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新能源汽车关键技术在国防领域的应用展望

2020-02-14来源:小王聊社会

经过15年的持续研发,我国新能源汽车已经进入国际先进水平的行列,电池技术、电机技术、燃料电池技术和电子控制技术获得了长足的发展,新能源汽车相关的产业已经开始在质量水平和规模上居于国际前列。新能源汽车的核心关键技术为我国国防领域的车辆和相关装备的动力升级提供了可能,如何将新能源汽车领域的先进零部件技术、动力系统技术与国防的特种需求相结合,推动我国国防装备的跨越式发展,是当前军民融合领域非常值得探讨的重要课题。本文对国内外新能源汽车发展现状进行了综述,并就军民融合发展的思路和定位进行了探讨。

关键词:新能源汽车;分布式电驱动;动力电池;燃料电池


一、 我国新能源汽车发展现状和前景预测

(一)研发部署

近15年来,我国始终将新能源汽车作为国家的战略性新兴产业,制定了详细的科技攻关和研发布局,图1为我国在“十三五”期间制定的新能源汽车总体研发布局,并设立了新能源汽车国家重点专项,从基础科学问题、系统集成技术、共性核心关键技术、集成开发和示范等4个层次,围绕基础部件和材料、汽车动力系统学、网联车辆信息学等内容,针对燃料电池动力系统、混合动力系统、纯电动系统开展攻关,突破动力电池与电池管理、电机驱动与电力电子、电子控制与智能技术等共性核心关键技术,形成了基础设施、集成示范和国际合作3个平台。


新能源汽车关键技术在国防领域的应用展望


图1 “十三五”期间《新能源汽车》科技重点专项战略规划布局


(二)实际效果

近年来,国家在新能源汽车研发方面的持续投入,开始形成研发人员、基础设施和产业生态优势,从2015年以来,我国新能源汽车销量始终保持高速增长态势,从2015年的33.1万辆,增长到2016年的50.7万辆,再到2017年的77.7万辆,进入2018年以来,1~11月的新能源汽车销量已经超过100万辆。图2为汽车工业协会公布的近3年的新能源汽车销售量,其中,1~5月新能源汽车销量同比增长量在91%~450%以上,2018年7月以来,在汽车月度产销量同比下降、市场略显低迷的大背景下,新能源汽车仍能实现37%~55%的月度销量同比增长。我国新能源汽车进入高速发展阶段,并开始在电机及其驱动技术、电池及其管理技术、电子控制技术等方面形成完整的配套体系,95%的产品研发和配套为国内自主,形成了相对于传统汽车更加完整的产业链。2016年和2017年,我国新能源汽车的产销量占全球50%。


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图2 我国近3年的新能源汽车月度销量(数据来自汽车工业协会)


以电池为例,2017年我国电池生产量占全球60%,2016年和2017年,全球排名前十的电池企业全部分布在中、日、韩三国,并且我国总共占据7个;2017年,全球排名第一的宁德时代新能源科技有限公司(CATL)的电池生产量相对2016年大幅增长,从6.8GW·h增长至12GW·h,成为技术和产量都排名靠前的电池企业。日本松下公司为日本唯一的排名前十的电池企业(主要供货特斯拉),LG化学和三星SDI主要为欧美企业供货。

表1 2016年和2017年全球动力电池研发和生产企业前十名


排名

2016年

2017年

企业

国家

销量(GW·h)

企业

国家

销量(GW·h)

状态变化

1

松下

日本

7.20

CATL

中国

12.00

大幅增长

2

比亚迪

中国

7.10

松下

日本

10.00

大幅增长

3

CATL

中国

6.80

比亚迪

中国

7.20

微增

4

沃特玛

中国

3.20

沃特玛

中国

5.50

大幅增长

5

LG化学

韩国

2.53

LG化学

韩国

4.50

大幅增长

6

国轩高科

中国

2.40

国轩高科

中国

3.20

中幅增长

7

力神

中国

1.80

三星SDI

韩国

2.80

大幅增长

8

比克

中国

1.30

北京国能

中国

1.90

大幅增长

9

三星SDI

韩国

1.07

比克

中国

1.60

微增

10

中航锂电

中国

0.70

孚能科技

中国

1.30

大幅增长


预计到2020年,我国新能源汽车将达到年产200万辆、保有量500万辆的规模;到2025年,纯电动轿车开始具备全面与内燃机轿车竞争的性价比。电机、电池和电控技术的规模化生产和应用,为国防领域的军用车辆电动化打下了产业基础。

