《一、前言 》

一、前言

发展新能源汽车是世界共识。我国自“十五” 计划以来,稳步推进新能源汽车整车和零部件的关 键技术攻关,纯电动客车总体技术处于国际先进水 平,能耗指标国际领先 [1]。2008 年北京奥林匹克 运动会(简称北京奥运会)期间,在奥运中心零排 放区昼夜不间断运行的 50 辆纯电动公交车,成功 完成“零故障运行”的国家目标,为“无与伦比的 奥运会”做出了贡献。2010 年上海世界博览会期间, 在世博园区内运行的 120 辆纯电动客车在半年内经 受住了高温、高湿环境的考验,载客 9 018 万人次, 车辆完好率为 99.8 %。以国家新能源汽车“十城千 辆”示范城市项目为牵引,25 个示范城市成功推 广应用新能源客车、轿车和城市商用车 3.98 万辆。 2014 年,我国新能源汽车应用规模加速提升,该年 被称为中国新能源汽车推广元年,当年全国各种新 能源车辆销量就达 74 763 辆,其中纯电动汽车占比 为 60.3%。截至 2016 年年底,我国新能源汽车保有 量达到 109 万辆,其中纯电动汽车保有量为 74.1 万 辆,占比达到 67.98%。截至 2017 年 10 月,累计推 广纯电动商用车 28.8 万辆,其中纯电动客车 19.4 万 辆(大中轻型),纯电动客车规模全球第一。以宇通 集团有限公司、比亚迪股份有限公司为代表的中国 客车企业,在 50 个国家和 200 个城市实现销售或示 范运营,已进入英国、法国、美国、日本、澳大利 亚等发达国家的高端市场 [1]。得益于纯电驱动战略 的实施,我国新能源汽车和纯电动汽车的应用规模 呈几何级数增长,新能源汽车发展已经进入快车道, 已成为世界上新能源汽车保有量最大的国家。我国 新能源汽车技术达到国际先进水平,纯电动商用车 平台成套技术出口欧盟等国家和地区,我国纯电动 商用车走出了一条技术特色鲜明的道路。

《二、电动商用车系统工程技术体系》

二、电动商用车系统工程技术体系

《(一)电动商用车系统工程技术体系的内涵》

(一)电动商用车系统工程技术体系的内涵

电动商用车产业的发展受到动力电池、成本控 制、充电、运营模式等多方面的影响,有必要从系 统工程的角度对其进行规划、开发和推广应用。如 图 1 所示,电动商用车系统工程体系主要包括三大 子系统:电动商用车平台、充 / 换电基础设施以及 运营实时监控与管理系统。三大系统间相互支撑成 为综合解决电动汽车“续驶里程、充电时间、安全 高效运行”等技术需求的关键。

《图 1》

电动商用车系统工程技术体系总体概念形成于 2008 年北京奥运园区纯电动客车零排放示范运营工 程。在奥运中心区(包括国家体育场、国家游泳中 心等中心比赛场馆区,奥运村、媒体村等核心区)使 用零排放电动车辆是我国对国际奥林匹克委员会的承 诺,使用具有自主知识产权的电动客车是“绿色、科 技、人文”三大奥运理念的集中体现。北京理工大学 电动车辆国家工程实验室带领相关合作单位,主持实 施了奥运电动客车的研制、快速智能充 / 换电站的建 设以及车辆示范运营监控与管理等方面的技术攻关。 团队在整车设计理论与系统集成、核心关键技术、产 业化技术和工程实施应用等方面进行了系统创新,通 过北京奥运电动客车示范项目的成功实施 , 以及奥运 会之后又将电动公交系统成功推广应用到北京市电动 环卫、物流、出租车等电动汽车领域 , 我国电动商用 车系统工程技术体系内涵得到了完善和应用。

如今北京奥运会已经过去将近 10 年,在这期 间,我国电动商用车产业得到了快速发展,在系统 工程技术的各个方面都取得了新的突破。其中,纯 电动商用车平台在自动驾驶技术、轻量化技术、安 全技术等前沿或关键技术方面取得进展,产品技术 水平与应用规模保持世界领先地位;充 / 换电基础 设施建设工作持续全面推进,各运营商开始在全国 范围内布局公共充电设施,同时开始注重相互之间 的互联互通和平台融合;车辆运营监控与管理技术 不断完善,新能源汽车国家、地方政府、企业三级 平台的安全运行监管体系已逐步形成。

