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用于2030年的车用动力系统的研究与开发
2020-04-15 23:56:20· 来源：汽车与新动力
为了使车辆满足降低CO2排放的目标，汽车制造商需对多种动力系统和不同车型进行分别研究，从而得出最佳的组合方式并将其转化成实际产品。德国IAV公司目前已开发出
为了使车辆满足降低CO2 排放的目标，汽车制造商需对多种动力系统和不同车型进行分别研究，从而得出最佳的组合方式并将其转化成实际产品。德国IAV公司目前已开发出一种开发系统，通过对车辆动力性的要求的分析就能推断出合适的动力系统模块。
1 对未来车用动力系统的挑战
未来，混合动力汽车将主要用于降低CO2和有害物排放。为了满足全球CO2和有害物的排放目标，研究人员需重点考虑用户的需求，从而使车用动力系统呈现出多样性。
至2030年，欧洲市场汽车的CO2排放指标很大程度上可通过法规来进行调节，研究人员对其设定的排放限值约为50～70 g/km。该目标通过电气化措施就可实现，这是目前通过油箱至车轮（TtW）系统而计算出的降低CO2排放的方式。就目前而言，只有在储备了充足的可再生能源时，到2050年才能逐步实现降低CO2排放的目标。除了降低排放之外,还要注意在进行能量回收利用时系统对环境的影响，如温室效应等现象。研究人员为了对车用动力系统方案进行准确评价，从而需依照全生命周期（CtG）而对车辆进行全面研究。
此外，车辆在降低CO2排放的发展进程中还会面临其他挑战，如需对某些车型进行电气化调整，从而在经济层面和在技术层面上均会存在一系列问题。因此对于有着较高功率需求的移动设备（重型载货汽车、建筑机械等）而言，在未来仍会主要以内燃机（ICE）为动力来源，由此可大力推行合成燃料（E-Fuel）的应用，该类燃料是通过CO2与可再生的氢而合成的。由于该类燃料的制取效率较低，在从油井到油箱（WtT）模式下，该指标仅为45%～65%，因此针对可再生燃料的需求得以相应提升。
除了CO2排放法规之外，生产成本和用户的接受程度对于车辆动力系统的开发也会造成一定影响。此外，车辆动力系统应具有较高的灵活性，以便能稳健地面对随时可能出现的法规调整，同时也应扩大可再生能源开发及用户状况的不确定性（图1）。
图1 未来机动性方案的挑战（注：图中的混合电流即为混合动力，德语Strommix，指使用不同能源发电生产的电能）
2 系统的方案开发
动力系统的部件、布局和功能的优化需要基于系统层面的开发过程以及针对具体车型的长期产品策略而得出。IAV公司所采用的独特方法和工具系统始终贯穿于整个开发过程中。
IAV公司针对车辆动力系统的开发过程（图2）从采集终端用户、法规、目标市场、汽车制造商、零部件供应商和能源供应商等方面的要求开始，在实现系统组合时描述了市场条件和环境条件对使用状况的影响，由此阐明未来的发展趋势，并能指明其技术要求和用户的接受程度。IAV公司根据此类情景可研究出相应的优化方案，并以此降低CO2排放。
图2 支持预开发的IAV公司方法
（ICEV=内燃机汽车；HEV=混合动力车；PHEV=插电式混合动力车；FCV=燃料电池车；BEV=纯电动车）
IAV公司在进行车辆动力系统的组合优化时，可将许多部件组成全新的系统，并针对其成本、效率和输出功率进行优化，而后确定动力系统的主要参数，并对各个部件的结构进行开发。此外，这种有效的合成方式还被用于变速箱、电机和执行机构的开发。通过上述一系列过程，研究人员得到了由各个具体部件所组成的动力系统。同时通过采用模块化合成，研究人员可将车辆动力系统的最佳方案组合成模块化结构，以便将产品多样性、废气排放和成本降至最低（图2），通过该方法能实现未来的技术目标。
