奇瑞捷豹路虎cooper:车企对混动系统部件的选型及成本要求

NE时代

阅读 590   更新于 2021-06-22 09:11:38

2021年6月17-18日,由NE时代主办,上海电驱动股份有限公司和华域汽车电动系统有限公司战略合作,精达股份总冠名的“2021全球xEV电驱动系统技术暨产业大会”在上海嘉定圆满召开。

以下为奇瑞捷豹路虎cooper演讲实录,主题为《车企对混动系统部件的选型及成本要求》。

大家好我来自奇瑞捷豹路虎,负责三电相关产品成本分析。今天我分享的主题是车企对混动系统部件的选型以及成本要求。从四个方面分享一下:第一,混动车介绍;第二,HEV系统部件选型;第三,PHEV系统及部件选型;第四,混动车价值分析。

混动车介绍

不知道在座各位对混动车了解多少,首先简单介绍下混动车。这里展示的是乘用车路线图2.0.今天很多嘉宾都讲到了,这里不再赘述。补充一点,未来15年不仅是电动车飞速发展的时期,混动车也会迎来一个爆发,并且混动车爆发时间远远早于电动车。并且可以看到2035年已经没有纯燃油车了,全部被混动车代替。

如图是存在的几种混动车的形式,第一种是HEV车型,包括微混MHEV,然后是PHEV和EREV、最后一张是BEV。 今天很多嘉宾都提到了P1、P2、P3,我不清楚大家对这个概念理解多少,我在这边简单罗嗦一下。 P1~P4是针对电机不同的布置位置做的定义,P0就是电机布置在原来发动机发电机的位置,跟发动机是通过一个柔性的皮带轮连接,P1的位置电机在离合器之前,发动机之后,跟发动机是刚性的连接。 P2的位置是在离合器之后,变速箱之前,根据与变速箱同轴异轴分成两种。 P2.5位于变速箱内部,P3和P4是在变速箱之后、车轮之前的位置。

基于电机布置在不同的位置,P0~P4位置上的电机有不同命名方式。如图所示。这张图最早的出处是博格华纳,很形象、很具体的展示了不同位置的电机。

如图这是基于电机不同位置的优缺点,今天也不详细介绍。总结下来,P0的位置多用于微混系统,P1的位置用于微混和轻混,P2微混,轻混,强混,P3~P4是强混和插电混合。

HEV系统部件选型

我们看一下消费者对HEV的车型需求是什么,这是一个Kano模型,横轴代表的是功能的充分程度,纵轴代表的是客户满意度。这里有三种属性,必备属性、魅力属性和期望属性。必备属性是指这项功能如果没有会大大地降低客户满意度,如果有的话,并不见得会提升客户满意度,与之相反的就是魅力属性,意思是说如果有这项属性会大大提高客户满意度,没有的话也不会降低客户满意度。最后期望属性意思是说功能的充分程度和客户满意度基本上呈正比。

看一下消费者的需求,首先必备属性,希望HEV车型启停平顺、静音,不影响发动机寿命。期望属性有价格/电子启停可靠性、续航增加、节油和助力。基于消费者的需求,我们总结了HEV需要满足的功能域,以及要实现这些的零部件。总的来看HEV车型实际上就是在传统的燃油车基础上增加电机、增加电池,来达到一个能量回收、节能的作用。电机的功率决定了助力的强度和能量回收的效率,所以是选型主要的考虑因素。

基于消费者的需求和车企自身需求,我把HEV分为三个发展阶段,其实就是一个电驱动系统逐渐嵌入到整个驱动系统,慢慢的减少发动机参与程度的过程。最下面三幅图展示了发动机参与程度以及能量回收的程度,黄色区域代表了发动机停机状态,绿色区域代表能量回收的效率,发展趋势就是不断增加电驱动的参与,减少发动机的参与。

