新能源汽車關鍵技術在國防領域的應用展望

清華大學汽車系汽車安全與節能國家重點實驗室 李建秋 胡家毅

經過15年的持續研發，我國新能源汽車已經步入國際先進水平的行列，電池技術、電機技術、燃料電池技術和電子控制技術獲得了長足的發展，新能源汽車相關產業已經開始在質量水平和產業規模上居于國際前列。新能源汽車的核心關鍵技術為我國國防領域的車輛和相關裝備的動力升級提供了可能，如何將新能源汽車領域的先進零部件技術、動力系統技術與國防的特種需求相結合，推動我國國防裝備的跨越式發展，是當前軍民融合領域非常值得探討的重要課題。本文對國內外新能源汽車發展現狀進行了綜述，并就軍民融合發展的思路和定位進行了探討。

一、我國新能源汽車發展現狀和前景預測

（一）研發部署

近15年來，我國始終將新能源汽車作為國家的戰略性新興產業，制定了詳細的科技攻關和研發布局，圖1為我國在“十三五”期間制定的新能源汽車總體研發布局，并設立了新能源汽車國家重點專項，從基礎科學問題、系統集成技術、共性核心關鍵技術、集成開發和示范等4個層次，圍繞基礎部件和材料、汽車動力系統學、網聯車輛信息學等內容，針對燃料電池動力系統、混合動力系統、純電動系統開展攻關，突破動力電池與電池管理、電機驅動與電力電子、電子控制與智能技術等共性核心關鍵技術，形成基礎設施、集成示范和國際合作3個平臺。

（二）實際效果

圖1 “十三五”期間《新能源汽車》科技重點專項戰略規劃布局

近年來，國家在新能源汽車研發方面的持續投入，開始形成研發人員、基礎設施和產業生態優勢。從2015年以來，我國新能源汽車銷量始終保持高速增長態勢，從2015年的33.1萬輛，增長到2016年的50.7萬輛，再到2017年的77.7萬輛，進入2018年以來，1-11月的新能源汽車銷量已經超過100萬輛。圖2為汽車工業協會公布的近3年的新能源汽車銷售量，其中，1-5月新能源汽車銷量同比增長量在91%～450%以上；2018年7月以來，在汽車月度產銷量同比下降、市場略顯低迷的大背景下，新能源汽車仍能實現37%～55%的月度銷量同比增長。我國新能源汽車進入高速發展階段，并開始在電機及其驅動技術、電池及其管理技術、電子控制技術等方面形成完整的配套體系，95%的產品研發和配套為我國自主，形成了相對于傳統汽車更加完整的產業鏈。2016年和2017年，我國新能源汽車的產銷量占全球產銷量的50%。

以電池為例，2017年我國電池生產量占全球60%，2016年和2017年，全球排名前十的電池企業全部分布在中、日、韓三國，并且我國總共占據7個；2017年，全球排名第一的寧德時代新能源科技有限公司（CATL）的電池生產量相對2016年大幅增長，從6.8GW·h增長至12GW·h，成為技術和產量都排名靠前的電池企業。日本松下公司為日本唯一一家排名全球前十的電池企業（主要供貨特斯拉），LG化學公司和三星SDI公司則主要為歐美企業供貨。表1為2016年和2017年全球動力電池研發和生產企業前十名具體的銷量情況。

預計到2020年，我國新能源汽車將達到年產200萬輛、保有量500萬輛的規模；到2025年，純電動轎車開始具備全面與內燃機轎車競爭的性價比。電機、電池和電控技術的規模化生產和應用，為國防領域的軍用車輛電動化打下了產業基礎。

二、國防車輛電動化在國外的發展情況

國外越來越多的軍用車輛開始了電動化應用的趨勢。美國通用動力公司推出了8×8 AHED（先進混合動力）分布式獨立電驅動演示車，如圖3所示。該車重14.5～18t，采用400kW柴油機-發電機的APU系統和8臺永磁輪轂電機獨立驅動，可以實現差動轉向等復雜機動。

