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丰田汽车渡边泉:电动化动力总成的多元化与发动机技术的进化

盖世汽车 09-21

9 月 20-21 日,由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的 "2019(第七届)汽车与环境创新论坛 " 隆重举办,论坛以一个主论坛加四个平行论坛的形式,携百名行业权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为丰田汽车动力总成技术企划部部长渡边泉先生演讲内容实录:

丰田汽车动力总成技术企划部部长 渡边泉先生

大家好我是丰田汽车的渡边,非常高兴有这么一个机会做这样一个报告,今天我报告的题目是《电动化动力总成的多元化与发动机技术的进化》。首先跟大家分享一下汽车面临的环境,之后我将说明一下丰田公司电动化动力总成的历程。

20 世纪以来,随着工业化与技术的进步,交通也飞速发展,给社会带来巨大利好的同时,汽车产业也面临着能源安全、全球变暖、大气污染等各种课题,我们大家都非常熟悉。

在这种大环境下丰田公司在 2015 年公开了丰田环境挑战 2050,为了达成可持续发展的社会,丰田公司提出了 6 项挑战目标,其中之一就是到 2050 年相比于 2010 年新车要减排二氧化碳 90%。只是新车减排二氧化碳还不够,丰田环境挑战 2050 也提出了全生命周期二氧化碳零排放也是不可或缺的,我们需要考虑从生产到报废整个过程的二氧化碳排放,以及从油井到油箱的二氧化碳排放。

在真挚地面对这些课题的同时,丰田公司考虑可持续发展的社会,为了用户的笑脸,在这个基础上提出了安心 / 安全、感动和环境三个价值观,在稳固经营基础的同时也考虑可持续发展。今天报告的动力总成电动化就是基于这样一个想法。近年来由于生活方式的改变,以及技术的创新,用户需求也是越来越多样化,社会和产业也发生了很大的变化,我们汽车行业当然也不例外。

在这种变化中需要什么样的电动化动力总成并不是由环境法规以及汽车制造商来决定的,而是由用户和市场需求来决定。世界上有各种道路环境和课题,用户的期待也是各不相同,丰田公司认为在全球所有的地区,同时推出同一套动力总成系统来解决能源问题和环境问题并不是一个最好的方案。我们认为应该充分考虑车辆级别、地区特性以及用户的车辆使用方式,结合最新的系统和技术,为各个不同的地区提供最合适的动力总成方案。

丰田公司在 2017 年 12 月发表了推广电动车的历程目标,计划在 2030 年电动车占比达到 50% 以上,这其中 BEV 和 FCEV 等零排放车型占比达到 10% 以上。今年进一步发表了要提前达成这一目标。在此我仍然想强调一点,即使是在电动化动力总成占比提高到这么高的程度的情况下,90% 的车辆仍将搭载发动机,所以对于发动机来说,二氧化碳减排是理所当然必须要实现的,还有排放的日趋清洁化要求以及能够与 EV 相媲美的噪音要求,这都是发动机将来需要解决的问题。

接下来介绍一下不同方案的电动化动力总成以及丰田公司在这方面做的工作。

丰田公司结合最新的系统和技术,为不同的地区提供最合适的动力总成解决方案。丰田公司把混动技术定位为下一代环保车辆的核心技术持续进行开发,将把在混动技术开发过程中磨炼出来的电机、电池、控制器这些核心技术将来扩展到 PHEV、BEV 和 FCEV 上面。丰田公司采用的混动技术,如果加上外部充电功能,再加大电池,那么就是 PHEV。如果从 PHEV 上取消发动机,把电池再加大之后就是 BEV。更进一步,如果把混合动力的发动机换成燃料电池,那么它就是 FCEV。我们认为把混动技术作为核心技术进行开发,这一战略可以灵活地应对能源多样化以及将来的动力总成多样化的需求。

这是从全生命周期尝试对各种动力总成的二氧化碳排放进行比较,首先,从油箱到车轮的二氧化碳排放,BEV 是 0,PHEV 和混动与传统内燃机汽车相比,二氧化碳排放水平很低;

而从油井到油箱的二氧化碳排放,根据 2030 年中国有代表性的行驶距离和可再生能源占比来做的估算值来看,BEV 和 PHEV 比混动具有更高的二氧化碳减排潜力;

