未來電動(dòng)式動(dòng)力總成系統(tǒng)及產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向

【日】 加藤克司

0 概述

汽車工業(yè)正迎來百年一遇的變革期。以車聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、服務(wù)與共享、電動(dòng)化為核心的四大領(lǐng)域正改變著汽車行業(yè)。其中，串聯(lián)式混合動(dòng)力車(SHEV)、輕度混合動(dòng)力車(MHEV)、插電式混合動(dòng)力車(PHEV)、純電動(dòng)車(BEV)、增程式電動(dòng)車(REEV)、燃料電池車(FCV)等車輛的動(dòng)力總成系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)件發(fā)生了較大的變化。人們通常將BEV、REEV、FCV這3款車型統(tǒng)稱為電動(dòng)車(EV)。

1 世界汽車電動(dòng)化的發(fā)展

幾年前，各國政府以大眾(Volkswagen)公司發(fā)生的柴油車召回事件為契機(jī)，加強(qiáng)了對汽車廢氣排放的限制。此前，歐洲的汽車制造商認(rèn)為，由于針對清潔柴油車的廢氣排放對策造成柴油車成本大幅增加，導(dǎo)致柴油車競爭力大幅降低。隨著越來越多的大城市開始禁止柴油車駛?cè)胧袇^(qū)，柴油車銷售量快速下降。因此，汽車制造商紛紛調(diào)整發(fā)展策略，推動(dòng)汽車的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。

世界主要國家正在逐年收緊汽車CO2排放量限值。歐盟制定了相關(guān)法規(guī)，要求各汽車制造商生產(chǎn)的汽車CO2排放量在2021年降至95 g/km以下，并進(jìn)一步規(guī)定，到2030年CO2排放量限值須在2021年CO2排放量限值的基礎(chǔ)上再降低37.5%(圖1)。同時(shí)，歐盟還公布了對CO2排放未達(dá)標(biāo)的汽車制造商的處罰標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定CO2排放量超出1 g/km，每輛車將被處以95 歐元的高額罰款。為避免繳納罰金，汽車制造商需要快速推進(jìn)汽車的電動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程，并從能滿足法規(guī)要求的其他生產(chǎn)商購入積分。在德國，政府與汽車制造商正以50%的優(yōu)惠力度向 EV車型的購買者發(fā)放巨額補(bǔ)助金來促進(jìn)汽車電動(dòng)化。

圖1 世界各國乘用車市場CO2及燃油耗法規(guī)動(dòng)向

在奧巴馬政府時(shí)期，美國已制定了企業(yè)平均燃油經(jīng)濟(jì)性(CAFE)的強(qiáng)化法規(guī)，并在12個(gè)州引進(jìn)了零排放車輛(ZEV)法規(guī)(表1，圖2)。2018年，美國在特朗普政府時(shí)期發(fā)布了放寬CAFE法規(guī)和廢除ZEV限制的措施，多個(gè)州也提出了反對CAFE強(qiáng)化法規(guī)的申訴，目前尚未決定相關(guān)的新規(guī)定。最近，加利福尼亞州發(fā)布了強(qiáng)化ZEV的法規(guī)，宣布到2035年將完全禁售內(nèi)燃機(jī)車輛和HEV?？梢灶A(yù)計(jì)，新一屆政府的方針、政策將恢復(fù)到原來的強(qiáng)化CAFE路線，為此很多汽車制造商已經(jīng)開展了滿足法規(guī)強(qiáng)化的工作。

圖2 2018年后美國的ZEV法規(guī)執(zhí)行情況

表1 美國ZEV法規(guī)的實(shí)施規(guī)則

中國從2019年開始仿效美國ZEV法規(guī)的新能源汽車(NEV)法規(guī)，并實(shí)施了為購置NEV的用戶提供高額補(bǔ)助和免費(fèi)牌照的政策，以促進(jìn)電動(dòng)車輛的發(fā)展。近期，中國政府還發(fā)布了新的政策，要求到2035年，約有50%的新車為NEV，剩余的汽油車需要更換成混合動(dòng)力汽車(HEV)。

日本于2020年3月公布了1項(xiàng)目標(biāo)，首次采用“從油井到車輪”的CO2排放量評價(jià)方法，要求到2030年，CO2排放量降至91 g/km，同時(shí)要求乘用車的燃油耗限值比2016年車輛實(shí)際燃油耗下降32.4%，燃油耗法規(guī)得以強(qiáng)化。研究人員預(yù)計(jì)，新的EV、PHEV也將被列入執(zhí)行法規(guī)的對象。

綜上所述，在世界主要地區(qū)，隨著對CO2排放的限制，對ZEV法規(guī)的強(qiáng)化，以及補(bǔ)助金優(yōu)待政策的推出，PHEV的銷售量將會(huì)快速增加。圖3示出了歐洲五國2019年的新車市場銷售情況。德國、法國、英國這3個(gè)國家的EV與PHEV合計(jì)市場份額首次超過10%，德國的EV市場份額首次達(dá)到8%。

