未來電動式動力總成系統(tǒng)及產品的技術發(fā)展動向

【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)、自動駕駛、服務與共享、電動化為核心的四大領域正改變著汽車行業(yè)。其中，串聯(lián)式混合動力車(SHEV)、輕度混合動力車(MHEV)、插電式混合動力車(PHEV)、純電動車(BEV)、增程式電動車(REEV)、燃料電池車(FCV)等車輛的動力總成系統(tǒng)及其結構件發(fā)生了較大的變化。人們通常將BEV、REEV、FCV這3款車型統(tǒng)稱為電動車(EV)。

1 世界汽車電動化的發(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，加強了對汽車廢氣排放的限制。此前，歐洲的汽車制造商認為，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入市區(qū)，柴油車銷售量快速下降。因此，汽車制造商紛紛調整發(fā)展策略，推動汽車的電動化轉型。

世界主要國家正在逐年收緊汽車CO2排放量限值。歐盟制定了相關法規(guī)，要求各汽車制造商生產的汽車CO2排放量在2021年降至95 g/km以下，并進一步規(guī)定，到2030年CO2排放量限值須在2021年CO2排放量限值的基礎上再降低37.5%(圖1)。同時，歐盟還公布了對CO2排放未達標的汽車制造商的處罰標準，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汽車的電動化發(fā)展進程，并從能滿足法規(guī)要求的其他生產商購入積分。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)放巨額補助金來促進汽車電動化。

圖1 世界各國乘用車市場CO2及燃油耗法規(guī)動向

在奧巴馬政府時期，美國已制定了企業(yè)平均燃油經(jīng)濟性(CAFE)的強化法規(guī)，并在12個州引進了零排放車輛(ZEV)法規(guī)(表1，圖2)。2018年，美國在特朗普政府時期發(fā)布了放寬CAFE法規(guī)和廢除ZEV限制的措施，多個州也提出了反對CAFE強化法規(guī)的申訴，目前尚未決定相關的新規(guī)定。最近，加利福尼亞州發(fā)布了強化ZEV的法規(guī)，宣布到2035年將完全禁售內燃機車輛和HEV。可以預計，新一屆政府的方針、政策將恢復到原來的強化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)，并實施了為購置NEV的用戶提供高額補助和免費牌照的政策，以促進電動車輛的發(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力汽車(HEV)。

日本于2020年3月公布了1項目標，首次采用“從油井到車輪”的CO2排放量評價方法，要求到2030年，CO2排放量降至91 g/km，同時要求乘用車的燃油耗限值比2016年車輛實際燃油耗下降32.4%，燃油耗法規(guī)得以強化。研究人員預計，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)的強化，以及補助金優(yōu)待政策的推出，PHEV的銷售量將會快速增加。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個國家的EV與PHEV合計市場份額首次超過10%，德國的EV市場份額首次達到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 未來動力總成配置的預測

在2015年召開的第21屆聯(lián)合國氣候變化大會(COP21)上，與會國對減少CO2排放達成一致意見。2016年，175個國家和地區(qū)簽署巴黎協(xié)定，設定了全球氣溫升幅控制目標，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，國際能源機構(IEA)發(fā)布了為控制全球氣溫升高的世界汽車動力總成配置圖(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，則難以達成控制全球溫度升幅小于2 ℃的目標。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實際排放為零的目標；2020年10月，日本發(fā)布了到2050年GHG實際排放為零的目標。各國政府也正積極地研究和討論當前車輛的CO2排放法規(guī)、上述提及的從油井到車輪的CO2排放量評價方法、歐洲的CO2排放全生命周期(LCA)評價法等政策法規(guī)。圖5示出了各國運用LCA評價方法比較各車型CO2排放量的情況。由于各國用于發(fā)電的能源構成不同，采用煤炭火力發(fā)電的中國、印度產生的CO2較多；而在日本，由于提高了發(fā)動機的熱效率，HEV產生的CO2排放量比BEV更少。為了應對全球氣候變暖，各國需要降低占GHG大部分份額的CO2排放。因此，各國需要重點利用CO2排放量較少的太陽能、水力、風能等可再生能源。

圖4 世界動力總成配置情況

圖5 2030年按LCA評價法的CO2排放量比較

3 各種電動化系統(tǒng)的技術動向

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。電動車大量使用的鋰離子電池(LiB)在充電時間、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的改進技術在不斷優(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行改良并實用化，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。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續(xù)航里程相近，其充電時間也與燃油填充時間相同，電池成本大幅下降，同時快速充電樁等基礎設施逐步完善，則BEV銷量在未來十年內將會快速增長。

與BEV一樣，PHEV的銷量也在增長。在歐洲，根據(jù)CO2排放量計算有利的超級積分制度，各汽車制造商能輕易滿足CAFE標準的CO2排放量要求，并滿足購買PHEV和EV時可獲補助金的優(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%，相當于SHEV車型的50%。就技術而言，與SHEV相比MHEV的技術更容易被引進，MHEV在歐洲及中國的應用也在逐步增長。MHEV車型的電機輸出功率由原來的20 kW提升到了30 kW。目前，燃油經(jīng)濟性能進一步提升的高功率版MHEV車型已處于研發(fā)應用階段。

