作者:郑金武 来源:中国科学报 发布时间:2021/3/8 9:23:02
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突破混合动力系统“高性能低成本”桎梏

 

控制技术智能化水平较低,整车油耗较高;缺乏性能好、节油率高、成本低、可靠性好的混动变速箱;功率型电池尚未规模应用,成本居高不下;没有完善的试验评价体系……

作为新能源汽车、燃料电池汽车、节能汽车的核心部件,国内在混合动力控制系统方面的差距,成为众多自主车企的心头之痛。

瞄准技术空白和产业急需,国家新能源汽车技术创新中心(以下简称“国创中心”)主动部署了混合动力高光领域,以油电混合动力系统为目标,重点开发高性能混动变速箱与高功率特性电池,其中高功率特性电池兼顾燃料电池车电电混合动力系统的需求。

技术先进性待提升

混合动力系统主要包含了混动变速箱、混动高功率特性电池、混动发动机(内燃机或燃料电池发动机)、混动整车集成等关键技术。

在国创中心看来,混合动力汽车与燃料电池汽车是节能与新能源汽车重要发展方向。受补贴下降及双积分政策影响,混合动力汽车市场将有大幅增长。根据《节能与新能源汽车技术路线图》, 2025年和2030年国内市场分别需要约1000万和1800万辆混动汽车。混合动力系统有着巨大的市场需求。

但现实的困境是,我国在混合动力技术方面,相比国际先进水平存在明显差距。国创中心混合动力首先专家段志辉介绍,典型A级车混合动力的油耗,我国目前水平约为4.8L/100km,国外约为4.1L/100km;根据《节能与新能源汽车技术路线图》,2025年国内目标为混合动力模式下整车油耗相比传统车水平降低35%以上,典型A级混动油耗降低到3.6L/100km。

在混动变速器方面,我国提出2025年的目标是开发先进、高效率的机电耦合技术,研发8-9挡变速箱;同时,掌握耦合机构与电机集成技术,降低成本,优化系统构型;搭建混合动力平台,实现大规模产业化应用。

此外,混合动力控制方面智能化、信息化融合较少,导致同样构型方案条件下,节油效果、可靠性、寿命等都不如国外水平。

在高功率特性电池方面,国内也尚无成熟的大于200V高压功率型混动电池系统,而国外已有成熟产品,功率可达到30-40 kW,寿命240000次,且价格优势明显。

无论是与国外水平相比,还是满足2025年油耗目标,国内都亟需高水平高集成度混合动力系统(包含混动变速箱、高功率特性电池、混动扁线电机、混动发动机),以应对国际竞争,并满足节能环保政策的油耗要求。

超前布局探索前沿

国创中心针对国产高性能低成本混合动力专用变速箱市场竞争力不足、国产高功率特性电池比较缺少的现状,提前布局了混合动力系统混动变速箱(含混动扁线电机与混动总成控制系统)与高功率特性电池关键技术,并持续关注混动发动机与混动整车集成技术发展。

据悉,在混动变速箱方面,国创中心将开发世界先进水平的混合动力变速器(包含电力变矩器、双输入变速箱、电机及控制器);研发动力总成控制系统及软件,实现驱动控制、模式切换、换挡控制、再生制动等控制功能;设计高效低成本混合动力变速器样机及工程设计,可应用于A级/B级/中小型SUV等乘用车或者轻卡、皮卡、物流车等轻型商用车辆混合动力车型;建立混动总成试验验证评价方法。

段志辉介绍,综合混动变速箱发展趋势,目前主流混动构型为功率分流、串并联、单电机P2(含P2.5)三种。从国外车企现有技术方案与发展方向来看,单电机P2较多,功率分流(PS)、串并联次之;从国内来看,量产混动变速箱中单电机P2与串并联较多。“P2+DCT”是最佳混动技术路线之一。

为此,国创中心采用“P2(eTC)+DCT”方案,将电机、行星排与双输入齿轮箱组合,以形成“双动力+双自由度+双输入”系统。该系统相比现有系统,具有低功耗能耗、低成本、动力性好等优势。方案构型可用于多种车型。

在高功率特性电池方面,世界各国对混合动力车用化学电源进行了较深入的研究,主要集中在高功率充放电、长寿命和安全性能等方面。目前的高功率电芯所使用的负极是钛酸锂和石墨,正极材料的选择相对增加,国外量产混合动力车型所使用的高功率电芯主要以三元材料-石墨负极体系为主。通过高功率电芯的结构方面改进可以提升电芯性能,但是这些技术尚未在HEV电池及系统中进行批量应用。国内对于高电压混动电池系统的专利布局较少。

基于现有材料的性能及行业合作伙伴资源情况,国创中心采用了锂电池技术路线,主要从混合动力电芯体系、混合动力电芯结构、高电压混合动力电池系统三方面展开高功率特性电池的研究。

目前,国创中心采用高电压高功率电池系统,通过对其中单体电芯倍率性能、低温性能的优化,筛选适合混合动力整车要求的电芯,有望使其满足长寿命、耐低温、高可靠性和低成本的要求。国创中心还对高电压电池组在结构设计、散热处理、能量管理、功能安全等方面开展工作。

加速创新成果向应用落地转化

国创中心围绕混合动力系统开发,积极整合产业链相关资源,推动混动方向政企联合试验平台建设,建立行业内混动总成实验测试评价体系,打造行业领先的混合动力系统创新转化平台,打通创新技术到产业化落地的通道。

事实上,如何推动科技创新成果向现实生产力转化,一直是我国科技创新体系中长期存在的症结。国创中心混合动力高光领域,就是要瞄准汽车行业,特别是混合动力领域市场需求,以实现技术到产品的产业化落地为最终目标。

目前,国创中心甄选与识别混合动力方向关键技术,规划了高光项目“高性能低成本混动多挡变速箱”、重点项目“高功率特定电池”、一般项目“混动整车集成”、跟踪项目“混动专用发动机”。以混动变速箱与高功率特性电池为突破口,辅以混动发动力与混合动力整车集成的行业资源整合,建立混合动力的研发、测试及评价系统,突破混动专用变速箱、混动扁线电机、高功率特性电池及混合动力总成控制领域关键技术。

以创建“新能源汽车技术创新策源地+国家战略科技力量”为中心,国创中心积极引领科技战略规划,聚焦技术发展前沿。

同时,以核心技术自主知识产权为依托,基于共研共享原则,国创中心联合整车、变速箱、发动机、电机、电池、电控等业内技术力量,建设并完善自主创新体系,扩展混合动力系统产业链创新资源;联合地方产业链资源,整合混合动力试验需求,建立联合试验室。

对于未来发展,国创中心满怀信心:“我们还将打造混合动力创新转化平台,在技术转化、产业化过程中,引入产业基金等外部资金,聚集落地技术成果转化,形成对标世界先进水平的混合动力拳头产品,破解国产高性能低成本混动专用变速箱市场竞争力不足和高功率电池等部分核心部件国产化问题。”

 
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