圖3 2019年歐洲五國新車銷售輛數(shù)中EV、PHEV的市場份額

2 未來動(dòng)力總成配置的預(yù)測

在2015年召開的第21屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)(COP21)上，與會(huì)國對減少CO2排放達(dá)成一致意見。2016年，175個(gè)國家和地區(qū)簽署巴黎協(xié)定，設(shè)定了全球氣溫升幅控制目標(biāo)，即與工業(yè)革命前的氣溫相比，各國政府需要控制全球溫度升幅，使其低于2 ℃，力爭低于1.5 ℃。為此，國際能源機(jī)構(gòu)(IEA)發(fā)布了為控制全球氣溫升高的世界汽車動(dòng)力總成配置圖(圖4)。但是，如果各汽車制造商僅以巴黎協(xié)定中所規(guī)定的本國CO2減排為目標(biāo)，則難以達(dá)成控制全球溫度升幅小于2 ℃的目標(biāo)。這需要各國政府采取更積極的減排措施。2020年3月，歐盟發(fā)布了到2050年，溫室氣體(GHG)實(shí)際排放為零的政策；2020年9月，中國政府提出了到2060年，中國GHG實(shí)際排放為零的目標(biāo)；2020年10月，日本發(fā)布了到2050年GHG實(shí)際排放為零的目標(biāo)。各國政府也正積極地研究和討論當(dāng)前車輛的CO2排放法規(guī)、上述提及的從油井到車輪的CO2排放量評價(jià)方法、歐洲的CO2排放全生命周期(LCA)評價(jià)法等政策法規(guī)。圖5示出了各國運(yùn)用LCA評價(jià)方法比較各車型CO2排放量的情況。由于各國用于發(fā)電的能源構(gòu)成不同，采用煤炭火力發(fā)電的中國、印度產(chǎn)生的CO2較多；而在日本，由于提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，HEV產(chǎn)生的CO2排放量比BEV更少。為了應(yīng)對全球氣候變暖，各國需要降低占GHG大部分份額的CO2排放。因此，各國需要重點(diǎn)利用CO2排放量較少的太陽能、水力、風(fēng)能等可再生能源。

圖4 世界動(dòng)力總成配置情況

圖5 2030年按LCA評價(jià)法的CO2排放量比較

3 各種電動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)動(dòng)向

目前，由于法規(guī)要求及執(zhí)行優(yōu)惠政策等因素，BEV的銷售量有了一定提升。電動(dòng)車大量使用的鋰離子電池(LiB)在充電時(shí)間、使用壽命、可配裝性、安全性、成本等方面還存在較多問題，雖然LiB的改進(jìn)技術(shù)在不斷優(yōu)化，但是LiB性能的提升空間仍有限。BEV如要廣泛普及，研究人員需要對電池體系進(jìn)行改良并實(shí)用化，使其像全固態(tài)電池和鋰空氣電池那樣具備安全性高、可配裝性好等優(yōu)點(diǎn)。如果電池充滿電的BEV續(xù)航里程延長至與加滿燃料的汽油車?yán)m(xù)航里程相近，其充電時(shí)間也與燃油填充時(shí)間相同，電池成本大幅下降，同時(shí)快速充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施逐步完善，則BEV銷量在未來十年內(nèi)將會(huì)快速增長。

與BEV一樣，PHEV的銷量也在增長。在歐洲，根據(jù)CO2排放量計(jì)算有利的超級積分制度，各汽車制造商能輕易滿足CAFE標(biāo)準(zhǔn)的CO2排放量要求，并滿足購買PHEV和EV時(shí)可獲補(bǔ)助金的優(yōu)惠政策。因此，為減少罰金，汽車制造商也增加了PHEV的銷售量。

在繼日本汽車制造商采用了SHEV技術(shù)之后，德國也有5家汽車制造商聯(lián)合開發(fā)了MHEV，并將其電壓規(guī)格統(tǒng)一為48 V，比高壓的SHEV車型具有更簡化的安全保護(hù)對策。因此，MHEV車型的系統(tǒng)成本增加部分較SHEV車型減少了50%。MHEV車型的CO2排放量減少了8%～15%，相當(dāng)于SHEV車型的50%。就技術(shù)而言，與SHEV相比MHEV的技術(shù)更容易被引進(jìn)，MHEV在歐洲及中國的應(yīng)用也在逐步增長。MHEV車型的電機(jī)輸出功率由原來的20 kW提升到了30 kW。目前，燃油經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)一步提升的高功率版MHEV車型已處于研發(fā)應(yīng)用階段。