圖2 我國近3年的新能源汽車月度銷量（數據來自汽車工業協會）

表1 2016年和2017年全球動力電池研發和生產企業前十名

圖3 美國推出的AHED（先進混合動力）裝甲車

與此類似，瑞典、英國、南非、德國等國家分別推出了采用混合動力電動輪驅動的輪式戰斗車輛，典型車輛圖片如圖4所示。

日本陸軍正在著手測試一款搭載由三菱重工提供柴油機、日立提供輪轂電機的分布式獨立電驅動樣車，如圖5所示，其采用6×6驅動，最大行駛里程超840km，純電狀態綜合續航里程超50km，最高車速達130km/h。

近年來，隨著燃料電池技術的進步，美國通用汽車公司在15年的自主魔力（Autonomy）燃料電池轎車概念的基礎上，于2017年推出了燃料電池智能運輸平臺的無人車輛，如圖6所示。通用汽車公司展示了其正在開發的燃料電池電動汽車平臺，名叫SURUS，也就是“Silent Utility Rover Universal Superstructure”的縮寫，它是一輛很大的無人駕駛汽車，尺寸和集裝箱差不多，通用汽車公司認為SURUS的應用范圍很廣，比如用作移動和應急發電設備，用于貨物運輸，還可以供軍隊使用。

通用汽車公司還開發了雪佛蘭科羅拉多ZH2氫動力皮卡，如圖7所示，它是一款概念車，目前美軍正在測試該汽車。氫汽車行駛時很安靜，燃料反應之后排放為可以飲用的水，軍隊很看重這兩個優點，在沙漠地區，水是保證戰斗乘員的重要補給物質。

圖5 日本研發的分布式電驅動樣車

圖6 通用汽車公司推出的SURUS燃料電池動力智能無人平臺

燃料電池動力是新能源動力中最具國防應用潛力的一種動力，和傳統柴油混合動力系統相比，燃料電池的優勢非常明顯：（1）電化學反應溫度低，只有80～95℃，和柴油機的缸內燃燒溫度（1500℃）相比，紅外信號低很多；（2）燃料電池電堆反應過程沒有機械旋轉部件，比較安靜，燃料電池系統中噪聲最大的是空壓機，設計良好的空壓機的噪聲可以很低，可以長期在前線隱蔽部署；（3）燃料電池的排放物只有水，可以在狹小或者密閉的空間中使用和運行，人機交互性好。也正因如此，燃料電池將來會在水下、陸地、空間等機動平臺上得到廣泛應用。

三、我國國防車輛電動化發展重點思路

（一）基于輪轂電機(In Wheel Motor，IWM)的分布式電驅動系統

由于國防車輛對機動能力要求很高，需要采用基于新一代輪轂電機或者輪邊電機的分布式驅動系統，以滿足對高機動能力、高容錯能力和高適應能力的要求。圖8為清華大學提出的一種電動輪總體設計方案，能夠兼顧解決大爬坡度（60%）要求的大轉矩和高速機動（120～150km/h）；同時保證制動、轉向和懸架接口。目前需要突破高轉矩密度電機的設計方法和體系，其基本思路如圖9所示，采用直接油冷、混合磁場、端部焊接和方形導體等措施，可以有效提高電機的轉矩密度。

（二）基于高功率密度的智能動力單元（Intelligent Power Unit，IPU）

針對國防特種車輛空間緊湊、需求功率大的特點，清華大學研發了專門用于發電和耗功的柴油機-發電機動力單元，可以對車載功率進行雙向智能化管理：（1）整車需要發電功率時，由發動機帶動發電機發電；（2）整車需要消耗制動功率時，由發電機倒拖發動機耗功，從而實現整車在不同工況下的功率輸入和功率消耗等功能，因此稱為智能動力單元，典型的高功率密度的智能動力單元如圖10所示。傳統的車用柴油機設計準則基本針對機械動力傳動系統進行優化設計，采用低速大轉矩技術路線，發動機的重量比較大；而采用IPU系統后，需要的是功率而不是轉矩，因此發動機和發電機可以重新優化匹配，從而實現IPU設計的輕量化和低噪聲，緊湊的IPU便于整車布置。

