新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)在國防領(lǐng)域的應(yīng)用展望

清華大學(xué)汽車系汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室 李建秋 胡家毅

經(jīng)過15年的持續(xù)研發(fā)，我國新能源汽車已經(jīng)步入國際先進水平的行列，電池技術(shù)、電機技術(shù)、燃料電池技術(shù)和電子控制技術(shù)獲得了長足的發(fā)展，新能源汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始在質(zhì)量水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模上居于國際前列。新能源汽車的核心關(guān)鍵技術(shù)為我國國防領(lǐng)域的車輛和相關(guān)裝備的動力升級提供了可能，如何將新能源汽車領(lǐng)域的先進零部件技術(shù)、動力系統(tǒng)技術(shù)與國防的特種需求相結(jié)合，推動我國國防裝備的跨越式發(fā)展，是當(dāng)前軍民融合領(lǐng)域非常值得探討的重要課題。本文對國內(nèi)外新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，并就軍民融合發(fā)展的思路和定位進行了探討。

一、我國新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀和前景預(yù)測

（一）研發(fā)部署

近15年來，我國始終將新能源汽車作為國家的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，制定了詳細(xì)的科技攻關(guān)和研發(fā)布局，圖1為我國在“十三五”期間制定的新能源汽車總體研發(fā)布局，并設(shè)立了新能源汽車國家重點專項，從基礎(chǔ)科學(xué)問題、系統(tǒng)集成技術(shù)、共性核心關(guān)鍵技術(shù)、集成開發(fā)和示范等4個層次，圍繞基礎(chǔ)部件和材料、汽車動力系統(tǒng)學(xué)、網(wǎng)聯(lián)車輛信息學(xué)等內(nèi)容，針對燃料電池動力系統(tǒng)、混合動力系統(tǒng)、純電動系統(tǒng)開展攻關(guān)，突破動力電池與電池管理、電機驅(qū)動與電力電子、電子控制與智能技術(shù)等共性核心關(guān)鍵技術(shù)，形成基礎(chǔ)設(shè)施、集成示范和國際合作3個平臺。

（二）實際效果

圖1 “十三五”期間《新能源汽車》科技重點專項戰(zhàn)略規(guī)劃布局

近年來，國家在新能源汽車研發(fā)方面的持續(xù)投入，開始形成研發(fā)人員、基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)生態(tài)優(yōu)勢。從2015年以來，我國新能源汽車銷量始終保持高速增長態(tài)勢，從2015年的33.1萬輛，增長到2016年的50.7萬輛，再到2017年的77.7萬輛，進入2018年以來，1-11月的新能源汽車銷量已經(jīng)超過100萬輛。圖2為汽車工業(yè)協(xié)會公布的近3年的新能源汽車銷售量，其中，1-5月新能源汽車銷量同比增長量在91%～450%以上；2018年7月以來，在汽車月度產(chǎn)銷量同比下降、市場略顯低迷的大背景下，新能源汽車仍能實現(xiàn)37%～55%的月度銷量同比增長。我國新能源汽車進入高速發(fā)展階段，并開始在電機及其驅(qū)動技術(shù)、電池及其管理技術(shù)、電子控制技術(shù)等方面形成完整的配套體系，95%的產(chǎn)品研發(fā)和配套為我國自主，形成了相對于傳統(tǒng)汽車更加完整的產(chǎn)業(yè)鏈。2016年和2017年，我國新能源汽車的產(chǎn)銷量占全球產(chǎn)銷量的50%。

以電池為例，2017年我國電池生產(chǎn)量占全球60%，2016年和2017年，全球排名前十的電池企業(yè)全部分布在中、日、韓三國，并且我國總共占據(jù)7個；2017年，全球排名第一的寧德時代新能源科技有限公司（CATL）的電池生產(chǎn)量相對2016年大幅增長，從6.8GW·h增長至12GW·h，成為技術(shù)和產(chǎn)量都排名靠前的電池企業(yè)。日本松下公司為日本唯一一家排名全球前十的電池企業(yè)（主要供貨特斯拉），LG化學(xué)公司和三星SDI公司則主要為歐美企業(yè)供貨。表1為2016年和2017年全球動力電池研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)前十名具體的銷量情況。