目前，日本汽車制造商生產(chǎn)的HEV在世界上占據(jù)了較大的市場份額。但在歐美及中國，由于HEV受到比EV和PHEV更為嚴(yán)格的銷售限制，預(yù)計(jì)HEV的銷售限制還將被進(jìn)一步收緊。目前，歐美各國已出現(xiàn)了將在2030—2040年禁止銷售HEV的動(dòng)向。為了在世界范圍內(nèi)普及SHEV，擁有SHEV領(lǐng)先技術(shù)的豐田汽車公司向其他汽車制造商提供了目前正在量產(chǎn)的豐田新一代混合動(dòng)力(THS-Ⅱ)系統(tǒng)，以及簡易型的HEV系統(tǒng)。隨著各國相關(guān)法規(guī)的逐步強(qiáng)化，預(yù)計(jì)未來采用SHEV車型的汽車制造商會(huì)進(jìn)一步增加。

FCV加滿氫燃料后的續(xù)航里程為650 km，其加滿氫燃料的時(shí)間與汽油車加滿燃油時(shí)間大致相同，約為3 min。但是，由于加氫站的設(shè)置費(fèi)用及建設(shè)費(fèi)用都較高，而使用氫燃料的車輛相對較少，整體核算利潤較低，因此，F(xiàn)CV及加氫站均未得到普及。最近，中國政府制定了目標(biāo)，要成為世界一流的FCV生產(chǎn)大國，并于2020年9月發(fā)布了FCV核心開發(fā)企業(yè)的激勵(lì)制度，促進(jìn)以大型卡車和公共汽車為主的FCV開發(fā)計(jì)劃。日本豐田汽車公司于2020年將新一代FCV MIRAI車型投入市場。該車型的續(xù)航里程為850 km，且實(shí)現(xiàn)了低成本化。日本政府還將與相關(guān)企業(yè)合作，力求實(shí)現(xiàn)加氫站的普及。未來，隨著FCV價(jià)格的下降和加氫站的增加，F(xiàn)CV車型的數(shù)量也會(huì)得到相應(yīng)的增加。

受相關(guān)法規(guī)強(qiáng)化和政府優(yōu)惠政策的影響，汽車制造商制定了相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃，計(jì)劃在1～2年內(nèi)向市場投放新型的EV及PHEV車型。

4 原有產(chǎn)品及新產(chǎn)品的技術(shù)動(dòng)向

4.1 受電動(dòng)化影響的原產(chǎn)品

由于BEV無須配裝發(fā)動(dòng)機(jī)，因此與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的一些零部件也可取消(圖6)。由于電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的特性不同，變速器可用減速器替換，因此原有發(fā)動(dòng)機(jī)的約3萬個(gè)零部件可減少至約2萬個(gè)。但是，由于HEV、PHEV及REEV 配裝了發(fā)動(dòng)機(jī)，其相關(guān)車型仍保留了一定數(shù)量的發(fā)動(dòng)機(jī)及零部件。

圖6 汽車電動(dòng)化后可取消及需增加的零部件

4.2 新型產(chǎn)品技術(shù)動(dòng)向

電動(dòng)車的核心技術(shù)是電機(jī)、電池及動(dòng)力控制模塊(PCU)(圖7)。備受關(guān)注的新產(chǎn)品是集電機(jī)、PCU、減速器于一體的電動(dòng)車橋單元(eAxle)，其具有小型化、輕量化、低成本化等特點(diǎn)。國內(nèi)外供應(yīng)商均對該產(chǎn)品的實(shí)用性開展過探討，特別是關(guān)注PCU的功率半導(dǎo)體，如碳化硅(SiC)半導(dǎo)體引起了研究人員的關(guān)注。表2示出了幾種功率半導(dǎo)體材料的特性。SiC半導(dǎo)體的性能比目前使用的硅半導(dǎo)體性能有了較大提升，但成本也相應(yīng)提高了。氧化鎵(Ga2O3)作為SiC的下一代功率半導(dǎo)體材料同樣也引起了研究人員的關(guān)注。目前，研究人員已開始了相關(guān)研發(fā)工作。由于Ga2O3材料的成本低、容積小，預(yù)計(jì)2030年后該材料在功率半導(dǎo)體中的應(yīng)用將會(huì)增加(圖8)。主要汽車制造商未來的電動(dòng)化策略詳見表3。

圖7 電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)差異與核心技術(shù)

表2 幾種功率半導(dǎo)體材料的特性

表3 主要汽車制造商的電動(dòng)化策略

圖8 功率半導(dǎo)體的市場趨勢預(yù)測

4.3 車載動(dòng)力電池技術(shù)動(dòng)向

BEV中最重要的產(chǎn)品是動(dòng)力電池。隨著汽車電動(dòng)化在全世界的普及，市場上出現(xiàn)了電池供應(yīng)不足的現(xiàn)象，為促進(jìn)電動(dòng)車市場的穩(wěn)步發(fā)展，各汽車制造商在確保本公司配套系列產(chǎn)品外，也增加了新的電池供應(yīng)商。也有部分汽車制造商，例如特斯拉汽車公司，為降低電池成本，計(jì)劃自行生產(chǎn)動(dòng)力電池。

