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1.1 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来抓，制定了详细的科技攻关和研发布局，如图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、集成开发和示范等四个层次，围绕基础部件和材料、汽车动力系统学、网联车辆信息学，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，形成基础设施、集成示范和国际合作三个平台。
图1-1“十三五”《新能源汽车》科技重点专项战略规划布局[引自欧阳明高院士PPT] 1.2 实际效果 国家在新能源汽车研发的持续投入，开展形成研发人员、基础设施和产业生态优势，从2015年以来，我国新能源汽车始终保持高速增长态势，从2015年的37.9万辆，增长到2016年的51.7万辆，再到2017年的78万辆，进入2018年以来，如图2为汽车工业协会公布的2018年4月新能源汽车生产量，头四个月相对增长量在100%以上，预计全年将超过100万辆，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，形成了相对传统汽车更加完整的产业链。2016和2017年，我国新能源汽车的产销量，占全球50%。
图1-2我国近3年的新能源汽车生产量[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，全部在中日韩三国，并且中国总共占据7个；2017年全球排名第一的CATL相对2016年大幅增长，从6.8GWh增长到12GWh，成为技术和产量都排名靠前的电池企业。松下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 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。 2 国防车辆电动化在国外发展情况 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8×8AHED（先进混合动力）分布式独立电驱动演示车，见图3。该车重14.5-18吨，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。
图2-1 美国的AHED（先进混合动力）装甲车的照片 与此类似，瑞典、英国、南非、德国等分别推出了采用混合动力电动轮驱动的轮式战斗车辆，典型车辆图片如图4所示。
图2-2 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、日立的轮毂电机的分布式独立电驱动样车，如图5所示，采用6×6驱动，最大行驶超840km，纯电状态综合续航里程超50km，最高车速达到130km/h。
图2-3 日本分布式电驱动样车 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。
图2-4 通用提出的SURUS燃料电池动力智能无人平台 通用还开发了雪佛兰科罗拉多ZH2氢动力皮卡，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，燃料电池系统中噪音最大的是空压机，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。
图2-5 通用提出的燃料电池军用皮卡 3 我国国防车辆电动化发展重点思路 3.1 基于轮毂电机的分布式电驱动系统（IWM） 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，满足高机动能力、高容错能力和高适应能力。图8为清华大学提出了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。目前需要突破的高转矩密度电机的设计方法和体系，其基本思路如图9所示，采用直接油冷、混合磁场、端部焊接和方形导体等措施，可以有效地提高电机的转矩密度。
图3-1 重载车辆电动轮设计方案效果图
图3-2新一代高转矩密度电机技术趋势 2）基于高功率密度的智能动力单元（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，采用的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音，紧凑的IPU便于整车布置。
图3-3高功率密度的智能动力单元[发动机图片来自玉柴机器] 3）兼顾底盘机动和上装电磁发射的高性能储能系统（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。随着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开展了长期的积累，开展高功率密度（12kW/kg）、高可靠和高安全动力电池系统研究，电池组枪击火烧不着火，不爆炸，防护等级满足IP67，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，开展一系列SOC、SOH、SOF、SOE、SOS和SOP等电池内部状态的研究，取得了电池系统能量密度超过160kW/kg，处于国内领先水平。
图3-4 动力电池系统集成及其管理系统[图片来自科易动力] 3.4 基于物质再循环的燃料电池动力系统（FCE） 清华大学在燃料电池研发方面一直是国家队，经过15年的研发，已经使得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，研发的碳板燃料电池电堆功率密度达到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。
图3-5 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再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，可以适用于水下装备、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。 4 对车辆电动化的军民融合发展的思路 经过与国防军工单位几年交流与合作，对国防车辆电动化技术路径和可持续发展有了一点粗浅的认识： （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需要加强；清华大学在民用新能源汽车领域处于引领地位，对整个行业了解和把握比较好，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对这些需求不清楚，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，但结果由于规模和实力的原因，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，最后基本放弃给国防配套； （3）民用新能源汽车零部件企业具有很好创新能力和国际竞争力，但是将产品应用到军工领域依旧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，把需求和产品定位好，才能取得成功；双方合作的心态上要匹配，对军民融合发展需要摸清规律，才能真正在国防领域配套和研发上取得成功。 作者简介 李建秋 清华大学汽车系，研究方向为汽车电子与电动汽车，清华大学汽车系党委书记/教授。 本文来源【仰山智库】版权归原作者所有 |
