以通过增加电驱能力提升动力性。

        其次,从电机电池方面来讲,单位成本持续降低,且下降梯度远远快于传统行业的产品,未来的动力驱动将更倾向于用电驱系统。而发动机可以专心致力于节能,这样有几个好处:第一,可以寻求一个最合理的工况点定点工作,原来很多辅助系统和可变系统就可以省掉;第二,发动机可以把功率做小、体积做小;第三,发动机可以做到低成本,现在的自然吸气发动机成本约五六千元钱,排量基本在1.6L到2.0L,也有VVT技术,直喷增压的发动机则八九千元,再加上低压EGR辅助等就上万元,这都是为了兼顾能量转换率的提升,并满足所有的工况及排放的要求,如果回归到定工况,这些都可以重新考虑,定点开发也相对简单。

        考虑到高节能需求,目前大家普遍采用双电机构型,未来也会延续,并进一步追求高效率的发动机+高效率的发电机,这时的发电机也是定点工作,也要进行设计的创新。传动机构也将随着电机电控的技术进步持续简化以提升效率。

        此外,未来如果可以做定点工况开发,发动机燃烧效率50%将不是极限。发动机定点工作应该做到适当功率、小尺寸、低成本。电驱系统要承担所有的驱动功能,要做到高扭矩、高功率、高转速、高效率、低成本,随着电驱技术的进步,会逐渐向这个方向发展并逐渐达成目标。另外从电池方面,要做到足够大的放电功率以满足电驱动系统性能要求,并且要有合适的能量和可控的成本。

        最后,未来的出行会越来越有规划,将是车路云协同条件下的能量平衡。以红旗H5的车速和驱动功率的需求为例,假设等速每小时120公里,整车的功率需求是低于30kW的,如果时速低于120公里,在城市工况,比如说NEDC或者WLTC工况,整个工况下来,平均功率需求可能不超过20kW。所以,我们可以大胆地设想,由一个30kW持续发电能力和50%的热效率小功率高效发动机、以及一个200kW的高功率电驱系统、加上一个10kWh/20C放电倍率的低成本电池组成的动力系统,成本控制在2万元以下,油耗小于每百公里3L,如果能够实现,与传统动力整车以及EV整车相比都将极具竞争力,功能实现方式上与燃料电池车非常类似,只是能量来源不同,但资源和成本都极具优势。

        基于以上分析,未来的混动发动机可能会和电机驱动完全解耦。匹配传统变速器的发动机无法实现一直工作在高效区,单电机是负荷的偏移,双电机是部分工况可以达到高效区,未来混动电驱总成的发动机将可能实现高效区定点工作,有利于实现超高的燃烧效率,简化结构,降低成本。

        目前电池有三种,一种是能量型,用于纯电动,一种是功率型,用于HEV,还有一种介于两者之间,是功率能量混合型,用于PHEV,未来基于电池电量、放电倍率和成本最佳平衡的混合型电池可能会出现。

        随着节油率提升的要求,电驱比例提升是基本的发展方向。对于传统车,发动机动力输出取决于实际整车动力需求。在单电机系统中,由于电机和发动机是叠加的,只需要少档,而在双动力系统中双档甚至单档即可。现在的双电机系统大部分是混联的,在高速时发动机参与驱动,诸如本田雅阁、三菱欧蓝德等。未来会在现有动力总成的基础上做拓展,发动机不再参与驱动,结构极大简化,同时避免了高速时发动机的效率和排放问题,依靠电机去实现大扭矩、大功率和高转速、高效率。

        目前的混动系统电驱需要新的技术创新,有三种可能的方向。一种是新构型,是由普通电机与传统传动装置构成的多种新型集成方案;第二是新型电机,未来会应用可变绕组、可变磁通等技术实现功率、转速、效率同步提升的新型电机,目前有许多厂家正在研究;第三是与之相匹配的超高速、超大速比非接触式新型传动技术。

        新构型有几个例子可供参考,首先是三档电驱动变速器,来自某国外公司,不是非常适合通常的乘用车,但是在一些特定的场合以及其中的无动中断换挡技术是有应用价值的;其次是双电机两档变速器,既能解决低速扭矩问题又能解决高速功率问题,同时扩大效率区;最后是创新技术的应用,比如轴向磁通电机、电磁离合器及超越离合器、高速齿轮和高速轴承开发以及高效率、大电流、高压化电机系统等,基于这些技术可以有很多创新的构型方案。

        在新型电机方面,一是可变磁通记忆电机,是很早就有的概念,由于工程化难度大、成本高,所以目前研究的单位不是很多,但是从另外一个角度看,如果某个技术对于市场和用户有价值,并且有优化成本的空间,那么它就可能是未来的方向。二是在十年前提出的可变定子绕组电机,通过改变绕组连接或绕组匝数实现宽调速、高效率,高速区采用更少的匝数来减小反电动势以扩大恒功率运行范围,低速区采用多的匝数,以获得更大扭矩,同时实现高效区的扩大。

        新型传动也有两个例子,一是NSK发布的Traction Drive Speed Reducer,靠两个滚子挤压压力油,将油变成一个规则的分子结构从而实现动力传递,可以实现非常高的转速,正好契合了电机高速化的需求。另一个是磁性齿轮,可以实现比较长的寿命。

        最后个人有几个观点和大家分享。

        首先,降低碳排放是未来明确的方向,混动技术必将向着极致节能发展,混动节能的核心要求是提高燃油的能量转换率,各总成都将在此需求的拉动下持续进步,功能逐渐融合,各种新技术工程化应用的边界和实用性尚有待探索,但毫无疑问,新技术及功能融合将引领混动快速发展。

        其次,随着总成技术的进步以及智能网联共享等应用场景的变革,混动系统结构将更简单,功能更完善。

        最后,化石燃料在很长时间内仍会是最经济、最方便的能量来源,混动技术仍有很大的发展潜力,未来混动、插电、增程、EV的边界可能会逐渐趋于模糊,用户仅需关注电能获取方式、驱动性能和TCO成本即可。

        我的分享就到这里,谢谢大家!

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