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2021百人会云论坛|李建秋:商用车的未来在于电动化、重卡换电和液氢电池

2021-01-18 作者:木子 来源:中国城市公交网

  2020年新能源汽车市场在疫情压力下表现仍然活跃,实现年销136.7万辆,创历史新高。回顾2020,展望2021,以“新发展格局与汽车产业变革”为主题的2021中国电动汽车百人会论坛在1月15-17日于北京举行。

清华大学车辆与运载学院院长 李建秋

  活动现场,清华大学车辆与运载学院院长 李建秋发表了演讲,主要观点如下:

  1、分布式驱动与集中驱动电动化是未来的趋势。

  2、针对重卡的换电系统,重卡换电系统对于续航短的重载车辆更有意义。

  3、针对我们国家物流的主力,长途重载商用车领域,比较理想的解决方案是氢燃料电池动力系统。

  4、 氢能燃料电池技术在商用车尤其重卡上面应用,仍然面临两个挑战,一个挑战是来自于储氢方面的挑战,储氢系统的密度和储氢系统的成本。二是燃料电池的挑战,它的耐久性和功率密度,和燃料电池的成本。

  5、到2025年,氢能燃料电池技术在重卡上的运用基本能实现。

  以下为演讲实录:

  尊敬的各位专家,各位线上的朋友们,大家下午好!

  非常高兴有这个机会能够做一个商用车,尤其是在电动化方面的研发进展,我争取按照主持人的要求,15分钟把这个报告讲完。

  我将介绍三个方面的主要内容。

  首先,电动化第一个对象就是怎样在电动化这一块儿做出我们的特色,主要是比较分布式驱动与集中驱动的优势和未来的发展方向。

  第二块,针对重卡的换电系统,纯电换电系统做一个简单的介绍。

  第三块,针对我们国家物流的主力,长途重载商用车领域,比较理想的解决方案是什么,我们也做一个分析。

  首先看第一部分,电动、电动,首先是电机驱动,但是电机怎样驱动,重型车辆比较重,有分布式驱动,也有集中驱动,分布式驱动又分了四种,轮毂电机,不带减速器的,也有轮毂电机带减速器的,还有轮边电机的方案。

  目前全球范围内来讲,这五种方案都有人在研究,而且都有人在做相关的产品,发展还是非常丰富的。

  以前传统机械的动力往往是梯形的驱动结构,发动机、变速箱、传动轴,两个驱动桥,电动化以后,也有用这样贯穿桥的方式,这样整个系统的成本能够低一些,但是我们更追求创新、效率更高的做法。

  所以,我们就对国内外做了很多的分析,大家可以看到,有轮毂电机直接驱动的,也有带轮边减速器的,我们通常说的电动轮的方案,也有两极减速,轮边驱动的方案,比如说ZF-AVE130,这是结构参数,整个桥的重量。

  也有直接把电机通过传动轴传到轮边的方案,轮边还是传统的结构,电机取代原来中央桥的位置,这个现在也有不少的方案。

  最普通的是这种方案,传统的集中驱动的方案,但是大家可以看到,电机输出端到最后的轮边,综合效率大概是80%几。

  我们认为这个效率偏低了,而且传统的机械传动没有特别大的灵活性。

  所以改进的方向是什么呢?就是简化传动系统,同时利用电驱来提高效率,减轻重量,节省空间,这里面也有不同的配置,比如说Axle Tech,他们做的是双电机的方案。

  也有因为梯形的动力传动方式必须要用上齿轮,锥齿轮,能不能把锥齿轮去掉呢?高速阶段它的效率不是很高,因此就出现了同轴布置的方案。

  还有干脆用电动轮的方案,我们也对国内外电动轮的方案做了综述,这里提出两种比较有特色的,或者说代表将来真正的电动桥发展的方向。

  一种是集中驱动的方案,就是上面的这张图,左右各有两个小的电机,这个电机的转速可以高一些,通过轮边减速,轮边跟传统的机械,包括悬架,制动都是一样的。目前根据我们电机的水平,这个桥壳,把电机放在桥壳里面,这个桥壳的尺寸跟传统的驱动桥的尺寸重量也都差不多。

  当然还有一种更革命的做法,就是下面这张图,直接把这个电机也做在轮毂里面,变成轮毂电机驱动的电动桥,但是就要占用原有的空间,整个系统必须重新设计。这样的方案能不能可行呢?我们就来探索这样的方案。我们做了一个电动轮的原型,参数是这样的。

  如果我们做到了一级减速,传动效率是比较高的,同时重量也比较轻,整个成本在批量状态下,也能降得比较低,所以我们认为,将来没准轮边驱动,或者是轮毂驱动的电动桥,把这个桥的效率提高,将来可能会是一种发展的方向和趋势。

  这个我们做了一个样车,这是桥的照片,整个中间的承载桥,加上两边的电机和减速器大概是800公斤的重量,跟传统集中驱动的优势还是很明显的,一是重量轻了,二是效率高了。这是我们做的样车,跟福田一起,分别研发了35吨级载货车和49吨级物流车。