《(二)电动商用车平台技术 》

(二)电动商用车平台技术

近年来,我国纯电动商用车发展持续保持国际 领先优势,已形成较为完整的技术链和产业链,电 动客车、物流、环卫车、出租车、租赁车和卡车已 全面进入产业化发展期。

以电动客车为例,我国电动商用车平台关键技 术攻关和突破情况主要表现在以下 5 个方面。

1. 整车设计理论与系统集成技术

奥运电动客车项目团队提出了高效节能的纯电 动客车构型方案,如图 2 所示。突破了以改装设计 为主的传统思路,建立和完善了纯电动客车设计理 论与系统集成体系,构建了整车及关键部件系统开 发和动力系统匹配标定技术平台。设计开发出电池 箱可更换并分箱底置的电动化低地板底盘,集成 了一体化动力传动系统、一体化冷暖空调等系统, 解决了整车轻量化、结构和高电压安全、二次绝 缘、系统可靠性、电磁兼容等核心技术。总体上 形成了我国电动车辆自主创新、正向设计和开发 的技术途径。

《图 2》

作为对上述纯电动客车动力系统构型的补充, 近年来,适用于城市公交客车的无变速器单电机直 驱动力系统构型以及适用于超低地板客车应用的分 布式电机驱动系统构型 [2,3],也在一定范围内得到 了行业应用。

2. 整车数字化信息控制技术

国内电动商用车平台已经形成了基于多路控制 器局域网络(CAN)总线的电动客车通信协议标准, 开发了电动客车专用的数字化信息控制系统,如图 3 所示,具体包括整车控制器、车身控制器及智能仪 表等核心单元。实现了基于总线技术的信息共享及 系统间协调控制,具备整车故障诊断、报警和分级 保护等功能。

《图 3》

3. 动力电池成组应用与安全技术

奥运电动客车项目团队提出了动力电池成组 应用单体电池间特性不一致性对寿命影响的理论与 分析方法 [4],发明并开发了锂离子电池及模块化封装系统,实现了在电池箱快速更换过程中动力 线、通信线的同步自动插接。突破了动力电池在纯 电动客车应用中的瓶颈技术,有效提高了续驶里程 及电池成组使用寿命 [5,6]。动力线插接后接触电阻 < 0.1 mΩ(额定电流 100 A)。在一致性控制方面, 通过电池单体容量、能量、电压变化曲线正交化比 较方法进行成组电池筛选,可长期保持成组电池一 致性在 0.03 V 以内,如图 4 所示。

《图 4》

4. 一体化动力传动控制系统

奥运电动客车项目团队开发了无离合器多挡电 控机械自动变速箱(AMT)动力传动系统,如图 5 所示,实现了基于 CAN 总线的一体化动力传动效 率最优控制,有效提高了整车的经济性和动力性 能 [7~10]。该团队还提出了基于空间矢量脉宽调制 (SVPWM)控制的逆变器死区补偿方法,开发出高 效全数字矢量控制交流电机驱动系统,提高了动力 传动的系统效率。攻克了系统悬浮状态下二次绝缘、 电磁兼容和静电释放等技术难题,并采用冗余控制 和故障诊断技术提高了系统的可靠性。

《图 5》

5. 一体化冷暖电动空调技术

在国际上首次成功研制出采用涡旋式压缩机的 电驱动空调,如图 6 所示,该空调通过直交逆变电 源的模块控制,实现电动涡旋式压缩机无级变频启 动、基频制冷和降频保持等过程,彻底改变了传统 大客车的空调控制模式,节能效果显著;应用全封 闭式涡旋压缩机,采用全焊接连接方式组成整体全 封闭式无漏点系统,彻底解决了车用空调的制冷剂 泄漏和轴封技术难题,同时简化了安装,实现了大 客车空调的一体化集成设计;应用热泵循环原理, 通过增加四通换向阀及调整相应的控制方式,方便 地进行制冷、制热模式切换,实现车用空调的冷暖 一体化;采用两台“涡旋式压缩机”、两套冷凝器 和蒸发器构成两个独立系统,可以同时启动也可以 单独启动,实现了空调效果与节能的有机结合。