目前，日本汽車制造商生產的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更為嚴格的銷售限制，預計HEV的銷售限制還將被進一步收緊。目前，歐美各國已出現(xiàn)了將在2030—2040年禁止銷售HEV的動向。為了在世界范圍內普及SHEV，擁有SHEV領先技術的豐田汽車公司向其他汽車制造商提供了目前正在量產的豐田新一代混合動力(THS-Ⅱ)系統(tǒng)，以及簡易型的HEV系統(tǒng)。隨著各國相關法規(guī)的逐步強化，預計未來采用SHEV車型的汽車制造商會進一步增加。

FCV加滿氫燃料后的續(xù)航里程為650 km，其加滿氫燃料的時間與汽油車加滿燃油時間大致相同，約為3 min。但是，由于加氫站的設置費用及建設費用都較高，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，要成為世界一流的FCV生產大國，并于2020年9月發(fā)布了FCV核心開發(fā)企業(yè)的激勵制度，促進以大型卡車和公共汽車為主的FCV開發(fā)計劃。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，且實現(xiàn)了低成本化。日本政府還將與相關企業(yè)合作，力求實現(xiàn)加氫站的普及。未來，隨著FCV價格的下降和加氫站的增加，F(xiàn)CV車型的數(shù)量也會得到相應的增加。

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

4 原有產品及新產品的技術動向

4.1 受電動化影響的原產品

由于BEV無須配裝發(fā)動機，因此與發(fā)動機相關的一些零部件也可取消(圖6)。由于電機與發(fā)動機的特性不同，變速器可用減速器替換，因此原有發(fā)動機的約3萬個零部件可減少至約2萬個。但是，由于HEV、PHEV及REEV 配裝了發(fā)動機，其相關車型仍保留了一定數(shù)量的發(fā)動機及零部件。

圖6 汽車電動化后可取消及需增加的零部件

4.2 新型產品技術動向

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

圖7 電動車的結構差異與核心技術

表2 幾種功率半導體材料的特性

表3 主要汽車制造商的電動化策略

圖8 功率半導體的市場趨勢預測

4.3 車載動力電池技術動向

BEV中最重要的產品是動力電池。隨著汽車電動化在全世界的普及，市場上出現(xiàn)了電池供應不足的現(xiàn)象，為促進電動車市場的穩(wěn)步發(fā)展，各汽車制造商在確保本公司配套系列產品外，也增加了新的電池供應商。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，計劃自行生產動力電池。

當前，作為主流動力電池的LiB，其電解質為可燃性液體，具有引起泄漏及火災風險，且電池性能有限。2020年上半年起，性能更強、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 其他新產品動向

為實現(xiàn)汽車電動化，亟待解決的課題是在EV車型上配裝可用于車內供暖的大型熱源。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款改良的電動壓縮機，可以使EV車型在-20 ℃的室外溫度條件下實現(xiàn)供暖。盡管如此，與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，其供暖性能依然較弱，且耗電量大，導致續(xù)航里程大幅降低。研究人員需要對此進行進一步優(yōu)化。

汽車電動化的新系統(tǒng)是內置輪轂電機(圖9)。該系統(tǒng)在車輪附近搭載驅動電機以獨立驅動各車輪，且目前使用的驅動軸與差速器等部件可以取消，從而實現(xiàn)車輛輕量化，并擴大了車輛內部空間。但是，在車輛振動及浸水等嚴格的使用環(huán)境下，如何制定相應的對策仍是亟待解決的課題。各國政府也在積極推進動力轉向、穩(wěn)定器及壓縮機等設備的電動化。

圖9 輪轂電機

4.5 輕量化動向

EV車型需要在車上布設數(shù)百千克的電池，為延長車輛的續(xù)航里程，需要進一步減輕整車的質量。雖然車身使用高強度材料的比例在增加，但為了實現(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成本與性能更優(yōu)的多樣性車身材料。鋁材的比強度好于鋼材，可用于實現(xiàn)車身輕量化，而鎂合金的密度比鋁材小30%，比強度也較高。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合形成的熱硬化性碳纖維增強復合材料(CFRP)，其比強度是鋼材的10倍，而密度僅為鋼材的25%，是實現(xiàn)汽車輕量化要求的材料之一。但是，該材料成型時間長，成本是鋼材的10倍。隨著材料成型加工工藝的發(fā)展，預計CFRP成型時間將大幅縮短。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，都需要加快實用化發(fā)展。其中，CNF材料的密度僅為鋼材的20%，強度卻是其5倍以上。

5 結語

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

在未來高性能的車載動力電池投入開發(fā)應用后，EV車型的續(xù)航里程將不斷延長，加之充電基礎設施的普及和充電時間的大幅縮短，汽車電動化將得到切實的推廣和普及。如果汽車零部件供應商能準確把握電動化新產品的需求，充分發(fā)揮本公司優(yōu)勢，并在新的領域投入一定的人力資源，產品研發(fā)不局限于傳統(tǒng)產品系列，則公司業(yè)務將得到進一步拓展。