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【汽车与环境】上海大学教授罗建:新能源汽车

编辑:健康网 时间:2018-12-18

2018年12月7日-8日,以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨,旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台,通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系,助力实现向汽车强国的转变。来自上海大学的罗建教授在本次论坛上介绍了动力总成与分布式驱动的最新研究成果,以下是演讲实录:


上海大学教授罗建

大家好!每年我都很珍惜这个机会,刚才前面几位老师已经讲的非常仔细、非常具体了,我讲的会稍微轻松一点。

首先是引言,今年达到120万辆以上、2019年达到200万辆大家没什么意见,但是问题在哪呢?昨天有几个专家讲到了,整个乘用车销量的负增长问题,讲到未来还有可能会涨回来,但是从深层次想,我觉得未必,现在我们面临着前有虎后有狼的境地。

一方面是前有虎,事实上共享汽车的发展大大降低了乘用车可能发展的期望,有人做过计算,说在纽约市中心曼哈顿岛上,有六千辆优步就够了。另外,如果将来开发出了一种所谓简单的L3级别的自动驾驶车代替滴滴,那么我们只要有APP就可以把车招来了,人上去人可以自己开,到地方把门一关,自动驾驶车会自己找地方停车或者接下一单。这个事一旦成真,不需要出租车司机,用车成本大大降低,会对造成很大影响。

后有狼是什么?在广大的农村地区,低速电动车火得不得了。有人讲到路权,路权在很多情况下可以有变通。农村、甚至三四线城市,低速电动车会有很大的销量。

总结起来就是刚才那句话,目前看来,以前乘用车每年百分之十几的增长速度恐怕不会再有了。现在很多地方在盲目扩产能,特别很多地方在盲目扩张燃油车的产能,这都是有问题的。

第二个问题,从新能源汽车的销量结构来看,纯还是占大部分,混合动力汽车的概念其实是两套系统,这个成本会比较高。纯电动汽车成本主要在电池上。有两件事需要厘清,我们生活的样本是什么样?上海这个地方平均通勤里程一天来回大概三十公里,50%以上的人是50公里以下,80%以上是80公里以下,少数到了100公里或者200公里,所以在这样的情况下纯电动汽车用于通勤其实是一个挺好的东西。但是它的问题在哪里?纯电动车最大的问题是万一没电了怎么办?这就涉及到充电的问题,对电池来说压力也挺大,每次都是从零开始充到满,为什么要充到满?因为不知道我要到哪里去,我很担心。换个思路想这个问题,其实你需要的是一个充电宝,有了充电宝之后你并不需要天天充满,我们可以在充电这件事情上有更大的容忍性。其实增程器就是个充电宝,这个在电动车的推广上有非常大的空间。

接下来我讲电池,我觉得电池系统能源密度和充电短期内看不到彻底解决办法。还有说500公里要用50度电,5千瓦充电机要充10个钟头,一个钟头充满要50千瓦充电机,燃油车加油是什么概念?我们开车到加油站去,如果前面有三辆车,我就换个加油站。 我希望三分钟加满。如果这样,充50度电,充电桩要一千千瓦,一千千瓦的充电桩多少钱呢?搞个充电站,十个充电桩,有一万千瓦,上海能布多少个?快充是一个看起来很美的概念,但是大家都快充,电力系统怎么办?同时快充本身对电池本身的损害很大。长远看来,城市物流车辆的电动化趋势不可逆转,肯定替代燃料车。物流车辆是生产工具,如果续航里程不够,肯定要使用快充,充的结果就是这个电池坏的很快,如果是家用车也许没那么大的要求。

解决这个问题有两个方向,一个方向就是,在电池没有解决之前,我们有十年、二十年机会去做,从P0电机到P1电机、P2电机、P3电机等等。但是不管是哪个系统,其硬件、控制方面看起来都比较复杂,这个复杂一方面带来成本,另一方面就是整个制造技术要跟得上。串联混合性动力系统是将来的发展趋势,我相信有一天电池的问题是可以解决的,在解决之前我们可能需要接受整车的重量、体积以及电机的成本。

从长远来看,燃料电池也是增程器,其实并没有所谓的燃料电池车,燃料电池是电池的一部分,就是使用燃料电池的电动车。燃料电池很贵的,一般的车在高速开的是二十五千瓦,我们买的车峰值功率大概是一百多千瓦,一百多千瓦的燃料电池和二十五千瓦的燃料电池显然不是一个价钱,现在也没有可能性实现大规模应用。

所以要解决增程器的问题有三个措施:第一就是电动车有了增程器,油耗怎么算?理论是很简单的,三百公里的电车,加满油可以开六百公里,哪怕增程器的油耗是百公里10L,平均算起来也是增程电动车的油耗是5升;第二个,既然有三百公里的行驶里程,那么在使用期间内,有多大的可能去点燃增程器呢?可能10%或者更少;这样平均使用油耗岂不是0.5L/百公里?多好!第三,使用增程器一定会费油?不会,为什么呢?不管是国外还是国内的某些企业,装了增程器的感觉都不好,当其实根本原因在于,我们拿了一台现有的、可变工况的发动机装在电动机上面,然后就说它是增程器发动机,这样效率不可能做高,成本也不可能做下来。

这是另外一个研究方向,这个工况就是小工况区域、极小体积、极高效率、极低成本的。举个例子来讲,丰田现在最高做到42%,有柴油机做到50%了,从发动机出来经过发电机、电动机到轮子,这部分损失10%,其实50%乘以0.9等于45%,还是比丰田最高的工作点42%高。就算点了增程器,总的损耗也不见得比燃油车高,为什么?因为电动车在城里开时,电动车的整个油耗和电耗比燃油车好多了。 但是问题在哪里呢?前两天某品牌车上高速后相关的问题就爆出来了,这么大的车、这么大的阻力,所有的电耗直线上升,续驶里程大大缩水,怎么办?平均25千瓦的功率,搞一个24千瓦的增程器,上高速就点着,保证整个油耗比燃油车还低。因为用的是专门针对24千瓦开发的增程器发动机,相比把100、200千瓦的发动机,运行在24千瓦的工况,效率显然不可同日而语。同时还要平均耗电1度, 50度电可以开50个小时,还有什么续驶里程问题?