當(dāng)前，作為主流動(dòng)力電池的LiB，其電解質(zhì)為可燃性液體，具有引起泄漏及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，且電池性能有限。2020年上半年起，性能更強(qiáng)、安全性及配裝性更好的全固態(tài)電池已投入使用；一些創(chuàng)新型電池，如鋰空氣電池、氟化物離子電池、鋅空氣電池等也正在研發(fā)過程中。

4.4 其他新產(chǎn)品動(dòng)向

為實(shí)現(xiàn)汽車電動(dòng)化，亟待解決的課題是在EV車型上配裝可用于車內(nèi)供暖的大型熱源。EV車型使用大量消耗電能的PTC加熱器和熱泵，由于熱泵的快速供暖性能較差，且在超低溫下的供暖能力較弱，因此熱泵需要與PTC一起使用。研究人員采用了1款改良的電動(dòng)壓縮機(jī)，可以使EV車型在-20 ℃的室外溫度條件下實(shí)現(xiàn)供暖。盡管如此，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，其供暖性能依然較弱，且耗電量大，導(dǎo)致續(xù)航里程大幅降低。研究人員需要對此進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

汽車電動(dòng)化的新系統(tǒng)是內(nèi)置輪轂電機(jī)(圖9)。該系統(tǒng)在車輪附近搭載驅(qū)動(dòng)電機(jī)以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)各車輪，且目前使用的驅(qū)動(dòng)軸與差速器等部件可以取消，從而實(shí)現(xiàn)車輛輕量化，并擴(kuò)大了車輛內(nèi)部空間。但是，在車輛振動(dòng)及浸水等嚴(yán)格的使用環(huán)境下，如何制定相應(yīng)的對策仍是亟待解決的課題。各國政府也在積極推進(jìn)動(dòng)力轉(zhuǎn)向、穩(wěn)定器及壓縮機(jī)等設(shè)備的電動(dòng)化。

圖9 輪轂電機(jī)

4.5 輕量化動(dòng)向

EV車型需要在車上布設(shè)數(shù)百千克的電池，為延長車輛的續(xù)航里程，需要進(jìn)一步減輕整車的質(zhì)量。雖然車身使用高強(qiáng)度材料的比例在增加，但為了實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，需要有效使用鋁合金、阻燃性鎂合金、樹脂等材料。目前，各汽車制造商正在推進(jìn)成本與性能更優(yōu)的多樣性車身材料。鋁材的比強(qiáng)度好于鋼材，可用于實(shí)現(xiàn)車身輕量化，而鎂合金的密度比鋁材小30%，比強(qiáng)度也較高。目前，部分汽車制造商正在使用的樹脂材料有碳纖維與合成纖維復(fù)合形成的熱硬化性碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)，其比強(qiáng)度是鋼材的10倍，而密度僅為鋼材的25%，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化要求的材料之一。但是，該材料成型時(shí)間長，成本是鋼材的10倍。隨著材料成型加工工藝的發(fā)展，預(yù)計(jì)CFRP成型時(shí)間將大幅縮短。作為樹脂材料，不論是熱硬化性CFRP、新型的低成本熱塑性CFRP，還是可將植物纖維降解至納米級別的纖維素納米纖維(CNF)材料，都需要加快實(shí)用化發(fā)展。其中，CNF材料的密度僅為鋼材的20%，強(qiáng)度卻是其5倍以上。

5 結(jié)語

汽車工業(yè)每隔100年都會(huì)迎來重大的變革。為了加速汽車電動(dòng)化，很多汽車制造商加強(qiáng)與新興企業(yè)的合作，并積極推動(dòng)除本公司系列配套產(chǎn)品以外的零部件供應(yīng)。

在未來高性能的車載動(dòng)力電池投入開發(fā)應(yīng)用后，EV車型的續(xù)航里程將不斷延長，加之充電基礎(chǔ)設(shè)施的普及和充電時(shí)間的大幅縮短，汽車電動(dòng)化將得到切實(shí)的推廣和普及。如果汽車零部件供應(yīng)商能準(zhǔn)確把握電動(dòng)化新產(chǎn)品的需求，充分發(fā)揮本公司優(yōu)勢，并在新的領(lǐng)域投入一定的人力資源，產(chǎn)品研發(fā)不局限于傳統(tǒng)產(chǎn)品系列，則公司業(yè)務(wù)將得到進(jìn)一步拓展。