未来电动式动力总成系统及产品的技术发展动向

【日】 加藤克司

0 概述

汽车工业正迎来百年一遇的变革期。以车联网、自动驾驶、服务与共享、电动化为核心的四大领域正改变着汽车行业。其中，串联式混合动力车(SHEV)、轻度混合动力车(MHEV)、插电式混合动力车(PHEV)、纯电动车(BEV)、增程式电动车(REEV)、燃料电池车(FCV)等车辆的动力总成系统及其结构件发生了较大的变化。人们通常将BEV、REEV、FCV这3款车型统称为电动车(EV)。

1 世界汽车电动化的发展

几年前，各国政府以大众(Volkswagen)公司发生的柴油车召回事件为契机，加强了对汽车废气排放的限制。此前，欧洲的汽车制造商认为，由于针对清洁柴油车的废气排放对策造成柴油车成本大幅增加，导致柴油车竞争力大幅降低。随着越来越多的大城市开始禁止柴油车驶入市区，柴油车销售量快速下降。因此，汽车制造商纷纷调整发展策略，推动汽车的电动化转型。

世界主要国家正在逐年收紧汽车CO2排放量限值。欧盟制定了相关法规，要求各汽车制造商生产的汽车CO2排放量在2021年降至95 g/km以下，并进一步规定，到2030年CO2排放量限值须在2021年CO2排放量限值的基础上再降低37.5%(图1)。同时，欧盟还公布了对CO2排放未达标的汽车制造商的处罚标准，规定CO2排放量超出1 g/km，每辆车将被处以95 欧元的高额罚款。为避免缴纳罚金，汽车制造商需要快速推进汽车的电动化发展进程，并从能满足法规要求的其他生产商购入积分。在德国，政府与汽车制造商正以50%的优惠力度向 EV车型的购买者发放巨额补助金来促进汽车电动化。

图1 世界各国乘用车市场CO2及燃油耗法规动向

在奥巴马政府时期，美国已制定了企业平均燃油经济性(CAFE)的强化法规，并在12个州引进了零排放车辆(ZEV)法规(表1，图2)。2018年，美国在特朗普政府时期发布了放宽CAFE法规和废除ZEV限制的措施，多个州也提出了反对CAFE强化法规的申诉，目前尚未决定相关的新规定。最近，加利福尼亚州发布了强化ZEV的法规，宣布到2035年将完全禁售内燃机车辆和HEV。可以预计，新一届政府的方针、政策将恢复到原来的强化CAFE路线，为此很多汽车制造商已经开展了满足法规强化的工作。

图2 2018年后美国的ZEV法规执行情况

表1 美国ZEV法规的实施规则

中国从2019年开始仿效美国ZEV法规的新能源汽车(NEV)法规，并实施了为购置NEV的用户提供高额补助和免费牌照的政策，以促进电动车辆的发展。近期，中国政府还发布了新的政策，要求到2035年，约有50%的新车为NEV，剩余的汽油车需要更换成混合动力汽车(HEV)。

日本于2020年3月公布了1项目标，首次采用“从油井到车轮”的CO2排放量评价方法，要求到2030年，CO2排放量降至91 g/km，同时要求乘用车的燃油耗限值比2016年车辆实际燃油耗下降32.4%，燃油耗法规得以强化。研究人员预计，新的EV、PHEV也将被列入执行法规的对象。

综上所述，在世界主要地区，随着对CO2排放的限制，对ZEV法规的强化，以及补助金优待政策的推出，PHEV的销售量将会快速增加。图3示出了欧洲五国2019年的新车市场销售情况。德国、法国、英国这3个国家的EV与PHEV合计市场份额首次超过10%，德国的EV市场份额首次达到8%。

图3 2019年欧洲五国新车销售辆数中EV、PHEV的市场份额

2 未来动力总成配置的预测

在2015年召开的第21届联合国气候变化大会(COP21)上，与会国对减少CO2排放达成一致意见。2016年，175个国家和地区签署巴黎协定，设定了全球气温升幅控制目标，即与工业革命前的气温相比，各国政府需要控制全球温度升幅，使其低于2 ℃，力争低于1.5 ℃。为此，国际能源机构(IEA)发布了为控制全球气温升高的世界汽车动力总成配置图(图4)。但是，如果各汽车制造商仅以巴黎协定中所规定的本国CO2减排为目标，则难以达成控制全球温度升幅小于2 ℃的目标。这需要各国政府采取更积极的减排措施。2020年3月，欧盟发布了到2050年，温室气体(GHG)实际排放为零的政策；2020年9月，中国政府提出了到2060年，中国GHG实际排放为零的目标；2020年10月，日本发布了到2050年GHG实际排放为零的目标。各国政府也正积极地研究和讨论当前车辆的CO2排放法规、上述提及的从油井到车轮的CO2排放量评价方法、欧洲的CO2排放全生命周期(LCA)评价法等政策法规。图5示出了各国运用LCA评价方法比较各车型CO2排放量的情况。由于各国用于发电的能源构成不同，采用煤炭火力发电的中国、印度产生的CO2较多；而在日本，由于提高了发动机的热效率，HEV产生的CO2排放量比BEV更少。为了应对全球气候变暖，各国需要降低占GHG大部分份额的CO2排放。因此，各国需要重点利用CO2排放量较少的太阳能、水力、风能等可再生能源。

