SAECCE 2020 | 清华大学李建秋：商用车电动化进展及发展趋势

2020中国汽车工程学会年会暨展览会（SAECCE 2020）于2020年10月27-29日在嘉定上海国际汽车城-上海汽车会展中心举办，汇聚汽车及相关行业的企业高层、技术领军人物、资深专家学者、广大科技工作者。10月29日，清华大学车辆与运载学院院长李建秋在本次大会上发表了主旨演讲。

 以下为演讲实录：

我今天报告的题目是商用车电动化的新进展，我将从以下四个方面进行汇报，第一，智能动力单元功能与需求；第二，分布式与集中驱动对比和趋势；第三，换电纯电系统布局优化；第四，长途重载解决方案—液氢+燃料电池；

在座的基本都是搞商用车的，现有的商用车的一些问题在哪里？现在大多数还是基于传统商用车的动力系统的架构，驱动桥不变，传动轴不变，变速箱和电大概要匹配一下，所以我们希望在架构上面要做一些改进。当然在大型的矿卡，比如上百吨的矿卡方面也有基于串联、分布式的混合动力系统。所谓分布就是发电单元可能有多个，驱动单元有多个，电池可能是多个模块，就是电源系统、储能系统、驱动系统都有多个分布式，但是整个架构总体是串联的构型。

下面就针对串联式混合动力系统，对于电源这块的，我们提出来传统的APU主要是以发电为主，柴油带发动机，发出来的电给电池或者电驱动用。但是我们这里提出智能动力单元概念，就是根据整车功率需求柴油和发动机能够协同工作，能够工作在四象限，转矩可正可负。这里面非常重要的就是在发电的状态，就是传统的APU的功能，但是更加重要的是耗功状态，就是重卡下长坡的时候当电池快被充满的时候可以利用发电机倒拖发电机，利用发电机的排气门制动，实现长时间的耗功制动，来减轻机械摩擦制动。通过耗功功能，使得IPU的功率是双向的，既可以输出正功率也可以吸收正功率，实现对商用车整个上坡、下坡安全可控的运行，所以我们这里就把发动机加发电机和控制器叫做智能动力单元。

举一个例子，比如国内现在主要的主机厂在重卡发动机都有排气门制动系统，以潍柴的W10H为例，在大概2500传的时候能够做到大概270千瓦的制动功率，基本上W10H正功率大概290、300，这是输出，吸收能够达到280，这个就非常好，而且串联混合动力下坡的时候发动机的工作转速跟车速是没有关系的，我想要多大的制动功率我把电机倒拖到多大功率就可以了，这是一个非常好的功能，过去几年我们陆续做了一些样机。现在的问题在于传统的车机重量都比较重，300千瓦，大概就是一吨左右，希望降低车辆的重量，因为我要的是电功率，输出要的是电功率，吸收的耗功也是电功率，就跟低速大扭矩不相关了，发动机不用设计的压力不用那么高，所以可以用高速机，一个300千瓦的发动机加上发动机千重才630kg，不仅仅是基于传统机械的发动机系统，混合动力专用发动机可以提出更多新的概念，这块我们做了一个非常重要的工作，就是把300千瓦的发动机和控制器集成在一起，横向的是300，整个外径是500，重量不到200公斤，190公斤。我想就从发电机和控制器性能指标来讲，我想也是国际一流的水平。上一代我们做的是电机+发动机是分开的，因为要倒推发动机所以是永磁机，基本上总重量368，我们现在到190，基本上下降了差不多接近一半左右，这个认为是商用车电动化的一个趋势，就是怎么样把商用车的电机和控制器集成在一起，现在轿车讲三合一，你的机械的减速加擦速和电机、控制器集成在一起，但是下面有展览所有轿车控制器的壳体跟电机壳体其实基本上是分开的，但是你可以看到我们的控制器它的容积基本上跟电机是完全嵌套的，我们解决了一系列的关键技术问题，包括电容的布置，包括电机和控制器是一体化冷却，就是一个冷却的回路，这样就非常简化，电池兼容非常好，电池的温度传感器不用出来了，所以这块我认为是一个技术革命性的变化。

电动化这一块电驱系统怎么做，现在大部分的商用车是基于第五种场景，就是传统的集中驱动的桥，一个电机+减速器或者变速器再加主减，现在出现了轮边的系统，包括这样的和这样的，轮毂的这个我们认为商用车对转矩要求比较高，电机如果直驱的话重量很重，我们看一些典型的例子，比如对轮毂来讲，基本上就是传统的这些。刚才蒋学锋总他介绍到了一个情况，就是混合动力在平原地区油耗改善在5%以下，这是基于传统驱动桥的，我们怎么样把长途货运的，就是在平原地区持续运行的重卡的驱动效率提升，就要从这里面找到一个最佳的解决方案，这是我们要解决的问题。

我们来看E—Traction是直驱，它的电机很大，光是电机本身就400多公斤，算上整个桥是比较重的。

比如也有像Involution Teceknowledge一系列的轮毂电机，可以看到相关的性能，这些我们都快速的过。

在矿用车，非道路机械方面也有。

在国外也有一些军车采用这样的电动轮，比如美国的，英国的。

现在在客车领域典型的像比亚迪、汉德等很多国内很多企业都做了，两级减速，高速电机通过两级减速然后做成低力板的桥，这个方案的问题在那里？就是两级传动还是效率不够高，有典型的例子。