如图,这是针对不同电机功率,在不同位置的能量回收水平。横轴是车重,纵轴时能量回收量。我们以2.6吨的车为例,18千瓦的电机从P0位置改到P1位置,在一个完整的WLTC循环工况下能够多收获60瓦时的能量,相当于减排二氧化碳2克。P1位置的18千瓦电机改为30千瓦的电机,在一个WLTC循环下能够多收获240瓦时的能量,相当于减排二氧化碳6克。P1位置30千瓦的电机换到P2位置,能够多收获80瓦时,二氧化碳减排2克。P2位置30千瓦的电机改为56千瓦的电机能多收获280瓦时的能量,相当于减排二氧化碳7克。我们最终得出一个结论,能量的回收跟电机的功率是正相关,不同位置的回收效率P2大于P1,大于P0。以P1位置为例,看一下WLTC循环下,减速能量回收的效率,这里考虑的是85%系统效率之后,如果这里的回收效率达到了百分之百,相当于它回收了85%的减速能量。为了获得90%的能量回收,小型的三箱轿车需要配备一个19千瓦电机,大型轿车需要20千瓦的电机,中型SUV 需要22千瓦电机,大型SUV 需要28千瓦电机,车重越大,同样的回收效率需要的电机功率越高。微混系统上的电机功率一般不会超过20千瓦,因为到20千瓦基本能够满足所有车重的车型,回收80%的能量。这也是微混和轻混的分界线。P1系统上,电机功率超过30千瓦带来的收益差异不明显,如果继续增大电机功率,更多的时考虑用电机支持纯电的行驶。车企会在性能和成本之间做平衡,选择不同功率的电机。

选择了不同功率的电机就带来了不同程度的混动,比如微混、轻混、中混、强混等等,这些定义并没有一个严格的定义说达到什么样子就是什么级别的混动,这个只是给大家一个参考。这边分别列出来了不同程度的混动,它能实现的一些功能。可以看到,从微混发展到轻混、中混、强混,从最开始仅仅是实现减少怠速,到慢慢的加速助力,纯电行驶等,再往下加强就慢慢演变成PHEV和EREV。

PHEV系统及部件选型

下面看一下PHEV的选型,很多嘉宾已经详细地介绍了PHEV混动系统,我这边想说的是,PHEV远比HEV系统复杂很多。比如右图的结构,PHEV系统用了两个电机,M1是在P1的位置,M2在变 速箱之后,是P3的位置,这个系统就是P1+P3混联的系统。这个表列出了市面上主要的混动系统电机的组合,大多数都是不同位置的电机组成了混联系统。我们还是先看一下消费者对PHEV车型的需求是什么,消费者在PHEV需求上增加了很多诸如电池安全性、稳定性、准确的续航里程的预测、通用的充电接口,价格、电池质量、充电、便捷性和时长、更换费用等等,很明显消费者对PHEV的需求慢慢往纯电动车上靠,对PHEV的需求是有时候跟纯电动需求是一样的。

我把PHEV发展分为了三个阶段,第一阶段是车企的诉求,车企关注新能源国家的补贴,其次新能源双积分的要求,另外是与传统燃油车架构的共用,在这个阶段每个车企设计的纯电续航里程卡在50公里这个标准下,因为纯电续航超过50公里才可以拿到国家补贴。

第二阶段来自于消费者的诉求,刚才我们列出了消费者的需求,比如消费者对节能的需求,比如对长续航里程的需求,在这个阶段PHEV续航里程大约是WLTC工况下的80千米,相当于NEDC大概一百公里以上。第三阶段车企和消费者共同的需求,从节能减排、成本降低、纯电续航里程以及与电动车共用的模块化设计。因为燃油车注定要慢慢走下历史舞台,将来如果发展混动车的话,一定要基于纯电的平台上去开发。我列举出了市场上主流的一些PHEV的车型,可以看到现在主流的PHEV车型大多数还都停留在第一阶段,也就是说它的纯电续航维持在50公里上下。但像比亚迪秦、宋、唐都有长续航里程,能达到100公里以上,这些基本上进入到了第二阶段的PHEV车型。

这是第三阶段PHEV一些设计要素,很多企业现在愿意为PHEV混动车型开发单独的发动机,所以从发动机方面来看,未来的PHEV的发展会慢慢减少发动机的参与,采用紧凑型的结构,达到低碳、高燃烧的要求。从电驱动方面,慢慢和纯电车型共用系统,达到架构的共用。除了混动系统的改造升级,现在车企慢慢做消费者的培养。这是2017年宝马在北美地区推出740e PHEV的培训手册,翻译过来就是消费者教育。提到“教育”这个词,中国人普遍好感不多,大家很容易联想到从小到大惨痛的学习经历,提到“教育”大多比较反感,比如前段时间tesla刹车门事件,公关负责人提到消费者教育,引起了公众很大的反感。车企有责任要让消费者明白混动车的优势在哪里,怎么样实现它的优势,缺点有哪些,怎样避免缺点。比如第一项,这里指出了它的优点,实现最大效率工况是城市的行驶工况下,大概7~15英里的距离。效率第二高的就是上下班的通勤,维持在30~50英里的行驶历程,效率最差的是长途行驶,超过100英里,因为纯电支持不了这么多,因此效率下降了。再比如第五项提到了影响里程预测的因素,消费者对于准确的里程预测的需求特别高,所以这里提出了比如像气温、地形、驾驶习惯、空调以及路线行驶等问题,都会导致里程预测不准确,这就让消费者提前知道由这些因素决定了里程预测不准确,不要因为不准确对这个车辆产生抱怨。第六项提到电池售后以及电池充电时间,这也是针对Kano模型里面消费者对电池的情况。通过消费者的培养,相信会有越来越多的客户接受混动系统。