預(yù)計到2020年，我國新能源汽車將達到年產(chǎn)200萬輛、保有量500萬輛的規(guī)模；到2025年，純電動轎車開始具備全面與內(nèi)燃機轎車競爭的性價比。電機、電池和電控技術(shù)的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用，為國防領(lǐng)域的軍用車輛電動化打下了產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。

二、國防車輛電動化在國外的發(fā)展情況

國外越來越多的軍用車輛開始了電動化應(yīng)用的趨勢。美國通用動力公司推出了8×8 AHED（先進混合動力）分布式獨立電驅(qū)動演示車，如圖3所示。該車重14.5～18t，采用400kW柴油機-發(fā)電機的APU系統(tǒng)和8臺永磁輪轂電機獨立驅(qū)動，可以實現(xiàn)差動轉(zhuǎn)向等復(fù)雜機動。

圖2 我國近3年的新能源汽車月度銷量（數(shù)據(jù)來自汽車工業(yè)協(xié)會）

表1 2016年和2017年全球動力電池研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)前十名

圖3 美國推出的AHED（先進混合動力）裝甲車

與此類似，瑞典、英國、南非、德國等國家分別推出了采用混合動力電動輪驅(qū)動的輪式戰(zhàn)斗車輛，典型車輛圖片如圖4所示。

日本陸軍正在著手測試一款搭載由三菱重工提供柴油機、日立提供輪轂電機的分布式獨立電驅(qū)動樣車，如圖5所示，其采用6×6驅(qū)動，最大行駛里程超840km，純電狀態(tài)綜合續(xù)航里程超50km，最高車速達130km/h。

近年來，隨著燃料電池技術(shù)的進步，美國通用汽車公司在15年的自主魔力（Autonomy）燃料電池轎車概念的基礎(chǔ)上，于2017年推出了燃料電池智能運輸平臺的無人車輛，如圖6所示。通用汽車公司展示了其正在開發(fā)的燃料電池電動汽車平臺，名叫SURUS，也就是“Silent Utility Rover Universal Superstructure”的縮寫，它是一輛很大的無人駕駛汽車，尺寸和集裝箱差不多，通用汽車公司認(rèn)為SURUS的應(yīng)用范圍很廣，比如用作移動和應(yīng)急發(fā)電設(shè)備，用于貨物運輸，還可以供軍隊使用。

通用汽車公司還開發(fā)了雪佛蘭科羅拉多ZH2氫動力皮卡，如圖7所示，它是一款概念車，目前美軍正在測試該汽車。氫汽車行駛時很安靜，燃料反應(yīng)之后排放為可以飲用的水，軍隊很看重這兩個優(yōu)點，在沙漠地區(qū)，水是保證戰(zhàn)斗乘員的重要補給物質(zhì)。

圖5 日本研發(fā)的分布式電驅(qū)動樣車

圖6 通用汽車公司推出的SURUS燃料電池動力智能無人平臺

燃料電池動力是新能源動力中最具國防應(yīng)用潛力的一種動力，和傳統(tǒng)柴油混合動力系統(tǒng)相比，燃料電池的優(yōu)勢非常明顯：（1）電化學(xué)反應(yīng)溫度低，只有80～95℃，和柴油機的缸內(nèi)燃燒溫度（1500℃）相比，紅外信號低很多；（2）燃料電池電堆反應(yīng)過程沒有機械旋轉(zhuǎn)部件，比較安靜，燃料電池系統(tǒng)中噪聲最大的是空壓機，設(shè)計良好的空壓機的噪聲可以很低，可以長期在前線隱蔽部署；（3）燃料電池的排放物只有水，可以在狹小或者密閉的空間中使用和運行，人機交互性好。也正因如此，燃料電池將來會在水下、陸地、空間等機動平臺上得到廣泛應(yīng)用。