3 公司车队层面上的持续考察
为了客观地研究动力系统对温室气体效应的影响，研究人员还对车辆生命周期进行了考察，该过程即为生命周期评估（LCA）。在该领域，针对WtW模式下CO2排放的计算过程也应采用不同的合成燃料，针对生产过程（CtG）中的CO2排放评估也势在必行。该领域的研究范围已从TtW模式扩展到WtW模式和CtG模式，因此还应对车辆电驱系统中的蓄电池和磁性材料的制造过程开展相关研究。研究人员在每一个动力系统方案的组合中相应生成LCA指标，从而能在后续的研究过程中对所有车辆的动力系统进行总体评估（图2）。评估的标准是TtW、WtW和CtG过程中的CO2排放量、一次能源的需求量和整车制造成本。
4 2030年混合动力方案研究
在后续的方案研究中，研究人员对图1中的几项问题进行了优化。为此，5种最主要的车辆型式（ICEV、HEV、PHEV、FCV和BEV）对应着最重要的车辆等级（B级车、C级车、D级车、E级车）。对于每一种车型与动力系统的组合，研究人员都要计算基于TtW模式的全球统一的轻型车试验程序（WLTP）的CO2排放量以及基于WtT、WtW和CtG模式的CO2排放量，并相应补充一次能源及完善驱动部件制造成本的数据记录。
研究人员在方案开发过程中为每种车辆等级规定了应用最广泛的3种动力系统（图3），同时该类动力系统的组合都是开放式的，研究人员均已对其进行了组合分析。目前尚不知全新的动力系统会如何影响用户的购买意向，为了能使该指标量化，已将市场销售的所有组合涵盖在内，从而便于研究人员对2030年的车型产量进行预测。
图3 方案研究的边界条件
表1中的第1种情况可被认为是汽油车的技术基准，除此之外装备柴油机和天然气发动机的车型有助于显著降低CO2排放。表1中的第2种情况表示制取合成燃料需采用可再生能源，否则到2030年，在车辆采用混合动力系统的情况下会使WtW模式下的排放量增加6倍，如果设定合成燃料仅能通过可再生能源制取，那么WtW模式下的CO2排放当量仅为20 g/km。即使研究人员对车辆、驱动装置、燃料和能量的生产、运行和回收利用开展总体研究，在使用100%比例合成燃料的情况下CO2排放量也仅为52.3 g/km，仍低于2030年的TtW的预测平均值。
表1 用于预测2030年欧洲车辆等级分布可能的驱动型式情景
作为与此相对应的方案,表1中的第3种情况代表仅使用蓄电池的纯电动汽车，除了可局部实现零排放之外，同时也能表明实际影响周围环境的排放（WtW）与混合动力系统密切相关。
如果考虑到BEV的动力系统，那么CO2排放当量将会提高到约140 g/km，这虽然比第1种情况低约50 g/km，但是却明显高于其他车型的排放值，而且BEV的动力系统的成本要高出约81%。
表1中的第4种情况则代表了未来的发展前景。占比约50%的电动车可实现局部零排放，而剩余的部分车型则装备成本较低的内燃机，以此满足市内行驶和郊外行驶的需求。因此，与第3种情况相比，WtW和CtG模式下的CO2排放与车辆动力系统的平均制造成本都能显著降低。
第5种情况是针对每种车型和驱动型式产量分布的预测，研究人员通过这种分布状况可对车辆等级和车辆动力系统进行预测。如表1所示，按照现在的数据状况预测HEV所占的份额为55%，与PHEV和ICEV加在一起的所有新车型中约有83.8%的车型都装备了内燃机。在该预测过程中，BEV的份额仅占16%。以此为基础，所有车辆等级在始终使用化石燃料的情况下，TtW情况下的CO2排放约为77 g/km，而与此相应的WtW情况下的CO2排放量为95 g/km，相对较高。此外，与条件2、3和4相比，可再生能源对WtW和CtG模式下降低CO2排放的影响效果相对较小。因此，证实了提高混合动力汽车所占比例可有效促进可再生能源领域发展的理念。此外，由于使内燃机燃用E-Fuel燃料能有效地降低CO2排放，而减小PHEV、BEV和FCV的所占比例能相应降低成本。
