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2021百人會雲論壇|李建秋:商用車的未來在於電動化、重卡換電和液氫電池

2021-01-18 作者:木子 來源:中國申通香港運費

  2020年新能源汽車市場在疫情壓力下表現仍然活躍,實現年銷136.7萬輛,創歷史新高。回顧2020,展望2021,以“新發展格局與汽車產業變革”為主題的2021中國電動汽車百人會論壇在1月15-17日於北京舉行。

清華大學車輛與運載學院院長 李建秋

  活動現場,清華大學車輛與運載學院院長 李建秋髮表了演講,主要觀點如下:

  1、分佈式驅動與集中驅動電動化是未來的趨勢。

  2、針對重卡的換電系統,重卡換電系統對於續航短的重載車輛更有意義。

  3、針對我們國家物流的主力,長途重載商用車領域,比較理想的解決方案是氫燃料電池動力系統。

  4、 氫能燃料電池技術在商用車尤其重卡上面應用,仍然面臨兩個挑戰,一個挑戰是來自於儲氫方面的挑戰,儲氫系統的密度和儲氫系統的成本。二是燃料電池的挑戰,它的耐久性和功率密度,和燃料電池的成本。

  5、到2025年,氫能燃料電池技術在重卡上的運用基本能實現。

  以下為演講實錄:

  尊敬的各位專家,各位線上的朋友們,大家下午好!

  非常高興有這個機會能夠做一個商用車,尤其是在電動化方面的研發進展,我爭取按照主持人的要求,15分鐘把這個報告講完。

  我將介紹三個方面的主要內容。

  首先,電動化第一個對象就是怎樣在電動化這一塊兒做出我們的特色,主要是比較分佈式驅動與集中驅動的優勢和未來的發展方向。

  第二塊,針對重卡的換電系統,純電換電系統做一個簡單的介紹。

  第三塊,針對我們國家物流的主力,長途重載商用車領域,比較理想的解決方案是什麼,我們也做一個分析。

  首先看第一部分,電動、電動,首先是電機驅動,但是電機怎樣驅動,重型車輛比較重,有分佈式驅動,也有集中驅動,分佈式驅動又分了四種,輪轂電機,不帶減速器的,也有輪轂電機帶減速器的,還有輪邊電機的方案。

  目前全球範圍內來講,這五種方案都有人在研究,而且都有人在做相關的產品,發展還是非常豐富的。

  以前傳統機械的動力往往是梯形的驅動結構,發動機、變速箱、傳動軸,兩個驅動橋,電動化以後,也有用這樣貫穿橋的方式,這樣整個系統的成本能夠低一些,但是我們更追求創新、效率更高的做法。

  所以,我們就對國內外做了很多的分析,大家可以看到,有輪轂電機直接驅動的,也有帶輪邊減速器的,我們通常説的電動輪的方案,也有兩極減速,輪邊驅動的方案,比如説ZF-AVE130,這是結構參數,整個橋的重量。

  也有直接把電機通過傳動軸傳到輪邊的方案,輪邊還是傳統的結構,電機取代原來中央橋的位置,這個現在也有不少的方案。

  最普通的是這種方案,傳統的集中驅動的方案,但是大家可以看到,電機輸出端到最後的輪邊,綜合效率大概是80%幾。

  我們認為這個效率偏低了,而且傳統的機械傳動沒有特別大的靈活性。

  所以改進的方向是什麼呢?就是簡化傳動系統,同時利用電驅來提高效率,減輕重量,節省空間,這裏面也有不同的配置,比如説Axle Tech,他們做的是雙電機的方案。

  也有因為梯形的動力傳動方式必須要用上齒輪,錐齒輪,能不能把錐齒輪去掉呢?高速階段它的效率不是很高,因此就出現了同軸佈置的方案。

  還有乾脆用電動輪的方案,我們也對國內外電動輪的方案做了綜述,這裏提出兩種比較有特色的,或者説代表將來真正的電動橋發展的方向。

  一種是集中驅動的方案,就是上面的這張圖,左右各有兩個小的電機,這個電機的轉速可以高一些,通過輪邊減速,輪邊跟傳統的機械,包括懸架,制動都是一樣的。目前根據我們電機的水平,這個橋殼,把電機放在橋殼裏面,這個橋殼的尺寸跟傳統的驅動橋的尺寸重量也都差不多。

  當然還有一種更革命的做法,就是下面這張圖,直接把這個電機也做在輪轂裏面,變成輪轂電機驅動的電動橋,但是就要佔用原有的空間,整個系統必須重新設計。這樣的方案能不能可行呢?我們就來探索這樣的方案。我們做了一個電動輪的原型,參數是這樣的。

  如果我們做到了一級減速,傳動效率是比較高的,同時重量也比較輕,整個成本在批量狀態下,也能降得比較低,所以我們認為,將來沒準輪邊驅動,或者是輪轂驅動的電動橋,把這個橋的效率提高,將來可能會是一種發展的方向和趨勢。