  最近我们也做了一个,将来可以针对公交车,18米的公交车有驱动桥,也有转向桥,也有转向驱动桥,能不能针对转向驱动桥做成电动轮的方案呢?我们也做了,现在能够把所有的自动、承重、驱动都放在轮网里面,这个我们现在已经有一个客户在试装。能够做到一万牛米,整个电动轮的重量是200公斤左右,重量是比较轻的,对于簧下质量慢慢已经不敏感了,用的是盘式的制动器,电动轮本身的关键零部件,包括电机,包括减速器的结构,都做了相关的研究和探索。我们也对电动轮的效率进行了测试,总的来说,现在研发的进展还是比较顺利的。

  电动轮之后,要对整车的控制进行优化,控制策略跟原来也不一样了,比如说要有电子差矩控制这些工作,整个动力系统跟智能化控制结合在一起,就变成这样一个分层的架构。总之,电驱这一块儿,电动轮相应的技术会得到更大的发展。

  第二部分,有一些续航短的重载车辆特别适合纯电动,我们调研了各家的整车企业,纯电动带来的问题是什么?电池的成本比较高,充电需要的时间比较长,所以我们提出了一个问题,能不能换电,这是我们换电的思路,这样我们就做了一个换电的重卡和换电站,现在也建立了换电的联盟,我们正在推广应用这套东西,将来它在城市的建筑车辆,就是市内运行方面非常有市场。

  第三,解决省际物流,我们国家重卡最重要的是经济的命脉,一般800到1000公里重载的长途物流对应的排放、油耗、二氧化碳排放都是比较高的,我们有没有比较好的解决方案。

  目前国内外大家可以看到,各家都陆续推出了这样的牵引车的燃料电池动力系统,我们也对这一块儿进行了相关的分析和论证,认为在重载领域,氢燃料电池还是有他的优势的。尤其是在发动机的技术,燃料电池发动机技术慢慢成熟的情况底下,包括我们的,也包括国内有很多家企业在这些方面,大家陆续开始把燃料电池往重卡方向应用。

  氢能燃料电池技术在商用车尤其重卡上面应用,仍然面临两个挑战。

  一个挑战是来自于储氢方面的挑战,储氢系统的密度和储氢系统的成本。

  二是燃料电池的挑战,它的耐久性和功率密度,和燃料电池的成本。

  我们认为将来真正面对长途重载领域能够应用的,应该达到这样的指标,我们现在跟这个指标差多少呢?大概差五年的时间,也就是到2025年,这些问题基本上能够解决,所以我们也做了一个发展的路线,到2025年,电堆的功率密度应该能做到5-6千瓦/升,成本随着批量的增加,会降到1000块钱一千瓦。

  这相当于200千瓦重卡的燃料电池发动机,发动机本身不到20万,比如说我们大概是16万左右,800块钱一个千瓦,加上液氢储氢系统,它的成本实际上跟LNG的成本是差不多的,一个1000L的LNG的系统是三万多块钱,我们能做到五万块钱的液氢系统,这样的话,无论是我们的分析,还是AVL的分析结果,燃料电池动力系统的成本,在柴油动力和纯电动动力的情况底下,不论是现在,还是将来,重量都是最轻的,就是运输效率会提高。

  所以因为这个原因,我们也跟福田一起合作,在研发35吨和49吨的重卡,这里面就有不同的版本,有采用高压气氢储氢的方案,也有液氢储氢的方案。我们学校重点是面向未来,所以我们就探索采用液氢储氢的方案。

  两个500L的氢气瓶能够装60公斤左右的液氢,按照30吨级的重卡百公里的耗氢量应该是7公斤到8公斤左右,所以60公斤就能够跑五六百公里,是没有问题的,匀速的情况下,能超过800公里。这个配置就能够比较好地满足将来长途物流的方案。

  去年9月8号,我们发布了液氢电动轮的重卡,把三项技术整合在一起,大功率的燃料电池发动机,液氢的储氢系统,再加上电动轮的电驱动桥。这个我们已经做出了样车,正在调试。

  将来随着燃料电池系统的效率提高和驱动系统效率的提高,我这儿给大家算了一下,按照风阻系数0.55的情况下,36吨的重载车辆按照100公里/小时,它的氢耗应该是七点几公斤,这就可以大幅度降低氢耗。

  还有一个版本,因为最近我们有一家企业推出了风阻系数是0.37的重卡,把风阻系数降下来,大家可以看到,再过五年左右,到2025年,燃料电池的系统效率可以做到60%,这是在部分符合的情况底下,如果按照这个来算,百公里耗氢量进入6公斤以内,燃料的成本就会显著的降低,这是我们将来发展的一个方向。

  我认为这三个技术结合,会是未来商用车的发展的重要方向,我的报告就到这里,谢谢大家。

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