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用于2030年的車用動(dòng)力系統(tǒng)的研究與開發(fā)

2020-04-15 23:56:20·  來源：汽車與新動(dòng)力  
　
為了使車輛滿足降低CO2排放的目標(biāo)，汽車制造商需對(duì)多種動(dòng)力系統(tǒng)和不同車型進(jìn)行分別研究，從而得出最佳的組合方式并將其轉(zhuǎn)化成實(shí)際產(chǎn)品。德國IAV公司目前已開發(fā)出
為了使車輛滿足降低CO2 排放的目標(biāo)，汽車制造商需對(duì)多種動(dòng)力系統(tǒng)和不同車型進(jìn)行分別研究，從而得出最佳的組合方式并將其轉(zhuǎn)化成實(shí)際產(chǎn)品。德國IAV公司目前已開發(fā)出一種開發(fā)系統(tǒng)，通過對(duì)車輛動(dòng)力性的要求的分析就能推斷出合適的動(dòng)力系統(tǒng)模塊。
          
1 對(duì)未來車用動(dòng)力系統(tǒng)的挑戰(zhàn)
 
未來，混合動(dòng)力汽車將主要用于降低CO2和有害物排放。為了滿足全球CO2和有害物的排放目標(biāo)，研究人員需重點(diǎn)考慮用戶的需求，從而使車用動(dòng)力系統(tǒng)呈現(xiàn)出多樣性。
 
至2030年，歐洲市場汽車的CO2排放指標(biāo)很大程度上可通過法規(guī)來進(jìn)行調(diào)節(jié)，研究人員對(duì)其設(shè)定的排放限值約為50～70 g/km。該目標(biāo)通過電氣化措施就可實(shí)現(xiàn)，這是目前通過油箱至車輪（TtW）系統(tǒng)而計(jì)算出的降低CO2排放的方式。就目前而言，只有在儲(chǔ)備了充足的可再生能源時(shí)，到2050年才能逐步實(shí)現(xiàn)降低CO2排放的目標(biāo)。除了降低排放之外,還要注意在進(jìn)行能量回收利用時(shí)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，如溫室效應(yīng)等現(xiàn)象。研究人員為了對(duì)車用動(dòng)力系統(tǒng)方案進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，從而需依照全生命周期（CtG）而對(duì)車輛進(jìn)行全面研究。
 
此外，車輛在降低CO2排放的發(fā)展進(jìn)程中還會(huì)面臨其他挑戰(zhàn)，如需對(duì)某些車型進(jìn)行電氣化調(diào)整，從而在經(jīng)濟(jì)層面和在技術(shù)層面上均會(huì)存在一系列問題。因此對(duì)于有著較高功率需求的移動(dòng)設(shè)備（重型載貨汽車、建筑機(jī)械等）而言，在未來仍會(huì)主要以內(nèi)燃機(jī)（ICE）為動(dòng)力來源，由此可大力推行合成燃料（E-Fuel）的應(yīng)用，該類燃料是通過CO2與可再生的氫而合成的。由于該類燃料的制取效率較低，在從油井到油箱（WtT）模式下，該指標(biāo)僅為45%～65%，因此針對(duì)可再生燃料的需求得以相應(yīng)提升。
 
除了CO2排放法規(guī)之外，生產(chǎn)成本和用戶的接受程度對(duì)于車輛動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)也會(huì)造成一定影響。此外，車輛動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)具有較高的靈活性，以便能穩(wěn)健地面對(duì)隨時(shí)可能出現(xiàn)的法規(guī)調(diào)整，同時(shí)也應(yīng)擴(kuò)大可再生能源開發(fā)及用戶狀況的不確定性（圖1）。
 
圖1 未來機(jī)動(dòng)性方案的挑戰(zhàn)（注：圖中的混合電流即為混合動(dòng)力，德語Strommix，指使用不同能源發(fā)電生產(chǎn)的電能）
                 
2 系統(tǒng)的方案開發(fā)
 