能不能做到一级减速？也有这样的桥，电机放在中间，通过半桥到车轮边一级减速，这种方案我们认为就完全抛开了原有的T型的传动系统，没有上齿轮，没有传统的变速器它的驱动效率就会大大提高。从电机或者发动机输出端到轮边传统的系统只有80%—85%这样一个范围，但是如果看新的驱动桥方案效率都普遍比较高，所以在这个基础上我们开始做概念了，集中驱动能不能减速，这涉及到电机怎么布局，一个电机在中央放不下，能不能变成两个电机，最后我们找到一个方案，就是两个电机也别放中间了，直接搁到轮边，做成轮毂电机的方案，这种方案是非常革命性的，我们经过前面的论证把这个东西做出了样机，这个我们可以看一下，这是我们现在做出来的水平，它到轮边只有一级减速，跟这些比在重量、经济性、成本都有非常好的优势。所以我认为将来围绕重卡电驱桥的轮毂电机的电动化我认为会成为一种趋势，趋势根本推动力在于效率的提升，能够跟跟传统的驱动桥提升10%的效率，传统重卡10%的效率可能一两年我的节油就可以把这个桥的成本给补回来，这是我们做的样机。传统的驱动桥是有鼓包的，我们把这个去掉了，为了兼容传统车桥的悬架还有推力杆我们也做成一样的样子，这个是针对货车的。我们现在能够提供什么样的解决方案？机械桥拆下来换上我的电动桥完全可以，而且我们没有传统轴了，所以整个车架中间可以放电池或者其他的部件，效率提高10%，这是革命性的，所以我们认为在新的形势下面要重视对电动化的趋势，真正从驱动系统做的工作。我们跟福田合作，因为他在北京，我们调试比较方便，今天把这个东西带来也是希望后面能够寻求跟行业的合作，我们认为这是一个好东西，可以跟行业里面推广应用。

这是我们做的一个液氢重卡，基于这个桥的效率比较高，所以我们一次加氢可以到1000公里里程，这个车零部件正在试制，今年年底会完成集成。

利用这个概念针对公交车也做了一个新的电动轮，因为公交车可以是单轮的，可以转向驱动在一起的这样的桥，我们做到1万扭米，整个可以符合盘式制动，很轻，大概只有200多公斤重的电动轮 ，将来公交车的驱动系统也要发生变化了，这是我们的一些基本的参数，大概就是1万扭米的峰值转矩，所有的公交车强制法规都是可以满足的。新一代的电驱系统我认为代表了未来的发展方向，当然在这个基础上我们也发展了分布式驱动，多个电动轮怎么样协调控制我们现在也有整车控制的整个方案，比如有基于自动驾驶的驱动系统集成的控制，这个就是将来商用车电动化的标杆，针对单轮转向的和整体承载式的驱动桥我们都有相应的解决方案。

换电，专门有一个团队针对城市里面城建的重卡我们专门做了换电的设计，整个电池箱能够一下子给取下来，三分钟完成换电，这样的话电池可以在换电站得到很好的充电，像北京的重卡只能晚上作业，这样的话一个车可以整个晚上都可以工作，这些技术我们都已经开发并且在做产业化，这是相关的技术，包括换点的系统总成，这个车本身无人自动驾驶，到了那儿无人自动换电，换完电就走了，这个将来对工地现代化，无人的管理是非常好的。

大家知道燃料电池国内各家都在做，我们也在探索，我们前面做客车为主，但是这两年我们客车慢慢的产业化了，交给企业了，所以我们也在开始做重卡，针对商用车主要技术挑战现在就是2500小时，预计2025年会达到，功率密度500瓦/公斤现在已经做到了，基本上其他的都能做到，成本还需要进一步的下降，这是我们认为未来燃料电池发展的一个趋势。今年我们大概4千瓦/升的很多家已经做到了，2025年我们认为会达到5—6千瓦/升，我认为2025年燃料电池在耐久性整车同寿命会达到，从2025年到2030年燃料电池成本规格会跟柴油相当，就是100块钱1千瓦的时候，100个千瓦、200个千瓦基本上就跟柴油的动力装置就差不多了，现在降的很快，这次已经出现了3000块钱一个千瓦的堆了，而且现在国产化体系，百分之百的国产化这个成本会下降非常快，我认为这是将来的一个主要发展趋势。

现在针对8×4和6×4，8×4的主要是城建车辆，就是集装箱或者渣土、水泥、搅拌，我们做了一个液氢重卡，就是所有的零部件都在重卡上面，这边是液氢罐子，中间是电池，然后电动桥，然后是发动机在这儿，整个底片重量跟传统传统柴油的重量是一样的，续航里程也是一样的，我们这个车能到800公里的续航里程，综合工况能够达到600公里，现在这个车已经出来了，9月份我们做了发布。

总的来说希望通过这些技术能够让商用车的电动化有一个全新的概念，就是不再依赖于传统的机械的动力传动系统，而是要有全新的设计理念，包括效率的改进，可靠性的改进，排放的改进，耐久性的改进，因为学校要做创新的东西，怎么样产业落地，刚才蒋总介绍的是更接近现在产业化落地的方案，我们现在提供的方案应该说是未来有可能也可以产业化落地，但是是更加革命性，在技术性能上更有创新性。我们得到的结论是，经过这些新技术的变革，燃料电池、液氢、电动轮的重卡会给将来的长途重载货车的电动化提供一个非常可行的绿色的解决方案，现在我们做这个车的成本还比较高。液氢这块跟LNG的系统很像，液氢只是温度低一点，它的压力并不高，所以它可以用不锈钢来做罐子，在批量状态下它就是LNG的成本，而LNG的成本现在很多地方已经大规模产业化了，所以我认为把LNG的发动机换成燃料电池，把LNG的系统换成LH，然后把原来T型的驱动动力传动装置变成现在的电动桥，我认为这个将来是革命性的，而且能够在经济性等各方面都能算过来这个账，我的报告就到这里，谢谢大家。

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（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅，仅作为参考资料，请勿转载！）