图4 世界动力总成配置情况

图5 2030年按LCA评价法的CO2排放量比较

3 各种电动化系统的技术动向

目前，由于法规要求及执行优惠政策等因素，BEV的销售量有了一定提升。电动车大量使用的锂离子电池(LiB)在充电时间、使用寿命、可配装性、安全性、成本等方面还存在较多问题，虽然LiB的改进技术在不断优化，但是LiB性能的提升空间仍有限。BEV如要广泛普及，研究人员需要对电池体系进行改良并实用化，使其像全固态电池和锂空气电池那样具备安全性高、可配装性好等优点。如果电池充满电的BEV续航里程延长至与加满燃料的汽油车续航里程相近，其充电时间也与燃油填充时间相同，电池成本大幅下降，同时快速充电桩等基础设施逐步完善，则BEV销量在未来十年内将会快速增长。

与BEV一样，PHEV的销量也在增长。在欧洲，根据CO2排放量计算有利的超级积分制度，各汽车制造商能轻易满足CAFE标准的CO2排放量要求，并满足购买PHEV和EV时可获补助金的优惠政策。因此，为减少罚金，汽车制造商也增加了PHEV的销售量。

在继日本汽车制造商采用了SHEV技术之后，德国也有5家汽车制造商联合开发了MHEV，并将其电压规格统一为48 V，比高压的SHEV车型具有更简化的安全保护对策。因此，MHEV车型的系统成本增加部分较SHEV车型减少了50%。MHEV车型的CO2排放量减少了8%～15%，相当于SHEV车型的50%。就技术而言，与SHEV相比MHEV的技术更容易被引进，MHEV在欧洲及中国的应用也在逐步增长。MHEV车型的电机输出功率由原来的20 kW提升到了30 kW。目前，燃油经济性能进一步提升的高功率版MHEV车型已处于研发应用阶段。

目前，日本汽车制造商生产的HEV在世界上占据了较大的市场份额。但在欧美及中国，由于HEV受到比EV和PHEV更为严格的销售限制，预计HEV的销售限制还将被进一步收紧。目前，欧美各国已出现了将在2030—2040年禁止销售HEV的动向。为了在世界范围内普及SHEV，拥有SHEV领先技术的丰田汽车公司向其他汽车制造商提供了目前正在量产的丰田新一代混合动力(THS-Ⅱ)系统，以及简易型的HEV系统。随着各国相关法规的逐步强化，预计未来采用SHEV车型的汽车制造商会进一步增加。

FCV加满氢燃料后的续航里程为650 km，其加满氢燃料的时间与汽油车加满燃油时间大致相同，约为3 min。但是，由于加氢站的设置费用及建设费用都较高，而使用氢燃料的车辆相对较少，整体核算利润较低，因此，FCV及加氢站均未得到普及。最近，中国政府制定了目标，要成为世界一流的FCV生产大国，并于2020年9月发布了FCV核心开发企业的激励制度，促进以大型卡车和公共汽车为主的FCV开发计划。日本丰田汽车公司于2020年将新一代FCV MIRAI车型投入市场。该车型的续航里程为850 km，且实现了低成本化。日本政府还将与相关企业合作，力求实现加氢站的普及。未来，随着FCV价格的下降和加氢站的增加，FCV车型的数量也会得到相应的增加。

受相关法规强化和政府优惠政策的影响，汽车制造商制定了相关的发展规划，计划在1～2年内向市场投放新型的EV及PHEV车型。

4 原有产品及新产品的技术动向

4.1 受电动化影响的原产品

由于BEV无须配装发动机，因此与发动机相关的一些零部件也可取消(图6)。由于电机与发动机的特性不同，变速器可用减速器替换，因此原有发动机的约3万个零部件可减少至约2万个。但是，由于HEV、PHEV及REEV 配装了发动机，其相关车型仍保留了一定数量的发动机及零部件。