動(dòng)力系統(tǒng)的部件、布局和功能的優(yōu)化需要基于系統(tǒng)層面的開發(fā)過程以及針對(duì)具體車型的長期產(chǎn)品策略而得出。IAV公司所采用的獨(dú)特方法和工具系統(tǒng)始終貫穿于整個(gè)開發(fā)過程中。
IAV公司針對(duì)車輛動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)過程（圖2）從采集終端用戶、法規(guī)、目標(biāo)市場、汽車制造商、零部件供應(yīng)商和能源供應(yīng)商等方面的要求開始，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組合時(shí)描述了市場條件和環(huán)境條件對(duì)使用狀況的影響，由此闡明未來的發(fā)展趨勢，并能指明其技術(shù)要求和用戶的接受程度。IAV公司根據(jù)此類情景可研究出相應(yīng)的優(yōu)化方案，并以此降低CO2排放。
 
圖2 支持預(yù)開發(fā)的IAV公司方法
（ICEV=內(nèi)燃機(jī)汽車；HEV=混合動(dòng)力車；PHEV=插電式混合動(dòng)力車；FCV=燃料電池車；BEV=純電動(dòng)車）
IAV公司在進(jìn)行車輛動(dòng)力系統(tǒng)的組合優(yōu)化時(shí)，可將許多部件組成全新的系統(tǒng)，并針對(duì)其成本、效率和輸出功率進(jìn)行優(yōu)化，而后確定動(dòng)力系統(tǒng)的主要參數(shù)，并對(duì)各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。此外，這種有效的合成方式還被用于變速箱、電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開發(fā)。通過上述一系列過程，研究人員得到了由各個(gè)具體部件所組成的動(dòng)力系統(tǒng)。同時(shí)通過采用模塊化合成，研究人員可將車輛動(dòng)力系統(tǒng)的最佳方案組合成模塊化結(jié)構(gòu)，以便將產(chǎn)品多樣性、廢氣排放和成本降至最低（圖2），通過該方法能實(shí)現(xiàn)未來的技術(shù)目標(biāo)。
          
3 公司車隊(duì)層面上的持續(xù)考察
 
為了客觀地研究動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)溫室氣體效應(yīng)的影響，研究人員還對(duì)車輛生命周期進(jìn)行了考察，該過程即為生命周期評(píng)估（LCA）。在該領(lǐng)域，針對(duì)WtW模式下CO2排放的計(jì)算過程也應(yīng)采用不同的合成燃料，針對(duì)生產(chǎn)過程（CtG）中的CO2排放評(píng)估也勢在必行。該領(lǐng)域的研究范圍已從TtW模式擴(kuò)展到WtW模式和CtG模式，因此還應(yīng)對(duì)車輛電驅(qū)系統(tǒng)中的蓄電池和磁性材料的制造過程開展相關(guān)研究。研究人員在每一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)方案的組合中相應(yīng)生成LCA指標(biāo)，從而能在后續(xù)的研究過程中對(duì)所有車輛的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行總體評(píng)估（圖2）。評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)是TtW、WtW和CtG過程中的CO2排放量、一次能源的需求量和整車制造成本。          
4 2030年混合動(dòng)力方案研究
 
在后續(xù)的方案研究中，研究人員對(duì)圖1中的幾項(xiàng)問題進(jìn)行了優(yōu)化。為此，5種最主要的車輛型式（ICEV、HEV、PHEV、FCV和BEV）對(duì)應(yīng)著最重要的車輛等級(jí)（B級(jí)車、C級(jí)車、D級(jí)車、E級(jí)車）。對(duì)于每一種車型與動(dòng)力系統(tǒng)的組合，研究人員都要計(jì)算基于TtW模式的全球統(tǒng)一的輕型車試驗(yàn)程序（WLTP）的CO2排放量以及基于WtT、WtW和CtG模式的CO2排放量，并相應(yīng)補(bǔ)充一次能源及完善驅(qū)動(dòng)部件制造成本的數(shù)據(jù)記錄。
研究人員在方案開發(fā)過程中為每種車輛等級(jí)規(guī)定了應(yīng)用最廣泛的3種動(dòng)力系統(tǒng)（圖3），同時(shí)該類動(dòng)力系統(tǒng)的組合都是開放式的，研究人員均已對(duì)其進(jìn)行了組合分析。目前尚不知全新的動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)如何影響用戶的購買意向，為了能使該指標(biāo)量化，已將市場銷售的所有組合涵蓋在內(nèi)，從而便于研究人員對(duì)2030年的車型產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測。
 