三、我國國防車輛電動化發(fā)展重點思路

（一）基于輪轂電機(In Wheel Motor，IWM)的分布式電驅(qū)動系統(tǒng)

由于國防車輛對機動能力要求很高，需要采用基于新一代輪轂電機或者輪邊電機的分布式驅(qū)動系統(tǒng)，以滿足對高機動能力、高容錯能力和高適應(yīng)能力的要求。圖8為清華大學(xué)提出的一種電動輪總體設(shè)計方案，能夠兼顧解決大爬坡度（60%）要求的大轉(zhuǎn)矩和高速機動（120～150km/h）；同時保證制動、轉(zhuǎn)向和懸架接口。目前需要突破高轉(zhuǎn)矩密度電機的設(shè)計方法和體系，其基本思路如圖9所示，采用直接油冷、混合磁場、端部焊接和方形導(dǎo)體等措施，可以有效提高電機的轉(zhuǎn)矩密度。

（二）基于高功率密度的智能動力單元（Intelligent Power Unit，IPU）

針對國防特種車輛空間緊湊、需求功率大的特點，清華大學(xué)研發(fā)了專門用于發(fā)電和耗功的柴油機-發(fā)電機動力單元，可以對車載功率進行雙向智能化管理：（1）整車需要發(fā)電功率時，由發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電；（2）整車需要消耗制動功率時，由發(fā)電機倒拖發(fā)動機耗功，從而實現(xiàn)整車在不同工況下的功率輸入和功率消耗等功能，因此稱為智能動力單元，典型的高功率密度的智能動力單元如圖10所示。傳統(tǒng)的車用柴油機設(shè)計準(zhǔn)則基本針對機械動力傳動系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，采用低速大轉(zhuǎn)矩技術(shù)路線，發(fā)動機的重量比較大；而采用IPU系統(tǒng)后，需要的是功率而不是轉(zhuǎn)矩，因此發(fā)動機和發(fā)電機可以重新優(yōu)化匹配，從而實現(xiàn)IPU設(shè)計的輕量化和低噪聲，緊湊的IPU便于整車布置。

圖7 通用汽車公司推出的燃料電池軍用皮卡

圖8 重載車輛電動輪設(shè)計方案效果圖

圖9 新一代高轉(zhuǎn)矩密度電機技術(shù)趨勢

圖10 高功率密度的智能動力單元

（三）兼顧底盤機動和上裝電磁發(fā)射的高性能儲能系統(tǒng)（Energy Storage System, ESS）

新能源汽車動力系統(tǒng)中的高性能電池（或者叫儲能系統(tǒng)）是車輛的動力性、經(jīng)濟性的重要保障，也是整車安全性的重要系統(tǒng)。如何設(shè)計高功率密度、高能量密度和高安全性的電池系統(tǒng)，既是底盤動力驅(qū)動和制動的需求，也是上裝武器和裝備的需求。電磁發(fā)射技術(shù)的發(fā)展對脈沖放電的動力電池和儲能系統(tǒng)提出了很高的要求，如何將這些要求與車輛底盤的驅(qū)動和制動系統(tǒng)的儲能特性相結(jié)合，實現(xiàn)整車一體化優(yōu)化設(shè)計，成為未來國防特種車輛的重要發(fā)展趨勢。

清華大學(xué)在動力電池安全性系統(tǒng)集成方面經(jīng)過長期積累，開展了高功率密度（12kW/kg）、高可靠和高安全動力電池系統(tǒng)研究，研發(fā)的電池組在槍擊火燒的情況下不著火、不爆炸，防護等級滿足IP67要求，可以在水浸泡條件下安全工作。與此同時，針對純電動力用的電池系統(tǒng)，開展了一系列SOC、SOH、SOF、SOE、SOS和 SOP等電池內(nèi)部狀態(tài)的研究，電池系統(tǒng)能量密度超過160kW/kg，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。典型的動力電池系統(tǒng)集成及其管理系統(tǒng)如圖11所示。