下 面简单介绍一下EREV,从系统来看,PHEV能够同时和分别实现发动机和电动机共同驱动车辆,而EREV的发动机只是一个能量提供系统,它提供能量来发电,给电池充电,它并不参与车辆的驱动。 这里提到了一些优缺点,比如有没有里程焦虑,是不是过分依赖于充电设施,以及新能源车的牌照、免税政策,以及交通管制、NEV的积分等等。 最后一个是政府的投资指引,这里提到了政府在投资管理规定里面,把EREV定义成了电动车,把PHEV车型定义成了燃油车,所以有这些区别。

看一下电池选型,电池的选择标准有充放电次数大于100次,商用时间至少要到2030年,电压至少要到3伏,等等,现在主流的电池材料都是围绕在三元材料和磷酸铁铝这两种原材料,未来电池会有一些新技术,比如镍、钴、锰、铝四元材料、硅+石墨等这几种已经慢慢开始应用了。还没有应用的比如石墨烯的负极、铝离子电池、钠离子电池等等,都是一些未来的新技术。

再看电机的选型,选择标准集中在功率密度、功率峰值、电器兼容性、生命周期等等,常用的包括永磁同步、同步磁阻等等。现在主流应用永磁电机最多,其次是感应异步。

对于电控单元,各家的设计没有统一标准,这里只把电控系统里面成本最高的功率半导体拎出来,展示的是HEV,PHEV、BEV在燃油车的基础上,功率半导体的价值分别增加的成本。

混动车价值分析

如图是成本对比,最下面的燃油车基于售价约10万左右的车型的分析,HEV,PHEV这里只做一个价格参考,因为基于不同电池容量和电机选型,成本差别很大。PHEV、HEV成本高于传统燃油车,但是低于电动车,基于这个成本对比,最后做一下混动车商业价值的分析。

一种新商业模式的诞生,对于老的商业模式是颠覆还是共存,我们通常会用价值曲线做分析。比如电动车到底能不能颠覆传统的燃油车,我们从四个价值元素入手看一下,比如从购买经济性、使用经济性、环保性能等分别做一下分析。电动车的购买价格高于燃油车,但是使用上电动车的保养费用和充电费用要低于燃油车,使用方便性上电动车差于燃油车,环保性电动车强于燃油车。由此我们得出了左上的价值曲线,这是一个交叉的价值曲线,意味着短时间内电动车根本无法颠覆燃油车,它们会是一个共存的状态。什么时候能够颠覆?看一下右边的第一幅图,我们考虑电动车价值的动态变化,电动车的购买价格在不断地下降,使用方便性随着国家的基础设施的建设,我相信会得到不断提升。当电动车的价值曲线完全落到燃油车上时,电动车将会给燃油车带来颠覆。

右下图是燃油车和电动车全生命周期的经济性比较,这个经济性比较考虑了它的购买价格、使用费用、折旧费用,生命周期按照6年的摊销做出来的比较。如图,在2022年以后电动车的经济性将超过燃油车,这只是一个最终的结果,具体的分析也是之前给NE时代做的一次分享里面,有一个详细的分析说明,大家有兴趣可以翻一下NE时代公众号。

电动车在现阶段是无法颠覆燃油车的,所以在这个基础上就产生了混动车。左下图中间这条线是混动车的价值曲线,介于电动车和燃油车中间,可以说是取长补短的存在。看到这里,即使没有最开始我们提到的外部因素的驱动,比如国家政策的驱动,混动车的商业模式也会被车企以及消费者慢慢地认可。

混动车这个概念很大,包括零部件选型,是非常复杂的设计。今天我提到的仅仅是一些皮毛,未来混动车的发展还要靠在座各位同仁共同努力,谢谢!

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