李建秋：商用車的未來在于電動化、重卡換電和液氫電池技術(shù)

　　以“新發(fā)展格局與汽車產(chǎn)業(yè)變革”為主題的2021中國電動汽車百人會論壇在1月15-17日于北京舉行。清華大學(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院院長李建秋發(fā)表了相關(guān)的主題演講，他表示氫能燃料電池技術(shù)在商用車尤其重卡上面應(yīng)用仍然面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)，一個(gè)挑戰(zhàn)是來自于儲氫方面的挑戰(zhàn)，儲氫系統(tǒng)的密度和儲氫系統(tǒng)的成本，二是燃料電池的挑戰(zhàn)，它的耐久性和功率密度，和燃料電池的成本。

　　以下為演講實(shí)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(gè)機(jī)會能夠做一個(gè)商用車，尤其是在電動化方面的研發(fā)進(jìn)展，我爭取按照主持人的要求，15分鐘把這個(gè)報(bào)告講完。

　　我將介紹三個(gè)方面的主要內(nèi)容。

　　首先，電動化第一個(gè)對象就是怎樣在電動化這一塊兒做出我們的特色，主要是比較分布式驅(qū)動與集中驅(qū)動的優(yōu)勢和未來的發(fā)展方向。

　　第二塊，針對重卡的換電系統(tǒng)，純電換電系統(tǒng)做一個(gè)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(lǐng)域，比較理想的解決方案是什么，我們也做一個(gè)分析。

　　首先看第一部分，電動、電動，首先是電機(jī)驅(qū)動，但是電機(jī)怎樣驅(qū)動，重型車輛比較重，有分布式驅(qū)動，也有集中驅(qū)動，分布式驅(qū)動又分了四種，輪轂電機(jī)，不帶減速器的，也有輪轂電機(jī)帶減速器的，還有輪邊電機(jī)的方案。

　　目前全球范圍內(nèi)來講，這五種方案都有人在研究，而且都有人在做相關(guān)的產(chǎn)品，發(fā)展還是非常豐富的。

　　以前傳統(tǒng)機(jī)械的動力往往是梯形的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)、變速箱、傳動軸，兩個(gè)驅(qū)動橋，電動化以后，也有用這樣貫穿橋的方式，這樣整個(gè)系統(tǒng)的成本能夠低一些，但是我們更追求創(chuàng)新、效率更高的做法。

　　所以，我們就對國內(nèi)外做了很多的分析，大家可以看到，有輪轂電機(jī)直接驅(qū)動的，也有帶輪邊減速器的，我們通常說的電動輪的方案，也有兩極減速，輪邊驅(qū)動的方案，比如說ZF-AVE130，這是結(jié)構(gòu)參數(shù)，整個(gè)橋的重量。

　　也有直接把電機(jī)通過傳動軸傳到輪邊的方案，輪邊還是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，電機(jī)取代原來中央橋的位置，這個(gè)現(xiàn)在也有不少的方案。

　　最普通的是這種方案，傳統(tǒng)的集中驅(qū)動的方案，但是大家可以看到，電機(jī)輸出端到最后的輪邊，綜合效率大概是80%幾。

　　我們認(rèn)為這個(gè)效率偏低了，而且傳統(tǒng)的機(jī)械傳動沒有特別大的靈活性。

　　所以改進(jìn)的方向是什么呢？就是簡化傳動系統(tǒng)，同時(shí)利用電驅(qū)來提高效率，減輕重量，節(jié)省空間，這里面也有不同的配置，比如說Axle Tech，他們做的是雙電機(jī)的方案。

　　也有因?yàn)樘菪蔚膭恿鲃臃绞奖仨氁蒙淆X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(xiàn)了同軸布置的方案。

　　還有干脆用電動輪的方案，我們也對國內(nèi)外電動輪的方案做了綜述，這里提出兩種比較有特色的，或者說代表將來真正的電動橋發(fā)展的方向。

　　一種是集中驅(qū)動的方案，就是上面的這張圖，左右各有兩個(gè)小的電機(jī)，這個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以高一些，通過輪邊減速，輪邊跟傳統(tǒng)的機(jī)械，包括懸架，制動都是一樣的。目前根據(jù)我們電機(jī)的水平，這個(gè)橋殼，把電機(jī)放在橋殼里面，這個(gè)橋殼的尺寸跟傳統(tǒng)的驅(qū)動橋的尺寸重量也都差不多。

　　當(dāng)然還有一種更革命的做法，就是下面這張圖，直接把這個(gè)電機(jī)也做在輪轂里面，變成輪轂電機(jī)驅(qū)動的電動橋，但是就要占用原有的空間，整個(gè)系統(tǒng)必須重新設(shè)計(jì)。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(gè)電動輪的原型，參數(shù)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(shí)重量也比較輕，整個(gè)成本在批量狀態(tài)下，也能降得比較低，所以我們認(rèn)為，將來沒準(zhǔn)輪邊驅(qū)動，或者是輪轂驅(qū)動的電動橋，把這個(gè)橋的效率提高，將來可能會是一種發(fā)展的方向和趨勢。

　　這個(gè)我們做了一個(gè)樣車，這是橋的照片，整個(gè)中間的承載橋，加上兩邊的電機(jī)和減速器大概是800公斤的重量，跟傳統(tǒng)集中驅(qū)動的優(yōu)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(fā)了35噸級載貨車和49噸級物流車。