车辆制造方面,BEV 和 PHEV 比混动也同样具有二氧化碳减排的潜力。

在这其中发动机热效率有多大影响呢?如果发动机的热效率提高到 50%,再进一步使用生物燃料等可再生能源,混动在整个生命周期是有可能实现比 BEV 和 PHEV 更低的二氧化碳排放的。想把热效率提高到 50% 的话,与石油公司的合作就非常重要了。总结而言通过这些技术创新,内燃机还将作为主要的动力源继续存在。

接下来我将介绍一下电动化动力总成方面做的一些工作和存在的课题。首先我们简单回顾一下混动和 PHEV 的历史。

丰田公司认为只有环保车辆真正的推广之后才能对环境做贡献,1997 年混合动力的量产车型普锐斯首次上市,混动车型的销量一直在稳步增长,2017 年 1 月累计销量达到 1000 万辆,达到了一个很大的里程碑。2018 年 12 月销量达到 1300 万辆,迄今为止通过推广混动车型,累计二氧化碳减排大约有 1 亿吨。

从一代普锐斯推向市场以后,包括电机、控制器等核心零部件在内,混动系统的技术一直在稳步提高,其结果就是以普锐斯为例的话,油耗性能有了很大幅度的改善。混动系统的成本也大幅降低了,从一代到三代经过了 12 年,成本降低到大概只有原来的三分之一。

然后是 BEV,丰田公司在今年 4 月份在上海车展发布了新型奕泽 EV 车型,作为丰田品牌全球首发的 BEV 车型,将在 2020 年上市。与此同时 BEV 也有一些存在的课题,它需要解决的课题之一就是电池的生产能力。2030 年我们的 BEV 销售目标是不超过混动的四分之一,但是如果比较单车电池的用量,BEV 是混动的 60 倍还要多,我们需要开发更高能量密度的电池、快速充电、电池循环再利用等等这些技术。

目前还有两个比较大的课题,首先是充电功率与充电时间的关系,如果行驶 500km 的话,即使我们采用 350kW 的超级快充也需要 20min 以上,接近加油时间的 10 倍;第二个课题就是充电功率越大效率会越低,350kW 的效率还不到 70%,也就是说有 30% 的能量在充电过程中就会被舍弃掉了,这些课题毫无疑问都需要解决。以目前的技术来说,快充与其说用于乘用车日常的充电反倒不如用于电池容量比较大的商用车或者是一些特殊情况可能更合适。

使用过的电池再利用我们也必须要考虑,丰田公司在回收电池二次利用方面做了很多工作,比如把回收的电池用于修理更换,或者为了充分利用可再生能源而用做储能电池。二次利用完了的电池可以作为原材料回收,可以用于一部分新电池的制造。

然后是 FCEV,作为电动化战略的一环,我们希望为用户提供长距离行驶时也能够实现零排放的解决方案,我们寄希望于燃料电池车 MIRAI(未来)。而且今后我们也将加快燃料电池的开发,我们未来将把技术扩展到货运或者客运的商用车上。我们认为燃料电池技术可以在宽广的里程范围内提供各种零排放交通方案。

如同开头我所说的,丰田公司认为一项技术只有被用户接受并且广泛使用之后才能真正的为环境做贡献。近年来随着电池性能以及其他的一些相关技术的提高,BEV 的使用方便性也在逐渐提高。BEV 如果要取代内燃机汽车或者混动的话,还需要把成本降低到用户能够接受的程度,而且还需要跟整个社会体系进行协调。

因此我认为 BEV 不是实现可持续发展交通的唯一解决方案,在一定的期限之内,我们还需要多元化的电动化动力总成。

将来不仅动力总成的形式会随着时代变化,车辆的形式也会变化,如视频所示 e-Palette 不仅是人们出行的手段,而且具有商品销售和配送服务的功能。我们认为安静、尾气排放为 0 的 BEV 和 FCEV 在这样的情景中与人们互相调和,构成将来一种理想的交通方式。

接下来是关于混动节油技术的说明。四代普锐斯相对三代普锐斯油耗改善的贡献度中,车占 7%,动力总成占 18%。而动力总成这 18% 的贡献度中,发动机与电气系统是怎么分配的,如由下图所示。