另一个是发电机的问题,发电机效率现在可以做到97%,下一步可以到98%,能不能做到99%?没有把握,但可能存在。再一个是微型燃气轮机,速度可以转到5万转、6万转。微型燃气轮机技术并不是汽车搞的,但现在国内有些公司汽车涡轮增压器搞得很好,所以就推动了这个可能性。现在又搞电动的,这是一个电动的涡轮增压器。反过来也就是微型燃气轮机发电机,这个技术是成熟的,而且成本也不见得很高,电动增压器成本不太高,增程器就比较好解决,解决了增程器才可以解决能源问题,解决了增程器问题才能说车的动力系统将来会有各种各样的发展。

扁线电机方面其实带来几个可能性,一个是提高效率,现在扁线电机确实是降低了电阻,但在这个上面,国外企业和中国企业做事不一样。国外企业一开始就说好合作,供应商把生产线设备铺下来,我肯定就卖给你,我不会找别人。中国企业则不同,中国企业找一个企业合作时,就问有没有现成的扁线电机?拿过来我看看。供应商试投了几千万的设备后,搞出扁线电机了,对方说这个电机太长了,回去要改全部的模具。然后说别家的性能好一点,就不跟你玩了,你的设备就白投了,所以没有办法做。

另外,我们讲理想美好的,现实很骨感,投下去之后,订单不足,怎么办?所以自动化是好事,但不是万能的。目前的扁线电机基本上每个槽是半封闭的口,把线圈插进去,像左下角一样,然后焊起来,在焊接的过程当中需要很多设备。退一步半自动化,我可以开一个槽,这个绕组不是插进去,而是放进去,这样绕组就可以做成波绕组,波绕组是连续的就不需要焊了。这也是扁线电机方面可能的发展。

现在回到分布式系统,为什么要提出分布?如果就是要按集中驱动的东西,肯定是最快的。分布式不一样,有各种各样的路况要考虑,现在我们知道车多重和轮子上的摩擦极限在哪里,能够产生最大的转矩是多少,这就是分布的问题。如果分布了,适应性比较。机器人也是这个分布概念。刚才谈到小车1000牛米、1500就够了,大型车辆转矩要求就增加了,不同车辆和不同的加速系统,以及不同的控制系统,对于轴转矩要求是不一样的。这个大车要把一个机械系统动力分配在八个轮子上是很困难的事情,但电机分别控制就可能性更高了。另外小型车,小型车的空间非常紧凑,如果发动机放在轮子上整个驾乘感受好、驾驶空间会很大,这也是分布系统的好处。

去年也有专家谈过,轮毂电机用到乘用车上面估计十年都没有希望,但用到大型专用车辆和小型车辆上是可以。现在有人说轮毂电机贵,但在电动两轮车领域,轮毂电机和中置电机就有各自的优势。大家都很清楚,轮毂电机最大的可能性、最大的好处,一个是改善车辆的运动控制系统,使它能够提升加速性,提升路面安全性。另外一方面,对主机厂来讲,轮毂电机系统材料成本也会增加,但整车装配成本会减少,这是一个标准问题。

其实国内对轮毂电机给予了很大的兴趣,我大致找了一下公开发表的信息。近几年来,大家对轮毂电机都很重视,觉得这是一个方向。在乘用车方面很快应用,还没有看到很明确的可能性。但在专用车辆上很快,比如邮局的车辆、还有低地板公交。轮毂电机应用更大的是两端,一个是专用大型车辆,一个是极小型的车辆。轮毂电机也许颠簸很厉害,需要有高性能的悬挂解决方案。

比较一下Elaphe轮毂电机技术,这些指标其实并不是很细,中间有一个23kg、700Nm转矩,国内2014年的时候已经做到,这个是大家都知道的。Protean是业界的领头羊,实际上在我个人看来,Protean完成了所有测试,已经达到了标准,但现在问题是没有人敢吃螃蟹,没有哪一个主机厂敢用,都等着别人先用,实际上他的系统已经很好了。

各种样机的特点都有,从电机的角度来讲有两个方案:一个方案是直接驱动,这种成本比较高,电机比较大;第二个是电机转速很高,电机体积比较小,需要减速,成本比较低。左边这个是一个电机和减速器,相当于把一个电机和变速箱整个放到轮子里面去,它的可靠性可能是问题。

对于轮毂电机,事实上我们应该跳出传统的桶式电机结构。最近研究表明,有一些盘式电机的结构,这不是新的结构,盘式电机不是一个新的东西,只不过刚出来的时候,其他的技术比如说支撑技术、轴承技术,不够支撑它们的应用,所以觉得可靠性会有问题,这几年我们发现很多支撑技术和轴承,其实也可以做的很可靠,这样的话盘式电机这些电机结构有前途,第一,它的转矩很大。所以盘式电机可以比桶式电机转矩高一些,这是一点。另外一点是损耗,电机面临最大的问题是轻载高速,但是盘式电机可以做到铁损耗非常小,甚至有的可以做到没有铁损耗,这是电机发展可能要看的方向。

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