5 排放法规的影响
从图4可以清楚地看出各种车型的CO2排放和成本潜力。并分别标注出了ICEV、BEV、FCV所占的比例。
图4 不同结算方式的 CO 2排放和成本潜力（图中Potenzial=潜力）
在当前的TtW法规下，汽车制造商通过零排放车型来降低公司车队平均CO2排放，由此引起整车成本的直线上升。研究人员通过基于2030年的预测值，可将WtW模式下的CO2排放量降到约120 g/km以下。但即使BEV在所有车型中占据100％的份额，WtW模式下的CO2排放量也难以降低到80 g/km 以下。与2030年的能源体系相比，可再生能源所占的份额会进一步增加。
6 BEV的用户接受程度
目前，1项不确定性在于用户对于BEV的接受程度。图5左图示出了在车辆动力来源全部为可再生能源的情况下，BEV对WtW模式下CO2 排放量的影响。由于充电时间、公共设施和使用寿命周期总成本（TCO）等因素会对BEV的销售产生制约，从而只有增加FCV的销售比例才可有效抑制CO2 排放，由此会使整车成本得以显著提升。根据预测，至2030年时FCV的市场占用率也会相对较低，仅有0.2%，为此对E-Fuel燃料实现进一步推广应用才能确保WtW模式下的CO2 排放量不会增加。
图5 公司车队BEV份额和E-Fuel燃料对 CO 2排放和一次能量的影响
如图5右图所示，针对减少CtG模式下CO2排放值的研究，只有通过对ICEV及HEV这2类车型进行比较才能得出结论（图5右图）。由此只有在一次能源需求增加的情况下才可有效降低成本。
7 动力系统与车辆的匹配
通过上述分析，本文研究了用于2030年的TtW、WtW和CtG模式下的CO2 排放的依赖关系和优化潜力。除了针对降低CO2 排放而逐步推进针对混合动力系统的优化之外，已考察了整车制造成本及其动力系统所需的一次能源。
图6左图示出了动力系统数量对TtW模式下CO2排放的影响。图中所标注的“成本最佳”、“TtW最佳”和“WtW最佳”分别表示出了在CO2排放潜力和动力系统组成等方面的重要区别，使用上述动力系统即可在TtW模式下达到最低的CO2排放。
图6 按照WtW- CO 2和TtW- CO 2结算以及成本优化的最佳动力系统
每一种车型配置（数据云中的点）包含了车辆等级特有的动力系统，并配备有相应的CO2排放、一次能源和整车成本的相关数据。在图6右图中针对WtW最佳的车型示出了为此所必需的动力系统及其与车辆的组合形式。
8 结论
未来，车辆采用混合动力系统可显著降低CO2和有害物排放。采取IAV公司的车型组合方法，就能将内燃机、包括插电式在内的混合动力系统以及采用燃料电池或蓄电池的纯电动力系统等5种最重要的动力系统形式分别分配给相应的车型。研究人员针对每一种车型与驱动装置的组合都计算出了相应的CO2排放当量，而且调整了每种车型的销售比例。通过研究方案证实，在面对混合动力系统和可再生能源的挑战时，目前所有车型中HEV依然占比较高，而传统内燃机燃用E-Fuel燃料有着较好前景，同时减少PHEV、BEV和FCV的销售比例也能降低整车成本。除此之外，研究人员还分析了混合动力系统的目标导向。上述结果表明，内燃机在B级车型中仍是未来的主要发展目标，但是在其他车型中混合动力（HEV或PHEV）车型更占优势。
作者：[德]W.WUKISIEWITSCH等
整理：范明强
编辑：伍赛特
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