首先说明一下混动系统的一个重要功能,就是系统相辅相成的效果,上图是发动机的热效率,下图是发动机的利用频度分布。四代普锐斯通过降低电气部件的损失,把发动机使用区域调到高负荷区,通过拓宽 EV 行驶距离,把发动机行驶的功率分布也调到高负荷区,其结果就是可以更多地利用高热效区。

这是关于混动电气部件降低损失的说明,以 PCU 为例,部件的小型化有利于模块的小型化,就使模块之间可以紧凑的布置,又进一步使得模块之间的连接元件可以变短,进一步降低了损失。降低损失就可以实现高响应和高速控制,使部件进一步的小型化就成为可能了,形成一个良性循环。

这是 PCU 部件小型化的详细说明,作为重要构成部件的 IGBT,把功率半导体、开关元件的厚度进一步变薄,这样 IGBT 的体积可以下降大约 30%。同时电源板由原来的 IGBT 和二极管一对一封装,通过 IGBT 的小型化之后可以采用一体化的封装,体积又可以降低 20%。部件的小型化之后可以实现紧凑型的布置,同时连接部件的通电电路也可以缩短。电路的优化和缩短之后,电感降低 61%,损失降低 22%,内部电路的损失降低之后可以进一步提高控制频率的响应,所以就进一步实现了电抗器的小型化,同时也可以降低电容,形成一个良性循环。

新的电机我们采用的是分段线圈,它可以有效的利用空间从而进一步缩小体积。关于电机转速,提高之后可以实现小型化。我们把电机转速提高之后,输出功率保持不变,但是整个电机的体积降低了很多。

最后是发动机的高效化方面的工作。四代普锐斯的发动机通过采用这些先进的技术之后,它的最高热效率达到了 40%。通过提高热效率,拓宽高效率的区域,实现高转矩和和高功率,开发出了 TNGA 发动机的一系列,我们内部叫 Dynamic Force Engine。

我们通过把气门夹角扩大,进气道构造做的更平直,进气的角度跟以前有所变化,滚流比得到了提高。阀座端部的形状以及阀座的内径也扩大了,这是采用的激光融覆技术,丰田公司全球首次在量产发动机上采用了该技术。通过提高滚流比可以抑制爆震,优化燃烧,所有这些技术就达到了目前世界最高 40% 的热效率。

接下来介绍一下将来关于发动机的技术方面我们有哪些方向性的开发。

这里显示的是热效率提高的历史以及今后我们开发的方向性,到目前为止的研究结果,通过过量空气系数小于 2.0 的均质稀燃的方式,得到的热效率接近 46%。今后我们想进一步提高过量空气系数到高于 2.5 的超级稀燃,热效率可以达到 48%。今后更进一步通过燃料的革新,热效率的目标是 50%。

这个显示的是我们跟日本能源公司 JXTG 共同研究的,关于下一代发动机用的燃料做的一些探索。如果转换成高滚流比发动机,它就会向 X 方向移动,同时稀燃边界也会提高。右边是燃料的效果,大家可以看到如果我们对燃料做一些改性的处理之后,稀燃的界限也可以扩大。通过这样的发动机技术和燃料技术相结合的研究探索,我们就可以得出这种有创新性的燃烧技术,它还是非常有潜力的。

这是欧洲和美国,他们也对燃料进行了很多的研究,大家可以看到他们主要是对生物燃料以及燃料分子方面做了一些研究。燃料成分的构成或者是分子构造变化进行很大的改变,以前可能很难想象汽车公司会和石油公司或者能源公司在这方面进行合作,这也是社会的一个很大的变化。

另外我想介绍一下,为了实现二氧化碳零排放做的一些探讨。碳中和燃料是我们通过下一代发动机实现二氧化碳零排放和污染物零排放必须要考虑的一项技术,我们通过回收二氧化碳制造碳中和燃料,用于各种领域和产业,目前这方面的探索大家都在做。我们认为在不久的将来,在市场上是必须要有碳中和燃料的。

最后是小结。为了实现碳中和,污染物零排放的社会,需要对碳中和燃料的制造、基础设施的建设,还有下一代动力总成的开发等等,需要对这些技术进行全方位的开发。丰田公司也将不断的推进这些开发工作,我们的目标是实现一个可持续发展的社会,和为了用户的笑脸,当然要实现一个这样的目标的话,单凭丰田公司一家也实现不了。在这里也希望跟行业内所有的同仁共同努力。

非常感谢大家的聆听。

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