圖3 方案研究的邊界條件
表1中的第1種情況可被認(rèn)為是汽油車的技術(shù)基準(zhǔn)，除此之外裝備柴油機(jī)和天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的車型有助于顯著降低CO2排放。表1中的第2種情況表示制取合成燃料需采用可再生能源，否則到2030年，在車輛采用混合動(dòng)力系統(tǒng)的情況下會(huì)使WtW模式下的排放量增加6倍，如果設(shè)定合成燃料僅能通過可再生能源制取，那么WtW模式下的CO2排放當(dāng)量僅為20 g/km。即使研究人員對(duì)車輛、驅(qū)動(dòng)裝置、燃料和能量的生產(chǎn)、運(yùn)行和回收利用開展總體研究，在使用100%比例合成燃料的情況下CO2排放量也僅為52.3 g/km，仍低于2030年的TtW的預(yù)測平均值。
表1 用于預(yù)測2030年歐洲車輛等級(jí)分布可能的驅(qū)動(dòng)型式情景
 
作為與此相對(duì)應(yīng)的方案,表1中的第3種情況代表僅使用蓄電池的純電動(dòng)汽車，除了可局部實(shí)現(xiàn)零排放之外，同時(shí)也能表明實(shí)際影響周圍環(huán)境的排放（WtW）與混合動(dòng)力系統(tǒng)密切相關(guān)。
如果考慮到BEV的動(dòng)力系統(tǒng)，那么CO2排放當(dāng)量將會(huì)提高到約140 g/km，這雖然比第1種情況低約50 g/km，但是卻明顯高于其他車型的排放值，而且BEV的動(dòng)力系統(tǒng)的成本要高出約81%。
表1中的第4種情況則代表了未來的發(fā)展前景。占比約50%的電動(dòng)車可實(shí)現(xiàn)局部零排放，而剩余的部分車型則裝備成本較低的內(nèi)燃機(jī)，以此滿足市內(nèi)行駛和郊外行駛的需求。因此，與第3種情況相比，WtW和CtG模式下的CO2排放與車輛動(dòng)力系統(tǒng)的平均制造成本都能顯著降低。
第5種情況是針對(duì)每種車型和驅(qū)動(dòng)型式產(chǎn)量分布的預(yù)測，研究人員通過這種分布狀況可對(duì)車輛等級(jí)和車輛動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測。如表1所示，按照現(xiàn)在的數(shù)據(jù)狀況預(yù)測HEV所占的份額為55%，與PHEV和ICEV加在一起的所有新車型中約有83.8%的車型都裝備了內(nèi)燃機(jī)。在該預(yù)測過程中，BEV的份額僅占16%。以此為基礎(chǔ)，所有車輛等級(jí)在始終使用化石燃料的情況下，TtW情況下的CO2排放約為77 g/km，而與此相應(yīng)的WtW情況下的CO2排放量為95 g/km，相對(duì)較高。此外，與條件2、3和4相比，可再生能源對(duì)WtW和CtG模式下降低CO2排放的影響效果相對(duì)較小。因此，證實(shí)了提高混合動(dòng)力汽車所占比例可有效促進(jìn)可再生能源領(lǐng)域發(fā)展的理念。此外，由于使內(nèi)燃機(jī)燃用E-Fuel燃料能有效地降低CO2排放，而減小PHEV、BEV和FCV的所占比例能相應(yīng)降低成本。
          
5 排放法規(guī)的影響
 
從圖4可以清楚地看出各種車型的CO2排放和成本潛力。并分別標(biāo)注出了ICEV、BEV、FCV所占的比例。
 
圖4 不同結(jié)算方式的 CO 2排放和成本潛力（圖中Potenzial=潛力）
在當(dāng)前的TtW法規(guī)下，汽車制造商通過零排放車型來降低公司車隊(duì)平均CO2排放，由此引起整車成本的直線上升。研究人員通過基于2030年的預(yù)測值，可將WtW模式下的CO2排放量降到約120 g/km以下。但即使BEV在所有車型中占據(jù)100％的份額，WtW模式下的CO2排放量也難以降低到80 g/km 以下。與2030年的能源體系相比，可再生能源所占的份額會(huì)進(jìn)一步增加。
         