二、国防车辆电动化在国外的发展情况

国外越来越多的军用车辆开始了电动化的趋势。美国通用动力公司推出了8×8 AHED(先进混合动力)分布式独立电驱动演示车,见图3。该车重14.5~18t,采用400kW柴油机-发电机的APU系统和8台永磁轮毂电机独立驱动,可以实现差动转向等复杂机动。

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图3 美国推出的AHED(先进混合动力)装甲车

与此类似,瑞典、英国、南非、德国等国分别推出了采用混合动力电动轮驱动的轮式战斗车辆,典型车辆图片如所示。


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图4 各国研发的电动轮样车

(从左到右:瑞典阿尔维斯赫格隆公司SEP、英国QinetiQ、南非大山猫)


日本陆军正在着手测试一款搭载由三菱重工提供柴油机、日立提供轮毂电机的分布式独立电驱动样车,如图5所示,其采用6×6驱动,最大行驶里程超840km,纯电状态综合续航里程超50km,最高车速达130km/h。

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图5 日本研发的分布式电驱动样车

近年来,随着燃料电池技术的进步,美国通用汽车公司在15年的自主魔力(Autonomy)燃料电池轿车概念的基础上,于2017年推出了燃料电池智能运输平台的无人车辆,如图6所示。通用汽车展示了公司正在开发的燃料电池电动汽车平台,名叫SURUS,也就是“Silent Utility Rover Universal Superstructure”的缩写,它是一辆很大的无人驾驶汽车,尺寸和集装箱差不多,通用汽车认为SURUS的应用范围很广,比如用作移动和应急发电设备,用于货物运输,还可以供军队使用。

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图6 通用汽车提出的SURUS燃料电池动力智能无人平台

通用汽车公司还开发了雪佛兰科罗拉多ZH2氢动力皮卡,如图7,它是一款概念车,目前美军正在测试该汽车。氢汽车行驶时很安静,燃料反应之后排放为可以饮用的水,军队很看重这两个优点,在沙漠地区,水是保证战斗乘员的重要补给物质。

燃料电池动力是新能源动力中最具潜力在国防上应用的一种动力,和传统柴油混合动力系统相比,燃料电池的优势非常明显:(1)电化学反应温度低,只有80~95℃,和柴油机的缸内燃烧温度(1500℃)相比,红外信号低很多;(2)燃料电池电堆反应过程没有机械旋转部件,很安静,燃料电池系统中噪声最大的是空压机,设计良好的空压机的噪声可以很低,可以长期在前线隐蔽部署;(3)燃料电池的排放物只有水,可以在狭小或者密闭的空间中使用和运行,人机交互性好。因此燃料电池将来会在水下、陆地、空间等机动平台上得到应用。

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图7 通用汽车公司提出的燃料电池军用皮卡


三、我国国防车辆电动化发展重点思路


(一)基于轮毂电机(In Wheel Motor,IWM)的分布式电驱动系统

由于国防车辆对机动能力要求很高,需要采用基于新一代轮毂电机或者轮边电机的分布式驱动系统,以满足对高机动能力、高容错能力和高适应能力的要求。为清华大学提出的一种电动轮总体设计方案,能够兼顾解决大爬坡度(60%)要求的大转矩和高速机动(120~150km/h);同时保证制动、转向和悬架接口。目前需要突破高转矩密度电机的设计方法和体系,其基本思路如所示,采用直接油冷、混合磁场、端部焊接和方形导体等措施,可以有效提高电机的转矩密度。


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图8 重载车辆电动轮设计方案效果图

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图9 新一代高转矩密度电机技术趋势


(二)基于高功率密度的智能动力单元(Intelligent Power Unit,IPU)

针对国防特种车辆空间紧凑、需求功率大的特点,清华大学研发了专门用于发电和耗功的柴油机-发电机动力单元,可以对车载功率进行双向智能化管理:(1)整车需要发电功率时,由发动机带动发电机发电;(2)整车需要消耗制动功率时,由发电机倒拖发动机耗功,从而实现整车在不同工况下的功率输入和功率消耗等功能,因此称为智能动力单元。传统的车用柴油机设计准则基本针对机械动力传动系统的优化设计,采用低速大转矩技术路线,发动机的重量比较大;而采用IPU系统后,需要的是功率而不是转矩,因此发动机和发电机可以重新优化匹配,从而实现IPU设计的轻量化和低噪声,紧凑的IPU便于整车布置。