《图 6》

《(三)充 / 换电基础设施》

(三)充 / 换电基础设施

电动车辆充电时间长、车辆利用效率低、充 电安全等问题长期以来都是电动车辆产业发展的瓶 颈。目前主要有快速充电和电池箱快速自动更换两 种技术解决方案。

1. 充电和更换兼容的充 / 换电站

2008 年 , 北京奥运会使用了当时国际上首创的 规模最大的电动客车充 / 换兼容充电站,如图 7 所 示。在奥运会期间为 50 辆电动客车提供 24 h 充电、 动力电池更换服务以及相应的整车和电池维护保养 服务 [11],取得了巨大成功。车辆在快速更换区域 通过自动更换机械实施电池分箱组合式快速更换, 5 min 左右可完成一辆车的电池更换工作。根据电 动汽车的特点和奥运会的应用需求,设计了续驶时 间和充电时间约束的车辆调度理论模型和方案,在 充电站设置了调度监控中心。

《图 7》

我国“十三五”新能源汽车重点专项规划了整车技术指标,对所有新能源汽车提出了比能 耗和续驶里程指标。合理的电 / 车质量比应该是 15 %~20 %,特斯拉电动车因为电池系统能效比不 高而在新加坡被罚款。新能源车辆续驶里程、充电 时间与电池比能量或电池装载多少有关,北京等大 城市 70 % 以上的车辆用户没有固定车位来安装充 电桩。这一系列的问题导致换电模式成为新能源车 推广应用的技术路线之一。

2010 年前后,国家电网提出以换电为主、充电 为辅的充换电基础设施建设技术路线。为了解决用 地问题,我们对充换电站实施小型化,开发集装箱 式的充换电站。将奥运会占地 5 000 m2 左右的充换 电站缩减至 300 m2 左右。我国出口波兰的充换电 站就是集装箱模式(见图 8)。同时乘用车充换电站只需占地 120 m2 就可以服务 120 辆电动出租车或 1 000 辆私家乘用车。换电模式的技术关键,首先 是规划和建设,其次是互联共享,然后是自动定位 和交汇桥接,最后就是锁紧技术。

《图 8》

2. 大功率充电

为了极大缩短动力电池的充电时间,目前很多 大型跨国车企都提出了 350 kW、1 000 V 的大功率 充电。电动商用车用户对于大功率充电有着强烈需 求,因为快速充电在贴合用车习惯、提高充电效率, 降低车桩比等方面优势明显。然而,大功率充电模 式在我国的发展仍然在讨论和探索中,选择适合我 国国情的充电功率十分重要。大功率充电对电动汽 车的安全性、电网高效稳定运行等都会造成一定影 响,权衡功率和安全性之间的平衡是需要解决的难 题之一;另一方面,高压大功率的使用对于电池系 统、高压保护、高压接口、电控单元、高压传输回 路等部件的耐压与过流能力有了更高的要求,对成 本控制会造成影响,预估会比当前成本增加约 3 倍。 随着技术的进步,电池的充电倍率特性、电池容量、 续驶里程会逐渐增加,因此大功率快速充电需要谨 慎探索,应该仔细分析和对比电动商用车快速充电 与电池箱快速自动更换的优势及互补性。

《(四)运营监控与管理技术》

(四)运营监控与管理技术

随着新能源汽车运行规模的不断扩大,在工业 和信息化部等国家相关部委的领导下,启动建设了 新能源汽车运行国家、地方政府和企业三级监控与管理体系,以实现“车辆运行安全可监测,企业主 体责任可监管,车辆运行里程可追溯,财政补贴效 益可评估,产品质量电耗可调查”等国家监管目标。

根据自奥运会以来北京电动车辆运行实时监控 与管理的实践与经验,在国家工业和信息化部、财 政部和北京市政府的领导和支持下,由北京理工大 学牵头建设了“北京市电动汽车运行监控与服务中 心”以及“新能源汽车国家监测与管理中心”,并 对地方政府监管平台、新能源汽车企业监控平台的 开发和建设提供技术支撑。由国家、地方政府、企 业三级平台组成的新能源汽车安全运行监管体系正 在逐步形成。截至目前,约有 400 家新能源汽车生 产企业申请接入国家监控平台,4 000 多种新能源 车型通过了标准体系符合性测试,并可按国家要求 随时接入国家监测平台。

《三、电动商用车技术展望 》

三、电动商用车技术展望

当前,新一代通信技术、新能源、新材料等技 术与汽车产业正在加快融合。2022 年北京冬季奥林 匹克运动会即将到来,电动商用车将在冬季奥林匹 克运动会的交通服务保障中再次承担重要角色。面 对冬季奥林匹克运动会 –25℃环境下的应用需求, 电动商用车平台的系统技术升级至关重要。