  這個我們做了一個樣車,這是橋的照片,整個中間的承載橋,加上兩邊的電機和減速器大概是800公斤的重量,跟傳統集中驅動的優勢還是很明顯的,一是重量輕了,二是效率高了。這是我們做的樣車,跟福田一起,分別研發了35噸級載貨車和49噸級物流車。

  最近我們也做了一個,將來可以針對公交車,18米的公交車有驅動橋,也有轉向橋,也有轉向驅動橋,能不能針對轉向驅動橋做成電動輪的方案呢?我們也做了,現在能夠把所有的自動、承重、驅動都放在輪網裏面,這個我們現在已經有一個客户在試裝。能夠做到一萬牛米,整個電動輪的重量是200公斤左右,重量是比較輕的,對於簧下質量慢慢已經不敏感了,用的是盤式的制動器,電動輪本身的關鍵零部件,包括電機,包括減速器的結構,都做了相關的研究和探索。我們也對電動輪的效率進行了測試,總的來説,現在研發的進展還是比較順利的。

  電動輪之後,要對整車的控制進行優化,控制策略跟原來也不一樣了,比如説要有電子差矩控制這些工作,整個動力系統跟智能化控制結合在一起,就變成這樣一個分層的架構。總之,電驅這一塊兒,電動輪相應的技術會得到更大的發展。

  第二部分,有一些續航短的重載車輛特別適合純電動,我們調研了各家的整車企業,純電動帶來的問題是什麼?電池的成本比較高,充電需要的時間比較長,所以我們提出了一個問題,能不能換電,這是我們換電的思路,這樣我們就做了一個換電的重卡和換電站,現在也建立了換電的聯盟,我們正在推廣應用這套東西,將來它在城市的建築車輛,就是市內運行方面非常有市場。

  第三,解決省際物流,我們國家重卡最重要的是經濟的命脈,一般800到1000公里重載的長途物流對應的排放、油耗、二氧化碳排放都是比較高的,我們有沒有比較好的解決方案。

  目前國內外大家可以看到,各家都陸續推出了這樣的牽引車的燃料電池動力系統,我們也對這一塊兒進行了相關的分析和論證,認為在重載領域,氫燃料電池還是有他的優勢的。尤其是在發動機的技術,燃料電池發動機技術慢慢成熟的情況底下,包括我們的,也包括國內有很多家企業在這些方面,大家陸續開始把燃料電池往重卡方向應用。

  氫能燃料電池技術在商用車尤其重卡上面應用,仍然面臨兩個挑戰。

  一個挑戰是來自於儲氫方面的挑戰,儲氫系統的密度和儲氫系統的成本。

  二是燃料電池的挑戰,它的耐久性和功率密度,和燃料電池的成本。

  我們認為將來真正面對長途重載領域能夠應用的,應該達到這樣的指標,我們現在跟這個指標差多少呢?大概差五年的時間,也就是到2025年,這些問題基本上能夠解決,所以我們也做了一個發展的路線,到2025年,電堆的功率密度應該能做到5-6千瓦/升,成本隨着批量的增加,會降到1000塊錢一千瓦。

  這相當於200千瓦重卡的燃料電池發動機,發動機本身不到20萬,比如説我們大概是16萬左右,800塊錢一個千瓦,加上液氫儲氫系統,它的成本實際上跟LNG的成本是差不多的,一個1000L的LNG的系統是三萬多塊錢,我們能做到五萬塊錢的液氫系統,這樣的話,無論是我們的分析,還是AVL的分析結果,燃料電池動力系統的成本,在柴油動力和純電動動力的情況底下,不論是現在,還是將來,重量都是最輕的,就是運輸效率會提高。

  所以因為這個原因,我們也跟福田一起合作,在研發35噸和49噸的重卡,這裏面就有不同的版本,有采用高壓氣氫儲氫的方案,也有液氫儲氫的方案。我們學校重點是面向未來,所以我們就探索採用液氫儲氫的方案。

  兩個500L的氫氣瓶能夠裝60公斤左右的液氫,按照30噸級的重卡百公里的耗氫量應該是7公斤到8公斤左右,所以60公斤就能夠跑五六百公里,是沒有問題的,勻速的情況下,能超過800公里。這個配置就能夠比較好地滿足將來長途物流的方案。

  去年9月8號,我們發佈了液氫電動輪的重卡,把三項技術整合在一起,大功率的燃料電池發動機,液氫的儲氫系統,再加上電動輪的電驅動橋。這個我們已經做出了樣車,正在調試。

  將來隨着燃料電池系統的效率提高和驅動系統效率的提高,我這兒給大家算了一下,按照風阻係數0.55的情況下,36噸的重載車輛按照100公里/小時,它的氫耗應該是七點幾公斤,這就可以大幅度降低氫耗。

  還有一個版本,因為最近我們有一家企業推出了風阻係數是0.37的重卡,把風阻係數降下來,大家可以看到,再過五年左右,到2025年,燃料電池的系統效率可以做到60%,這是在部分符合的情況底下,如果按照這個來算,百公里耗氫量進入6公斤以內,燃料的成本就會顯著的降低,這是我們將來發展的一個方向。

  我認為這三個技術結合,會是未來商用車的發展的重要方向,我的報告就到這裏,謝謝大家。

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