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图10 高功率密度的智能动力单元


(三)兼顾底盘机动和上装电磁发射的高性能储能系统(Energy Storage System, ESS)

新能源汽车动力系统中的高性能电池(或者叫储能系统)是车辆的动力性、经济性的重要保障,也是整车安全性的重要系统。如何设计高功率密度、高能量密度和高安全性的电池系统,既是底盘动力驱动和制动的需求,也是上装武器和装备的需求。电磁发射技术的发展对脉冲放电的动力电池和储能系统提出了很高的要求,如何将这些要求与车辆底盘的驱动和制动系统的储能特性相结合,实现整车一体化优化设计,成为未来国防特种车辆的重要发展趋势。

清华大学在动力电池安全性系统集成方面经过长期积累,开展了高功率密度(12kW/kg)、高可靠和高安全动力电池系统研究,研发的电池组枪击火烧不着火,不爆炸,防护等级满足IP67要求,可以在水浸泡条件下安全工作。与此同时,针对纯电动力用的电池系统,开展了一系列SOC、SOH、SOF、SOE、SOS和SOP等电池内部状态的研究,电池系统能量密度超过160kW/kg,处于国内领先水平。

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图11 动力电池系统集成及其管理系统


(四)基于物质再循环的燃料电池动力系统(Fuel Cell Engine, FCE)

清华大学在燃料电池研发方面一直处于领先地位,经过15年的研发,已经使我国在燃料电池商用车领域达到国际先进水平。如图12所示,清华大学研发的碳板燃料电池电堆的功率密度达到2kW/L,耐久性超过10000h,研发的燃料电池-动力电池电电混合动力系统,可以兼顾动力性、经济性、耐久性和系统成本,形成了具有中国特色的燃料电池商用车发展道路,2017年我国燃料电池商用车累计生产超过1000辆,车辆的性能、规模居全球前列。

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图12 清华大学燃料电池汽车研发进展

针对国防领域的需求,燃料电池在不同场合可以采用不同的配置和功率大小。清华大学发明了一种可以在密闭环境下运行的物质再循环燃料电池系统,唯一的排放物是液态水,适用于水下装备、隧道和密闭空间的发电系统,可以根据需求研发高压储氢、液氢储氢和金属储氢等氢系统配置。

四、车辆电动化的军民融合发展思路

近年来,经过与国防军工单位的交流与合作,对国防车辆电动化技术路径和可持续发展有了一些粗浅的认识,包括:

(1)国防军工科研部门由于前期参与电动化的研发较少,因此,需要加强对新能源汽车领域的零部件研发水平、研发进展和未来趋势的认识;清华大学在民用新能源汽车领域处于引领地位,对整个行业了解得比较全面,可以引导国防军工科研部门与民口行业的对接。

(2)国防军工科研部门对国防车辆的需求很清楚,传统民用新能源汽车研发单位往往不清楚这些需求,需要双方很好地交流才能找到合作的起点。一般的做法是国防军工单位自己研发关键零部件,但结果是规模和实力等因素导致所研发的零部件水平往往不如现有民用企业的水平高,充分竞争市场环境下的民用零部件(电机、电池、电控)企业具有很强的竞争实力。只是由于国防车辆研发时间周期长,产量一般又不大,因此一般先进的民用零部件企业往往没有耐心和兴趣跟研到底,最后基本放弃进行国防配套工作。

(3)民用新能源汽车零部件企业具有很好的创新能力和国际竞争力,但是将产品应用到军工领域仍然需要作相应的改进设计——原因是国防领域对零部件有特殊要求,如国军标的电磁兼容等;这往往使得传统民用产品无法被直接采购使用。因此,需要双方开展军民融合合作,把需求和产品定位等前期工作做好,这是合作成功的前提条件;双方合作在心态上要匹配,需要探索并摸清军民融合发展规律,只有这样,新能源汽车及其相关技术才有可能真正在国防领域实现配套,并在相关技术研发上取得成功。

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