（四）基于物質(zhì)再循環(huán)的燃料電池動力系統(tǒng)（Fuel Cell Engine, FCE）

清華大學(xué)在燃料電池研發(fā)方面一直處于領(lǐng)先地位，經(jīng)過15年的研發(fā)，已經(jīng)使我國在燃料電池商用車領(lǐng)域達到國際先進水平。如圖12所示，清華大學(xué)研發(fā)的碳板燃料電池電堆的功率密度達到2kW/L，耐久性超過10000h，研發(fā)的燃料電池-動力電池電電混合動力系統(tǒng)，可以兼顧動力性、經(jīng)濟性、耐久性和系統(tǒng)成本，形成了具有中國特色的燃料電池商用車發(fā)展道路。2017年，我國燃料電池商用車?yán)塾嬌a(chǎn)超過1000輛，車輛的性能、規(guī)模居全球前列。

針對國防領(lǐng)域的需求，燃料電池在不同場合可以采用不同的配置和功率大小。清華大學(xué)發(fā)明了一種可以在密閉環(huán)境下運行的物質(zhì)再循環(huán)燃料電池系統(tǒng)，唯一的排放物是液態(tài)水，適用于水下裝備、隧道和密閉空間的發(fā)電系統(tǒng)，可以根據(jù)需求研發(fā)高壓儲氫、液氫儲氫和金屬儲氫等氫系統(tǒng)配置。

四、車輛電動化的軍民融合發(fā)展思路

近年來，經(jīng)過與國防軍工單位的交流與合作，對國防車輛電動化技術(shù)路徑和可持續(xù)發(fā)展有了一些淺顯的認(rèn)識，包括：

（1）國防軍工科研部門由于前期參與電動化的研發(fā)較少，因此，需要加強對新能源汽車領(lǐng)域的零部件研發(fā)水平、研發(fā)進展和未來趨勢的認(rèn)識；清華大學(xué)在民用新能源汽車領(lǐng)域處于引領(lǐng)地位，對整個行業(yè)了解得比較全面，可以引導(dǎo)國防軍工科研部門與民口行業(yè)的對接。

圖11 動力電池系統(tǒng)集成及其管理系統(tǒng)

圖12 清華大學(xué)燃料電池汽車研發(fā)進展

（2）國防軍工科研部門對國防車輛的需求很清楚，傳統(tǒng)民用新能源汽車研發(fā)單位往往不清楚這些國防需求，需要雙方很好地交流才能找到合作的起點。一般的做法是國防軍工單位自己研發(fā)關(guān)鍵零部件，但結(jié)果是規(guī)模和實力等因素導(dǎo)致所研發(fā)的零部件水平往往不如現(xiàn)有民用企業(yè)，充分競爭市場環(huán)境下的民用零部件（電機、電池、電控）企業(yè)具有很強的競爭實力。只是由于國防車輛研發(fā)時間周期長，產(chǎn)量一般又不大，因此，一般先進的民用零部件企業(yè)往往沒有耐心和興趣跟研到底，最后基本放棄進行國防配套工作。

（3）民用新能源汽車零部件企業(yè)具有較強的創(chuàng)新能力和國際競爭力，但是將產(chǎn)品應(yīng)用到軍工領(lǐng)域仍然需要作相應(yīng)的改進設(shè)計，其原因是國防領(lǐng)域?qū)α悴考刑厥庖?，如國軍?biāo)的電磁兼容等；這往往使傳統(tǒng)民用產(chǎn)品無法被直接采購使用。因此，需要雙方開展軍民融合合作工作，把需求和產(chǎn)品定位等前期工作做好，這是合作成功的前提條件；雙方合作在心態(tài)上要匹配，需要探索并摸清軍民融合發(fā)展規(guī)律，只有這樣，新能源汽車及其相關(guān)技術(shù)才有可能真正在國防領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)配套，并在相關(guān)技術(shù)研發(fā)上取得成功。