《(一)突破低温禁区,研究全天候动力电池及电动 车辆系统技术》

(一)突破低温禁区,研究全天候动力电池及电动 车辆系统技术

提升动力电池的能量密度、循环使用寿命、安 全性及降低成本是关键。锂离子动力电池的能量密 度和功率性能在低温下大大降低,严重限制了其在 低温环境中的应用。作为 2022 年北京冬季奥林匹 克运动会举办地之一的河北省张家口地区,冬季平 均温度处于 –10℃左右,而崇礼室外赛区在极寒时 温度将降至约 –23℃。全气候动力电池作为一种全 新的电池技术(如图 9 所示),革命性地突破了电池 在低温下的性能局限。全气候电池通过在内部插入 了一片镍片,用很少量的电池能量能够在低于 0℃ 时进行电池“自加热”,当电池温度上升到可用范围 后,它又会自动停止加热,以免造成更多的能量损 失 [12]。此项技术能将锂离子动力电池在 –30℃下的 功率提高 10 倍以上,同时不减弱电池在常温下的性 能和寿命。北京理工大学、中信国安盟固利动力科 技有限公司和美国 EC Power 公司,合作开发了超低 温区域应用带自加热技术的锂离子动力电池系统产 品并进行产业化量产,成功实现动力电池系统自加 热每分钟升温10℃以上且总加热能耗不超过5%。“全 气候电池”将使得新能源汽车的推广应用再无禁区。

《图 9》

《(二)突破低温禁区,研究高效热泵空调技术》

 (二)突破低温禁区,研究高效热泵空调技术

在冬季和夏季,车内空调系统是电动商用车 主要的耗能部件之一。提高空调系统的制冷 / 制热 效率是整车节能和提升续驶里程的重要举措。低温 增焓技术具有高效、节能的优势,并能在严寒条件 下使性能得到提升,是新一代电动商用车平台技术 升级的一项关键技术。通过宽温区变工况空气源热 泵高效制冷 / 制热循环理论、低温环境下高制热能 效热泵空调系统等技术突破以及采用低温增焓、高 效换热器、高效的风扇电机、优化的风罩设计等 技术,低温增焓空调低温制热能效比预期能达到 1.6,在 –15℃下制热能力预期提高近 20 %~50 %, 在 –25℃时也能正常工作,能完全满足在严寒地区 使用时的高效供暖需求。

《(三)提升整车动力性,研发高效电驱动系统 》

(三)提升整车动力性,研发高效电驱动系统

进一步提升整车的动力性能、降低能耗,对电 机、电机控制器以及电驱动总成化集成提出了更高 的要求。技术关键包括高效高密度电机和控制器、 电机与传动高密度一体化集成以及高压集成控制器 等,双电机耦合无动力中断自动变速电驱动系统、 高效高集成度分布式电驱动系统成为可行的技术 方案,如图 10 所示。另外研发效率达双 90 %(效 率≥ 90 % 的工作区域占整个工作区域的百分比达 到 90 % 以上)的电机驱动系统也成为技术攻关的 重点。

《图 10》

《(四)提升整车的智能化水平,研究网联整车控制》

(四)提升整车的智能化水平,研究网联整车控制

器及整车智能驾驶技术 智能化是新一代电动汽车的主要技术特征,也成 为提升整车综合性能的主要技术抓手。技术关键包括 整车线控底盘 [13]、整车网联控制电气架构、网联整 车控制器及信息安全、基于云端多源信息的融合 / 决 策 / 控制标定、整车智能辅助驾驶等。北京冬季奥林 匹克运动会河北赛区地形主要为山区,进入冬季,道 路坡度与冰雪路面等将导致车辆行驶工况十分复杂, 对整车智能辅助驾驶提出了更高的要求。急需对智能 网联控制技术、驱动电机与自动变速控制技术、系统 智能控制技术等进行重新设计和开发,使整车达到更 高的可靠性、安全性等综合性能。

《四、结语》

四、结语

本文提出并明确了“电动商用车系统工程”的 内涵,就其三大核心组成要素“电动商用车平台、 充 / 换电站、运营实时监控”及其关键技术,分别 进行了研究分析和讨论。面对 2022 年北京冬季奥 林匹克运动会 –25℃环境下的应用需求,突破目前 纯电动商用车的低温应用禁区和提升整车动力性 能、安全性等综合性能至关重要,从自加热全气候 锂离子动力电池、低温增焓高效空调、高效电驱动 系统、整车智能控制四个方面讨论了电动商用车平 台技术升级的途径和关键技术。