图6 汽车电动化后可取消及需增加的零部件

4.2 新型产品技术动向

电动车的核心技术是电机、电池及动力控制模块(PCU)(图7)。备受关注的新产品是集电机、PCU、减速器于一体的电动车桥单元(eAxle)，其具有小型化、轻量化、低成本化等特点。国内外供应商均对该产品的实用性开展过探讨，特别是关注PCU的功率半导体，如碳化硅(SiC)半导体引起了研究人员的关注。表2示出了几种功率半导体材料的特性。SiC半导体的性能比目前使用的硅半导体性能有了较大提升，但成本也相应提高了。氧化镓(Ga2O3)作为SiC的下一代功率半导体材料同样也引起了研究人员的关注。目前，研究人员已开始了相关研发工作。由于Ga2O3材料的成本低、容积小，预计2030年后该材料在功率半导体中的应用将会增加(图8)。主要汽车制造商未来的电动化策略详见表3。

图7 电动车的结构差异与核心技术

表2 几种功率半导体材料的特性

表3 主要汽车制造商的电动化策略

图8 功率半导体的市场趋势预测

4.3 车载动力电池技术动向

BEV中最重要的产品是动力电池。随着汽车电动化在全世界的普及，市场上出现了电池供应不足的现象，为促进电动车市场的稳步发展，各汽车制造商在确保本公司配套系列产品外，也增加了新的电池供应商。也有部分汽车制造商，例如特斯拉汽车公司，为降低电池成本，计划自行生产动力电池。

当前，作为主流动力电池的LiB，其电解质为可燃性液体，具有引起泄漏及火灾风险，且电池性能有限。2020年上半年起，性能更强、安全性及配装性更好的全固态电池已投入使用；一些创新型电池，如锂空气电池、氟化物离子电池、锌空气电池等也正在研发过程中。

4.4 其他新产品动向

为实现汽车电动化，亟待解决的课题是在EV车型上配装可用于车内供暖的大型热源。EV车型使用大量消耗电能的PTC加热器和热泵，由于热泵的快速供暖性能较差，且在超低温下的供暖能力较弱，因此热泵需要与PTC一起使用。研究人员采用了1款改良的电动压缩机，可以使EV车型在-20 ℃的室外温度条件下实现供暖。尽管如此，与传统发动机相比，其供暖性能依然较弱，且耗电量大，导致续航里程大幅降低。研究人员需要对此进行进一步优化。

汽车电动化的新系统是内置轮毂电机(图9)。该系统在车轮附近搭载驱动电机以独立驱动各车轮，且目前使用的驱动轴与差速器等部件可以取消，从而实现车辆轻量化，并扩大了车辆内部空间。但是，在车辆振动及浸水等严格的使用环境下，如何制定相应的对策仍是亟待解决的课题。各国政府也在积极推进动力转向、稳定器及压缩机等设备的电动化。

图9 轮毂电机

4.5 轻量化动向

EV车型需要在车上布设数百千克的电池，为延长车辆的续航里程，需要进一步减轻整车的质量。虽然车身使用高强度材料的比例在增加，但为了实现汽车轻量化，需要有效使用铝合金、阻燃性镁合金、树脂等材料。目前，各汽车制造商正在推进成本与性能更优的多样性车身材料。铝材的比强度好于钢材，可用于实现车身轻量化，而镁合金的密度比铝材小30%，比强度也较高。目前，部分汽车制造商正在使用的树脂材料有碳纤维与合成纤维复合形成的热硬化性碳纤维增强复合材料(CFRP)，其比强度是钢材的10倍，而密度仅为钢材的25%，是实现汽车轻量化要求的材料之一。但是，该材料成型时间长，成本是钢材的10倍。随着材料成型加工工艺的发展，预计CFRP成型时间将大幅缩短。作为树脂材料，不论是热硬化性CFRP、新型的低成本热塑性CFRP，还是可将植物纤维降解至纳米级别的纤维素纳米纤维(CNF)材料，都需要加快实用化发展。其中，CNF材料的密度仅为钢材的20%，强度却是其5倍以上。

5 结语

汽车工业每隔100年都会迎来重大的变革。为了加速汽车电动化，很多汽车制造商加强与新兴企业的合作，并积极推动除本公司系列配套产品以外的零部件供应。

在未来高性能的车载动力电池投入开发应用后，EV车型的续航里程将不断延长，加之充电基础设施的普及和充电时间的大幅缩短，汽车电动化将得到切实的推广和普及。如果汽车零部件供应商能准确把握电动化新产品的需求，充分发挥本公司优势，并在新的领域投入一定的人力资源，产品研发不局限于传统产品系列，则公司业务将得到进一步拓展。