圖7 通用汽車公司推出的燃料電池軍用皮卡

圖8 重載車輛電動輪設計方案效果圖

圖9 新一代高轉矩密度電機技術趨勢

圖10 高功率密度的智能動力單元

（三）兼顧底盤機動和上裝電磁發射的高性能儲能系統（Energy Storage System, ESS）

新能源汽車動力系統中的高性能電池（或者叫儲能系統）是車輛的動力性、經濟性的重要保障，也是整車安全性的重要系統。如何設計高功率密度、高能量密度和高安全性的電池系統，既是底盤動力驅動和制動的需求，也是上裝武器和裝備的需求。電磁發射技術的發展對脈沖放電的動力電池和儲能系統提出了很高的要求，如何將這些要求與車輛底盤的驅動和制動系統的儲能特性相結合，實現整車一體化優化設計，成為未來國防特種車輛的重要發展趨勢。

清華大學在動力電池安全性系統集成方面經過長期積累，開展了高功率密度（12kW/kg）、高可靠和高安全動力電池系統研究，研發的電池組在槍擊火燒的情況下不著火、不爆炸，防護等級滿足IP67要求，可以在水浸泡條件下安全工作。與此同時，針對純電動力用的電池系統，開展了一系列SOC、SOH、SOF、SOE、SOS和 SOP等電池內部狀態的研究，電池系統能量密度超過160kW/kg，處于國內領先水平。典型的動力電池系統集成及其管理系統如圖11所示。

（四）基于物質再循環的燃料電池動力系統（Fuel Cell Engine, FCE）

清華大學在燃料電池研發方面一直處于領先地位，經過15年的研發，已經使我國在燃料電池商用車領域達到國際先進水平。如圖12所示，清華大學研發的碳板燃料電池電堆的功率密度達到2kW/L，耐久性超過10000h，研發的燃料電池-動力電池電電混合動力系統，可以兼顧動力性、經濟性、耐久性和系統成本，形成了具有中國特色的燃料電池商用車發展道路。2017年，我國燃料電池商用車累計生產超過1000輛，車輛的性能、規模居全球前列。

針對國防領域的需求，燃料電池在不同場合可以采用不同的配置和功率大小。清華大學發明了一種可以在密閉環境下運行的物質再循環燃料電池系統，唯一的排放物是液態水，適用于水下裝備、隧道和密閉空間的發電系統，可以根據需求研發高壓儲氫、液氫儲氫和金屬儲氫等氫系統配置。

四、車輛電動化的軍民融合發展思路

近年來，經過與國防軍工單位的交流與合作，對國防車輛電動化技術路徑和可持續發展有了一些淺顯的認識，包括：

（1）國防軍工科研部門由于前期參與電動化的研發較少，因此，需要加強對新能源汽車領域的零部件研發水平、研發進展和未來趨勢的認識；清華大學在民用新能源汽車領域處于引領地位，對整個行業了解得比較全面，可以引導國防軍工科研部門與民口行業的對接。

圖11 動力電池系統集成及其管理系統

圖12 清華大學燃料電池汽車研發進展

（2）國防軍工科研部門對國防車輛的需求很清楚，傳統民用新能源汽車研發單位往往不清楚這些國防需求，需要雙方很好地交流才能找到合作的起點。一般的做法是國防軍工單位自己研發關鍵零部件，但結果是規模和實力等因素導致所研發的零部件水平往往不如現有民用企業，充分競爭市場環境下的民用零部件（電機、電池、電控）企業具有很強的競爭實力。只是由于國防車輛研發時間周期長，產量一般又不大，因此，一般先進的民用零部件企業往往沒有耐心和興趣跟研到底，最后基本放棄進行國防配套工作。

（3）民用新能源汽車零部件企業具有較強的創新能力和國際競爭力，但是將產品應用到軍工領域仍然需要作相應的改進設計，其原因是國防領域對零部件有特殊要求，如國軍標的電磁兼容等；這往往使傳統民用產品無法被直接采購使用。因此，需要雙方開展軍民融合合作工作，把需求和產品定位等前期工作做好，這是合作成功的前提條件；雙方合作在心態上要匹配，需要探索并摸清軍民融合發展規律，只有這樣，新能源汽車及其相關技術才有可能真正在國防領域實現配套，并在相關技術研發上取得成功。