6 BEV的用戶接受程度
 
目前，1項(xiàng)不確定性在于用戶對(duì)于BEV的接受程度。圖5左圖示出了在車輛動(dòng)力來源全部為可再生能源的情況下，BEV對(duì)WtW模式下CO2 排放量的影響。由于充電時(shí)間、公共設(shè)施和使用壽命周期總成本（TCO）等因素會(huì)對(duì)BEV的銷售產(chǎn)生制約，從而只有增加FCV的銷售比例才可有效抑制CO2 排放，由此會(huì)使整車成本得以顯著提升。根據(jù)預(yù)測，至2030年時(shí)FCV的市場占用率也會(huì)相對(duì)較低，僅有0.2%，為此對(duì)E-Fuel燃料實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步推廣應(yīng)用才能確保WtW模式下的CO2 排放量不會(huì)增加。
 
圖5 公司車隊(duì)BEV份額和E-Fuel燃料對(duì) CO 2排放和一次能量的影響
如圖5右圖所示，針對(duì)減少CtG模式下CO2排放值的研究，只有通過對(duì)ICEV及HEV這2類車型進(jìn)行比較才能得出結(jié)論（圖5右圖）。由此只有在一次能源需求增加的情況下才可有效降低成本。
        
7 動(dòng)力系統(tǒng)與車輛的匹配
 
通過上述分析，本文研究了用于2030年的TtW、WtW和CtG模式下的CO2 排放的依賴關(guān)系和優(yōu)化潛力。除了針對(duì)降低CO2 排放而逐步推進(jìn)針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化之外，已考察了整車制造成本及其動(dòng)力系統(tǒng)所需的一次能源。
圖6左圖示出了動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)量對(duì)TtW模式下CO2排放的影響。圖中所標(biāo)注的“成本最佳”、“TtW最佳”和“WtW最佳”分別表示出了在CO2排放潛力和動(dòng)力系統(tǒng)組成等方面的重要區(qū)別，使用上述動(dòng)力系統(tǒng)即可在TtW模式下達(dá)到最低的CO2排放。
 
圖6 按照WtW- CO 2和TtW- CO 2結(jié)算以及成本優(yōu)化的最佳動(dòng)力系統(tǒng)
每一種車型配置（數(shù)據(jù)云中的點(diǎn)）包含了車輛等級(jí)特有的動(dòng)力系統(tǒng)，并配備有相應(yīng)的CO2排放、一次能源和整車成本的相關(guān)數(shù)據(jù)。在圖6右圖中針對(duì)WtW最佳的車型示出了為此所必需的動(dòng)力系統(tǒng)及其與車輛的組合形式。
          
8 結(jié)論
 
未來，車輛采用混合動(dòng)力系統(tǒng)可顯著降低CO2和有害物排放。采取IAV公司的車型組合方法，就能將內(nèi)燃機(jī)、包括插電式在內(nèi)的混合動(dòng)力系統(tǒng)以及采用燃料電池或蓄電池的純電動(dòng)力系統(tǒng)等5種最重要的動(dòng)力系統(tǒng)形式分別分配給相應(yīng)的車型。研究人員針對(duì)每一種車型與驅(qū)動(dòng)裝置的組合都計(jì)算出了相應(yīng)的CO2排放當(dāng)量，而且調(diào)整了每種車型的銷售比例。通過研究方案證實(shí)，在面對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)和可再生能源的挑戰(zhàn)時(shí)，目前所有車型中HEV依然占比較高，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)燃用E-Fuel燃料有著較好前景，同時(shí)減少PHEV、BEV和FCV的銷售比例也能降低整車成本。除此之外，研究人員還分析了混合動(dòng)力系統(tǒng)的目標(biāo)導(dǎo)向。上述結(jié)果表明，內(nèi)燃機(jī)在B級(jí)車型中仍是未來的主要發(fā)展目標(biāo)，但是在其他車型中混合動(dòng)力（HEV或PHEV）車型更占優(yōu)勢。
作者：[德]W.WUKISIEWITSCH等
整理：范明強(qiáng)  
編輯：伍賽特
 
 
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