　　最近我們也做了一個(gè)，將來可以針對公交車，18米的公交車有驅(qū)動橋，也有轉(zhuǎn)向橋，也有轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，能不能針對轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋做成電動輪的方案呢？我們也做了，現(xiàn)在能夠把所有的自動、承重、驅(qū)動都放在輪網(wǎng)里面，這個(gè)我們現(xiàn)在已經(jīng)有一個(gè)客戶在試裝。能夠做到一萬牛米，整個(gè)電動輪的重量是200公斤左右，重量是比較輕的，對于簧下質(zhì)量慢慢已經(jīng)不敏感了，用的是盤式的制動器，電動輪本身的關(guān)鍵零部件，包括電機(jī)，包括減速器的結(jié)構(gòu)，都做了相關(guān)的研究和探索。我們也對電動輪的效率進(jìn)行了測試，總的來說，現(xiàn)在研發(fā)的進(jìn)展還是比較順利的。

　　電動輪之后，要對整車的控制進(jìn)行優(yōu)化，控制策略跟原來也不一樣了，比如說要有電子差矩控制這些工作，整個(gè)動力系統(tǒng)跟智能化控制結(jié)合在一起，就變成這樣一個(gè)分層的架構(gòu)?？傊婒?qū)這一塊兒，電動輪相應(yīng)的技術(shù)會得到更大的發(fā)展。

　　第二部分，有一些續(xù)航短的重載車輛特別適合純電動，我們調(diào)研了各家的整車企業(yè)，純電動帶來的問題是什么？電池的成本比較高，充電需要的時(shí)間比較長，所以我們提出了一個(gè)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(gè)換電的重卡和換電站，現(xiàn)在也建立了換電的聯(lián)盟，我們正在推廣應(yīng)用這套東西，將來它在城市的建筑車輛，就是市內(nèi)運(yùn)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(jīng)濟(jì)的命脈，一般800到1000公里重載的長途物流對應(yīng)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(nèi)外大家可以看到，各家都陸續(xù)推出了這樣的牽引車的燃料電池動力系統(tǒng)，我們也對這一塊兒進(jìn)行了相關(guān)的分析和論證，認(rèn)為在重載領(lǐng)域，氫燃料電池還是有他的優(yōu)勢的。尤其是在發(fā)動機(jī)的技術(shù)，燃料電池發(fā)動機(jī)技術(shù)慢慢成熟的情況底下，包括我們的，也包括國內(nèi)有很多家企業(yè)在這些方面，大家陸續(xù)開始把燃料電池往重卡方向應(yīng)用。

　　氫能燃料電池技術(shù)在商用車尤其重卡上面應(yīng)用，仍然面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)。

　　一個(gè)挑戰(zhàn)是來自于儲氫方面的挑戰(zhàn)，儲氫系統(tǒng)的密度和儲氫系統(tǒng)的成本。

　　二是燃料電池的挑戰(zhàn)，它的耐久性和功率密度，和燃料電池的成本。

　　我們認(rèn)為將來真正面對長途重載領(lǐng)域能夠應(yīng)用的，應(yīng)該達(dá)到這樣的指標(biāo)，我們現(xiàn)在跟這個(gè)指標(biāo)差多少呢？大概差五年的時(shí)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(gè)發(fā)展的路線，到2025年，電堆的功率密度應(yīng)該能做到5-6千瓦/升，成本隨著批量的增加，會降到1000塊錢一千瓦。

　　這相當(dāng)于200千瓦重卡的燃料電池發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)本身不到20萬，比如說我們大概是16萬左右，800塊錢一個(gè)千瓦，加上液氫儲氫系統(tǒng)，它的成本實(shí)際上跟LNG的成本是差不多的，一個(gè)1000L的LNG的系統(tǒng)是三萬多塊錢，我們能做到五萬塊錢的液氫系統(tǒng)，這樣的話，無論是我們的分析，還是AVL的分析結(jié)果，燃料電池動力系統(tǒng)的成本，在柴油動力和純電動動力的情況底下，不論是現(xiàn)在，還是將來，重量都是最輕的，就是運(yùn)輸效率會提高。

　　所以因?yàn)檫@個(gè)原因，我們也跟福田一起合作，在研發(fā)35噸和49噸的重卡，這里面就有不同的版本，有采用高壓氣氫儲氫的方案，也有液氫儲氫的方案。我們學(xué)校重點(diǎn)是面向未來，所以我們就探索采用液氫儲氫的方案。

　　兩個(gè)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(yīng)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(gè)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(fā)布了液氫電動輪的重卡，把三項(xiàng)技術(shù)整合在一起，大功率的燃料電池發(fā)動機(jī)，液氫的儲氫系統(tǒng)，再加上電動輪的電驅(qū)動橋。這個(gè)我們已經(jīng)做出了樣車，正在調(diào)試。

　　將來隨著燃料電池系統(tǒng)的效率提高和驅(qū)動系統(tǒng)效率的提高，我這兒給大家算了一下，按照風(fēng)阻系數(shù)0.55的情況下，36噸的重載車輛按照100公里/小時(shí)，它的氫耗應(yīng)該是七點(diǎn)幾公斤，這就可以大幅度降低氫耗。

　　還有一個(gè)版本，因?yàn)樽罱覀冇幸患移髽I(yè)推出了風(fēng)阻系數(shù)是0.37的重卡，把風(fēng)阻系數(shù)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(tǒng)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(gè)來算，百公里耗氫量進(jìn)入6公斤以內(nèi)，燃料的成本就會顯著的降低，這是我們將來發(fā)展的一個(gè)方向。

　　我認(rèn)為這三個(gè)技術(shù)結(jié)合，會是未來商用車的發(fā)展的重要方向，我的報(bào)告就到這里，謝謝大家。